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1、 微电子工艺基础微电子工艺基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术1微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术本章目标本章目标：1、熟悉掺杂技术的两种方式、熟悉掺杂技术的两种方式2、熟悉扩散掺杂的原理、熟悉扩散掺杂的原理3、掌握离子注入相关概念及其原理、掌握离子注入相关概念及其原理4、熟悉离子注入的工艺流程、熟悉离子注入的工艺流程5、了解离子注入系统的设备及其优点、了解离子注入系统的设备及其优点微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术一、扩散一、扩散二、离子注入技术二、离子注入技术三、集成电路的形成三、集成电路的形成微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术
2、掺杂技术一、扩散一、扩散 1、扩散原理、扩散原理 2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散 3、扩散设备与工艺、扩散设备与工艺 4、工艺质量检测、工艺质量检测微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散1、扩散原理、扩散原理扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在约扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在约1000的高温、的高温、p型或型或n型杂质气氛中，杂质向衬底型杂质气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一种工艺方法，也叫热扩散。定域、定量掺杂的一种工艺方法，也
3、叫热扩散。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散1、扩散原理、扩散原理 （1）扩散方式）扩散方式 固相扩散扩扩散散是是一一种种自自然然现现象象，由由物物质质自自身身的的热热运运动动引引起起。微微电电子子工工艺艺中中的的扩扩散散是是杂杂质质在在晶晶体体内内的的扩扩散散，因因此此是一种固相扩散。是一种固相扩散。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散1、扩散原理、扩散原理 （1）扩散方式）扩散方式 扩散的方式晶晶体体内内扩扩散散是是通通过过一一系系列列随随机机跳跳跃跃来来实实现现的的，这这些些
4、跳跳跃跃在整个三维方向进行，有多种方式，最主要有：在整个三维方向进行，有多种方式，最主要有：A 填隙式扩散填隙式扩散B 替位式扩散替位式扩散C 填隙填隙-替位式扩散替位式扩散微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散1、扩散原理、扩散原理 （1）扩散方式）扩散方式 扩散的方式 A 填隙式扩散微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散1、扩散原理、扩散原理 （1）扩散方式）扩散方式 扩散的方式 B 替位式扩散替位式扩散微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、
5、扩散一、扩散1、扩散原理、扩散原理 （1）扩散方式）扩散方式 扩散的方式 C 填隙填隙-替位式扩散替位式扩散许许多多杂杂质质既既可可以以是是替替位位式式也也可可以以是是填填隙隙式式溶溶于于晶晶体体的的晶晶格格中中，并并以以填填隙隙-替替位位式式扩扩散散。这这类类扩扩散散杂杂质质的的跳跳跃跃速速率率随随晶晶格格缺缺陷陷浓浓度度，空空位位浓浓度度和和杂杂质质浓浓度度的的增增加加而而迅迅速速增加。增加。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散1、扩散原理、扩散原理 （2）扩散方程）扩散方程 第一扩散定律晶晶体体衬衬底底中中杂杂质质扩扩散散流流密密度
