微電子工藝基礎摻雜技術2022/11/3微電子工藝基礎摻雜技術微電子工藝基礎摻雜技術2022/11/2微電子工藝基礎摻雜技1第9章摻雜技術本章目標：1、熟悉摻雜技術的兩種方式2、熟悉擴散摻雜的原理3、掌握離子注入相關概念及其原理4、熟悉離子注入的工藝流程5、了解離子注入系統的設備及其優點微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術本章目標：1、熟悉摻雜技術的兩種方式微電2第9章摻雜技術一、擴散二、離子注入技術三、集成電路的形成微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術一、擴散微電子工藝基礎摻雜技術3第9章摻雜技術一、擴散1、擴散原理2、雜質在硅中的擴散3、擴散設備與工藝4、工藝質量檢測微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術一、擴散微電子工藝基礎摻雜技術4第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理擴散是微電子工藝中最基本的平面工藝，在約1000℃的高溫、p型或n型雜質氣氛中，雜質向襯底硅片的確定區域內擴散，達到一定濃度，實現半導體定域、定量摻雜的一種工藝方法，也叫熱擴散。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散15第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（1）擴散方式①固相擴散擴散是一種自然現象，由物質自身的熱運動引起。微電子工藝中的擴散是雜質在晶體內的擴散，因此是一種固相擴散。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散16第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（1）擴散方式②擴散的方式晶體內擴散是通過一系列隨機跳躍來實現的，這些跳躍在整個三維方向進行，有多種方式，最主要有：A填隙式擴散B替位式擴散C填隙-替位式擴散微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散17第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（1）擴散方式②擴散的方式

A填隙式擴散微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散18第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（1）擴散方式②擴散的方式

B替位式擴散微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散19第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（1）擴散方式②擴散的方式

C填隙-替位式擴散許多雜質既可以是替位式也可以是填隙式溶于晶體的晶格中，并以填隙-替位式擴散。這類擴散雜質的跳躍速率隨晶格缺陷濃度，空位濃度和雜質濃度的增加而迅速增加。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散110第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（2）擴散方程①第一擴散定律晶體襯底中雜質擴散流密度與雜質濃度梯度成正比，這是第一擴散定律，也稱Fick第一定律。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散111第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（2）擴散方程①第一擴散定律微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散112第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（2）擴散方程②第二擴散定律討論晶體中雜質濃度與擴散時間關系，又稱Fick第二定律。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散113第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（2）擴散方程③影響擴散速率的因素A晶體內雜質濃度梯度；B環境溫度；C雜質本身結構、性質；D晶體襯底的結構。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散114第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（1）摻雜的目的（P218）A在晶圓表面下的特定位置處形成PN結（結合P218的圖11.3-圖11.5）；B在晶圓表面下得到所需的摻雜濃度；（結合P219同型摻雜）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散215第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）硅中的雜質類型

①替位式雜質主要是III和V族元素，具有電活性，在硅中有較高的固溶度。多以替位方式擴散，擴散速率慢，稱為慢擴散雜質。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散216第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）硅中的雜質類型

②填隙式雜質主要是I和Ⅷ族元素，Na、K、Li、H、Ar等，它們通常無電活性，在硅中以填隙式方式進行擴散，擴散速率快。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散217第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）硅中的雜質類型

③填隙-替位式雜質大多數過渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以填隙-替位式方式擴散，約比替位擴散快五六個數量級，最終位于間隙和替位這兩種位置，位于間隙的雜質無電活性，位于替位的雜質具有電活性。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散218第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）擴散方程的解

①恒定源擴散恒定源擴散是硅一直處于雜質氛圍中，硅片表面達到了該擴散溫度的固溶度Ns。解擴散方程：NbNsxj1xj2xj3xNt1t2t3邊界條件為：N（0，t）=Ns初始條件為：N（x，0）=0微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散219第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）擴散方程的解

①恒定源擴散NbNsxj1xj2xj3xNt1t2t3erfc稱為余誤差函數，所以恒定源擴散雜質濃度服從余誤差分布。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散220第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）擴散方程的解

