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1、1,一、扩散二、离子注入,第6章掺杂技术,2,掺杂就是使杂质进入wafer内部，并在wafer中的某区域以一定浓度分布，从而改变器件的电学性能，掺入的杂质可以是IIIA族和VA族的元素。利用掺杂技术，可以制作PN结、欧姆接触区、以及电阻等各种器件。 扩散是较早时期采用的掺杂技术，并且沿用至今，随着扩散工艺的完善，其设备和操作也已采用计算机控制了。离子注入法是上个世纪60年代发展起来的一种在很多方面都优于扩散法的掺杂工艺，离子注入技术大大推动了集成电路的 发展，使集成电路的生产进入超大规模时代。,3,扩散原理与模型 扩散描述了一种物质在另一种物质中运动的情况，就是一种原子、分子或离子在高温驱动下
2、由高浓度区向低浓度区运动的过程。集成电路中扩散的目的是为了控制杂质浓度、均匀性和重复性，以及成批大量生产器件，降低生产成本。,4,1扩散模型 扩散有气态扩散、液态扩散以及固态扩散三种。杂质也可以在硅中移动而扩散进入硅晶格内部。 杂质原子在wafer中可以替位型和填隙型两种形式存在，替位型杂质的掺入是可以改变材料电学性质的。替位型杂质在硅中的扩散方式有替代扩散、空位扩散和间隙扩散三种。一般情况下，硼、磷、砷、锑等三五主族杂质都是空位扩散模式，而金、银等重金属杂质都是间隙扩散模式。,5,6,2.扩散原理 扩散现象必须具备两个条件：温度和浓度梯度。当杂质浓度以及缺陷密度较低时，扩散运动可用菲克扩散定
3、律来描述为 。式中，J代表单位时间内杂质原子的扩散量； 即为沿x方向杂质浓度变化率；D是杂质扩散系数。负号表示扩散方向与杂质浓度的增加方向相反，也就是沿着浓度下降的方向。,7,扩散的方法有很多，液态源扩散、固态源扩散、箱法扩散、涂源扩散以及金扩散等，生产上常用的是前三种。无论是那一种扩散方法都需要经过以下步骤：开启扩散炉平衡温度；清除wafer表面的杂质及自然氧化层；将wafer送入扩散炉中，开始预淀积；升高炉温，推进并激活杂质；取出wafer，测量扩散层的电阻和结深。,8,1液态源扩散 保护性气体（如氮气）通过液态源以蒸汽形式进入扩散炉中，杂质源在高温下分解并于wafer表面的硅发生反应，然
4、后杂质以原子的形式扩散进入wafer内部，达到掺杂的目的。,9,2.固态源扩散 固态源扩散具有设备简单、操作方便、不需要盛放杂质源的器具和携带杂质源的气体、气体流量不会影响扩散结果、扩散效果好等优点。 用于固态硼扩散的杂质源为片状氮化硼，片状氮化硼首先经过氧化激活，使其表面氧化生成三氧化二硼，三氧化二硼与硅反应生成二氧化硅和硼原子，硼原子开始扩散。反应如下：,10,用于固态磷扩散的杂质源是偏磷酸铝和焦磷酸硅经过混合、干压、烧制而成的，这两种化合物在高温下分解，释放出五氧化二磷，五氧化二磷与硅反应生成磷原子，磷原子向wafer内部扩散。反应如下： 扩散时杂质源与wafer交叉相距3至5mm置于V
5、形槽 内，并且通入氮气作为保护性气体。,11,3.固-固扩散 固-固扩散是利用wafer表面含有所需杂质的氧化层作为杂质源进行扩散的方法，可得到均匀性、重复性较好的结，比较适合对于表面杂质浓度要求很严的扩散。 扩散分两步进行。第一步在低温（约700800）下淀积包含杂质的氧化层。第二步，升高反应温度，使表面的氧化层与硅反应生成杂质原子，开始再分布扩散，达到预期目的 。,12,13,4.扩散层的测量 扩散层的测量包括扩散层电阻和扩散层深度（结深）的测量。（1）扩散层电阻的测量 扩散层电阻即方块电阻。对于一块均匀的导体，其导电能力与材料的电阻率、长度L以及横截面积S都有关。若扩散薄层是边长为a的正
6、方形，而结深为 ，则这一小方块所呈现的电阻就是方块电阻，单位为/。,14,四探针法测量电阻,15,（2）结深的测量 集成电路的结深位于微米数量级，所以测量比较困难，通常采用磨角法和滚槽法测量。 磨角法是将完成扩散的wafer磨出一个的斜面（角度约为15），对磨出的斜面进行染色，然后测量计算得到结深。具体步骤 如下：用石蜡将完成扩散的wafer粘在磨角器上，用,16,金刚砂或氧化镁粉将wafer磨出斜面来；清洗磨出的斜面，然后对斜面进行镀铜染色，所用的染色剂是五水硫酸铜与氢氟酸的混合溶液。硅的电化学势比铜高，硅可将铜置换出在wafer表面染上铜，呈现红色，又因为N型wafer比P型wafer的电
