半导体制造工艺教案9-掺杂模板

课题序号 授课课时 授课章节 名称 使用教具 2 8 授课班级 授课形式 075电子1、2 讲授 主题9：掺杂 多媒体 1、掌握常见掺杂方式：扩散、离子注入 2、掌握离子注入工艺 3、了解离子注入的应用 教学目的 4、了解掺杂质量控制 教学重点 离子注入工艺 掺杂质量控制 教学难点 更新、补 充、删节 内容 课外作业 教学后记 授课主要内容或板书设计

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 概述 扩散 离子注入 离子注入机 离子注入工艺 离子注入的应用 掺杂质量控制 课 堂 教 学 安 排

教学过程 导入 新授 主 要 教 学 内 容 及 步 骤 在前面已经介绍了在半导体中哪怕引入一点点杂质也会大大改变半导体的导电性。本章就要介绍给半导体引入指定杂质的工艺过程，也就是掺杂。掺杂的目的就是改变半导体的导电类型，形成N型层或P型层，以形成PN结和各种半导体器件，从而形成半导体集成电路；或改变材料的电导率。经过掺杂，杂质原子将要代替原材料中的部分原子，材料的导电类型决定于杂质的化合价，如硅中掺入五价的磷（施主杂质）将成为N型半导体，掺入三价的硼（受主杂质）将成为P型半导体。 9.1.2 掺杂的两种方法 掺杂的方法有两种：热扩散和离子注入。热扩散法是最早使用也是最简单的掺杂工艺，热扩散是利用高温驱动杂质进入半导体的晶格中，并使杂质在半导体衬底中扩散。这种方法对温度和时间的依赖性很强。于20世纪50年代开始研究，20世纪70年代进入工业应用阶段，随着VLSI超精细加工技术的发展，现已成为各种半导体掺杂和注入隔离的主流技术。离子注入是通过把杂质离子变成高能离子来轰击衬底，从而把杂质注入到半导体衬底中的掺杂方法。 9.1.3 掺杂工艺流程 半导体制造中的污染无时无刻不在，所以掺杂之前要对衬底进行清洗等前处理。大部分的掺杂是在半导体衬底中指定的区域掺杂——选择性掺杂，也就是有些区域需要掺杂，其他区域不掺杂。怎样实现选择性掺杂呢？那就是在掺杂之前在半导体衬底表面生长一层掩蔽膜（这层掩蔽膜具有阻挡杂质向半导体衬底中扩散的能力），然后对掩蔽膜进行光刻和刻蚀，去掉衬底上面待掺杂区域的掩蔽膜，不掺杂区域的掩蔽膜要保留下来，得到选择扩散窗口。然后放入高温扩散炉中进行掺杂，则在窗口区就可以向半导体衬底中扩散杂质，其他区域被掩蔽膜屏蔽，没有杂质进入，实现对半导体衬底中的选择性扩散。掺杂完成后要进行检测。图是在N型衬底中掺入受主杂质形成P型掺杂区的流程图。 掺杂工艺流程 9.2.1 扩散原理 扩散是物质的一个基本性质，原子、分子和离子都会从高浓度向低浓度处进行扩散运动。一种物质向另一种物质发生扩散运动需满足两个基本条件：第一有浓度差；第二提供足够的能量使物质进行扩散。在半导体制造中，利用高温热能使杂质扩散到半导体衬底中。 1.扩散机制 杂质在硅晶体中的扩散机构 2.扩散系数 3.杂质浓度分布 扩散示意图 杂质浓度分布 4.结深 5.掩蔽膜 6.固溶度 9.2.2 扩散工艺步骤 9.2 前面已经介绍了扩散工艺流程，在这个流程中，前3步为扩散掺杂的晶圆准备，同时在扩散掺杂前要进行设备准备，即包括设备检测、设备清洁、工艺菜单、升温并达到指定的温度分布等。 1.上料模式 两种上料模式 9.2 2.扩散步骤 1)预淀积扩散：预淀积是恒定表面源扩散，即扩散炉中的杂质气体浓度保持恒定不变，这样暴露在杂质气体中的半导体晶圆表面杂质浓度NS也保持恒定不变。 2)再分布扩散：再分步又叫推进，是限定源浓度扩散。 3.评估 4.横向扩散 扩散的理想情况与横向扩散 9.2 9.2.3 扩散设备、工艺参数及其控制 半导体设备发展很快，扩散设备已经智能化。图9?8是一款扩散设备外观（通常叫扩散炉）。

