掺杂技术课件.ppt

集成电路芯片制造实用技术 第5章 掺杂工艺 第5章 掺杂工艺 5.1 概述 5.2 扩散 5.3 离子注入掺杂 5.4 掺杂质量评价 5.5 实训 扩散工艺规程 5.1 概述 掺杂是指将需要的杂质掺入到特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触的目的。 扩散和离子注入 5.1 概述 5.2 扩散 扩散技术目的在于控制半导体中特定区域内杂质的类型、浓度、深度和PN结。在集成电路发展初期是半导体器件生产的主要技术之一。但随着离子注入的出现，扩散工艺在制备浅结、低浓度掺杂和控制精度等方面的巨大劣势日益突出，在制造技术中的使用已大大降低。 间隙式扩散 替位式扩散 推填式扩散 5.2.1 间隙式扩散 5.2.2 替位式扩散 5.2.3 推填式扩散 5.2.4 扩散的工艺 1．扩散设备 2．扩散的工艺流程 （1）程序鉴定测试以确保设备符合产品质量标准。 （2）利用批次控制系统验证晶圆特性。 （3）下载所需扩散参数的制程处方。 （4）设定炉管，包括温度分布。 （5）清洁晶圆并将晶圆浸入氢氟酸以移除原生氧化物。 （6）执行预沉积：装载晶圆于沉积炉管中并进行掺质扩散。 （7）推进：升高炉温，推进并激活杂质，然后卸载出晶圆。 （8）测量、评估及记录结深与电阻。 3．扩散常用的杂质 5.3 离子注入掺杂 离子注入技术是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。早在1952年，美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善半导体的特性。1954年前后，Shockley提出采用离子注入技术能够制造半导体器件，并且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。1955年，英国的W.D.Cussins发现硼离子轰击锗晶片时，可在N型材料上形成P型层。到了1960年，对离子射程的计算和测量、辐射损伤效应以及沟道效应等方面的重要研究已基本完成。在这以后，离子注入技术已开始在半导体器件生产中得到广泛应用。1968年报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分布的变容二极管及铝栅自对准MOS晶体管。1972年以后对离子注入现象有两人更深入的了解，目前离子注入技术已经成为甚大规模集成电路制造中最主要的掺杂工艺。 5.3.1 离子注入的基本原理 离子注入和退火再分布 基本原理是用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。 5.3.1 离子注入的基本原理 5.3.2 离子注入设备 （1）离子源，用于产生和引出某种元素的离子束，这是离子注入机的源头。 （2）加速器，对离子源引出的离子束进行加速，使其达到所需的能量。 （3）离子束的质量分析（离子种类的选择）。 （4）离子束的约束与控制。 （5）靶室。 （6）真空系统。 5.3.2 离子注入设备 2．离子源 离子源是产生注入用正离子的部件，其原理是把含有要注入杂质的单质元素或化合物引入离子源中。放电管内的自由电子在电磁场作用下获得足够高的动能，这些高能电子把中性掺杂原子的外层电子打出来后，掺杂原子变成正离子，再将这些掺杂离子经过引出电极引出，由初聚焦系统聚成离子束后，射向磁分析器。 3．加速器 4．磁分析器 5．静电扫描/偏转系统 6．靶室 6．靶室 7．真空系统 5.3.3 安全注意事项 （1）毒性物质检测与防护：气态离子源所使用的气体皆是毒气，且固态离子源使用的物质也对身体有害。另外真空系统中及离子束线管壁上，皆会有毒性物质附着。 （2）高电压放电防护：高电压区通常至少有二万伏特以上的高电压； （3）辐射线的防止与防护： 5.3.4 离子注入的杂质分布 5.3.5 离子注入后造成的损伤与退火 5.3.6 离子注入的应用与特点 应用 （1）改变主要导电载流子的种类，以形成P-N结:如形成阱区（Well）及源/漏极（Source/Drain）。 （2）改变主要导电载流子数量，以调整器件工作条件；如调整晶体管阈值电压（Threshold Voltage），防止结穿通（Punchthrough），或是调整多晶硅的导电率。 （3）改变衬底结构：如形成非晶硅以增进掺杂离子的活化率，或减少离子隧穿效应（Ino Channeling），或改善金属硅化物的反应与热稳定性。 （4）合成化合物：如高剂量的氧注入，以形成埋层的二氧化硅。 2．离子注入掺杂技术的特点 （1）它是一种纯净的无公害的表面处理技术。 （2）无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度。 （3）离子注入层由离子束与基体表面