6、度与与杂杂质质浓浓度度梯梯度度成成正正比比，这是第一扩散定律，也称这是第一扩散定律，也称Fick第一定律。第一定律。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散1、扩散原理、扩散原理 （2）扩散方程）扩散方程 第一扩散定律微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散1、扩散原理、扩散原理 （2）扩散方程）扩散方程 第二扩散定律讨论晶体中杂质浓度与扩散时间关系，又称讨论晶体中杂质浓度与扩散时间关系，又称Fick第二定律。第二定律。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、
7、扩散一、扩散一、扩散1、扩散原理、扩散原理 （2）扩散方程）扩散方程 影响扩散速率的因素A 晶体内杂质浓度梯度；晶体内杂质浓度梯度；B 环境温度；环境温度；C 杂质本身结构、性质；杂质本身结构、性质；D 晶体衬底的结构。晶体衬底的结构。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（1）掺杂的目的 （P218）A 在晶圆表面下的特定位置处形成在晶圆表面下的特定位置处形成PN结结（结合（结合P218的图的图11.3-图图11.5）；）；B 在晶圆表面下得到所需的掺杂浓度；在晶圆表面下得到所需的掺杂浓度；（结合（结
8、合P219同型掺杂）同型掺杂）微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型 替位式杂质主主要要是是III和和V族族元元素素，具具有有电电活活性性，在在硅硅中中有有较较高高的的固固溶溶度度。多多以以替替位位方方式式扩扩散散，扩扩散散速速率率慢，称为慢扩散杂质。慢，称为慢扩散杂质。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型 填隙式杂质主主要要是是I和和族族元元素素，Na、K、Li、H、A
9、r等等，它它们们通通常常无无电电活活性性，在在硅硅中中以以填填隙隙式式方方式式进进行扩散，扩散速率快。行扩散，扩散速率快。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型 填隙-替位式杂质 大大多多数数过过渡渡元元素素：AuAu、FeFe、CuCu、PtPt、NiNi、AgAg等等。都都以以填填隙隙-替替位位式式方方式式扩扩散散，约约比比替替位位扩扩散散快快五五六六个个数数量量级级，最最终终位位于于间间隙隙和和替替位位这这两两种种位位置置，位位于于间间隙隙的的杂杂质质无无电活性，位于替位的杂质
10、具有电活性。电活性，位于替位的杂质具有电活性。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解 恒定源扩散恒定源扩散是硅一直处于杂质氛围恒定源扩散是硅一直处于杂质氛围中，硅片表面达到了该扩散温度的中，硅片表面达到了该扩散温度的固溶度固溶度Ns。解扩散方程：解扩散方程：NbNsxj1 xj2 xj3xNt1t2t3边界条件为：边界条件为：N（0，t）=Ns初始条件为：初始条件为：N（x，0）=0 微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散2、杂质在
11、硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解 恒定源扩散NbNsxj1 xj2 xj3xNt1t2t3erfc称为余误差函数，所以恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解 限定源扩散限定源扩散是在整个扩散过程中，杂质源限限定源扩散是在整个扩散过程中，杂质源限定在扩散前积累于硅片表面薄层内的杂质总定在扩散前积累于硅片表面薄层内的杂质总量量Q。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散2、杂质在硅中的扩散、
12、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解 限定源扩散XXji xj2 xj3NsNsNs”t1t2t3边界条件：边界条件：初始条件：初始条件：解扩散方程：解扩散方程：Nb微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解 限定源扩散限定源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。扩散过程中杂质表面浓度变化很大，但杂质总量Q不变。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（3）实际扩散 场助扩散效应硅硅衬衬底底的的掺掺杂杂浓浓度