②限定源擴散限定源擴散是在整個擴散過程中，雜質源限定在擴散前積累于硅片表面薄層內的雜質總量Q。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散221第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）擴散方程的解

②限定源擴散XXjixj2xj3NsNs’Ns”t1t2t3邊界條件：初始條件：解擴散方程：Nb微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散222第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）擴散方程的解

②限定源擴散限定源擴散雜質濃度是一種高斯函數分布。擴散過程中雜質表面濃度變化很大，但雜質總量Q不變。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散223第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（3）實際擴散

①場助擴散效應硅襯底的摻雜濃度對雜質的擴散速率有影響，襯底摻雜濃度高時這一影響將使擴散速率顯著提高，稱之為場助擴散效應。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散224第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（3）實際擴散

②橫向擴散效應（P218）不管是擴散還是離子注入都會發生橫向擴散現象，橫向擴散的線度是縱向擴散的0.75-0.85倍。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散225第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

①液態源（參見教材P223）液態源通常是所需摻雜元素的氯化物或溴化物。例如：POCl3、BBr3選擇源必需滿足固溶度和擴散系數的要求。另外還要選擇好掩蔽膜。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散326第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

①液態源（參見教材P223）液相源擴散系統微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散327第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

①液態源（參見教材P223）層流形成系統：微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散328第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

②固態源（參見教材P223）最原始的淀積源。固態源通常是氧化物B2O3、Sb2O5、P2O5等陶瓷片或粉體，也有用BN。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散329第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

②固態源使用固態源的三種方式：（參見教材P225）A遠程源（匙）B近鄰源（圓片）C涂抹源微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散330第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

②固態源（參見教材P223）固相源擴散系統微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散331第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

③氣態源（參見教材P224）氣態源通常是氫化物：B2H6、PH3、AsH3、BCl3，最受歡迎的擴散源方式。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散332第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

③氣態源（參見教材P224）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散333第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（2）擴散流程①預淀積：（參見P222）A預清洗與刻蝕B爐管淀積C去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）D評估（假片或陪片）②再分布（評估）：（參見P226）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散334第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（2）擴散流程

①預淀積評估（假片或陪片）：通常測方塊電阻，方塊電阻是指表面為正方形的薄膜，在電流方向的電阻值。

爐管淀積：一般予淀積溫度較低，時間也較短。氮氣保護。去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）：爐管淀積后的窗口表面有薄薄的一層硼硅玻璃，用HF漂去。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散335第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（2）擴散流程

①預淀積微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散336第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（2）擴散流程

②再分布（評估）再分布溫度較高，時間也較長。通氧氣直接生長氧化層。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散337第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（2）擴散流程

②再分布（評估）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散338第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（2）擴散流程擴散工藝有一步工藝和兩步工藝：①一步工藝是恒定源擴散，雜質分布服從余誤差分布；②兩步工藝分為予淀積和再分布兩步予淀積是恒定源擴散，目的是在擴散窗口硅表層擴入總量一定的摻雜元素。再分布是限定源擴散，摻雜源總量已在予淀積時擴散在窗口上了，再分布的目的是使雜質在硅中具有一定的分布或達到一定的結深。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散339第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（3）B擴散原理：2B2O3+3Si→4B+3SiO2

選源：固態BN源使用最多，必須活化。800-1000℃活化：4BN+3O2→2B2O3+2N2特點：B與Si晶格失配系數為0.254，失配大，有伴生應力缺陷，造成嚴重的晶格損傷，在1500℃，硼在硅中的最大固溶度達4*1020/cm3，但是最大電活性濃度是5*1019/cm3。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散340第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（4）P擴散原理：2P2O5+5Si→4P+5SiO2選源：固態P2O5陶瓷片源使用最多，無須活化。特點：磷是n形替位雜質，失配因子0.068，失配小，雜質濃度可達1021/cm3，該濃度即為電活性濃度。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散341第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（5）例子（N+PN晶體管）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散342微電子工藝基礎摻雜技術微電子工藝基礎摻雜技術43第9章摻雜技術