扩散设备外观 1.扩散设备 扩散设备——单管控制结构图 (1)技术指标 1)适用硅片：Φ100mm、Φ150mm、Φ200mm、Φ300mm。 2)炉管数量：1~4管 (由客户定)。 3)净化工作台：台面采用进口不锈钢面板。 4)气路流量计：标配为浮子流量计，可选件为质量流量计： 5)气密性指标：阀门压力调节到29psi(1psi=6.895kPa)，24h后压力减小到不大于1.4psi(1psi=6.895kPa)。 6)气路管件：采用内抛光不锈钢气路管线及优质阀门,SWAGELOK接口。 7)工作温度范围：600~1300℃。 8)温度传感器：S型热电偶。 9)长期工作温度：1200~1286℃。 10)恒温区长度及精度：800~1300℃，800mm/±0.5℃；400~800℃，800mm/±1℃。 11)单点温度稳定性：800~1300℃，800mm/±0.5℃/48h；400~800℃，800mm/±1℃/48h。 12)升温速度范围：400~1300℃，0.5~15℃/min，可控可设定编程；最大升温速率为15℃/min。 13)降温速度范围：1300~800℃，0.5~5℃/min，可控可设定编程；最大降温速率为5℃/min。 (2)扩散设备的组成及功能 扩散设备主要由控制系统、扩散炉、散热系统、排毒箱、工作台、加热炉体系统、推拉舟送料系统等7个部分组成。 1)控制系统：由可编程序控制器、人机界面、温度控制仪表和气路控制组成。 ① 可编程序控制器：系统的智能控制核心单元，采用高稳定性、高可靠性、可编程、可升级的控制器，控制设备运行。负责系统的工艺运行控制，温度检测，热电偶故障检测，超温报警，温控仪参数设定，推拉舟控制，气路质量流量计控制，气路故障检测，工艺要求各种的联锁控制，实时报警等。采用计算机监控，在计算机故障或关闭情况下，系统能够正常运行。计算机系统可同时监控几个炉管的运行状态，记录运行数据，设定、操作各管运行。 ② 人机界面：扩散炉控制系统的人机对话界面。用于输入和显示温控曲线，气路设定，实时显示炉体实际温度、炉体各相关设备的实际状态、实时报警信息，设定和修改各工艺控制参数，推拉舟的设定及运行操作，系统测温传感器偏差的修正和补偿等，都可以通过触摸屏来完成查看、设定、操作等功能。 ③ 温度控制仪表：采用进口温度控制仪表，通过数字通信接口与控制核心进行实时数据交换，在控制核心的控制指令之下实现精确稳定的温度控制。 ④ 气路控制(流量计和电磁阀)：通过控制核心的模拟量控制，进行质量流量控制器的设定和气路的实时检测反馈，操作人员通过触摸屏可设定流量大小并查看实际流量(系统根据反馈值与设定值来判断气路流量偏差，并提供声光报警，同时完成气路与气路、气路与温度等之间的联锁要求，如H2等危险气体的控制等)。 2)扩散炉：扩散炉主机顶部是排风、散热系统，扩散炉主机中部是处理硅片的多个加热炉体，每个炉体有一套功率调节部件和下送风系统(下送风系统主要是协助顶部排风，使主机内温度均衡，减少环境温度变化对设备精度的影响)。 3)散热系统：扩散炉顶部装有排风扇及水循环散热器。 4)排毒箱：排毒箱安装在扩散炉主机箱与净化台之间，由4个独立的不锈钢箱体和4个独立的排风道组成。 