7、化学势高，所以，在合适的时间内，就可以在N型区域染上红色的铜，而P型区域则不显示红色；测量染色的wafer就可以计算出结深了。,17,磨角法测量存在一定的误差，尤其对于浅结，磨角法很难精确测量，所以，要精确测量结深还要采用滚槽法测量。滚槽的半径为R，滚槽线与扩散层表面、底面的水平交线分别长2a和2b，则根据勾股定理由公式可计算得到结深，滚槽半径越大，测量结果越准确。,18,离子注入 离子注入法掺杂相比扩散法掺杂来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。目前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。1.离子注入原理 离子是原子或分子经过离子化后
8、形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进 入wafer内部达到掺杂的目的。,19,离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量，能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。离子通过与硅原子的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。,20,杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。,21,2.离子射程 离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，
9、从表面到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。 投影射程 是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。,22,23,3.离子注入剂量 注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过下面的公式计算得出 ，式中，Q是剂量；I是束流，单位是安培；t是注入时间，单位是秒；e是电子电荷，1.610-19C；n是电荷数量；A是注入面积，单位是 。4.离子注入设备 离子注入机体积庞大，结构非常复杂。根据它所能提供的离子束流大小和能量可
10、分为高电流和中电流离子注入机以 及高能量、中能量和低能量离子注入机。,24,离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速 器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。,25,（1）离子源 离子源的任务是提供所需的杂质离子。在合适的气压下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而电离，最常用的杂质源有 和 等，（2）离子束吸取电极 吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。电极由抑制电极和接地电极构成，电极上加了很高的电压，离子受到弧光反应室侧壁的排斥作用和抑制电极的吸引作用，被分离出来形成离子束向吸取电极运动。,26,27,（3）质量分析器 反应气体中可能会夹杂少量其它气体，这样，从离子源吸取的离子中除了
11、需要杂质离子外，还会有其它离子。因此，需对从离子源出来的离子进行筛选，质量分析器就是来完成这项任务的。 质量分析器的核心部件是磁分析器，在相同的磁场作用下，不同荷质比的离子会以不同的曲率半径做圆弧运动，选择合适曲率半径，就可以筛选出需要的离子。荷质比较大的 离子偏转角度太小、荷质比较小的离子偏转角度太大，,28,都无法从磁分析器的出口通过，只有具有合适荷质比的离子才能顺利通过磁分析器，最终注入到wafer中。,29,（4）加速器 为了保证注入的离子能够进入wafer，并且具有一定的射程，离子的能量必须满足一定的要求，所以，离子还需要进行电场加速。完成加速任务的是由一系列被介质隔离的加速电极组成
12、管状加速器。离子束进入加速器后，经过这些电极的连续加速，能量增大很多。 与加速器连接的还有聚焦器，聚焦器就是电磁透镜，它的任务是将离子束聚集起来，使得在传输离子时能有较高的效益，聚焦好的离子束才能确保注入剂量的均匀性。,30,31,（5）扫描器 离子束是一条直径约13的线状高速离子流，必须通过扫描覆盖整个注入区。扫描方式有：固定wafer，移动离子束；固定离子束，移动wafer。离子注入机的扫描系统有电子扫描、机械扫描、混合扫描以及平行扫描系统，目前最常用的是静电扫描系统。 静电扫描系统由两组平行的静电偏转板组成，一组完成横向偏转，另一组完成纵向偏转。在平行电极板上施加电场，正离子就会向电压较