一、擴散4、工藝質量檢測（1）工藝指標

①雜質表面濃度②結深③薄層電阻④分布曲線（2）工藝條件（T,t）的確定

解析擴散方程獲得工藝條件，目前用計算機模擬的工藝參數。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散444第9章摻雜技術

一、擴散4、工藝質量檢測（3）工藝參數測量

①染色法測結深②陽極氧化測分布函數③四探針法測方塊電阻④四探針法測電阻率（4）電參數測量

I-V曲線微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散445第9章摻雜技術二、離子注入技術1、概述2、離子注入工藝3、離子注入技術的應用微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術二、離子注入技術微電子工藝基礎摻雜技術46第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（1）熱擴散的限制

①橫向擴散②實現淺結困難③摻雜濃度控制精度④表面污染微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注47第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（2）離子注入技術的引入

高集成度電路的發展需要更小的特征圖形與更近的電路器件間距。熱擴散對電路的生產已有所限制，于是離子注入法誕生。（見教材P228）離子注入是將含所需雜質的化合物分子（如BCl3、BF3）電離為雜質離子后，聚集成束用強電場加速，使其成為高能離子束，直接轟擊半導體材料，當離子進入其中時，受半導體材料原子阻擋，而停留在其中，成為半導體內的雜質。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注48第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（2）離子注入源

對于離子注入而言，只采用氣態或固態源材料。由于便于使用和控制，所以離子注入偏向于使用氣態源。大多數的氣態源通常是氟化物，比如PF5、AsF5、BF3、SbF3與PF3。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注49第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（3）離子注入原理

離子注入是離子被強電場加速后注入靶中，離子受靶原子阻止，停留其中，經退火后雜質進入替位、電離成為具有電活性的雜質。這一過程是一非平衡的物理過程（擴散為化學過程）。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注50第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（4）離子穿透深度

①核阻止離子與硅原子核碰撞，離子能量轉移到硅原子核上，結果將使離子改變運動方向，而硅原子核可能離開原位，成為填隙硅原子核。②電子阻止離子與硅中的束縛電子或自由電子碰撞，能量轉移到電子，由于離子質量遠大于電子，離子方向不變，能量稍減，而束縛電子被激發或電離，自由電子發生移動。影響離子穿透深度的因素有：微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注51第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（4）離子穿透深度

行程（R）射程（RP）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注52微電子工藝基礎摻雜技術微電子工藝基礎摻雜技術53第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（5）注入離子分布與劑量（P235）①分布函數注入離子的能量是按幾率分布的，所以雜質分布也是按幾率分布的。離子注入后雜質濃度的分布接近高斯分布。（教材P235）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注54第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（5）注入離子分布與劑量（P235）②注入離子劑量理論上可以由離子電流大小來量度：其中：I為電流；t為時間；A為注入面積。實際上高能離子入射到襯底時，一小部分與表面晶核原子彈性散射而從襯底表面反射回來并未進入襯底，這叫作背散射現象。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注55第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（5）注入離子分布與劑量（P235）③影響注入的兩種效應A側向效應與擴散比側向雜質濃度很小，可以不考慮。B溝道滲透效應襯底為單晶材料，如果粒子束準確的沿著晶格方向注入，注入縱向分布峰值與高斯分布不同。一部分粒子束穿過較大距離。這就是溝道滲透效應。（P236）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注56第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（6）注入損傷與退火（P235-236）①晶格損傷（詳細可參考P235最下部分）高能離子在硅（靶）內與晶格多次碰撞，能量轉移到晶格，晶格原子位移，位移原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，即出現級聯碰撞，從而導致晶格損傷。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注57第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（6）注入損傷與退火（P235-236）②退火B注入雜質電激活注入的雜質多以填隙式方式存在于硅中，無電活性。退火，在某一高溫下保持一段時間，使雜質通過擴散進入替位位置，有電活性。A修復晶格損傷退火的目的：微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注58第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（6）注入損傷與退火（P235-236）②退火退火特點：A效果與溫度，時間有關，溫度越高、時間越長退火效果越好。B退火使得雜質再分布。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注59第9章摻雜技術