13、度对对杂杂质质的的扩扩散散速速率率有有影影响响，衬衬底底掺掺杂杂浓浓度度高高时时这这一一影影响响将将使使扩扩散散速速率率显显著著提提高高，称称之之为场助扩散效应。为场助扩散效应。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（3）实际扩散 横向扩散效应（P218）不管是扩散还是离子注入都会发生横向扩散现象，横向扩散的线度是纵向扩散的0.75-0.85倍。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 液态源（参见教材P2
14、23）液态源通常是所需掺杂元素的氯化物或溴化物。例如：POCl3、BBr3选选择择源源必必需需满满足足固固溶溶度度和和扩扩散散系系数数的的要要求求。另另外外还还要选择好掩蔽膜。要选择好掩蔽膜。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 液态源（参见教材P223）液相源扩散系统微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 液态源（参见教材P223）层流形成系统：层流形成系统：微电子工业基础微电子工业基础 第第
15、9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 固态源（参见教材P223）最原始的淀积源。最原始的淀积源。固态源通常是氧化物固态源通常是氧化物B2O3、Sb2O5、P2O5等陶等陶瓷片或粉体，也有用瓷片或粉体，也有用BN。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 固态源使用固态源的三种方式：使用固态源的三种方式：（参见教材（参见教材P225）A 远程源（匙）远程源（匙）B 近邻源（圆片）近邻源（圆片）C 涂抹源涂抹源微电子工业基础微电子工业
16、基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 固态源（参见教材P223）固相源扩散系统微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 气态源（参见教材P224）气气态态源源通通常常是是氢氢化化物物：B2H6、PH3、AsH3、BCl3，最受欢迎的扩散源方式。最受欢迎的扩散源方式。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 气态源（参见教材P
17、224）微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（2）扩散流程预 淀 积：（参见P222）A 预清洗与刻蚀预清洗与刻蚀B 炉管淀积炉管淀积C 去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）D 评估（假片或陪片）评估（假片或陪片）再分布（评估）：（参见P226）微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（2）扩散流程 预淀积评评估估（假假片片或或陪陪片片）：通通常常测测方方块块电电阻阻，方方块块电电阻阻是指表面为正方形
18、的薄膜，在电流方向的电阻值。是指表面为正方形的薄膜，在电流方向的电阻值。炉炉管管淀淀积积：一一般般予予淀淀积积温温度度较较低低，时时间间也也较较短短。氮氮气保护。气保护。去去釉釉（漂漂硼硼硅硅玻玻璃璃或或磷磷硅硅玻玻璃璃）：炉炉管管淀淀积积后后的的窗口表面有薄薄的一层硼硅玻璃，用窗口表面有薄薄的一层硼硅玻璃，用HF漂去。漂去。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（2）扩散流程 预淀积微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设
19、备（2）扩散流程 再分布（评估）再分布温度较高，时间也较长。通氧气直接生长氧再分布温度较高，时间也较长。通氧气直接生长氧化层。化层。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（2）扩散流程 再分布（评估）微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（2）扩散流程扩散工艺有一步工艺和两步工艺：扩散工艺有一步工艺和两步工艺：一步工艺一步工艺 是恒定源扩散，杂质分布服从余误差分布；是恒定源扩散，杂质分布服从余误差分布；两步工艺两步工艺