5)工作台：工作台台面全部采用进口不锈钢加工制作而成，提供一个小型工作环境。 6)加热炉体系统：用优质高温加热丝绕制加热器，使用寿命长，加热温度均匀。 7)推拉舟送料系统：采用进口步进电动机及驱动器做运动执行机构，在控制核心的控制之下，根据设定参数自动控制推拉舟进舟、出舟和速度变化(速度参数可通过触摸屏直接设定)。 (3)主要操作界面 控制系统的主菜单画面 自动运行控制画面 工艺曲线编辑进入画面——密码输入 工艺曲线编辑画面——设定工艺参数 PID参数设置画面 PID参数自整定操作画面 工艺温度设定曲线查看画面 报警信息查看画面

多点修正操作画面 参数修改时自动弹出的数字键盘 自动运行中强制跳步操作提示窗 断电后提示继续运行时的弹出画面 自动运行中强制终止提示窗口 2.扩散工艺参数、控制及应用 (1)工艺参数 掺杂时间、掺杂温度、杂质源流量是很重要的工艺控制参数。 (2)工艺控制及应用 扩散是最早用于掺杂的一种方法，随着IC规模的快速发展，集成度越来越高，扩散已不能适应超大规模、巨大规模集成电路浅结、小尺寸、准确的掺杂浓度的需要，但其设备便宜、工艺非常成熟，仍在许多方面应用，如在分立器件、光伏器件、中小规模集成电路中仍广泛应用。 1)磷掺杂： ① 影响磷扩散的因素： ② 磷扩散工艺控制： ③ 常见问题及处理: 2)推阱。 ① 推阱工艺主要参数：结深、膜厚和表面浓度。结深比较关键，必须保证正确的温度和时间；注入能量和剂量一定后, 生长氧化膜主要为光刻对位提供方便,同时会改变晶圆表面的杂质浓度，过厚或过薄均会影响NMOS管或PMOS管的开启电压；表面浓度主要受制于推阱程序的工艺过程,如高温的温度、工艺的时间、氧化和推结的前后顺序。 ② 影响推阱的工艺参数： ③ 推阱工艺控制： (3)设备维护及工艺维护 1)定期拉恒温区以得到好的温度控制。 2)BT 测量：BT项目可以检测到可动离子数目，及时掌握炉管的沾污情况，防止炉管受到可动电荷粘污,使大批晶圆受损。 3)片内均匀性：保证硅片中每个芯片的重复性良好。 4)片间均匀性：保证每个硅片的重复性良好。 5)定期清洗炉管：清洗炉管，可以减少重金属离子、碱金属离子的沾污同时也能减少颗粒，保证氧化层质量。 6)定期检测系统颗粒。 9.2.4 常用扩散杂质源 扩散用的杂质源按其在常温常压下的形态可分为三类：液态、气态、固态。扩散时杂质源要被汽化然后用惰性气体携带送入炉管中。 1.液态源 2.气态源 3.固态源 1)硼扩散。 2)铝扩散。 提高铝扩散表面浓度用的闭管扩散 三套管闭管扩散 3)磷扩散。 9.3 离子注入 9.3.1 离子注入原理 离子注入是将被掺杂的杂质原子或分子进行离子化，经磁场选择和电场加速到一定的能量，形成一定电流密度的离子束流后被直接打进（扫描注入）半导体晶圆内部去。具有一定动能的离子射进硅片内部后，由于硅片内原子核和电子的不规则作用，以及和硅原子多次的碰撞，而使得注入的离子能量逐渐受到消耗，离子注入速度减慢，在硅片内部移动到一定的距离就停止在硅片内某一位置上，形成PN结。如果把离子注入机比作步枪，把被注入杂质离子比作子弹，那么，离子注入就好像用步枪打靶子一样，将离子强迫打进硅片中去，即实现了离子注入，如图所示。 离子注入原理图 1.离子注入掩蔽膜 2.杂质离子种类 3.杂质浓度分布 9.3.2 离子注入的重要参数 1.剂量与束流密度 2.射程与注入能量 3.