二、離子注入技術2、離子注入工藝（1）襯底與掩膜①襯底為（111）晶向硅時，為了防止溝道滲透效應，一般采取偏離晶向7°②掩膜因為離子注入是在常溫下進行，所以光刻膠、二氧化硅薄膜、金屬薄膜等多種材料都可以作為掩膜使用，要求掩蔽效果達到99.99%。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注60第9章摻雜技術

二、離子注入技術2、離子注入工藝（2）注入方法

A直接注入：離子在光刻窗口直接注入Si襯底。射程大、雜質重時采用。B間接注入法：通過介質薄膜或光刻膠注入襯底晶體。間接注入沾污少，可以獲得精確的表面濃度。C多次注入：通過多次注入使雜質縱向分布精確可控，與高斯分布接近；也可以將不同能量、劑量的雜質多次注入到襯底硅中，使雜質分布為設計形狀。

微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注61第9章摻雜技術

二、離子注入技術2、離子注入工藝（3）注入工藝

A離子化B質譜分析（選擇合適粒子）C電場加速D聚焦微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注62第9章摻雜技術

二、離子注入技術2、離子注入工藝（4）退火①高溫退火②快速退火③激光退火④電子束退火后兩種方法是較新的低溫退火工藝。退火溫度要低于擴散雜質時溫度以防止橫向擴散。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注63第9章摻雜技術

二、離子注入技術3、離子注入技術的應用（1）優點①離子注入克服熱擴散的幾個問題：A橫向擴散，沒有側向擴散B淺結C粗略的摻雜控制D表面污染的阻礙②離子注入引入的額外的優勢：（P228）A在接近常溫下進行B使寬范圍濃度的摻雜成為可能微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注64第9章摻雜技術

二、離子注入技術3、離子注入技術的應用（2）設備微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注65第9章摻雜技術

二、離子注入技術3、離子注入技術的應用（2）設備微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注66第9章摻雜技術

二、離子注入技術3、離子注入技術的應用（3）缺點①設備昂貴②設備在高壓和更多有毒氣體的使用上出現新的危險③超淺結不易控制微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注67第9章摻雜技術三、集成電路的形成1、概述2、器件與集成電路工藝的區別3、電隔離4、電連接5、局部氧化6、平面化7、吸雜微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術三、集成電路的形成微電子工藝基礎摻雜技術68第9章摻雜技術三、集成電路的形成1、概述IC是指在一個芯片上制備多個微電子元件（晶體管、電阻、電容等），各元件之間是電隔離的。IC采用金屬薄膜實現各元件之間的電連接，由此構成電路。集成電路的制造工藝與分立器件的制造工藝一樣都是在硅平面工藝基礎上發展起來的，有很多相同之處，同時又有所不同。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術169第9章摻雜技術