20、分为予淀积和再分布两步分为予淀积和再分布两步予予淀淀积积是是恒恒定定源源扩扩散散，目目的的是是在在扩扩散散窗窗口口硅硅表表层层扩扩入入总总量量一一定定的的掺掺杂杂元元素素。再再分分布布是是限限定定源源扩扩散散，掺掺杂杂源源总总量量已已在在予予淀淀积积时时扩扩散散在在窗窗口口上上了了，再再分分布布的的目目的的是是使使杂杂质质在在硅硅中中具具有有一一定的分布或达到一定的结深。定的分布或达到一定的结深。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（3）B扩散原原 理：理：2 B2O3+3Si 4B+3SiO2 选源：选
21、源：固态固态BN源使用最多，必须活化。源使用最多，必须活化。800-1000活化：活化：4BN+3O2 2B2O3+2N2特特点点：B与与Si晶晶格格失失配配系系数数为为0.254，失失配配大大，有有伴伴生生应应力力缺缺陷陷，造造成成严严重重的的晶晶格格损损伤伤，在在1500，硼硼在在硅硅中中的的最最大大 固固 溶溶 度度 达达 4*1020/cm3，但但 是是 最最 大大 电电 活活 性性 浓浓 度度 是是5*1019/cm3。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（4）P扩散原原 理：理：2P2O5+5
22、Si 4P+5SiO2选源：选源：固态固态P2O5陶瓷片源使用最多，无须活化。陶瓷片源使用最多，无须活化。特特点点：磷磷是是n形形替替位位杂杂质质，失失配配因因子子0.068，失失配配小小，杂质浓度可达杂质浓度可达1021/cm3，该浓度即为电活性浓度。该浓度即为电活性浓度。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（5）例子（N+PN晶体管）微电子工艺基础微电子工艺基础 43微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散4、工艺质量检测、工艺质量检测（1）工艺指标
23、 杂质表面浓度杂质表面浓度 结深结深 薄层电阻薄层电阻 分布曲线分布曲线（2）工艺条件（T,t）的确定 解析扩散方程获得工艺条件，目前用计算机解析扩散方程获得工艺条件，目前用计算机模拟的工艺参数。模拟的工艺参数。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 一、扩散一、扩散一、扩散一、扩散4、工艺质量检测、工艺质量检测（3）工艺参数测量工艺参数测量 染色法测结深染色法测结深 阳极氧化测分布函数阳极氧化测分布函数 四探针法测方块电阻四探针法测方块电阻 四探针法测电阻率四探针法测电阻率（4）电参数测量 I-V曲线曲线微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术二、离子注
24、入技术二、离子注入技术 1、概述、概述 2、离子注入工艺、离子注入工艺 3、离子注入技术的应用、离子注入技术的应用微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术1、概述、概述（1）热扩散的限制 横向扩散横向扩散 实现浅结困难实现浅结困难 掺杂浓度控制精度掺杂浓度控制精度 表面污染表面污染 微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术1、概述、概述（2）离子注入技术的引入 高高集集成成度度电电路路的的发发展展需需要要更更小小的的特特征征图图
25、形形与与更更近近的的电电路路器器件件间间距距。热热扩扩散散对对电电路路的的生生产产已已有有所所限限制制，于是离子注入法诞生。（见教材于是离子注入法诞生。（见教材P228）离离子子注注入入是是将将含含所所需需杂杂质质的的化化合合物物分分子子（如如BCl3、BF3）电电离离为为杂杂质质离离子子后后，聚聚集集成成束束用用强强电电场场加加速速，使使其其成成为为高高能能离离子子束束，直直接接轰轰击击半半导导体体材材料料，当当离离子子进进入入其其中中时时，受受半半导导体体材材料料原原子子阻阻挡挡，而而停停留留在在其中，成为半导体内的杂质。其中，成为半导体内的杂质。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章
