集成電路制造工藝

--熱擴(kuò)散的基本原理擴(kuò)散方法第五章?lián)诫s擴(kuò)散層的質(zhì)量參數(shù)與檢測(cè)離子注入的基本原理擴(kuò)散的基本原理離子注入機(jī)的組成及工作原理離子注入的損傷與退火本章要點(diǎn)擴(kuò)散方法第五章?lián)诫s擴(kuò)散層的質(zhì)量參數(shù)與檢測(cè)離子注入的基本原理擴(kuò)散的基本原理離子注入機(jī)的組成及工作原理離子注入的損傷與退火本章要點(diǎn)§5.1擴(kuò)散的基本原理在高溫下，雜質(zhì)在濃度梯度的驅(qū)使下滲透進(jìn)半導(dǎo)體材料，并形成一定的雜質(zhì)分布，從而改變導(dǎo)電類型或雜質(zhì)濃度。思考：擴(kuò)散的條件？什么是擴(kuò)散？硅原子雜質(zhì)原子雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體后占據(jù)正常的晶格格點(diǎn)，主要是沿著空位向里擴(kuò)散雜質(zhì)種類：P,B,As,Al,Ga,Sb,Ge

雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體后從一個(gè)晶格間隙躍遷到另一個(gè)晶格間隙，逐漸向里擴(kuò)散雜質(zhì)種類：O,Au,Fe,Cu,Ni,Zn,Mg硅原子雜質(zhì)原子一、擴(kuò)散機(jī)構(gòu)：替位式和間隙式替位式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散替位式雜質(zhì)又稱慢擴(kuò)散雜質(zhì)，間隙式雜質(zhì)又稱快擴(kuò)散雜質(zhì)，工藝中作為摻雜一般選擇慢擴(kuò)散雜質(zhì)，工藝容易控制。慢擴(kuò)散雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)快擴(kuò)散雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)形成PN結(jié)。形成一定電導(dǎo)率的電阻。形成晶體管的特定區(qū)域，如：雙極型晶體管的基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū)；MOS管的源區(qū)、漏區(qū)和多晶硅柵極的摻雜。改變某些材料的機(jī)械性能。NPNP摻雜在半導(dǎo)體生產(chǎn)中的作用擴(kuò)散的三個(gè)概念是雜質(zhì)原子在硅片中擴(kuò)散的條件之一，是指沿硅片厚度方向濃度的變化率用來表征雜質(zhì)擴(kuò)散快慢的物理量D=D0exp(-ΔE/KT)(阿列尼烏斯公式）單位時(shí)間內(nèi)單位面積上通過的雜質(zhì)的粒子數(shù)，符號(hào)：J，單位：粒子數(shù)/cm2s濃度梯度擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散雜質(zhì)流密度二、擴(kuò)散規(guī)律擴(kuò)散方程菲克第一定律菲克第一定律反映了雜質(zhì)流密度、濃度梯度、擴(kuò)散系數(shù)三者的關(guān)系負(fù)號(hào)代表從高濃度向低濃度運(yùn)動(dòng)XpSiO2P-SiN菲克第二定律菲克第二定律體現(xiàn)了濃度、距離和擴(kuò)散時(shí)間三者的關(guān)系，是一個(gè)一元二次偏微分方程，要解此方程必須要有兩個(gè)輔加條件一個(gè)稱為邊界條件，一個(gè)稱為初始條件。三種不同擴(kuò)散方式下的擴(kuò)散規(guī)律（1）恒定表面源擴(kuò)散：初始條件：t=0,x>0,C(x,0)=0邊界條件：X=0,t>0,C(0,t)=CS,C(d,0)=0方程的解：在擴(kuò)散過程中外界始終提供雜質(zhì)源，硅片表面濃度恒定。