电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术
西安交通大学微电子技术教研室
第十一章
掺 杂
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
目 标
通过本章的学习，将能够,
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,对离子注入有一个总体认识，包括它的优缺点；
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。
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造常用杂质
受主杂质
IIIA
(P - T yp e )
半导体
IVA
施主杂质
VA
(N - T yp e )
元素
原子序
数
元素 原子序数 元素 原子序数
B or on ( B ) 5 C a rbon ( C ) 6 Nitroge n ( N ) 7
Alumi num ( A l ) 13 S il icon ( S i) 14 P h osp h or u s (P ) 15
Ga ll ium ( Ga ) 31 Ge rma nium 32 Ar se n ic ( As) 33
I ndium ( In ) 49 Tin ( Sn ) 50 Antim on y ( Sb ) 51
表 17.1
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具有掺杂区的 CMOS结构
N-沟道晶体管 P-沟道晶体管
LI oxide
p– 外延层
p+ 硅衬底
STI STI STI n+ p+
p-well n-well
p+ p
–
p+ p
–
p+
n+ n
–
n+ n
–
n+
A
B
C
E F
D G
H
K L I J M N
O
n+
n
n++
p+
p
p++
Figure 17.1
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CMOS 制作中的一般掺杂工艺
工艺步骤 杂质 掺杂方式
A, p + 硅衬底 B D i f f usi on
B, p
-
外延层 B D i f f usi on
C, 倒掺杂 n 阱 P I on I m pl ant
D, 倒掺杂 p 阱 B I on I m pl ant
E,p - 沟道器件穿通 P I on I m pl ant
F, p - 沟道阈值电压 （ V
T
） 调整 P I on I m pl ant
G, n - 沟道器件穿通 B I on I m pl ant
H,n - 沟道阈值电压 （ V
T
） 调整 B I on I m pl ant
I, n 沟道器件轻掺杂漏区 ( L D D ) As I on I m pl ant
J, n - 沟道器件源漏区 ( S/ D ) As I on I m pl ant
K, p - 沟道器件（ L D D ） BF
2
I on I m pl ant
L, p - 沟道器件源漏区 （ S/ D ） BF
2
I on I m pl ant
M,硅 Si I on I m pl ant
N, 多晶硅 P
or B
I on I m pl ant
or D i f f usi on
O, Si O
2
掺杂 P or B
I on I m pl ant
or D i f f usi on
Table 17.2
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硅片中的掺杂区
氧化硅 氧化硅
p+ 硅衬底
掺杂气体
N
扩散区
Figure 17.3
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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
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扩散的概念
? 扩散是一种自然界及以发生的现象, 扩散的发生
需要两个必要的条件：浓度差；过程所必须得能
量 。
? 掺杂区和结的扩散形成
杂质
气流
扩散炉管
+ = P 杂质原子型 - = N 杂质原子型
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扩散后的晶园剖面图
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硅中的杂质扩散
在间隙位置被
转移的硅原子
Si Si Si
Si Si
Si Si Si
Si
c) 机械的间隙转移
Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si
a) 硅晶体结构 b) 替代扩散
Si Si Si
Si Si
Si Si Si
空位
杂质
d) 间隙扩散
Si Si Si
Si Si
Si Si Si
Si
在间隙位
置的杂质
Figure 17.4
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固态扩散的目的
? 在晶园表面产生一定数量的掺杂原子（浓度）
? 在晶园表面下的特定位置处形成 NP(或 PN)结
? 在晶园表面层形成特定的掺杂原子 (浓度 )分布
? 结的图形显示
理想的 横向扩散
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浓度随深度变化的曲线
晶圆纵深方向
杂质浓度
浓度（原子数
量）
深度（层数）
浓度（原子数
量）
深度（层数）
结位置
14
12
10
8
6
4
2
14
12
10
8
6
4
2
( a) ( b ) ( c )
0
1 2 3 4 5 6
0
1 2 3 4 5 6
O
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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。
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扩散工艺的步骤
预淀积
