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集成电路 工艺 原理

仇志军 zjqiu@fudan.edu.cn 邯郸校区物理楼 435 室. 集成电路 工艺 原理. 大纲. 第一章 前言 第二章 晶体生长 第 三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 后端工艺与集成 第十一章 未来趋势与挑战. 上节课主要内容.

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集成电路 工艺 原理

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Presentation Transcript

  1. 仇志军 zjqiu@fudan.edu.cn 邯郸校区物理楼435室 集成电路工艺原理

  2. 大纲 第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 后端工艺与集成 第十一章 未来趋势与挑战

  3. 上节课主要内容 预淀积＋退火。预淀积：气固相预淀积扩散或离子注入。Rs：表面为正方形的半导体薄层（结深），在平行电流方向所呈现的电阻，单位为 /，反映扩散入硅内部的净杂质总量。固溶度：在平衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生反应形成分凝相的最大浓度。 1、掺杂工艺一般分为哪两步？结深？薄层电阻？固溶度？ 2、两种特殊条件下的费克第二定律的解及其特点？特征扩散长度？ 表面浓度恒定，余误差函数分布(erfc)。随时间变化：杂质总量增加，扩散深度增加 杂质总量恒定，高斯函数/正态分布(Gaussian)。随时间变化：表面浓度下降，结深增加

  4. 例题：CMOS中的p阱的形成。要求表面浓度Cs=4x1017 cm-3，结深xj=3 mm。 已知衬底浓度为CB=1×1015 cm3。 设计该工艺过程。 离子注入 ＋ 退火

  5. 解：1）假设离子注入+推进退火 假定推进退火获得的结深，则根据 该数值为推进扩散的“热预算”。

  6. 2）推进退火的时间 假定在1100 C进行推进退火，则扩散系数D=1.5×10-13 cm2/s  3）所需离子注入的杂质剂量 可以推算出 该剂量可以很方便地用离子注入实现在非常薄的范围内的杂质预淀积

  7. 即使 4）假如采用950 C热扩散预淀积而非离子注入 此时，B的固溶度为2.5×1020/cm3，扩散系数D=4.2×10-15 cm2/s 该预淀积为余误差分布，则 预淀积时间为 但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离子注入！

  8. 费克定律解析解的应用 • 本征扩散时，理想边界条件下的解。实际情况需要修正，如： • 高浓度 • 电场效应 • 杂质分凝 • 点缺陷 • …

  9. 影响杂质分布的其他因素 Fick’s Laws： Only valid for diffusion under special conditions Simplification !

  10. 1、电场效应（Field effect）——非本征扩散 如果NA、ND＞ni（扩散温度下）时，非本征扩散效应 • 电场的产生：由于载流子的迁移率高于杂质离子，二者之间形成内建电场。 • 载流子领先于杂质离子，直到内建电场的漂移流与扩散流达到动态平衡。

  11. 所以，杂质流由两部分组成： ， 以n型掺杂为例 内建电场 

  12. 由 并假定杂质全部离化，有 场助扩散方程： 其中h为扩散系数的电场增强因子： 当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时，h 接近 2。

  13. 电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大

  14. 箱型 2、扩散系数与杂质浓度的关系 在杂质浓度很高时，扩散系数不再是常数，而与掺杂浓度相关 扩散方程改写为：

  15. n型掺杂 p型掺杂 Ⅲ、Ⅴ族元素在硅中的扩散运动是建立在杂质与空位相互作用的基础上的，掺入的施主或受主杂质诱导出了大量荷电态空位，从而增强了扩散系数。

  16. 箱型 1000 C下，非本征扩散系数： 非本征掺杂扩散系数比本征掺杂扩散系数高一个数量级！！ 由于非本征掺杂的扩散系数在掺杂边缘迅速衰减，因而出现边缘陡峭的“箱型”分布。

  17. 3、氧化增强/抑制扩散（oxidation enhanced / retarded diffusion）OED/ORD • 对于B，P来说，在氧化过程中，其扩散系数增加。 • 对Sb来说，扩散系数减小。 • 双扩散机制: 杂质可以通过空位和间隙两种方式扩散

  18. AI A+I 1 ）OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数 （1＋2）Si＋2OI＋2V↔SiO2＋2I＋stress

  19. 2）ORD：对于Sb来说，其在硅中的扩散主要是通过空位进行。2）ORD：对于Sb来说，其在硅中的扩散主要是通过空位进行。 氧化注入间隙间隙和空位在硅中复合 硅中空位浓度减小Sb的扩散被抑制 I+VSis As受间隙和空位扩散两种机制控制，氧化时的扩散受影响较小 表示晶格上的Si原子

  20. 4、发射极推进效应（Emitter Push effect） Phosphorus Boron • 实验现象：在P（磷）发射区下的B扩散比旁边的B扩散快，使得基区宽度改变。 • A＋IAI，由于发射区内大量A(P)I的存在使得反应向左进行，通过掺杂原子A(P)向下扩散并找到晶格位置的同时，释放大量的间隙原子I，产生所谓“间隙原子泵”效应，加快了硼的扩散。

  21. 常用杂质硼（B），磷（P），砷（As）在硅中的性质 B: III族元素，受主杂质， 1150 ℃时固溶度达 2.4×1020 原子/cm3 1）硼 D0=1 cm2/s Ea=3.46 eV • 高浓度掺杂 • 如考虑场助效应 h电场增强因子