13、低的电极板一侧偏转，改变,32,电压大小就可以改变离子束的偏转角度。静电扫描系统使离子流每秒钟横向移动15000多次，纵向移动移动1200次。 静电扫描过程中，wafer固定不动，大大降低了污染几率，而且由于带负电的电子和中性离子不会发生同样的偏转，这样就可以避免被 掺入到wafer当中。,33,（6）终端系统 终端系统就是wafer接受离子注入的地方，系统需要完成Wafer的承载与冷却、正离子的中和、离子束流量检测等功能。 离子轰击导致wafer温度升高，冷却系统要对其进行降温，防止出现由于高温而引起的问题，有气体冷却和橡胶冷却两种技术。冷却系统集成在Wafer载具上，wafer载具有多片型
14、和单片型两种。,34,35,36,离子注入的是带正电荷的离子，注入时部分正电荷会聚集在wafer表面，对注入离子产生排斥作用，使离子束的入射方向偏转、离子束流半径增大，导致掺杂不均匀，难以控制；电荷积累还会损害表面氧化层，使栅绝缘绝缘能力降低，甚至击穿。解决的办法是用电子簇射器向wafer表面发射电子，或用等离子体来中和掉积累的正电荷。 离子束流量检测及剂量控制是通过法拉第杯来完成的。然而离子束会与电流感应器反应产生二次电子，这会正常测量偏差。在法拉第杯杯口附加一个负偏压电极以防止,37,二次电子的逸出，获得精确的测量值。电流从法拉第杯传输到积分仪，积分仪将离子束电流累加起来，结合电流总量和注
15、入时间，就可计算出掺入一定剂量的杂质需 要的时间。,38,4.离子注入工艺（1）沟道效应 入射离子与wafer之间有不同的相互作用方式，若离子能量够高，则多数被注入到wafer内部；反之，则大部分离子被反射而远离wafer。注入内部的原子会与晶格原子发生不同程度的碰撞，离子运动过程中若未与任何粒子碰撞，它就可到达wafer内部相当深的地方，这就是沟道效应。 沟道效应将使离子注入的可控性降低，甚至使得器件失效。因此，在离子注入时需要抑制这种沟道效应。在,39,wafer表面淀积一层非晶格结构材料或事先破坏掉wafer表面较薄的一层结晶层等都可降低沟道效应。,40,（2）退火 离子注入会对晶格造成
16、损伤，注入剂量较大时，wafer将会由单晶变成非晶，通过退火能修复晶格缺陷。,41,缺陷修复需要500的温度，杂质的激活需要950的高温，有高温炉退火和快速热退化两种方法。高温炉退火是在8001000的高温下加热30分钟，因会导致杂质再分布，不常采用；快速热退火采用快速升温并在1000的高温下保持很短的时间，可达到最佳效果。（3）颗粒污染 离子注入对颗粒污染非常敏感，wafer表面的颗粒会阻碍离子束的注入，大电流的注入会产生更多颗粒，必要时需 采取纠正措施。,42,（4）离子注入工艺有以下特点： 注入的离子经过质量分析器的分析，纯度很高、能量单一。而且注入环境清洁、干燥，大大降低了杂质污染。
17、注入剂量可精确控制，杂质均匀度高达1%； 注入在中低温度下进行，二氧化硅、光刻胶、氮化硅等都可以作为注入时的掩蔽层。衬底温度低，就避免了高温扩散所引起的热缺陷； 离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底中的固溶 度限制；,43,对于化合物半导体采用离子注入技术，可不该变组分而达到掺杂的目的； 离子注入的横向掺杂效应比扩散大大减少了； 离子注入最大的缺点就是高能离子轰击wafer对晶格结构造成的损伤；（5）离子注入工艺的应用 改变导电类型，形成PN结，如形成源、漏以及阱等；改变起决定作用的载流子浓度，以调整器件工作条件；改变衬底结构；合成化合物。,44,5.离子注入质量检测 离子注入层的检查与扩散层的检测项目、检测方法基本相同。（1）颗粒污染 测量检测wafer表面的颗粒数，颗粒会造成掺杂的空洞。颗粒的可能来源有：电极放电；机械移动过程中的外包装；注入机未清洁干净；温度过高造成光刻胶脱落；背面的冷却橡胶；wafer处理过程产生的颗粒。,45,（2）剂量控制 掺杂剂量不合适导致方块电阻偏高或偏低。掺杂剂量不合适的原因有：工艺流程错误；离子束电流检测不够精确；离子束中混入电子，造成计数器计算离子数量的错误，导致掺杂剂量过大；退火问题。（3）超浅结结深 掺杂剖面不正确，高温会造成杂质再分布，增加结深以及横向掺杂效应；沟道效应影响离子的分布。,