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
10
10
10
10
10
10
10
10
表面
浓度
结深
杂质浓度
晶圆体内
掺杂水平
深度（层）
1 2 3 4 5
Q
t
t
t
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硅中杂质的固溶度
10
10
10
10
10
10
10
10
5 00 7 00 13 0011 009 00 15 00
C
原子固溶
度（
m
）
c As
P
B
Sn
Sb
Al
Ga
O
Au
Cu
Zn
S
Ag
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1100° C 下硅中的固溶度极限
杂质 固溶度极限 ( a to m s / cm
3
)
A rs en i c ( A s ) 1,7 x 1 0
21
Pho s p h o r u s ( P) 1,1 x 1 0
21
Bor o n (B ) 2,2 x 1 0
20
A n t i m o n y (S b ) 5,0 x 1 0
19
A l u m i n u m (A l ) 1,8 x 1 0
19
Table 17.3
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推进氧化
水汽
氧化物
杂质
淀积后的误差函数分布
推进氧化后的高斯分布
晶圆杂质
浓度
杂质浓度
晶圆纵深方向
O
(b)
(a)
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扩散常用杂质源
杂质 杂质源 化学名称
A r s e n ic ( A s ) AsH
3
砷烷 ( g as)
P h o s p h o r u s ( P ) PH
3
磷烷 ( g a s )
P h o s p h o r u s ( P ) P OC l
3
三氯氧磷 ( liq u id )
B o r o n ( B ) B
2
H
6
乙 硼 烷 ( g a s )
B o r o n ( B ) BF
3
三 氟 化 硼 ( g as)
B o r o n ( B ) BBr
3
三 溴 化硼 ( liq u id )
An ti m o n y ( Sb ) Sb C l
5
五 氯 化 锑 ( s o lid )
SEMATECH,Diffusion Processes,” Furnace Processes and Related Topics,(Austin,TX,SEMATECH,1994),P,7,
Table 17.4
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离 子 注 入
? 概况
– 掺杂剂浓度的控制
– 离子注入的优点
– 离子注入的缺点
? 离子注入参数
– 剂量
– 射程
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硅片工艺流程中的离子注入
注入
扩散
测试 /拣选
刻蚀
抛光
光刻 完成的硅片
无图形硅片
硅片起始
薄膜
硅片制造 (前端 )
硬膜掩蔽
（氧化硅或氮化硅）
注入后退火
光刻胶掩蔽
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控制杂质浓度和深度
a) 低掺杂浓度 (n–,p–)
和浅结深 (xj)
Mask 掩蔽层
Silicon substrate
xj
低能
低剂量
快速扫描
束扫描
掺杂离子
离子注入机
b) 高掺杂浓度 (n+,p+)
和深结深 (xj)
Beam scan
高能
大剂量
慢速扫描
Mask Mask
Silicon substrate
xj
Ion implanter
Figure 17.5
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子注入机示意图
离子源
分析磁体 加速管
粒子束
等离子体
工艺腔
吸出组件
扫描盘
Figure 17.6
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离子注入机
Photograph courtesy of Varian Semiconductor,VIISion 80 Source/Terminal side
Photo 17.1
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离子注入的优点
1,精确控制杂质含量；
2,很好的杂质均匀性；
3,对杂质穿透深度有很好的控制；
4,产生单一粒子束；
5,低温工艺；
6,注入的离子能穿过掩蔽膜；
7,无固溶度极限。
Table 17.5
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
注入机分类
注入机分类 描述和应用
中低电流
? 高纯粒子束，电流大于 1 0 m a 。
? 束流能量一般 < 1 8 0 k eV 。
? 多数情况下硅片固定，扫描粒子束 。
? 穿通注入专用 。
大电流
? 产生的粒子束电流 > 1 0 m A 大剂量注入最大能到 2 5
mA 。
? 粒子束能量通常 < 1 2 0 k eV 。
? 大多数情况下粒子束固定，硅片扫描 。
? 超浅源漏区注入的超低能束流 (<4 k eV d o w n t o 2 0 0
eV ) 。
高能
? 束流能量超过 2 0 0 k eV 最高达到几个 M eV 。
? 向沟道或厚氧化层下面注入杂质 。
? 能形成倒掺杂阱和 埋层 。
痒注入机 ? 大电流系统用于 半导体上硅 (SO I) 的氧注入 。
Table 17.6
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杂质离子的射程和投影射程
人射粒
子束
硅衬底
对单个离
子停止点
Rp DRp杂
质分布
Figure 17.7
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
注入能量对应射程图
注入能量 (keV)
Pro
jec
ted
Ra
ng
e,
R p
(m
m)
10 100 1,000
0.01
0.1
1.0
B P As Sb
注入到
硅中
Figure 17.8