雜質(zhì)劑量公式Cs：在擴(kuò)散溫度下雜質(zhì)在硅中的最大固濃度；Erfc：余誤差函數(shù)；Q：?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量：特征擴(kuò)散長度特點(diǎn)：表面濃度固定，雜質(zhì)劑量可以調(diào)整恒定源擴(kuò)散雜質(zhì)分布圖固溶度曲線離開硅片表面距離雜質(zhì)濃度（2）有限源擴(kuò)散：Q：?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量初始條件：邊界條件：方程的解：表面濃度：雜質(zhì)分布圖離開硅片表面距離雜質(zhì)濃度特點(diǎn)：表面濃度可調(diào)，雜質(zhì)劑量固定在擴(kuò)散過程中外界不再提供雜質(zhì)源，擴(kuò)散靠預(yù)先淀積在硅片表面薄層內(nèi)的雜質(zhì)向里推進(jìn)。如果再分布的特征擴(kuò)散長度遠(yuǎn)大于預(yù)淀積的特征擴(kuò)散長度，最終雜質(zhì)分布近似于高斯分布，反之，最終雜質(zhì)分布接近于余誤差函數(shù)分布。特點(diǎn)：表面濃度和雜質(zhì)劑量均實(shí)現(xiàn)可以調(diào)整（3）兩步擴(kuò)散法（3）兩步擴(kuò)散法第一步：利用恒定表面源擴(kuò)散方式在硅片表面淀積一定數(shù)量的雜質(zhì)，稱為預(yù)淀積。第二步：利用有限源擴(kuò)散的方式使淀積在硅片表面的雜質(zhì)向里推進(jìn)形成一定的分布，稱為再分布。1.內(nèi)建電場(chǎng)的影響在擴(kuò)散的高溫下，摻入雜質(zhì)基本處于離化狀態(tài)三、影響擴(kuò)散規(guī)律的其他因素施主雜質(zhì)雜質(zhì)原子正離子+電子受主雜質(zhì)雜質(zhì)原子負(fù)離子+空穴§5.1擴(kuò)散的基本原理從表面到體內(nèi)，雜質(zhì)離子和載流子都存在著濃度梯度，都會(huì)由高濃度向低濃度擴(kuò)散，但由于擴(kuò)散速率不同，造成從表面到體內(nèi)的內(nèi)建電場(chǎng)，此內(nèi)建電場(chǎng)有助于雜質(zhì)的擴(kuò)散，所以構(gòu)成了電場(chǎng)增強(qiáng)因子。B-B-B-B-B-B-E內(nèi)內(nèi)建電場(chǎng)產(chǎn)生示意圖1.內(nèi)建電場(chǎng)的影響Di本征擴(kuò)散系數(shù)ni擴(kuò)散溫度下本征載流子的濃度N摻雜濃度hE電場(chǎng)增強(qiáng)因子當(dāng)N較小時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)影響不大；當(dāng)N較大時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)開始產(chǎn)生影響，使擴(kuò)散系數(shù)增大，最大可以是本征擴(kuò)散系數(shù)的2倍。1.內(nèi)建電場(chǎng)的影響現(xiàn)象：發(fā)射區(qū)下的基區(qū)推進(jìn)深度較發(fā)射區(qū)外的基區(qū)推進(jìn)深度大產(chǎn)生原因：在擴(kuò)散層中又摻入第二種高濃度的雜質(zhì)，由于兩種雜質(zhì)原子與硅原子的晶格不匹配，造成晶格畸變從而使結(jié)面部份陷落改進(jìn)措施：采用原子半徑與硅原子半徑相接近的雜質(zhì)2.基區(qū)陷落效應(yīng)（也叫發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)）高濃度區(qū)低濃度區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)高濃度磷擴(kuò)散分布3.淺結(jié)高濃度擴(kuò)散謝謝！集成電路制造工藝

