半导体制造技术第十七章

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1、半导体制造技术陈弈星dreamtower@163.comdreamtower@163.com第十七章离子注入本章目标1.解释掺杂在硅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.对离子注入有整体的认识，包括优缺点.4.讨论剂量和射程在离子注入中的重要性.5.列举离子注入机的５个主要子系统.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.Table17.1半导体常用杂质杂质改变半导体的导电性具有掺杂区的CMOS结构n-channelTransistorp-channelTrans

2、istorLIoxidep–epitaxiallayerp+siliconsubstrateSTISTISTIn+p+p-welln-wellp+p–p+p–p+n+n–n+n–n+ABCEFDGHKLIJMNOn+nn++p+pp++Figure17.1CMOS制作中的一般掺杂工艺热载流子效应在小尺寸MOSFET中，不大的源-漏电压即可在漏极端附近处形成很高的电场；特别是，当MOSFET工作于电流饱和的放大状态时，沟道在漏极附近处被夹断（耗尽），其中存在强电场；随着源-漏电压的升高、以及沟道长度的缩短，夹断区

3、中的电场更强。这时，通过夹断区的载流子即将从强电场获得很大的漂移速度和动能，就很容易成为热载流子，同时这些热载流子与价电子碰撞时还可以产生雪崩倍增效应。热载流子引发的问题热载流子穿过氧化层-硅界面，形成微弱的栅电流并引起氧化层内正电荷积累，使NMOS阈值电压减小，PMOS阈值电压增大，改变了器件的性能。碰撞形成的空穴朝衬底运动，形成比栅电流大几个数量级的衬底电流，产生的压降使源和衬底之间的PN结正偏，形成“源-衬底-漏”寄生NPN，可能导致源漏击穿或是闩锁效应。短沟道效应当MOS的沟道长度与漏极耗尽区的厚度在一

4、个数量级上，则该MOS器件可以称为短沟道器件。短沟道效应会引起两种物理现象：1）限制沟道中的电子漂移特性2）阈值电压改变离子注入在硅片流程中UsedwithpermissionfromLanceKinney,AMDImplantDiffusionTest/SortEtchPolishPhotoCompletedwaferUnpatternedwaferWaferstartThinFilmsWaferfabrication(front-end)Hardmask(oxideornitride)Annealafter

5、implantPhotoresistmaskFigure17.2在硅片中的掺杂区OxideOxidep+SiliconsubstrateDopantgasNDiffusedregionFigure17.3扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在900-1200℃的高温，杂质（非杂质）气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，又称热扩散。目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型，电阻率，或形成PN结。扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。当物质内有梯度(化学位、浓度

6、、应力梯度等)存在时，由于热运动而触发(导致)的质点定向迁移即所谓的扩散。因此，扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式，结果使其浓度趋于均匀。1.扩散原理三步预扩散推进激活杂质移动固溶度横向扩散2.扩散工艺硅片清洗杂质源预淀积高温扩散炉，800-1100度，10-30分钟，杂质仅进入硅片中很薄的一层推进1000-1250度，杂质再分布形成期望的结深。同时晶圆表面被氧化，N型杂质在晶圆表面堆积，浓度增加，P型杂质易被吸入氧化层，浓度降低激活使杂质原子与晶格中的硅

7、原子键合，激活杂质原子，改变硅的电导率杂质移动(a)间隙式扩散（interstitial）(b)替位式扩散（substitutional）间隙扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg替位扩散杂质：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前题B，P，一般作为替代式扩散杂质，实际情况更复杂，包含了硅自间隙原子的作用，称填隙式或推填式扩散Ws空位浓度间隙扩散替代扩散硅中的固溶度极限1100°CTable17.3在一定温度下，硅能吸收的杂质数量是一定的，被称为固溶度极限。这个极限适用于

8、大多数物质。扩散工艺扩散8个步骤:1.进行质量测试以保证工具满足生产质量指标.2.使用批控制系统，验证硅片特性.3.下载包含所需工艺参数的工艺菜单.4.开启扩散炉，包括温度分布.5.清洗硅片并浸泡HF，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，然后撤出硅片.8.测量、评价、记录结深和电阻.扩散常用杂质源Table17.4扩散设备与工艺扩