三、集成電路的形成2、器件與集成電路工藝的區別相同點：單項工藝相同的方法外延，氧化，光刻，擴散，離子注入，淀積等。不同點：主要有電隔離，電連接，局部氧化，平整化以及吸雜等。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術2、器件與70第9章摻雜技術三、集成電路的形成3、電隔離雙極型集成電路多采用PN結隔離，是在硅片襯底上通過擴散與外延等工藝制作出隔離島，元件就做在隔離島上。（1）PN結隔離優點：工藝成熟，方法簡單，成品率高缺點：PN結有反向漏電現象，反向漏電受溫度、輻射等外部環境影響大，故PN結隔離的IC有受溫度、輻射等的外部環境影響大的缺點。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術3、電隔離71第9章摻雜技術三、集成電路的形成3、電隔離主要有SiO2，Si3N4隔離。薄膜IC，混合IC多采用介質隔離工藝。SOS集成電路（SilicononSapphire）是最早的介質隔離薄膜電路，新材料SOI（SilicononInsulator）有很大發展，SOI集成電路也是采用介質隔離工藝的電路。（2）介質隔離微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術3、電隔離72第9章摻雜技術三、集成電路的形成4、電連接集成電路各元件之間構成電路必須進行電連接，這多是采用淀積金屬薄膜，經光刻工藝形成電連接圖形，電路復雜的集成電路一般是多層金屬布線，構成電連接。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術4、電連接73第9章摻雜技術三、集成電路的形成5、局部氧化分離器件的氧化工藝是在整個硅片表面制備二氧化硅薄膜，而集成電路工藝中的氧化有時是在局部進行，如MOS型電路中以氮化硅作為掩蔽膜的局部氧化技術。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術5、局部氧74第9章摻雜技術三、集成電路的形成6、平面化超大規模集成電路的制備經過多次光刻、氧化等工藝，使得硅片表面不平整，臺階高，這樣在進行電連接時，臺階處的金屬薄膜連線易斷裂，因此，有時通過平面化技術來解決這一問題，如在金屬布線進行電連接之前，采用在硅片表面涂附聚酰亞胺膜的方法達到平面化的工藝技術。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術6、平面化75第9章摻雜技術三、集成電路的形成7、吸雜隨著集成電路集成度的大幅度提高，硅單晶本身的缺欠以及電路制備工藝中的誘生缺欠，對電路性能影響很大，特別是有源元件附近的缺欠，通過吸雜技術可以消除或減少缺欠，如通過在硅片背面造成機械損傷，噴沙或研磨，這種背損傷可以吸收雜質與缺欠。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術7、吸雜隨76第9章摻雜技術

四、作業題（1）說明用于硅中擴散常見的固態、液態、氣態源。（2）擴散的方式有哪三種？（3）影響擴散速率的因素有哪些？（4）雜質在硅中的擴散過程分為那兩步，它們分別屬于恒定源擴散還是限定源擴散，請用圖形來說明這兩個擴散過程。（5）為什么要引入離子注入技術，離子注入技術有哪些優勢？（6）離子注入的原理？（7）說明退火的目的和特點？微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術77演講完畢，謝謝聽講!再見，seeyouagain3rew2022/11/3微電子工藝基礎摻雜技術演講完畢，謝謝聽講!再見，seeyouagain3rew78微電子工藝基礎摻雜技術2022/11/3微電子工藝基礎摻雜技術微電子工藝基礎摻雜技術2022/11/2微電子工藝基礎摻雜技79第9章摻雜技術本章目標：1、熟悉摻雜技術的兩種方式2、熟悉擴散摻雜的原理3、掌握離子注入相關概念及其原理4、熟悉離子注入的工藝流程5、了解離子注入系統的設備及其優點微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術本章目標：1、熟悉摻雜技術的兩種方式微電80第9章摻雜技術一、擴散二、離子注入技術三、集成電路的形成微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術一、擴散微電子工藝基礎摻雜技術81第9章摻雜技術一、擴散1、擴散原理2、雜質在硅中的擴散3、擴散設備與工藝4、工藝質量檢測微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術一、擴散微電子工藝基礎摻雜技術82第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理擴散是微電子工藝中最基本的平面工藝，在約1000℃的高溫、p型或n型雜質氣氛中，雜質向襯底硅片的確定區域內擴散，達到一定濃度，實現半導體定域、定量摻雜的一種工藝方法，也叫熱擴散。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散183第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（1）擴散方式①固相擴散擴散是一種自然現象，由物質自身的熱運動引起。微電子工藝中的擴散是雜質在晶體內的擴散，因此是一種固相擴散。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散184第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（1）擴散方式②擴散的方式晶體內擴散是通過一系列隨機跳躍來實現的，這些跳躍在整個三維方向進行，有多種方式，最主要有：A填隙式擴散B替位式擴散C填隙-替位式擴散微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散185第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（1）擴散方式②擴散的方式

A填隙式擴散微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散186第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（1）擴散方式②擴散的方式

B替位式擴散微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散187第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（1）擴散方式②擴散的方式

