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微电子制造技术第 17 章 掺 杂 概 述 本征硅的导电性能很差，是不能直接用于芯片制造的，只有在硅中加入一定的杂质，使电导率发生明显变化时，硅才可以用于半导体制造。在硅中加入杂质的过程称为掺杂。 掺杂是制造半导体器件的基础，掺杂的方式有热扩散和离子注入。常用的杂质是Ⅲ族和Ⅴ族元素中的硼（B）和磷（P）。 芯片特征尺寸的不断减小和集成度的不断增加，迫使各种器件尺寸不断缩小。特别是MOS器件沟道长度的减小要求源漏结的掺杂区更浅，现在最小的结深是30nm。 本章重点 1. 解释掺杂在芯片制造过程中的目的和应用； 2. 讨论杂质扩散的原理和过程； 3. 了解离子注入相对于热扩散的优缺点； 4. 讨论剂量和射程在离子注入中的重要性； 5. 列举并描述离子注入机的5各主要子系统； 6. 解释离子注入中的退火效应和沟道效应； 7. 描述离子注入的各种应用。 表17.1 半导体制造常用杂质 掺杂在芯片制造中的应用 表17.2 CMOS 制作中的一般掺杂工艺 掺 杂 区 硅片的掺杂是在单晶硅生长过程中完成的，可以形成p型或者n型硅。在芯片制造过程中有选择地引入杂质是为了实现各种器件结构。杂质是通过硅片上的掩膜窗口有选择性地进入硅的晶体结构中，形成掺杂区(见图17.3)。描述掺杂区的特性参数有掺杂量(包括杂质的分布形式)和结深。 掺杂区杂质的类型可以与硅片的类型相反，也可以与硅片的类型相同。掺杂区的类型由p型转变为n型或者相反的情况，就形成了pn结。 硅片在整个制造过程中要经历多次高温工艺，而每次的高温工艺都会造成杂质在硅中的扩散，从而改变掺杂区的原始参数并影响器件性能。 扩 散 扩散原理 三个步骤 预淀积 推进 激活 掺杂剂移动 固溶度 横向扩散 扩散工艺 硅片清洗 杂质源 扩散的概念 扩散是一种自然的物理过程，扩散的发生需要两个必要的条件：浓度差及过程所必须的能量。 掺杂区和扩散结的形成 固态扩散的目的 在晶园表面薄层产生一定数量的掺杂原子 在晶园表面下的特定位置处形成np(或pn)结 在晶园表面薄层形成特定的掺杂原子分布 结的图形显示 理想的 横向扩散 Table 17.3 1100°C 下硅中的固溶度极限 扩 散 工 艺 完成扩散过程所需的步骤： 1. 进行质量测试以保证工具满足生产质量标准； 2. 使用批控制系统，验证硅片特性；. 3. 下载包含所需的扩散参数的工艺菜单； 4. 开启扩散炉，包括温度分布； 5. 清洗硅片并浸泡氢氟酸，去除自然氧化层； 6. 预淀积：把硅片装入扩散炉，扩散杂质； 7. 推进：升高炉温，推进并激活杂质，然后撤除硅片； 8. 测量、评价、记录结深和电阻。 表17.4 扩散常用杂质源 扩散层中杂质原子的浓度分布 实际上由于扩散层的结深相对于平面尺寸来讲要小的多，所形成的pn结基本上可看作平行于表面的。这样，菲克第二定律就可写成： 其物理意义为：存在浓度梯度的情况下，随着时间的变化某处浓度的变化（增加或减少）是扩散粒子在该点的积累或流失的结果。 求解上述扩散方程，就可以得到浓度随时间和位置的函数关系。不过随着边界条件和初始条件的不同，其解的形式就有所不同。 预淀积（恒定表面源扩散） 恒定表面源扩散是指扩散过程中硅片始终处于含源的气氛中，即硅片表面浓度始终保持不变，只是随时间的变化扩散层中的杂质数在增多，预淀积后的杂质分布可由以下初始和边界条件解得 影响扩散层参数（结深、浓度等）的几个因素： 杂质的扩散系数 杂质在晶园中的最大固溶度 再分布（有限源扩散） 有限源扩散是指在扩散过程中，杂质源限定于扩散前淀积在硅片表面薄层内的杂质总数不变，依靠这些有限的杂质向硅中扩散，随着时间得增加，结深增加，表面浓度下降。 薄层（方块）电阻 标志扩散层质量的一个重要参数，是器件生产过程中着重控制和检验的参数之一，因为电阻本身的物理意义是反应了被测物体电导率的大小（或载流子浓度的多少）。 对如图所示的正方形扩散 层，若在图示方向加上电流， 可测得薄层的电阻值为： Rs=ρ?L/LXj=ρ/Xj (Ω/方块) ρ为电阻率，由此可见薄层电阻只与电阻率和薄层的厚度（Xj）有关，而与边长无关。由于薄层电阻测量简单，工艺过程中常用测量它来判断扩散层的质量是否符合工艺设计要求。 四探针测量薄层电阻 在工艺线上，广泛使用测量方块电阻的方法是四探针法。 要求两探针间的距离应小于膜层的厚度。 S：探针之间的距离 常量4.53是在探针间距很小且薄层尺寸无限大的假设