注入角度 (1) 沟道效应 单晶硅原子的排列是长程有序的，当杂质离子穿过晶格间隙的通道注入而不与电子和原子核发生碰撞(能量损失少)而减速，杂质离子将进入硅中很深的地方，大大超过了预期的射程，即超过了设计的结深，这就叫发生了沟道效应,如图中的A离子路径。 沟道效应 抑制沟道效应的方法 1)倾斜晶圆：〈100〉晶向的硅片注入角度常偏离7°，能够获得对注入射程很好的控制。 2)掩蔽氧化层：注入之前在硅片上生长一层薄的氧化层(10~40nm)，这层氧化层是非晶化的，当离子注入后和二氧化硅原子碰撞使离子方向变的随机，因此可以减小沟道效应。 3)硅预非晶化：在注入之前，用一种方法损坏硅表面一薄层的单晶结构，使硅表面呈非单晶态，这就叫预非晶化。 (2) 注入阴影 前面讲到通过旋转硅片或倾斜硅片可以减小沟道效应，但同时带来一个问题，即注入阴影。 硅片倾斜时的注入阴影 9.3.3 离子注入掺杂工艺与扩散掺杂工艺的比较 9.3.3 离子注入掺杂工艺与扩散掺杂工艺的比较离子注入工艺相对扩散工艺具有许多优点，见表。 表 离子注入掺杂工艺与扩散掺杂工艺的比较 9.4 离子注入机 1)高能量注入机所得到的离子束具有较高能量。 2)大束流注入机能获得较大的离子束电流，其掺杂浓度较大，但是深度较浅，主要用于器件中的源漏极掺杂和LDD掺杂。 3)中束流注入机则能获得中等能量和电流的离子束， 被广泛用于除深阱掺杂和源漏掺杂以外几乎所有的离子掺杂工艺。

离子注入机的组成 9.4.1 离子源组件 杂质源要成为气体才能送进离子源，把杂质源变为气体一般用蒸发器。 离子源作用 1.离子源 离子源 2.吸附组件 吸附组件及其作用 离子速度与吸极电压 IHC离子源原理图 9.4.2 分析磁体 离子源中产生的离子通常不是单独一种离子，而是多种离子，如图9?34所示，就是硼源BF3（三氟化硼）分子被电离后产生的主要阳离子，但所需要的只是一种杂质离子。因此，必须采取分析磁体对离子束进行质量分离，选出所需的单一离子。在分析磁体中，离子束流在与磁场垂直的平面内以恒定速度在真空中运动。由电磁学原理可知，此时带电粒子受洛仑兹力的影响作匀速圆周运动。对于不同质量的离子，其匀速圆周运动的半径是完全不同的。磁分析器就是根据不同离子其运动半径不同的原理，将不同的离子一一分离开来，把不需要的杂质离子滤除掉，只把所需要的一种杂质离子挑选出来送进加速器进行加速。分析磁体如图9?35所示。 B(三氟化硼)分子被电离后产生的主要阳离子 分析磁体 9.4.3 加速聚焦器 加速聚焦器由加速器、聚焦阳极、聚焦透镜和中性束流陷阱构成，如图所示。 加速聚焦器 (1)加速器 离子源的吸极最高负压一般不能达到注入离子能量的要求,如果需要更高的能量就必须再添加高压进行第二次的加速,完成此功能的就是后加速器。 后加速器 (2)聚焦透镜 在磁分析器与后加速高压吸极间，安装了绝缘环以及其他机械结构从而使磁分析器与后加速高压吸极间的距离被拉长了,束流在这一段过程中由于束流中正离子的相互排斥而使束流发散,为此要对束流聚焦，同时使离子束中性化。 电磁聚焦透镜原理 9.4.4 扫描偏转系统 从聚焦系统出来的离子束打到硅片上是一个亮斑，束斑的大小没有硅片大，束流打在硅片上仅是一部分，如中束流的注入束斑约1cm2，大束流的约3cm2，要使整个硅片表面都能均匀地注入离子，需要束流对硅片进行扫描，对靶片进行大面积离子注入，使整个靶片得到均匀的杂质离子分布。扫描有两种形式，或者硅片不动，束流作扫描运动(电子扫描)，或者束流不动,硅片作一定方向的运动(机械扫描)，当然还有束流和硅片都动的(机械电子混合扫描)。 