C填隙-替位式擴散許多雜質既可以是替位式也可以是填隙式溶于晶體的晶格中，并以填隙-替位式擴散。這類擴散雜質的跳躍速率隨晶格缺陷濃度，空位濃度和雜質濃度的增加而迅速增加。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散188第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（2）擴散方程①第一擴散定律晶體襯底中雜質擴散流密度與雜質濃度梯度成正比，這是第一擴散定律，也稱Fick第一定律。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散189第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（2）擴散方程①第一擴散定律微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散190第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（2）擴散方程②第二擴散定律討論晶體中雜質濃度與擴散時間關系，又稱Fick第二定律。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散191第9章摻雜技術

一、擴散1、擴散原理（2）擴散方程③影響擴散速率的因素A晶體內雜質濃度梯度；B環境溫度；C雜質本身結構、性質；D晶體襯底的結構。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散192第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（1）摻雜的目的（P218）A在晶圓表面下的特定位置處形成PN結（結合P218的圖11.3-圖11.5）；B在晶圓表面下得到所需的摻雜濃度；（結合P219同型摻雜）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散293第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）硅中的雜質類型

①替位式雜質主要是III和V族元素，具有電活性，在硅中有較高的固溶度。多以替位方式擴散，擴散速率慢，稱為慢擴散雜質。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散294第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）硅中的雜質類型

②填隙式雜質主要是I和Ⅷ族元素，Na、K、Li、H、Ar等，它們通常無電活性，在硅中以填隙式方式進行擴散，擴散速率快。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散295第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）硅中的雜質類型

③填隙-替位式雜質大多數過渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以填隙-替位式方式擴散，約比替位擴散快五六個數量級，最終位于間隙和替位這兩種位置，位于間隙的雜質無電活性，位于替位的雜質具有電活性。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散296第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）擴散方程的解

①恒定源擴散恒定源擴散是硅一直處于雜質氛圍中，硅片表面達到了該擴散溫度的固溶度Ns。解擴散方程：NbNsxj1xj2xj3xNt1t2t3邊界條件為：N（0，t）=Ns初始條件為：N（x，0）=0微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散297第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）擴散方程的解

①恒定源擴散NbNsxj1xj2xj3xNt1t2t3erfc稱為余誤差函數，所以恒定源擴散雜質濃度服從余誤差分布。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散298第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）擴散方程的解

②限定源擴散限定源擴散是在整個擴散過程中，雜質源限定在擴散前積累于硅片表面薄層內的雜質總量Q。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散299第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）擴散方程的解

②限定源擴散XXjixj2xj3NsNs’Ns”t1t2t3邊界條件：初始條件：解擴散方程：Nb微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散2100第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（2）擴散方程的解

②限定源擴散限定源擴散雜質濃度是一種高斯函數分布。擴散過程中雜質表面濃度變化很大，但雜質總量Q不變。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散2101第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（3）實際擴散

①場助擴散效應硅襯底的摻雜濃度對雜質的擴散速率有影響，襯底摻雜濃度高時這一影響將使擴散速率顯著提高，稱之為場助擴散效應。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散2102第9章摻雜技術

一、擴散2、雜質在硅中的擴散（3）實際擴散

②橫向擴散效應（P218）不管是擴散還是離子注入都會發生橫向擴散現象，橫向擴散的線度是縱向擴散的0.75-0.85倍。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散2103第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

①液態源（參見教材P223）液態源通常是所需摻雜元素的氯化物或溴化物。例如：POCl3、BBr3選擇源必需滿足固溶度和擴散系數的要求。另外還要選擇好掩蔽膜。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3104第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

①液態源（參見教材P223）液相源擴散系統微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3105第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

①液態源（參見教材P223）層流形成系統：微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3106第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

②固態源（參見教材P223）最原始的淀積源。固態源通常是氧化物B2O3、Sb2O5、P2O5等陶瓷片或粉體，也有用BN。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3107第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

②固態源使用固態源的三種方式：（參見教材P225）A遠程源（匙）B近鄰源（圓片）C涂抹源微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3108第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

②固態源（參見教材P223）固相源擴散系統微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3109第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