26、掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术1、概述、概述（2）离子注入源 对于离子注入而言，只采用气态或固态源材料。对于离子注入而言，只采用气态或固态源材料。由由于于便便于于使使用用和和控控制制，所所以以离离子子注注入入偏偏向向于于使使用用气气态态源源。大大多多数数的的气气态态源源通通常常是是氟氟化化物物，比比如如PF5、AsF5、BF3、SbF3与与 PF3。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术1、概述、概述（3）离子注入原理 离离子子注注入入是是离离子子被被强强电
27、电场场加加速速后后注注入入靶靶中中，离离子子受受靶靶原原子子阻阻止止，停停留留其其中中，经经退退火火后后杂杂质质进进入入替替位位、电电离离成成为为具具有有电电活活性性的的杂杂质质。这这一一过过程程是是一一非非平平衡衡的的物物理理过过程程（扩扩散散为为化化学学过过程程）。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术1、概述、概述（4）离子穿透深度 核阻止核阻止 离子与硅原子核碰撞，离子能量离子与硅原子核碰撞，离子能量转移到硅原子核上，结果将使离子改变运动方转移到硅原子核上，结果将使离子改变运动方向，而硅原子核可能离开
28、原位，成为填隙硅原向，而硅原子核可能离开原位，成为填隙硅原子核。子核。电子阻止电子阻止 离子与硅中的束缚电子或自由离子与硅中的束缚电子或自由电子碰撞，能量转移到电子，由于离子质量远电子碰撞，能量转移到电子，由于离子质量远大于电子，离子方向不变，能量稍减，而束缚大于电子，离子方向不变，能量稍减，而束缚电子被激发或电离，自由电子发生移动。电子被激发或电离，自由电子发生移动。影响离子穿透深度的因素有：影响离子穿透深度的因素有：微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术1、概述、概述（4）离子穿透深度 行程（行程（R）射
29、程射程（RP）微电子工艺基础微电子工艺基础 53微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术1、概述、概述（5）注入离子分布与剂量（P235）分布函数分布函数注注入入离离子子的的能能量量是是按按几几率率分分布布的的，所所以以杂杂质质分分布布也也是按几率分布的。是按几率分布的。离子注入后杂质浓度的分布接近高斯分布。（教材离子注入后杂质浓度的分布接近高斯分布。（教材P235）微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术1、概述、概述（5）注
30、入离子分布与剂量（P235）注入离子剂量理论上可以由离子电流大小来量度：理论上可以由离子电流大小来量度：其中：其中：I为电流；为电流；t为时间；为时间；A为注入面积。为注入面积。实际上高能离子入射到衬底时，一小部分与表面晶核原子弹性散射而从衬底表面反射回来并未进入衬底，这叫作背散射现象。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术1、概述、概述（5）注入离子分布与剂量（P235）影响注入的两种效应A 侧侧向向效效应应 与与扩扩散散比比侧侧向向杂杂质质浓浓度度很很小小，可可以以不考虑。不考虑。B 沟沟道道渗渗透透效效
31、应应 衬衬底底为为单单晶晶材材料料，如如果果粒粒子子束束准准确确的的沿沿着着晶晶格格方方向向注注入入，注注入入纵纵向向分分布布峰峰值值与与高高斯斯分分布布不不同同。一一部部分分粒粒子子束束穿穿过过较较大大距距离离。这这就就是是沟沟道渗透效应。（道渗透效应。（P236）微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术1、概述、概述（6）注入损伤与退火（P235-236）晶格损伤（详细可参考P235最下部分）高高能能离离子子在在硅硅（靶靶）内内与与晶晶格格多多次次碰碰撞撞，能能量量转转移移到到晶晶格格，晶晶格格原原子子位位
32、移移，位位移移原原子子再再碰碰撞撞其其它它原原子子，使使其其它它原原子子再再位位移移，即即出出现现级级联联碰碰撞撞，从从而而导导致致晶晶格损伤。格损伤。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术1、概述、概述（6）注入损伤与退火（P235-236）退火B 注入杂质电激活注入杂质电激活 注注入入的的杂杂质质多多以以填填隙隙式式方方式式存存在在于于硅硅中中，无无电电活活性性。退退火火，在在某某一一高高温温下下保保持持一一段段时时间间，使使杂杂质质通过扩散进入替位位置，有电活性。通过扩散进入替位位置，有电活性。A 修复