电子扫描 (1)电子扫描 电子扫描是在一套X-Y电极上加特定电压，使离子束发生偏转，注入固定的硅片上，如图9-39所示，若X电极被设为负压，正离子束就会向X电极方向偏转。 机械扫描(靶盘上的硅片既能旋转又能上下移动，还能翻转进行扫描) (2)机械扫描 这种扫描束流不动,硅片作一定方向的运动，如图9-?40所示。 (3) 混合扫描 混合扫描系统中，硅片放置在轮盘上旋转，并沿Y轴扫描，离子束在静电(或电磁)的作用下沿X轴方向扫描。 (4)偏转系统 当杂质离子在离子注入中行进时，会与系统中的残余气体分子碰撞，将电荷转给这些气体分子而变成中性原子。 9.4.5 靶室及终端台 1.靶室 (1) 靶盘 离子注入的最终目标是将离子注入硅片上去，所以需要把硅片安放在一个地方，让离子束流能注入进去，这个地方就是靶盘。 靶盘及靶盘 （2)束流检测器 在靶盘的背后有一个离子束检测器(法拉第测试杯 ——金属杯，又叫剂量控制器)，用以监测注入的离子数量，如图所示。

3.扩展电阻测试仪(SPR) 扩散电阻测试仪 4.测量结果分析 1)快速热退火升温速度和保持时间是否正确，保持时间过长会导致杂质扩散，增加结深。 2)检查是否有沟道效应，注入角度可能不正确，是否采用了有效措施。 3)检查注入能量系统。 9.7.2 掺杂浓度的测量 掺杂浓度不能直接测量，一般都是间接测量。测量浓度的方法有四探针方块电阻测试法、扩展电阻测试仪、热波测试、C?V测试、二次离子质谱仪等。常用的在线测试方法是四探针法和热波系统，四探针法应用于高掺杂，热波系统用于低剂量注入测量。 1.四探针方块电阻测试法 上表面为正方形薄层 (1)方块电阻Rs 方块电阻是硅片上表面正方形薄层之间的电阻。 (2)直线四探针方块电阻测试原理 可以用四探针方块电阻测试仪来测量方块电阻，以达到测试掺杂浓度的目的，并绘制方块电阻等值线，评估硅片整个表面的掺杂均匀性。 直线四探针方块电阻测试原理 (3) 方块电阻、掺杂浓度的测量 现在的方块电阻测试仪已经智能 化，计算机算法把方块电阻、掺杂浓度等已经联系起来，同时制造商已经考虑了测试中的各种情况将修正因子输入到软件中，通过探针测试台、测试主机、显示器等很方便地得到方块电阻和掺杂浓度，并可以直观地显示。 2.热波系统 热波系统测量掺杂浓度原理示意图 3.电容-电压测试系统 (1) 测量原理 图9-52a是MOS器件结构，当在栅极和衬底(地)之间加上纵向电压时，有两个串联电容起作用，第一个是栅氧电容，第二个是硅衬底材料电容。 MOS结构C--U测试 1)如果是P型硅，电压从正→负变化；N型硅电压从负→正变化，测试C-U曲线。 2)将硅片加热到300℃保持5min。 3)重复步骤1，测此时的C-U曲线，与第一步的C-U曲线做对比，两条曲线有一个电压漂移ΔU，如图所示。 N型硅中的电压漂移 (2)C-U测试系统 现在C-U测试系统已经智能化，靠软件控制测试，使测试能自动完成。 4.二次离子质谱仪 5.测量结果分析 9.7.3 污染 颗粒分布图 1.光散射表面缺陷探测仪 2.扫描电子显微镜 3.测量结果分析 1)高压电极微放电。 2)移动机械的机械手、真空片盒等装卸装置。 3)注入机清洗不当造成的颗粒源。 4)温度过高造成脱落的光刻胶。 5)硅片背面的冷却橡胶。 6)靶盘、靶盘腔、靶室门、真空度。 7)硅片清洗不彻底造成的颗粒源。

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