电子科大《集成电路工艺》第十七章技术分析.ppt

1 第十七章 扩散和离子注入 微固学院 张金平 jinpingzhang@uestc.edu.cn 17.1 引 言 本章主要内容： 扩散工艺和离子注入工艺 扩散和离子注入工艺的应用 扩散和离子注入设备 本章知识要点： 掌握掺杂的目的和应用； 掌握扩散和离子注入的原理及其应用； 掌握退火效应和沟道效应 了解离子注入设备。 2 3 掺杂原因： 本征硅导电能力很差。 在硅中加入一定数量和种类的杂质，改变其电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。 17.1 引 言 半导体常用杂质 4 17.1 引 言 5 扩散: 是将一定数量和一定种类的杂质通过高温扩散掺入到硅或其它晶体中，以改变晶体的电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求的过程。 离子注入: 是在高真空的复杂系统中，产生电离杂质并形成高能量的离子束，入射到硅片靶中进行掺杂的过程。 17.1 引 言 掺杂方式 扩散：掺杂总量及浓度分布受扩散时间和温度影响；形成特征尺寸较大；扩散温度较高，需氧化物或氮化物作为掩膜。 离子注入：杂质总量及浓度分布受注入剂量、能量和推结时间及温度决定。适于小特征尺寸的芯片。注入温度较低，常用光刻胶作为掩膜。 6 17.1 引 言 具有掺杂区的CMOS结构 7 17.1 引 言 8 17.1 引 言 亚微米CMOS IC 制造厂典型的硅片流程模型 测试/拣选t 注入 扩散 刻蚀 抛光 光刻 完成的硅片 无图形的硅片 硅片起始 薄膜 硅片制造前端 9 17.1 引 言 17.2 扩散 10 扩散原理 固溶度 扩散机构 扩散方式 扩散工艺 扩散效应 17.2 扩 散 11 17.2.1 扩散原理 扩散：粒子从浓度较高的地方向着浓度较低的地方移动，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀； ? 浓度的差别越大，扩散越快； ? 温度越高，扩散也越快。 目的：在硅中加入一定数量和种类的杂质，改变其电学性质。 扩散方式：气态；液态；固态 12 1100℃硅中的固溶度 ? 固溶度：在一定温度下，衬底能够吸收杂质浓度的上限。 17.2.2 固溶度 13 14 17.2.3 杂质扩散机构 杂质原子在半导体中扩散的方式有两种： 间隙式扩散：间隙式杂质原子在晶格的间隙位置间运动。 替位式扩散：替位式杂质原子依靠周围空的格点（即空位）来进行扩散。 如对硅而言， Au、Ag、Cu、Fe、Ni 等半径较小的杂质原子按间隙式扩散； P、As、Sb、B、Al、Ga、In 等半径较大的杂质原子按替位式扩散。 15 17.2.3 杂质扩散机构 16 间隙式扩散： 必须要越过一个高度为Ei为0.6~1.2eV的势垒 越过势垒的几率： 扩散系数： 17.2.3 杂质扩散机构 17 替位式扩散： 只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位（势垒高度Ev），同时还需大于势垒高度Es 的能量，替位杂质才能运动到近邻空位上。 越过势垒的几率： 扩散系数： 由于（Ev+Es）比Ei大（其差值远大于kT），因而替位杂质扩散远比间隙杂质的扩散慢 17.2.3 杂质扩散机构 18 17.2.3 杂质扩散机构 扩散系数与温度有关 D0：扩散率 △E：扩散工艺激活能 k0：玻耳兹曼常数 T：绝对温度。 扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度保持不变 表面杂质浓度由该杂质在此温度下的固溶度决定： 边界条件1： N(0, t)= Ns 假定杂质在硅片内扩散的深度远小于硅片的厚度： 边界条件2： N(∞, t)= 0 在扩散开始时，硅片内没有杂质扩进，初始条件为： N(x, 0)= 0 x 0 一、恒定表面浓度的扩散 17.2.4 杂质扩散方式 19 x是由表面算起的垂直距离(cm)，t 代表扩散时间(s) 恒定表面源扩散，杂质为余误差分布 20 17.2.4 杂质扩散方式 ? 在一定扩散温度下，表面杂质浓度Ns为由扩散温度下的固溶度决定。 ? 扩散时间越长，扩散温度越高，扩散进硅片内的杂质数量就越多。对单位面积的半导体而言，在t 时间内扩散到体内的杂质总量可求出： 恒定表面源扩散的主要特点: ?扩散时间越长，温度越高，扩散深度越大。结深的位置由N(xj, t)= NB 和上面公式可得： 21 17.2.4 杂质扩散方式 扩散开始时，半导体表面杂质源总量一定，此种扩散称为有限源扩散。 假定扩散开始时硅表面单位面积的杂质总量为Q，且均匀地在一极薄的一层内（厚度h），杂质在硅片内要扩散的深度远大于h。 初始条件和边界条件为： N(x, 0)= 0， x h N(x, 0)= Ns= Q/h， 0 x ≤ h N(∞, t) =