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
注入杂质原子能量损失
Si Si Si Si Si Si
Si Si Si Si Si Si
Si Si Si Si Si Si
Si Si Si Si Si
Si
X-射线
电子碰撞
原子碰撞
被移动的硅原子
携能杂
质离子
硅晶格
Figure 17.9
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轻离子和重离子引起的晶格损伤
轻离子冲击 重离子冲击
Figure 17.10
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Ion Implanters
? 离子源
? 引出电极 (吸极 )和离子分析器
? 加速管
? 扫描系统
? Process Chamber工艺腔
? 退火
? 沟道效应
? 颗粒
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离子源和吸极装配图
Figure 17.11
吸出组件
源室
涡轮泵
离子源绝缘体
起弧室
吸极
吸出组件
粒子束
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
Bernas 离子源装配图
前板
狭缝
起弧室
灯丝
电子反射器
气体入
口
5 V
电子反射器
阳极
+100 V
起弧室
气化喷嘴
电炉
气体导入管
DI 冷却水入口
掺杂剂气体入口
Figure 17.12
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子源和吸极交互作用装配图
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
- -
- -
- -
- -
- -
- -
N
S
N
S
120 V
起弧
吸出组件 离子源
60 kV
吸引
2.5 kV
抑制
源磁铁
5V
灯丝
To PA +粒子束
参考端
(PA电压 )
抑制电极
接地电极
Figure 17.13
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
分析磁体
石磨
离子源
分析磁体
粒子束
吸出
组件
较轻离子
重离子
中性离子
Figure 17.14
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子注入机分析磁体
Photograph courtesy of Varian Semiconductor,VIISion 80 analyzer side
Photo 17.2
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加 速 管
100 MW 100 MW 100 MW 100 MW 100 MW
0 kV +100 kV +80 kV +20 kV +40 kV +60 kV
+100 kV
粒子束 粒子束
至工艺腔
电极
来自分
析磁体
Figure 17.15
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
剂量与能量图
临近
吸收
现在应用
扩展应用 多晶掺杂
源 /漏 损伤工程
Buried
layers
倒掺杂阱
三阱
Vt 调整
沟道和漏工程
0.1 1 10 100 1000 10,000
1016
1011
1012
1013
1014
1015
1017
能量 (keV)
剂量
(at
om
s/cm
2 )
Figure 17.16
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
高能注入机的线形加速器
源
原子质量
分析磁体
线形加速器
最终能量
分析磁体
扫描盘
硅片
Figure 17.17
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空间电荷中和
+ + + + +
+
+
+
+
具有空间电荷中和地粒子束剖面
+ + + + +
+
+
+
+
粒子束膨胀剖面
掺杂离子 二次电子
Figure 17.18
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
中性束流陷阱
源
分析
磁体
加速管
中性束
流陷阱
聚焦
阳极
Y-轴
偏转 X-轴 偏转
中性束
流路径
硅片
粒子束
接地的
收集板
Figure 17.19
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
硅片的静电粒子束扫描
Y-轴
偏转
X-轴
偏转
硅片
旋转 倾斜
高频
X-轴偏转
低频
Y-轴偏移
Figure 17.20
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
注入阴影效应
光刻胶
a) 无倾斜的机械扫描
粒子束
b) 正常倾斜的静电扫描
光刻胶
Figure 17.21
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子注入硅片的机械扫描
扫描外半径
扫描内半径
注入面积
(计算的 )
溢出杯
粒子束
Figure 17.22
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控制硅片充电的电子喷淋
+
+ +
+ +
+
+
+
+ +
+
+
+
+
负偏置孔径
电子枪
二次电子靶
二次电子
正离负电子复合
Wafer
Figure 17.23
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
控制硅片充电的离子喷淋
负偏置
孔径
Ion beam
中性化
原子
硅片扫
描方向
电流
(剂量 )
监测计 等离子电
子喷淋腔
氩气入口
电子
发射
腔壁
+
+
+
+ +
+ +
+
S
N
S
N
+ +
+
Figure 17.24
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子注入机的终端口
Photograph provided courtesy of International SEMATECH
Photo 17.3