33、晶格损伤修复晶格损伤退火的目的：退火的目的：微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术1、概述、概述（6）注入损伤与退火（P235-236）退火退火特点退火特点：A 效果与温度，时间有关，温度越高、时间越效果与温度，时间有关，温度越高、时间越长退火效果越好。长退火效果越好。B 退火使得杂质再分布。退火使得杂质再分布。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术2、离子注入工艺、离子注入工艺（1）衬底与掩膜 衬底衬底 为（为（111）晶
34、向硅时，为了防止沟道渗）晶向硅时，为了防止沟道渗透效应，一般采取偏离晶向透效应，一般采取偏离晶向7 掩掩膜膜 因因为为离离子子注注入入是是在在常常温温下下进进行行，所所以以光光刻刻胶胶、二二氧氧化化硅硅薄薄膜膜、金金属属薄薄膜膜等等多多种种材材料料都都可可以作为掩膜使用，要求掩蔽效果达到以作为掩膜使用，要求掩蔽效果达到99.99%99.99%。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术2、离子注入工艺、离子注入工艺（2）注入方法 A 直直接接注注入入：离离子子在在光光刻刻窗窗口口直直接接注注入入Si衬衬底底。射射
35、程程大大、杂质重时采用。杂质重时采用。B 间间接接注注入入法法：通通过过介介质质薄薄膜膜或或光光刻刻胶胶注注入入衬衬底底晶晶体体。间接注入沾污少，可以获得精确的表面浓度。间接注入沾污少，可以获得精确的表面浓度。C 多多次次注注入入：通通过过多多次次注注入入使使杂杂质质纵纵向向分分布布精精确确可可控控，与与高高斯斯分分布布接接近近；也也可可以以将将不不同同能能量量、剂剂量量的的杂杂质质多多次次注入到衬底硅中，使杂质分布为设计形状。注入到衬底硅中，使杂质分布为设计形状。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术2、离
36、子注入工艺、离子注入工艺（3）注入工艺 A 离子化离子化 B 质谱分析（选择合适粒子）质谱分析（选择合适粒子）C 电场加速电场加速 D 聚焦聚焦微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术2、离子注入工艺、离子注入工艺（4）退火 高温退火高温退火 快速退火快速退火 激光退火激光退火 电子束退火电子束退火后两种方法是较新的低温退火工艺。退火温度要低于扩散杂质时温度以防止横向扩散。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术3、离子注入技术
37、的应用、离子注入技术的应用（1）优点优点 离离 子子 注注 入入 克克 服服 热热 扩扩 散散 的的 几几 个个 问问 题题：A 横横 向向 扩扩 散散，没没 有有 侧侧 向向 扩扩 散散 B 浅浅 结结 C 粗粗略略的的掺掺杂杂控控制制 D 表表面面污污染染的的阻阻碍碍 离子注入引入的额外的优势：离子注入引入的额外的优势：（P228）A 在接近常温下进行在接近常温下进行 B 使使宽宽范围浓度的掺杂成为可能范围浓度的掺杂成为可能微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术3、离子注入技术的应用、离子注入技术的应用（
38、2）设备微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术3、离子注入技术的应用、离子注入技术的应用（2）设备微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术二、离子注入技术3、离子注入技术的应用、离子注入技术的应用（3）缺点 设备昂贵设备昂贵 设备在高压和更多有毒气体的设备在高压和更多有毒气体的使用上出现新的危险使用上出现新的危险 超浅结不易控制超浅结不易控制微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术三、集成电路的形成三、集成电路的形成 1、概
39、述、概述 2、器件与集成电路工艺的区别、器件与集成电路工艺的区别 3、电隔离、电隔离 4、电连接、电连接 5、局部氧化、局部氧化 6、平面化、平面化 7、吸杂、吸杂微电子工业基础微电子工业基础 第9章 掺杂技术 三、集成电路的形成1、概述IC是是指指在在一一个个芯芯片片上上制制备备多多个个微微电电子子元元件件（晶晶体体管管、电电阻阻、电电容容等等），各各元元件件之之间间是是电电隔隔离离的。的。IC采采用用金金属属薄薄膜膜实实现现各各元元件件之之间间的的电电连连接接，由由此构成电路。此构成电路。集集成成电电路路的的制制造造工工艺艺与与分分立立器器件件的的制制造造工工艺艺一一样样都都是是在在硅硅平
