圖形尺寸不同的元器件在不同溫度下的熱積存

熱積存取決于柵極的尺寸，也就是IC芯片的最小圖形尺寸。柵極長(zhǎng)度較小的元器件能使源極/漏極擴(kuò)散的空間小，因此也只有較小的熱積存。由于最小圖形尺寸的縮小，晶圓只能在高溫（超過(guò)1000攝氏度）過(guò)程中停留很短的時(shí)間，所以需要緊湊的熱積存控制。下圖顯示了圖形尺寸不同的元器件在不同溫度下的熱積存（某溫度下所能停留的時(shí)間）。

下圖假設(shè)摻雜物的表面濃度為10的20次方原子/平方厘米。圖形尺寸越小的元器件，熱積存也越小。如0.25 um的元器件經(jīng)過(guò)源極/漏極注入之后只能在1000攝氏度）過(guò)程中停留很短的時(shí)間，所以需要緊湊的熱積存控制。

下的溫度下停留24s,而2 um的元器件能停留1000s。降低溫度能使熱積存明顯增加，比如經(jīng)過(guò)源極/ 漏極注入后的0. 25 um的元器件能夠在900攝氏度的溫度下停留200s,而當(dāng)溫度為800攝氏度時(shí)，可以停留3000s。

沉積和驅(qū)入過(guò)程

一般擴(kuò)散摻雜工藝的順序?yàn)橄冗M(jìn)行預(yù)沉積，然后為驅(qū)入過(guò)程。1050攝氏度時(shí)首先在晶圓表面沉積一層摻雜氧化層，如B2O3或P205。接著再用熱氧化工藝消耗掉殘余的摻雜物氣體，并且在硅晶圓上生長(zhǎng)一層二氧化硅層覆蓋摻雜物，避免摻雜物的向外擴(kuò)散。預(yù)沉積及覆蓋層氧化反應(yīng)中最常用的硼和磷原材料為二硼烷(B2 H6 )和三氯氧化磷(Phosphorus Oxychloride,即 POC13, 一般稱為POCL),它們的化學(xué)反應(yīng)式可表示如下：

硼：預(yù)沉積：B2H6+2O2->B2O3+3H2O

覆蓋層氧化反應(yīng)：2B2O3 +3Si — 3SiO2 +4B 2H2O + Si t SiO2 +2H2

磷：預(yù)沉積：4POC13 +3O2-> 2P2O5 +6C12

覆蓋層氧化反應(yīng)：2P2O5 +5Si — 5SiO2 +4P

二硼烷(B2H6)是一種有毒氣體，聞起來(lái)帶有燒焦的巧克力甜味。如果吸入或被皮膚吸收會(huì)有致命危險(xiǎn)。二硼烷可燃，自燃溫度為56Y；當(dāng)空氣中的二硼烷濃度高于0.8%時(shí)會(huì)產(chǎn)生爆炸。POCL3的蒸氣除了引起皮膚、眼睛及肺部不適外，甚至?xí)斐深^暈、頭痛、失去胃口、惡心及損害肺部。其他常用的N型摻雜化學(xué)物為三氫化碑(Ash’)和三氫化磷(PH3),這兩者都有毒、易燃且易爆。它們?cè)陬A(yù)沉積和氧化過(guò)程中的反應(yīng)都和二硼烷(B2H6)類似。

下圖所示為硼的預(yù)沉積和覆蓋氧化過(guò)程使用的高溫爐擴(kuò)散系統(tǒng)。為了避免交叉污染，每個(gè)爐管僅適用一種摻雜物。

接著在氧氣環(huán)境下將高溫?cái)U(kuò)散爐的溫度升高到1200攝氏度提供足夠的熱能使摻雜物快速擴(kuò)散到硅襯底。驅(qū)入時(shí)間由所需的結(jié)深決定，可以通過(guò)已有的理論推算出每種摻雜物所需的驅(qū)入時(shí)間。下圖顯示了擴(kuò)散摻雜工藝中的預(yù)沉積、覆蓋氧化過(guò)程和驅(qū)入過(guò)程。

擴(kuò)散工藝無(wú)法單獨(dú)控制摻雜物的濃度和結(jié)深，這是因?yàn)閮烧叨寂c溫度密切相關(guān)。擴(kuò)散是一種等向性過(guò)程，所以摻雜物原子都將擴(kuò)散到遮蔽氧化層的邊緣下方。但由于離子注入對(duì)摻雜物的濃度和分布能很好控制，所以先進(jìn)IC生產(chǎn)中幾乎所有的半導(dǎo)體摻雜過(guò)程都使用離子注入技術(shù)完成。擴(kuò)散技術(shù)在先進(jìn)IC制造中的主要應(yīng)用是在阱區(qū)注入退火過(guò)程中將摻雜物驅(qū)入。

20世紀(jì)90年代晚期，研發(fā)部門為了形成超淺結(jié)深(Ultra-Shallow Junction, USJ)使擴(kuò)散技術(shù)再次流行，首先利用CVD技術(shù)將含有高濃度硼的硼硅玻璃(BSG)沉積在晶圓表面，接著利用快速加熱工藝(RTP)再將硼從BSG中驅(qū)出并擴(kuò)散到硅中形成淺結(jié)。下圖顯示了超淺結(jié)形成時(shí)的預(yù)沉積、擴(kuò)散和剝除過(guò)程。

審核編輯：劉清