  22. 2）磷 • Ⅴ族元素，施主原子，有吸收铜、金等快扩散杂质的性质（这些杂质在缺陷处淀积会产生漏电）,固溶度达5×1021 原子/㎝3。 • 磷的本征扩散系数主要由中性空位V0作用决定。 • 高浓度磷扩散时浓度分布有三个区域。主要是磷离子与V0，V-，V=三种空位的作用造成的。 温度为1000 ℃时，尾区的扩散系数比本征情况下的扩散系数大二个数量级。因此磷常作为深结扩散的杂质

  23. 3）砷 • Ⅴ族元素，施主杂质，半径与硅相同， • 扩散系数小，仅磷、硼的十分之一。 • 在高掺杂情况下也不引起畸变。 • 在硅晶体中，砷激活量低于掺杂量，电激活浓度达 2×1021 ㎝-3 适宜于浅结，精确控制

  24. 扩散掺杂工艺 • 气态相源扩散（gas source） • 液态源扩散（liquid source） • 固态源扩散（solid source） • 旋涂源扩散（spin-on-glass） 注意：在引入扩散源后作推进扩散时，常常会在硅片上表面有一氧化层或其它覆盖层保护硅片，使硅片中的杂质不会挥发到大气中去。

  25. 1、气态源扩散 利用载气（如N2）稀释杂质气体，杂质气体在高温下与硅表面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。 气态杂质源(剧毒气体) : 磷烷（PH4）、砷烷（AsH3）、氢化锑（SbH3）、乙硼烷（H2B6）等

  26. 2、液态源扩散 舟 利用载气（如N2）通过液态杂质源，携带着杂质蒸汽进入高温扩散反应管，杂质蒸汽在高温下分解，并与硅表面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。

  27. 1）液态源硼扩散  源 硼酸三甲脂 B[(CH3)O]3 在500 oC 以上分解反应 B[(CH3)O]3 B2O3 + CO2 + H2O ＋ ... 2B2O3 + 3Si  3SiO2 + 4B  例： 预淀积: 950 oC 通源 10－20 分钟，N2 再分布: 1100 － 1200 o C干氧＋湿氧＋干氧

  28. 2）液态源磷扩散  源 三氯氧磷 (POCl3) >600 C 5POCl3 P2O5 + 3PCl5 2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P (向硅中扩散)  PCl5难分解，会腐蚀硅，故还要通入少量O2 4PCl5 + 5O2 2P2O5 + 10Cl2 例 ： 预淀积 :1050 C N2和 O2 再分布: 950 C O2

  29. 3、固态源扩散（B2O3，P2O5，BN等） 舟 惰性气体作为载气把杂质源蒸气输运到硅片表面，在扩散温度下，杂质化合物与硅反应生成单质杂质原子相硅内扩散。

  30. 片状固态氮化硼扩散 活化处理 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 900 C 1 h. 通 O2 扩散 2B2O3 + 3Si  3SiO2 + 4B BN片与硅片大小相当，和硅片相间均匀放置在舟上。不需载气，但以N2或Ar2保护。 锑的箱法扩散 硅片与扩散源同放一箱内， 在N2气保护下扩散 源 ： Sb2O3 :SiO2 = 1:4 (粉末重量比) 2Sb2O3 + 3Si = 4Sb + 3SiO2

  31. 4、 旋涂掺杂法（spin-on-glass） 用旋涂法在Si表面形成掺杂氧化层，然后在高温下杂质向硅中扩散。 源： As （arsenosilica）； Sb（antimonysilica）； B （borosilica）； P （phosphorosilica） 烘焙 200 C 15分钟去处溶剂 根据Rs和xj要求决定扩散温度和时间 特点 ：掺杂元素多 浓度范围广

  32. 薄层电阻测量 结深测量 掺杂分布测量 扩散层质量检验

  33. 四探针薄层电阻测量 I V 四根探针的四个针尖都保持在一条直线上（linear），并以等压力压在半导体样品表面。1和4称为电流探针，由稳压电源恒电流供电；2和3称为电位探针，测量这两个探针之间的电位差 S S S 4 1 3 2 t S >> t时成立！

  34. 磨角染色法（bevel and stain） pn结显示技术：不同导电类型的区域，由于电化学势不同，经染色后显示出不同颜色。 常用染色液：HF与01％HNO3的混合液，使p区的显示的颜色比n区深。 结深测量

  35. 1/C2 VR 掺杂分布测量 • C－V测量（Capacitance-Voltage Measurement） 测量结的反偏电容和电压的关系可以测得扩散层的掺杂分布。 对于均匀掺杂的单边突变结，结电容由下式给出： s硅的介电常数; NB衬底掺杂浓度 Vbi结的内建势; VR反偏电压

  36. 用高能离子束轰击样品，使其产生正负二次离子，将这些二次离子引入质谱仪进行分析，再由检测系统收集，据此识别样品的组分。用高能离子束轰击样品，使其产生正负二次离子，将这些二次离子引入质谱仪进行分析，再由检测系统收集，据此识别样品的组分。 二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS）

  37. 本节课主要内容 非本征扩散 常用杂质的扩散特性？ B, P, As B：p型杂质，OED；P：n型杂质，深结，OED；As：n型杂质，离子注入精确控制实现浅结 常用扩散掺杂方法？ 气态源、液态源、固态源、旋涂法 常用扩散掺杂层的质量测量？ 薄层电阻：四探针法；结深：染色法；掺杂分布：C-V法，SIMS

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