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
注入工艺腔的硅片传送器
VI
IS
ion
终端台
工艺腔
终端子系统
原子系统
注入子系统
操作界面
片架
真空锁
硅片传送器
扫描盘
监视器
Wall
Figure 17.25
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
法拉第杯电流测量
带硅片的
扫描盘
扫描方向
法拉第杯
抑制栅孔径
电流
积分仪
在盘山的取样狭缝
粒子束
Figure 17.26
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
硅单晶的退火
修复硅晶格结构
并激活杂质－硅键
b) 退火后的硅晶格 a) 注入过程中损伤的硅晶格
粒子束
Figure 17.27
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
沿 <110> 轴的硅晶格视图
Used with permission from Edgard Torres Designs
Figure 17.28
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子人射角与沟道
Used with permission from Edgard Torres Designs
<111> <100> <110>
Figure 17.29
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
来自颗粒沾污的注入损伤
Mask Mask
Silicon Substrate
粒子束扫描
离子注入机
颗粒在被注入区
产生空洞
Figure 17.30
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子注入在工艺集成中的发展趋势
不同注入工艺的实例
? 深埋层
? 倒掺杂阱
? 穿通阻挡层
? 阈值电压调整
? 轻掺杂漏区 (LDD)
? 源漏注入
? 多晶硅栅
? 沟槽电容器
? 超浅结
? 绝缘体上硅 (SOI)
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注入埋层
Figure 17.31
n-well p-well
p- Epi layer
p+ Silicon substrate
p+ Buried layer
倒掺杂阱
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
倒掺杂阱
n-well p-well
p+ 埋层
p+ Silicon substrate
N－杂质 p-type dopant
p++ n++
Figure 17.32
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
防止穿通
n-well p-well
p+ Buried layer
p+ Silicon substrate
n-type dopant p-type dopant
p+
p++
n+
n++
Figure 17.33
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
阈值电压调整的注入
n-well p-well
p+ Buried layer
p+ Silicon substrate
n-type dopant p-type dopant
p+
p++
p
n+
n++
n
Figure 17.34
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源漏区形成
+ + + + + + + + - - - - - - - - - - + + + +
+ + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - -
n-well p-well
p+ Buried layer
p+ Silicon substrate
p+ S/D implant n+ S/D implant
侧墙
氧化
硅
Drain Source Drain Source
b) p+ 和 n+ 源漏注入
(分两步进行 )
+ + + + + + + + - - - - - - - - - -
n-well p-well
p+ Buried layer
p+ Silicon substrate
p-channel transistor
p– LDD implant
n-channel transistor
n– LDD implant
Drain Source Drain Source
多晶
硅栅
a) p– 和 n– 轻掺杂源漏注入
(分两步进行 )
Figure 17.35
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
沟槽电容器的垂直侧墙上杂质注入
n+
p+
倾斜注入 形成电容器的沟槽
Figure 17.36
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超 浅 结
Figure 17.37
180 nm
20 ? 栅氧化层厚度 54 nm 砷注入层
多晶硅栅
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CMOS 晶体管和
具有埋氧化层的 CMOS晶体管
a) Common CMOS wafer construction
n-well p-well
Epi layer
Silicon substrate
b) CMOS wafer with SIMOX buried layer
n-well p-well
注入二氧化硅
Silicon substrate
Silicon substrate
Figure 17.38
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
Chapter 17 Review
? Quality Measures 508
? Troubleshooting 509
? Summary 510
? Key Terms 511
? Review Questions 512
? Equipment Suppliers’ Web Sites 513