--熱擴(kuò)散的基本原理單位：江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子教研室擴(kuò)散方法第五章?lián)诫s擴(kuò)散層的質(zhì)量參數(shù)與檢測(cè)離子注入的基本原理擴(kuò)散的基本原理離子注入機(jī)的組成及工作原理離子注入的損傷與退火本章要點(diǎn)擴(kuò)散方法第五章?lián)诫s擴(kuò)散層的質(zhì)量參數(shù)與檢測(cè)離子注入的基本原理擴(kuò)散的基本原理離子注入機(jī)的組成及工作原理離子注入的損傷與退火本章要點(diǎn)§5.2

擴(kuò)散方法擴(kuò)散方法氣-固擴(kuò)散液態(tài)源擴(kuò)散：硼擴(kuò)、磷擴(kuò)固態(tài)源擴(kuò)散：片狀源、粉狀源固-固擴(kuò)散CVD摻雜二氧化硅擴(kuò)散二氧化硅乳膠源擴(kuò)散1.液態(tài)源硼擴(kuò)（1）雜質(zhì)源：硼酸三甲酯

利用保護(hù)性氣體把雜質(zhì)源蒸汽攜帶入石英管內(nèi)，雜質(zhì)在高溫下分解，并與襯底表面的硅原子發(fā)生反應(yīng)，雜質(zhì)原子向硅片內(nèi)部擴(kuò)散。一.液態(tài)源擴(kuò)散（2）擴(kuò)散原理硼預(yù)沉積裝置硼酸三甲酯高溫分解出三氧化二硼，三氧化二硼在900℃左右與硅反應(yīng)生成硼原子并沉積于硅表面，形成一層含有大量硼原子的SiO2，其中的硼原子繼續(xù)向硅中擴(kuò)散，在表面形成一層高濃度的摻雜層，完成預(yù)淀積。經(jīng)過預(yù)沉積的硅片在漂去硼硅玻璃后在氧氣中進(jìn)行再分布，使雜質(zhì)向里推進(jìn)。5寸擴(kuò)散爐（3）擴(kuò)散設(shè)備2.液態(tài)源磷擴(kuò)——三氯氧磷磷預(yù)淀積示意圖液態(tài)源磷擴(kuò)的基本原理與硼酸三甲酯相似，在磷擴(kuò)預(yù)淀積時(shí)，由于生成的PCl5對(duì)硅有腐蝕作用，所以加入少量的氧氣，將PCl5轉(zhuǎn)變成P2O5減少對(duì)設(shè)備的腐蝕，同時(shí)提高了源的利用率。POCl3蒸氣壓較高，所以源瓶放在冰水混合物中。二.固態(tài)源擴(kuò)散1.片狀源硼擴(kuò)片狀源硼擴(kuò)BN片

硼微晶玻璃片PWBPWB中的主要成份B2O3從硅片中揮發(fā)出來與硅片高溫下反應(yīng)生成B與SiO2

焦磷片（偏磷酸鋁和焦磷酸硅）2.片狀源磷擴(kuò)片狀源擴(kuò)散的特點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，擴(kuò)散結(jié)果不受氣體流量的影響，擴(kuò)散均勻性好，源片容易保存Sb2O3硅片N2,O2,HCl排氣HClSb2O3雙溫區(qū)銻擴(kuò)兩個(gè)恒溫區(qū)分別控制源溫和硅片溫度，用攜帶氣體攜帶了Sb2O3蒸氣到達(dá)硅片表面與硅反應(yīng)生成銻原子進(jìn)行預(yù)淀積，預(yù)淀積結(jié)束后取出源舟3.粉狀源銻擴(kuò)Si-SUB摻雜SiO2純SiO2三.CVD摻雜二氧化硅固-固擴(kuò)散摻雜原理：利用硅片表面含硼或磷的氧化層作為雜質(zhì)源向硅片內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散，表面雜質(zhì)濃度可控。摻雜SiO2的作用：提供雜質(zhì)源，向硅片體內(nèi)擴(kuò)散純SiO2的作用：避免雜質(zhì)外擴(kuò)散，改善硅片表面二氧化硅的質(zhì)量，提高和光刻膠的粘附性擴(kuò)散設(shè)備----PWS5000：連續(xù)式CVD設(shè)備純二氧化硅乳膠：一種烷氧基硅烷的水解聚合物式中：摻雜二氧化硅乳膠混合型摻雜乳膠共聚型摻雜乳膠四.摻雜二氧化硅乳膠源固-固擴(kuò)散混合型中的B2O3與硅反應(yīng)析出硼原子，硼原子向硅片內(nèi)部擴(kuò)散，同時(shí)共聚型摻雜乳膠中的硼原子，高溫下，獲得能量克服硅鍵的束縛，成為游離態(tài)的硼，向硅片內(nèi)部擴(kuò)散。摻雜原理：謝謝！集成電路制造工藝