40、平面面工工艺艺基基础础上上发发展展起起来来的的，有有很很多相同之处，同时又有所不同。多相同之处，同时又有所不同。微电子工业基础微电子工业基础 第9章 掺杂技术 三、集成电路的形成2、器件与集成电路工艺的区别相相同同点点：单单项项工工艺艺相相同同的的方方法法外外延延，氧氧化化，光光刻，扩散，离子注入，淀积等。刻，扩散，离子注入，淀积等。不不同同点点：主主要要有有电电隔隔离离，电电连连接接，局局部部氧氧化化，平整化以及吸杂等。平整化以及吸杂等。微电子工业基础微电子工业基础 第9章 掺杂技术 三、集成电路的形成3、电隔离双极型集成电路多采用双极型集成电路多采用PN结隔离，是在硅片衬底结隔离，是在硅片
41、衬底上通过扩散与外延等工艺制作出隔离岛，元件就做上通过扩散与外延等工艺制作出隔离岛，元件就做在隔离岛上。在隔离岛上。（1）PN结隔离优点：工艺成熟，方法简单，成品率高缺缺点点：PN结结有有反反向向漏漏电电现现象象，反反向向漏漏电电受受温温度度、辐辐射射等等外外部部环环境境影影响响大大，故故PN结结隔隔离离的的IC有有受受温温度、辐射等的外部环境影响大的缺点。度、辐射等的外部环境影响大的缺点。微电子工业基础微电子工业基础 第9章 掺杂技术 三、集成电路的形成3、电隔离主主要要有有SiO2，Si3N4隔隔离离。薄薄膜膜IC，混混合合IC多多采采用用介介质质隔隔离离工工艺艺。SOS集集成成电电路路（
42、Silicon on Sapphire）是是最最早早的的介介质质隔隔离离薄薄膜膜电电路路，新新材材料料SOI（Silicon on Insulator）有有很很大大发发展展，SOI集成电路也是采用介质隔离工艺的电路。集成电路也是采用介质隔离工艺的电路。（2）介质隔离微电子工业基础微电子工业基础 第9章 掺杂技术 三、集成电路的形成4、电连接集集成成电电路路各各元元件件之之间间构构成成电电路路必必须须进进行行电电连连接接，这这多多是是采采用用淀淀积积金金属属薄薄膜膜，经经光光刻刻工工艺艺形形成成电电连连接接图图形形，电电路路复复杂杂的的集集成成电电路路一一般般是是多多层层金金属布线，构成电连接。
43、属布线，构成电连接。微电子工业基础微电子工业基础 第9章 掺杂技术 三、集成电路的形成5、局部氧化分离器件的氧化工艺是在整个硅片表面制备二分离器件的氧化工艺是在整个硅片表面制备二氧化硅薄膜，而集成电路工艺中的氧化有时是氧化硅薄膜，而集成电路工艺中的氧化有时是在局部进行，如在局部进行，如MOS型电路中以氮化硅作为型电路中以氮化硅作为掩蔽膜的局部氧化技术。掩蔽膜的局部氧化技术。微电子工业基础微电子工业基础 第9章 掺杂技术 三、集成电路的形成6、平面化超大规模集成电路的制备经过多次光刻、氧化超大规模集成电路的制备经过多次光刻、氧化等工艺，使得硅片表面不平整，台阶高，这样等工艺，使得硅片表面不平整，
44、台阶高，这样在进行电连接时，台阶处的金属薄膜连线易断在进行电连接时，台阶处的金属薄膜连线易断裂，因此，有时通过平面化技术来解决这一问裂，因此，有时通过平面化技术来解决这一问题，如在金属布线进行电连接之前，采用在硅题，如在金属布线进行电连接之前，采用在硅片表面涂附聚酰亚胺膜的方法达到平面化的工片表面涂附聚酰亚胺膜的方法达到平面化的工艺技术。艺技术。微电子工业基础微电子工业基础 第9章 掺杂技术 三、集成电路的形成7、吸杂随着集成电路集成度的大幅度提高，硅单晶本随着集成电路集成度的大幅度提高，硅单晶本身的缺欠以及电路制备工艺中的诱生缺欠，对身的缺欠以及电路制备工艺中的诱生缺欠，对电路性能影响很大，
45、特别是有源元件附近的缺电路性能影响很大，特别是有源元件附近的缺欠，通过吸杂技术可以消除或减少缺欠，如通欠，通过吸杂技术可以消除或减少缺欠，如通过在硅片背面造成机械损伤，喷沙或研磨，这过在硅片背面造成机械损伤，喷沙或研磨，这种背损伤可以吸收杂质与缺欠。种背损伤可以吸收杂质与缺欠。微电子工业基础微电子工业基础 第第9章章 掺杂技术掺杂技术 四、作业题四、作业题四、作业题四、作业题（1）说明用于硅中扩散常见的固态、液态、气态源。（2）扩散的方式有哪三种？（3）影响扩散速率的因素有哪些？（4）杂质在硅中的扩散过程分为那两步，它们分别属于恒定源扩散还是限定源扩散，请用图形来说明这两个扩散过程。（5）为什么要引入离子注入技术，离子注入技术有哪些优势？（6）离子注入的原理？（7）说明退火的目的和特点？微电子工艺基础微电子工艺基础 78