? References 513
半导体制造技术
西安交通大学微电子技术教研室
第十一章
掺 杂
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
目 标
通过本章的学习，将能够,
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,对离子注入有一个总体认识，包括它的优缺点；
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。
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造常用杂质
受主杂质
IIIA
(P - T yp e )
半导体
IVA
施主杂质
VA
(N - T yp e )
元素
原子序
数
元素 原子序数 元素 原子序数
B or on ( B ) 5 C a rbon ( C ) 6 Nitroge n ( N ) 7
Alumi num ( A l ) 13 S il icon ( S i) 14 P h osp h or u s (P ) 15
Ga ll ium ( Ga ) 31 Ge rma nium 32 Ar se n ic ( As) 33
I ndium ( In ) 49 Tin ( Sn ) 50 Antim on y ( Sb ) 51
表 17.1
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具有掺杂区的 CMOS结构
N-沟道晶体管 P-沟道晶体管
LI oxide
p– 外延层
p+ 硅衬底
STI STI STI n+ p+
p-well n-well
p+ p
–
p+ p
–
p+
n+ n
–
n+ n
–
n+
A
B
C
E F
D G
H
K L I J M N
O
n+
n
n++
p+
p
p++
Figure 17.1
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
CMOS 制作中的一般掺杂工艺
工艺步骤 杂质 掺杂方式
A, p + 硅衬底 B D i f f usi on
B, p
-
外延层 B D i f f usi on
C, 倒掺杂 n 阱 P I on I m pl ant
D, 倒掺杂 p 阱 B I on I m pl ant
E,p - 沟道器件穿通 P I on I m pl ant
F, p - 沟道阈值电压 （ V
T
） 调整 P I on I m pl ant
G, n - 沟道器件穿通 B I on I m pl ant
H,n - 沟道阈值电压 （ V
T
） 调整 B I on I m pl ant
I, n 沟道器件轻掺杂漏区 ( L D D ) As I on I m pl ant
J, n - 沟道器件源漏区 ( S/ D ) As I on I m pl ant
K, p - 沟道器件（ L D D ） BF
2
I on I m pl ant
L, p - 沟道器件源漏区 （ S/ D ） BF
2
I on I m pl ant
M,硅 Si I on I m pl ant
N, 多晶硅 P
or B
I on I m pl ant
or D i f f usi on
O, Si O
2
掺杂 P or B
I on I m pl ant
or D i f f usi on
Table 17.2
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
硅片中的掺杂区
氧化硅 氧化硅
p+ 硅衬底
掺杂气体
N
扩散区
Figure 17.3
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
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
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
扩散的概念
? 扩散是一种自然界及以发生的现象, 扩散的发生
需要两个必要的条件：浓度差；过程所必须得能
量 。
? 掺杂区和结的扩散形成
杂质
气流
扩散炉管
+ = P 杂质原子型 - = N 杂质原子型
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
扩散后的晶园剖面图
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
硅中的杂质扩散
在间隙位置被
转移的硅原子
Si Si Si
Si Si
Si Si Si
Si
c) 机械的间隙转移
Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si
a) 硅晶体结构 b) 替代扩散
Si Si Si
Si Si
Si Si Si
空位
杂质
d) 间隙扩散
Si Si Si
Si Si
Si Si Si
Si
在间隙位
置的杂质
Figure 17.4
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
固态扩散的目的
? 在晶园表面产生一定数量的掺杂原子（浓度）
? 在晶园表面下的特定位置处形成 NP(或 PN)结
? 在晶园表面层形成特定的掺杂原子 (浓度 )分布
? 结的图形显示
理想的 横向扩散
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
浓度随深度变化的曲线
晶圆纵深方向
杂质浓度
浓度（原子数
量）
深度（层数）
浓度（原子数
量）
深度（层数）
结位置
14
12
10
8
6
4
2
14
12
10
8
6
4
2
( a) ( b ) ( c )
0
1 2 3 4 5 6
0
1 2 3 4 5 6
O
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
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。
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
扩散工艺的步骤
预淀积
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