③氣態源（參見教材P224）氣態源通常是氫化物：B2H6、PH3、AsH3、BCl3，最受歡迎的擴散源方式。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3110第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（1）擴散源

③氣態源（參見教材P224）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3111第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（2）擴散流程①預淀積：（參見P222）A預清洗與刻蝕B爐管淀積C去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）D評估（假片或陪片）②再分布（評估）：（參見P226）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3112第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（2）擴散流程

①預淀積評估（假片或陪片）：通常測方塊電阻，方塊電阻是指表面為正方形的薄膜，在電流方向的電阻值。

爐管淀積：一般予淀積溫度較低，時間也較短。氮氣保護。去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）：爐管淀積后的窗口表面有薄薄的一層硼硅玻璃，用HF漂去。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3113第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（2）擴散流程

①預淀積微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3114第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（2）擴散流程

②再分布（評估）再分布溫度較高，時間也較長。通氧氣直接生長氧化層。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3115第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（2）擴散流程

②再分布（評估）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3116第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（2）擴散流程擴散工藝有一步工藝和兩步工藝：①一步工藝是恒定源擴散，雜質分布服從余誤差分布；②兩步工藝分為予淀積和再分布兩步予淀積是恒定源擴散，目的是在擴散窗口硅表層擴入總量一定的摻雜元素。再分布是限定源擴散，摻雜源總量已在予淀積時擴散在窗口上了，再分布的目的是使雜質在硅中具有一定的分布或達到一定的結深。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3117第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（3）B擴散原理：2B2O3+3Si→4B+3SiO2

選源：固態BN源使用最多，必須活化。800-1000℃活化：4BN+3O2→2B2O3+2N2特點：B與Si晶格失配系數為0.254，失配大，有伴生應力缺陷，造成嚴重的晶格損傷，在1500℃，硼在硅中的最大固溶度達4*1020/cm3，但是最大電活性濃度是5*1019/cm3。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3118第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（4）P擴散原理：2P2O5+5Si→4P+5SiO2選源：固態P2O5陶瓷片源使用最多，無須活化。特點：磷是n形替位雜質，失配因子0.068，失配小，雜質濃度可達1021/cm3，該濃度即為電活性濃度。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3119第9章摻雜技術

一、擴散3、擴散工藝與設備（5）例子（N+PN晶體管）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散3120微電子工藝基礎摻雜技術微電子工藝基礎摻雜技術121第9章摻雜技術

一、擴散4、工藝質量檢測（1）工藝指標

①雜質表面濃度②結深③薄層電阻④分布曲線（2）工藝條件（T,t）的確定

解析擴散方程獲得工藝條件，目前用計算機模擬的工藝參數。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散4122第9章摻雜技術

一、擴散4、工藝質量檢測（3）工藝參數測量

①染色法測結深②陽極氧化測分布函數③四探針法測方塊電阻④四探針法測電阻率（4）電參數測量

I-V曲線微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

一、擴散4123第9章摻雜技術二、離子注入技術1、概述2、離子注入工藝3、離子注入技術的應用微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術二、離子注入技術微電子工藝基礎摻雜技術124第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（1）熱擴散的限制

①橫向擴散②實現淺結困難③摻雜濃度控制精度④表面污染微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注125第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（2）離子注入技術的引入

高集成度電路的發展需要更小的特征圖形與更近的電路器件間距。熱擴散對電路的生產已有所限制，于是離子注入法誕生。（見教材P228）離子注入是將含所需雜質的化合物分子（如BCl3、BF3）電離為雜質離子后，聚集成束用強電場加速，使其成為高能離子束，直接轟擊半導體材料，當離子進入其中時，受半導體材料原子阻擋，而停留在其中，成為半導體內的雜質。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注126第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（2）離子注入源

對于離子注入而言，只采用氣態或固態源材料。由于便于使用和控制，所以離子注入偏向于使用氣態源。大多數的氣態源通常是氟化物，比如PF5、AsF5、BF3、SbF3與PF3。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注127第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（3）離子注入原理

