一文了解集成電路摻雜工藝

集成電路的制造過程中，摻雜是很重要的一步。最基本的IC工藝步驟如下：

摻雜就在芯片工藝段里面，

摻雜是什么意思，硅片本身載流子濃度很低，需要導(dǎo)電的話，就需要有空穴或者電子，因此引入其他三五族元素，誘導(dǎo)出更多的空穴和電子，形成P型或者N型半導(dǎo)體。

摻雜定義：就是用人為的方法，將所需的雜質(zhì)（如磷、硼等），以一定的方式摻入到半導(dǎo)體基片規(guī)定的區(qū)域內(nèi)，并達(dá)到規(guī)定的數(shù)量和符合要求的分布，以達(dá)到改變材料電學(xué)性質(zhì)、制作PN結(jié)、集成電路的電阻器、互聯(lián)線的目的。

摻雜的主要形式：注入和擴(kuò)散

提到摻雜就要有退火，熱處理、其他地方也有叫淬火。

？退火：也叫熱處理，集成電路工藝中所有的在氮氣等不

活潑氣氛中進(jìn)行的熱處理過程都可以稱為退火。

？目的：激活雜質(zhì)

消除損傷

結(jié)構(gòu)釋放后消除殘余應(yīng)力

？退火方式：

爐退火

快速退火

？擴(kuò)散的定義：在一定溫度下雜質(zhì)原子具有一定能量，能夠克服阻力進(jìn)入半導(dǎo)體并在其中做緩慢的遷移運動。？形式：替代式擴(kuò)散和間隙式擴(kuò)散

恒定表面濃度擴(kuò)散和再分布擴(kuò)散

？替位式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位：？Ⅲ、Ⅴ族元素？一般要在很高的溫度（950～1280℃）下進(jìn)行？磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴(kuò)散系數(shù)均遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散系數(shù)，可以利用氧化層作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽層？間隙式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子位于晶格間隙：？Na、K、Fe、Cu、Au 等元素？擴(kuò)散系數(shù)要比替位式擴(kuò)散大6～7個數(shù)量級

擴(kuò)散工藝主要參數(shù)

？結(jié)深：當(dāng)用與襯底導(dǎo)電類型相反的雜質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散時，在硅片內(nèi)擴(kuò)散雜質(zhì)濃度與襯底原有雜質(zhì)濃度相等的地方就形成了pn結(jié)，結(jié)距擴(kuò)散表面的距離叫結(jié)深。？薄層電阻Rs（方塊電阻）？表面濃度：擴(kuò)散層表面的雜質(zhì)濃度。

擴(kuò)散的適用數(shù)學(xué)模型是Fick定律

式中：

F 為摻入量

D 為擴(kuò)散率

N 每單位基底體積中摻入濃度

擴(kuò)散方式

？液態(tài)源擴(kuò)散：利用保護(hù)氣體攜帶雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入反應(yīng)室，在高溫下分解并與硅表面發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生雜質(zhì)原子，雜質(zhì)原子向硅內(nèi)部擴(kuò)散。？固態(tài)源擴(kuò)散：固態(tài)源在高溫下汽化、活化后與硅表面反應(yīng)，雜質(zhì)分子進(jìn)入硅表面并向內(nèi)部擴(kuò)散。

液態(tài)源擴(kuò)散

硼B(yǎng)

？擴(kuò)散源：硼酸三甲酯，硼酸三丙酯等？擴(kuò)散原理：硼酸三甲酯500°C分解后與硅反應(yīng)，在硅片表面形成硼硅玻璃，硼原子繼續(xù)向內(nèi)部擴(kuò)散，形成擴(kuò)散層。

？擴(kuò)散系統(tǒng)：N2氣源、純化、擴(kuò)散源、擴(kuò)散爐？擴(kuò)散工藝：預(yù)沉積，去BSG，再分布？工藝條件對擴(kuò)散結(jié)果的影響？氣體流量、雜質(zhì)源、溫度

磷P

？擴(kuò)散源：POCl3，PCl3，PBr3等？擴(kuò)散原理：三氯氧磷600°C分解后與硅反應(yīng)，在硅片表面形成磷硅玻璃，磷原子繼續(xù)向內(nèi)部擴(kuò)散，形成擴(kuò)散層。？擴(kuò)散系統(tǒng)：O2和N2氣源、純化、擴(kuò)散源、源冷卻系統(tǒng)、擴(kuò)散爐？擴(kuò)散工藝：預(yù)沉積，去PSG，再分布

固態(tài)源擴(kuò)散

？箱法B擴(kuò)散

B2O3或BN源，石英密封箱

？片狀BN擴(kuò)散

氧氣活化，氮氣保護(hù)，石英管和石英

舟，預(yù)沉積和再分布

？片狀P擴(kuò)散

擴(kuò)散源為偏磷酸鋁和焦磷酸硅

？固-固擴(kuò)散（乳膠源擴(kuò)散）

擴(kuò)散爐

質(zhì)量分析

？1．硅片表面不良：表面合金點;表面黑點或白霧;表面凸起物;表面氧化層顏色不一致;硅片表面滑移線或硅片彎曲;硅片表面劃傷，邊緣缺損，或硅片開裂等？2．漏電電流大：表面沾污引起的表面漏電;氧化層的缺陷破壞了氧化層在雜質(zhì)擴(kuò)散時的掩蔽作用和氧化層在電路中的絕緣作用而導(dǎo)電;硅片的缺陷引起雜質(zhì)擴(kuò)散時產(chǎn)生管道擊穿。？3．薄層電阻偏差？4．器件特性異常：擊穿電壓異常;hFE異常;穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值異常。

工藝控制

？污染控制：顆粒、有機物、薄膜、金屬離子？污染來源：操作者，清洗過程，高溫處理，工具？？ 參量控制：溫度，時間，氣體流量（影響最大？）？1．溫度控制：源溫、硅片溫度、升溫降溫、測溫？2．時間：進(jìn)舟出舟自動化， 試片？3．氣體流量：流量穩(wěn)定，可重復(fù)性，假片

離子注入

？定義：將摻雜劑通過離子注入機的離化、加速和質(zhì)量分析，成為一束由所需雜質(zhì)離子組成的高能離子流而投射入晶片（俗稱靶）內(nèi)部，并通過逐點掃描完成整塊晶片的注入？摻雜深度由注入雜質(zhì)離子的能量和質(zhì)量決定？摻雜濃度由注入雜質(zhì)離子的數(shù)目（劑量）決定 。

離子注入的優(yōu)點：

？摻雜的均勻性好？溫度低：小于600℃？可以精確控制雜質(zhì)分布？可以注入各種各樣的元素？橫向擴(kuò)展比擴(kuò)散要小得多？可以對化合物半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜。

？特點：橫向效應(yīng)小，但結(jié)深淺;雜質(zhì)量可控;晶格缺陷多？基本原理：雜質(zhì)原子經(jīng)高能粒子轟擊離子化后經(jīng)電場加速轟擊硅片表面，形成注入層？裝置：離子源、聚焦、分析器、加速管、掃描、偏轉(zhuǎn)、靶室、真空系統(tǒng)

硅中常用摻雜劑的離子注入

離子注入以往的文章里面介紹過，這兒就不多復(fù)習(xí)了。

審核編輯 ：李倩