10
10
10
10
10
10
10
10
表面
浓度
结深
杂质浓度
晶圆体内
掺杂水平
深度（层）
1 2 3 4 5
Q
t
t
t
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
硅中杂质的固溶度
10
10
10
10
10
10
10
10
5 00 7 00 13 0011 009 00 15 00
C
原子固溶
度（
m
）
c As
P
B
Sn
Sb
Al
Ga
O
Au
Cu
Zn
S
Ag
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
1100° C 下硅中的固溶度极限
杂质 固溶度极限 ( a to m s / cm
3
)
A rs en i c ( A s ) 1,7 x 1 0
21
Pho s p h o r u s ( P) 1,1 x 1 0
21
Bor o n (B ) 2,2 x 1 0
20
A n t i m o n y (S b ) 5,0 x 1 0
19
A l u m i n u m (A l ) 1,8 x 1 0
19
Table 17.3
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
推进氧化
水汽
氧化物
杂质
淀积后的误差函数分布
推进氧化后的高斯分布
晶圆杂质
浓度
杂质浓度
晶圆纵深方向
O
(b)
(a)
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
扩散常用杂质源
杂质 杂质源 化学名称
A r s e n ic ( A s ) AsH
3
砷烷 ( g as)
P h o s p h o r u s ( P ) PH
3
磷烷 ( g a s )
P h o s p h o r u s ( P ) P OC l
3
三氯氧磷 ( liq u id )
B o r o n ( B ) B
2
H
6
乙 硼 烷 ( g a s )
B o r o n ( B ) BF
3
三 氟 化 硼 ( g as)
B o r o n ( B ) BBr
3
三 溴 化硼 ( liq u id )
An ti m o n y ( Sb ) Sb C l
5
五 氯 化 锑 ( s o lid )
SEMATECH,Diffusion Processes,” Furnace Processes and Related Topics,(Austin,TX,SEMATECH,1994),P,7,
Table 17.4
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离 子 注 入
? 概况
– 掺杂剂浓度的控制
– 离子注入的优点
– 离子注入的缺点
? 离子注入参数
– 剂量
– 射程
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
硅片工艺流程中的离子注入
注入
扩散
测试 /拣选
刻蚀
抛光
光刻 完成的硅片
无图形硅片
硅片起始
薄膜
硅片制造 (前端 )
硬膜掩蔽
（氧化硅或氮化硅）
注入后退火
光刻胶掩蔽
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
控制杂质浓度和深度
a) 低掺杂浓度 (n–,p–)
和浅结深 (xj)
Mask 掩蔽层
Silicon substrate
xj
低能
低剂量
快速扫描
束扫描
掺杂离子
离子注入机
b) 高掺杂浓度 (n+,p+)
和深结深 (xj)
Beam scan
高能
大剂量
慢速扫描
Mask Mask
Silicon substrate
xj
Ion implanter
Figure 17.5
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子注入机示意图
离子源
分析磁体 加速管
粒子束
等离子体
工艺腔
吸出组件
扫描盘
Figure 17.6
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子注入机
Photograph courtesy of Varian Semiconductor,VIISion 80 Source/Terminal side
Photo 17.1
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子注入的优点
1,精确控制杂质含量；
2,很好的杂质均匀性；
3,对杂质穿透深度有很好的控制；
4,产生单一粒子束；
5,低温工艺；
6,注入的离子能穿过掩蔽膜；
7,无固溶度极限。
Table 17.5
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
注入机分类
注入机分类 描述和应用
中低电流
? 高纯粒子束，电流大于 1 0 m a 。
? 束流能量一般 < 1 8 0 k eV 。
? 多数情况下硅片固定，扫描粒子束 。
? 穿通注入专用 。
大电流
? 产生的粒子束电流 > 1 0 m A 大剂量注入最大能到 2 5
mA 。
? 粒子束能量通常 < 1 2 0 k eV 。
? 大多数情况下粒子束固定，硅片扫描 。
? 超浅源漏区注入的超低能束流 (<4 k eV d o w n t o 2 0 0
eV ) 。
高能
? 束流能量超过 2 0 0 k eV 最高达到几个 M eV 。
? 向沟道或厚氧化层下面注入杂质 。
? 能形成倒掺杂阱和 埋层 。
痒注入机 ? 大电流系统用于 半导体上硅 (SO I) 的氧注入 。
Table 17.6
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
杂质离子的射程和投影射程
人射粒
子束
硅衬底
对单个离
子停止点
Rp DRp杂
质分布
Figure 17.7
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
注入能量对应射程图
注入能量 (keV)
Pro
jec
ted
Ra
ng
e,
R p
(m
m)
10 100 1,000
0.01
0.1
1.0
B P As Sb
注入到
硅中
Figure 17.8
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
