1、半导体工艺简介-掺杂,物理与光电工程学院 张贺秋,参考书：芯片制造半导体工艺制程实用教程，电子工业出版社，赵树武等译，2004-10,掺杂工艺,扩散、离子注入,集成电路生产过程中要对半导体基片的一定区域掺入一定浓度的杂质元素， 形成不同类型的半导体层， 来制作各种器件， 这就是掺杂工艺。,目的,1、理解掺杂工艺的概念。 2、理解扩散的概念及发生扩散的条件。 3、掌握结的定义。 4、画出掺杂原子（浓度）分布曲线。 5、列举离子注入机的主要部件及功能。,扩散,物质的微粒总是时刻不停地处于运动之中， 这可称之为热运动。 在热运动的作用下， 物质的微粒都有一种从浓度高的地方向浓度低的地方运动的趋势，
2、这就是扩散。,浓度差 驱动能量,扩散形成的掺杂区和结,固态扩散的目的： 1、在晶圆表面产生具有掺杂原子的数量。 2、在晶圆表面下特定位置处形成NP或PN结。 3、在晶圆表面形成特定的掺杂原子分布。,扩散工艺步骤,1、淀积 deposition predeposition,扩散方式,晶体内扩散是通过一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，有多种方式，最主要有：,A 填隙式扩散 B 替位式扩散 C 填隙-替位式扩散,A 填隙式扩散,B 替位式扩散,淀积工艺受控制或约束的因素,1、特定杂质的扩散率。温度影响,菲克第一定律,菲克第二定律 扩散方程：,淀积工艺受控制或约束的因素,2、杂质的最
3、大固溶度,误差函数,扩散源,1、液态源 氯化物 溴化物（BBr3，POCl3）,加热,反应气体 4BBr3+3O22B2O3+6Br2,沾污,扩散源,2、气态源 氢化物 AsH3 B2H6,优势： 精确控制 洁净度好 缺点： 管路中容易形成二氧化硅粉尘,扩散源,3、固态源 最原始 氧化物,匙,远程固态源,近邻源,旋转涂覆源,2、推进氧化drive-in-oxidation,原子数量恒定不变 杂质分布改变,氧化的影响,施主,受主,离子注入,（1）热扩散的限制, 横向扩散和位错 实现浅结困难 掺杂浓度控制精度 表面污染,（2）离子注入优点,无侧向扩散 精确控制掺杂的数量及位置 离子注入浓度最大值不
4、在表面 掩膜（光刻胶、金属膜和二氧化硅） 低温工艺,离子注入概念,离子注入是将含所需杂质的化合物分子（BCl3、BF3）电离为杂质离子后，聚集成束用强电场加速，使其成为高能离子束，直接轰击半导体材料，当离子进入其中时，受半导体材料原子阻挡，而停留在其中，成为半导体内的杂质。,电离,加速,轰击,阻挡,聚集,杂质,离子注入系统,离子注入源：气态（气瓶）或固态源 常用气体：AsH3、PH3、BF3,离化反应室：将掺杂物原子离化，低压（103托）电子与杂质源碰撞。,BF3：B+ BF+ BF+2 BF3 F+ F+2 等,1标准大气压 = 101 325 帕斯卡 1 托（Torr）=133.322帕（
5、Pa）,离子注入系统,质谱分析/离子选择 质谱分析仪 离开离化子系统的离子具有1540keV的能量,B+ BF+ BF2+,离子注入系统,加速管：将离子加速到足够高的速度，获取足够高的动量以穿透晶圆表面。为了将污染降到最低，此部分处于高真空条件。加速管为直线形设计，离子进入加速管立刻沿着加速管的方向在所施加的电压作用下加速。电压范围的不同分为低能（510keV）和高能离子注入机（0.22.5MeV）。由每分钟离子注入量不同分为中等束流和高束流离子注入机。被注入的离子量称为剂量。,束流聚焦：离开加速管后，束流由于相同电荷的排斥作用而发散。发散导致离子密度不均匀和晶体掺杂不均一。成功的离子注入，束流必须聚焦。静电或磁透镜用于将离子束聚焦为小尺寸束流或平行束流。 束流中和：尽管真空去除了系统中大部分空气，但是束流附近还是有些残存的气体分子。离子和这些气体原子发生碰撞导致杂质原子中和。P+ + N2 P0 +N2+,离子注入系统,束流中和,至晶圆,离子束,离子注入系统,束流扫描终端靶室,离化反应室,离子束与晶圆作用： 1、晶圆电荷积累。利用电子枪提供电子 2、晶体损伤。高温处理,离子注入系统,离子注入区杂质浓度：,投影射程,1、薄层二氧化硅 2、 3o - 7o 3、表面不定型层,