--擴(kuò)散的質(zhì)量參數(shù)與檢測(cè)單位：江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子教研室擴(kuò)散方法第五章?lián)诫s擴(kuò)散層的質(zhì)量參數(shù)與檢測(cè)離子注入的基本原理擴(kuò)散的基本原理離子注入機(jī)的組成及工作原理離子注入的損傷與退火本章要點(diǎn)擴(kuò)散方法第五章?lián)诫s擴(kuò)散層的質(zhì)量參數(shù)與檢測(cè)離子注入的基本原理擴(kuò)散的基本原理離子注入機(jī)的組成及工作原理離子注入的損傷與退火本章要點(diǎn)§5.3擴(kuò)散層的質(zhì)量參數(shù)和檢測(cè)主要參數(shù)擴(kuò)散薄層電阻（方塊電阻R□）結(jié)深Xj擊穿電壓VB主要質(zhì)量問題擴(kuò)散的均勻性和重復(fù)性反向擊穿電壓表面質(zhì)量IXjLL電流流經(jīng)一個(gè)長寬相等，厚為Xj的擴(kuò)散薄層時(shí)所顯示出來的電阻，用Rs或R□來表示。因?yàn)槭情L寬相等，所以又叫方塊電阻，它是實(shí)質(zhì)是電阻，只是表示一個(gè)方塊，所以它的單位為一.擴(kuò)散薄層電阻方塊電阻的定義：利用長直導(dǎo)體電阻的公式計(jì)算公式SL所以：對(duì)于方塊電阻來說所以：方塊電阻與方塊的尺寸無關(guān)，只與結(jié)深有關(guān)。方塊電阻的大小方塊電阻的物理意義：方塊電阻反映了單位面積擴(kuò)散進(jìn)去的雜質(zhì)總量，擴(kuò)散的雜質(zhì)越多，越小。反之，越大。所以可以通過測(cè)方塊電阻來檢測(cè)擴(kuò)散進(jìn)去的單位面積的雜質(zhì)量。方塊電阻的物理意義：電位差計(jì)XjGmARR1234測(cè)出V2,3I1,4，C為系數(shù)，就可以算出RsC是與樣品尺寸有關(guān)的系數(shù)方塊電阻的測(cè)量四探針法LL′方塊電阻的應(yīng)用：——計(jì)算任意長方形薄層的電阻四探針法測(cè)方塊電阻的注意事項(xiàng)：檢流計(jì)的指針為零偏，只測(cè)2，3兩根探針之間的電壓，而不能有電流通過。為什么？？原因：如果有電流通過，則金－半接觸會(huì)形成較大的接觸電阻,記為Rms,該電阻將超過半導(dǎo)體本身的電阻，使測(cè)量值精度受到影響。XjpNXNXNBXjNpNeoX<XjNp>Ne,整體成P型材料X>XjNp<Ne,整體成N型材料X=XjNp=Ne,形成PN結(jié)幾何面二.結(jié)深1.定義：PN結(jié)所在的幾何位置到硅片表面的距離恒定源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散出發(fā)點(diǎn)——摻入的雜質(zhì)濃度=原襯底摻雜濃度2.計(jì)算：A是與襯底濃度與表面濃度比值有關(guān)的系數(shù)，可以通過查曲線或表。在粗略估算結(jié)深時(shí)，經(jīng)常用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)：當(dāng)原理同外延層厚度的測(cè)量方法，利用染色液對(duì)不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料反應(yīng)速率不同的原理磨角拋光染色測(cè)距計(jì)算3.結(jié)深的測(cè)量（1）磨角染色法XYR（2）滾槽法（1）擴(kuò)散的均勻性（2）重復(fù)性三.擴(kuò)散中常見的質(zhì)量問題造成均勻性差的原因襯底材料本身的差異恒溫區(qū)的溫度波動(dòng)雜質(zhì)蒸氣壓不穩(wěn)定1.擴(kuò)散的均勻性和重復(fù)性IIIIVVVVIV2.擊穿電壓（1）合金點(diǎn)和破壞點(diǎn)（2）表面玻璃層（3）白霧3.表面質(zhì)量問題謝謝！集成電路制造工藝

--離子注入的基本原理單位：江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子教研室擴(kuò)散方法第五章?lián)诫s擴(kuò)散層的質(zhì)量參數(shù)與檢測(cè)離子注入的基本原理擴(kuò)散的基本原理離子注入機(jī)的組成及工作原理離子注入的損傷與退火本章要點(diǎn)擴(kuò)散方法第五章?lián)诫s擴(kuò)散層的質(zhì)量參數(shù)與檢測(cè)離子注入的基本原理擴(kuò)散的基本原理離子注入機(jī)的組成及工作原理離子注入的損傷與退火本章要點(diǎn)§5.4離子注入的基本原理先使待摻雜的原子或分子電離，再加速到一定的能量，形成一定電流密度的離子束流后直接打進(jìn)半導(dǎo)體晶圓中，然后經(jīng)過退火使雜質(zhì)激活，從而達(dá)到摻雜目的。一.離子注入的定義及特點(diǎn)1.定義比較項(xiàng)目擴(kuò)散法離子注入溫度高溫（800-1200℃）注入在中等溫度下進(jìn)行（小于125℃）濃度控制受源溫、氣體流量、擴(kuò)散溫度、時(shí)間等多種因素影響能在很大范圍內(nèi)精確控制注入雜質(zhì)濃度，從1010到1017個(gè)/cm2,誤差2%之間均勻性用掃描的方式控制雜質(zhì)的均勻性結(jié)特性適合作深結(jié)通過控制注入能量控制注入深度，增大了設(shè)計(jì)的靈活性橫向擴(kuò)散有橫向擴(kuò)散很小，幾乎沒有摻雜深度受固溶度極限注入雜質(zhì)含量不受硅片固溶度的限制2.特點(diǎn)投影射程Xp平均投影射程Rp標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔRp注入劑量ΦRpRtXp入射離子束硅襯底二、注入的基本原理1.主要參數(shù)Φ：注入劑量：?jiǎn)挝幻娣e注入進(jìn)去的雜質(zhì)粒子數(shù)當(dāng)注入雜質(zhì)種類，注入能量，襯底確定后，就能確定Rp和⊿Rp