注入杂质原子能量损失
Si Si Si Si Si Si
Si Si Si Si Si Si
Si Si Si Si Si Si
Si Si Si Si Si
Si
X-射线
电子碰撞
原子碰撞
被移动的硅原子
携能杂
质离子
硅晶格
Figure 17.9
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
轻离子和重离子引起的晶格损伤
轻离子冲击 重离子冲击
Figure 17.10
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
Ion Implanters
? 离子源
? 引出电极 (吸极 )和离子分析器
? 加速管
? 扫描系统
? Process Chamber工艺腔
? 退火
? 沟道效应
? 颗粒
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子源和吸极装配图
Figure 17.11
吸出组件
源室
涡轮泵
离子源绝缘体
起弧室
吸极
吸出组件
粒子束
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
Bernas 离子源装配图
前板
狭缝
起弧室
灯丝
电子反射器
气体入
口
5 V
电子反射器
阳极
+100 V
起弧室
气化喷嘴
电炉
气体导入管
DI 冷却水入口
掺杂剂气体入口
Figure 17.12
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子源和吸极交互作用装配图
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
- -
- -
- -
- -
- -
- -
N
S
N
S
120 V
起弧
吸出组件 离子源
60 kV
吸引
2.5 kV
抑制
源磁铁
5V
灯丝
To PA +粒子束
参考端
(PA电压 )
抑制电极
接地电极
Figure 17.13
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
分析磁体
石磨
离子源
分析磁体
粒子束
吸出
组件
较轻离子
重离子
中性离子
Figure 17.14
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子注入机分析磁体
Photograph courtesy of Varian Semiconductor,VIISion 80 analyzer side
Photo 17.2
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
加 速 管
100 MW 100 MW 100 MW 100 MW 100 MW
0 kV +100 kV +80 kV +20 kV +40 kV +60 kV
+100 kV
粒子束 粒子束
至工艺腔
电极
来自分
析磁体
Figure 17.15
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
剂量与能量图
临近
吸收
现在应用
扩展应用 多晶掺杂
源 /漏 损伤工程
Buried
layers
倒掺杂阱
三阱
Vt 调整
沟道和漏工程
0.1 1 10 100 1000 10,000
1016
1011
1012
1013
1014
1015
1017
能量 (keV)
剂量
(at
om
s/cm
2 )
Figure 17.16
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
高能注入机的线形加速器
源
原子质量
分析磁体
线形加速器
最终能量
分析磁体
扫描盘
硅片
Figure 17.17
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
空间电荷中和
+ + + + +
+
+
+
+
具有空间电荷中和地粒子束剖面
+ + + + +
+
+
+
+
粒子束膨胀剖面
掺杂离子 二次电子
Figure 17.18
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
中性束流陷阱
源
分析
磁体
加速管
中性束
流陷阱
聚焦
阳极
Y-轴
偏转 X-轴 偏转
中性束
流路径
硅片
粒子束
接地的
收集板
Figure 17.19
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
硅片的静电粒子束扫描
Y-轴
偏转
X-轴
偏转
硅片
旋转 倾斜
高频
X-轴偏转
低频
Y-轴偏移
Figure 17.20
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
注入阴影效应
光刻胶
a) 无倾斜的机械扫描
粒子束
b) 正常倾斜的静电扫描
光刻胶
Figure 17.21
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子注入硅片的机械扫描
扫描外半径
扫描内半径
注入面积
(计算的 )
溢出杯
粒子束
Figure 17.22
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
控制硅片充电的电子喷淋
+
+ +
+ +
+
+
+
+ +
+
+
+
+
负偏置孔径
电子枪
二次电子靶
二次电子
正离负电子复合
Wafer
Figure 17.23
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
控制硅片充电的离子喷淋
负偏置
孔径
Ion beam
中性化
原子
硅片扫
描方向
电流
(剂量 )
监测计 等离子电
子喷淋腔
氩气入口
电子
发射
腔壁
+
+
+
+ +
+ +
+
S
N
S
N
+ +
+
Figure 17.24
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子注入机的终端口
Photograph provided courtesy of International SEMATECH
Photo 17.3
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