離子注入是離子被強電場加速后注入靶中，離子受靶原子阻止，停留其中，經退火后雜質進入替位、電離成為具有電活性的雜質。這一過程是一非平衡的物理過程（擴散為化學過程）。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注128第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（4）離子穿透深度

①核阻止離子與硅原子核碰撞，離子能量轉移到硅原子核上，結果將使離子改變運動方向，而硅原子核可能離開原位，成為填隙硅原子核。②電子阻止離子與硅中的束縛電子或自由電子碰撞，能量轉移到電子，由于離子質量遠大于電子，離子方向不變，能量稍減，而束縛電子被激發或電離，自由電子發生移動。影響離子穿透深度的因素有：微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注129第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（4）離子穿透深度

行程（R）射程（RP）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注130微電子工藝基礎摻雜技術微電子工藝基礎摻雜技術131第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（5）注入離子分布與劑量（P235）①分布函數注入離子的能量是按幾率分布的，所以雜質分布也是按幾率分布的。離子注入后雜質濃度的分布接近高斯分布。（教材P235）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注132第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（5）注入離子分布與劑量（P235）②注入離子劑量理論上可以由離子電流大小來量度：其中：I為電流；t為時間；A為注入面積。實際上高能離子入射到襯底時，一小部分與表面晶核原子彈性散射而從襯底表面反射回來并未進入襯底，這叫作背散射現象。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注133第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（5）注入離子分布與劑量（P235）③影響注入的兩種效應A側向效應與擴散比側向雜質濃度很小，可以不考慮。B溝道滲透效應襯底為單晶材料，如果粒子束準確的沿著晶格方向注入，注入縱向分布峰值與高斯分布不同。一部分粒子束穿過較大距離。這就是溝道滲透效應。（P236）微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注134第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（6）注入損傷與退火（P235-236）①晶格損傷（詳細可參考P235最下部分）高能離子在硅（靶）內與晶格多次碰撞，能量轉移到晶格，晶格原子位移，位移原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，即出現級聯碰撞，從而導致晶格損傷。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注135第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（6）注入損傷與退火（P235-236）②退火B注入雜質電激活注入的雜質多以填隙式方式存在于硅中，無電活性。退火，在某一高溫下保持一段時間，使雜質通過擴散進入替位位置，有電活性。A修復晶格損傷退火的目的：微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注136第9章摻雜技術

二、離子注入技術1、概述（6）注入損傷與退火（P235-236）②退火退火特點：A效果與溫度，時間有關，溫度越高、時間越長退火效果越好。B退火使得雜質再分布。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注137第9章摻雜技術

二、離子注入技術2、離子注入工藝（1）襯底與掩膜①襯底為（111）晶向硅時，為了防止溝道滲透效應，一般采取偏離晶向7°②掩膜因為離子注入是在常溫下進行，所以光刻膠、二氧化硅薄膜、金屬薄膜等多種材料都可以作為掩膜使用，要求掩蔽效果達到99.99%。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注138第9章摻雜技術

二、離子注入技術2、離子注入工藝（2）注入方法

A直接注入：離子在光刻窗口直接注入Si襯底。射程大、雜質重時采用。B間接注入法：通過介質薄膜或光刻膠注入襯底晶體。間接注入沾污少，可以獲得精確的表面濃度。C多次注入：通過多次注入使雜質縱向分布精確可控，與高斯分布接近；也可以將不同能量、劑量的雜質多次注入到襯底硅中，使雜質分布為設計形狀。

微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注139第9章摻雜技術

二、離子注入技術2、離子注入工藝（3）注入工藝

A離子化B質譜分析（選擇合適粒子）C電場加速D聚焦微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注140第9章摻雜技術

二、離子注入技術2、離子注入工藝（4）退火①高溫退火②快速退火③激光退火④電子束退火后兩種方法是較新的低溫退火工藝。退火溫度要低于擴散雜質時溫度以防止橫向擴散。微電子工藝基礎摻雜技術第9章摻雜技術

二、離子注141第9章摻雜技術