2.雜質(zhì)分布公式A.計(jì)算結(jié)深例：用100Kev的B+注入到具有摻雜濃度為2*1016cm-3的硅靶中，注入劑量為5*1013cm-2,試計(jì)算結(jié)深為多少？B.確定注入能量E和注入劑量Φ例：基區(qū)雜質(zhì)為6*1018cm-3的硅樣品中，用P+注入形成發(fā)射區(qū)，要求硅中的最大雜質(zhì)為8*1021cm-3,發(fā)射結(jié)結(jié)深為0.13μm,試估算入射離子的能量和劑量。3.注入分布的應(yīng)用注入的離子不會(huì)與硅原子發(fā)生碰撞，而將深深地注入硅襯底之中，這種現(xiàn)象稱為“通道效應(yīng)”。“通道效應(yīng)”發(fā)生后，離子注入的深度比理論分布深，即產(chǎn)生一個(gè)較長的拖尾。三.溝道效應(yīng)注入的離子恰好在晶格間隙中穿梭，與硅原子發(fā)生的碰撞較少，因此能量損失的較少，他們可以在硅中穿透得很深。掩蔽氧化層<100>晶向注入方向傾斜7°先輕微的離子注入抑制溝道效應(yīng)的方法：謝謝！集成電路制造工藝

--離子注入機(jī)的組成及工作原理單位：江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子教研室擴(kuò)散方法第五章?lián)诫s擴(kuò)散層的質(zhì)量參數(shù)與檢測(cè)離子注入的基本原理擴(kuò)散的基本原理離子注入機(jī)的組成及工作原理離子注入的損傷與退火本章要點(diǎn)擴(kuò)散方法第五章?lián)诫s擴(kuò)散層的質(zhì)量參數(shù)與檢測(cè)離子注入的基本原理擴(kuò)散的基本原理離子注入機(jī)的組成及工作原理離子注入的損傷與退火本章要點(diǎn)§5.5離子注入機(jī)的組成及工作原理離子注入機(jī)結(jié)構(gòu)圖一.離子注入機(jī)臺(tái)種類：按機(jī)臺(tái)外形分類臥式機(jī)臺(tái)立式機(jī)臺(tái)按注入能量分類低能量60Kev中能量60kev-200kev高能量200kev以上產(chǎn)生所需要的雜質(zhì)離子和其他各種離子放電管：通過放電管使雜質(zhì)離化產(chǎn)生各種離子吸極：利用幾十千伏負(fù)高壓把放電管中的正離子吸引出來二.離子注入機(jī)各部分的原理與作用工作氣體源B2H6,BF3,PH3,AsH3等固態(tài)材料氣化1.離子源和吸極：2.磁分析器：利用強(qiáng)電場(chǎng)使離子加速獲得足夠的能量能夠穿躍整個(gè)系統(tǒng)并注入靶中加速管離子束+100kv注入深度取決于加速管的電場(chǎng)能量3.加速器：原理：利用帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的原理。防止中性原子在硅片中產(chǎn)生熱斑使離子在X方向和Y方向上進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，以便對(duì)硅片進(jìn)行掃描靜電掃描原理：利用帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的原理。掃描外半徑掃描內(nèi)半徑旋轉(zhuǎn)機(jī)械掃描原理4.中性束流陷阱：5.X/Y偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)：在機(jī)械掃描中，離子束固定，硅片機(jī)械移動(dòng)。此法一般用于大電流注入機(jī)中，因?yàn)殪o電很難使大電流高能離子束偏移。束斑尺寸約為1cm寬，3cm高，機(jī)械掃描過程中