注入工艺腔的硅片传送器
VI
IS
ion
终端台
工艺腔
终端子系统
原子系统
注入子系统
操作界面
片架
真空锁
硅片传送器
扫描盘
监视器
Wall
Figure 17.25
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
法拉第杯电流测量
带硅片的
扫描盘
扫描方向
法拉第杯
抑制栅孔径
电流
积分仪
在盘山的取样狭缝
粒子束
Figure 17.26
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
硅单晶的退火
修复硅晶格结构
并激活杂质－硅键
b) 退火后的硅晶格 a) 注入过程中损伤的硅晶格
粒子束
Figure 17.27
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
沿 <110> 轴的硅晶格视图
Used with permission from Edgard Torres Designs
Figure 17.28
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子人射角与沟道
Used with permission from Edgard Torres Designs
<111> <100> <110>
Figure 17.29
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
来自颗粒沾污的注入损伤
Mask Mask
Silicon Substrate
粒子束扫描
离子注入机
颗粒在被注入区
产生空洞
Figure 17.30
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
离子注入在工艺集成中的发展趋势
不同注入工艺的实例
? 深埋层
? 倒掺杂阱
? 穿通阻挡层
? 阈值电压调整
? 轻掺杂漏区 (LDD)
? 源漏注入
? 多晶硅栅
? 沟槽电容器
? 超浅结
? 绝缘体上硅 (SOI)
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
注入埋层
Figure 17.31
n-well p-well
p- Epi layer
p+ Silicon substrate
p+ Buried layer
倒掺杂阱
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
倒掺杂阱
n-well p-well
p+ 埋层
p+ Silicon substrate
N－杂质 p-type dopant
p++ n++
Figure 17.32
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
防止穿通
n-well p-well
p+ Buried layer
p+ Silicon substrate
n-type dopant p-type dopant
p+
p++
n+
n++
Figure 17.33
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
阈值电压调整的注入
n-well p-well
p+ Buried layer
p+ Silicon substrate
n-type dopant p-type dopant
p+
p++
p
n+
n++
n
Figure 17.34
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
源漏区形成
+ + + + + + + + - - - - - - - - - - + + + +
+ + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - -
n-well p-well
p+ Buried layer
p+ Silicon substrate
p+ S/D implant n+ S/D implant
侧墙
氧化
硅
Drain Source Drain Source
b) p+ 和 n+ 源漏注入
(分两步进行 )
+ + + + + + + + - - - - - - - - - -
n-well p-well
p+ Buried layer
p+ Silicon substrate
p-channel transistor
p– LDD implant
n-channel transistor
n– LDD implant
Drain Source Drain Source
多晶
硅栅
a) p– 和 n– 轻掺杂源漏注入
(分两步进行 )
Figure 17.35
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
沟槽电容器的垂直侧墙上杂质注入
n+
p+
倾斜注入 形成电容器的沟槽
Figure 17.36
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
超 浅 结
Figure 17.37
180 nm
20 ? 栅氧化层厚度 54 nm 砷注入层
多晶硅栅
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
CMOS 晶体管和
具有埋氧化层的 CMOS晶体管
a) Common CMOS wafer construction
n-well p-well
Epi layer
Silicon substrate
b) CMOS wafer with SIMOX buried layer
n-well p-well
注入二氧化硅
Silicon substrate
Silicon substrate
Figure 17.38
电信学院 微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
Chapter 17 Review
? Quality Measures 508
? Troubleshooting 509
? Summary 510
? Key Terms 511
? Review Questions 512
? Equipment Suppliers’ Web Sites 513
? References 513
