半导体制造工艺9-掺杂资料.doc

课题序号 2 授课班级 075 电子 1、2 授课课时 8 授课形式讲授授课章节名 称主题 9 :掺杂使用教具多媒体教学目的 1 、掌握常见掺杂方式:扩散、离子注入 2 、掌握离子注入工艺 3 、了解离子注入的应用 4 、了解掺杂质量控制教学重点离子注入工艺教学难点掺杂质量控制更新、补充、删节内 容课外作业教学后记授课主要内容或板书设计 概述 扩散 离子注入 离子注入机 离子注入工艺 离子注入的应用 掺杂质量控制课堂教学安排教学过程主要教学内容及步骤导入新授在前面已经介绍了在半导体中哪怕引入一点点杂质也会大大改变半导体的导电性。本章就要介绍给半导体引入指定杂质的工艺过程, 也就是掺杂。掺杂的目的就是改变半导体的导电类型, 形成 N 型层或 P 型层, 以形成 PN 结和各种半导体器件,从而形成半导体集成电路;或改变材料的电导率。经过掺杂,杂质原子将要代替原材料中的部分原子,材料的导电类型决定于杂质的化合价, 如硅中掺入五价的磷( 施主杂质) 将成为 N 型半导体, 掺入三价的硼( 受主杂质)将成为 P 型半导体。 掺杂的两种方法掺杂的方法有两种: 热扩散和离子注入。热扩散法是最早使用也是最简单的掺杂工艺, 热扩散是利用高温驱动杂质进入半导体的晶格中, 并使杂质在半导体衬底中扩散。这种方法对温度和时间的依赖性很强。于 20 世纪 50 年代开始研究, 20 世纪 70 年代进入工业应用阶段,随着 VLSI 超精细加工技术的发展, 现已成为各种半导体掺杂和注入隔离的主流技术。离子注入是通过把杂质离子变成高能离子来轰击衬底,从而把杂质注入到半导体衬底中的掺杂方法。 掺杂工艺流程半导体制造中的污染无时无刻不在, 所以掺杂之前要对衬底进行清洗等前处理。大部分的掺杂是在半导体衬底中指定的区域掺杂——选择性掺杂, 也就是有些区域需要掺杂, 其他区域不掺杂。怎样实现选择性掺杂呢?那就是在掺杂之前在半导体衬底表面生长一层掩蔽膜( 这层掩蔽膜具有阻挡杂质向半导体衬底中扩散的能力) ,然后对掩蔽膜进行光刻和刻蚀,去掉衬底上面待掺杂区域的掩蔽膜, 不掺杂区域的掩蔽膜要保留下来, 得到选择扩散窗口。然后放入高温扩散炉中进行掺杂, 则在窗口区就可以向半导体衬底中扩散杂质, 其他区域被掩蔽膜屏蔽, 没有杂质进入, 实现对半导体衬底中的选择性扩散。掺杂完成后要进行检测。图是在 N 型衬底中掺入受主杂质形成 P 型掺杂区的流程图。掺杂工艺流程 扩散原理扩散是物质的一个基本性质, 原子、分子和离子都会从高浓度向低浓度处进行扩散运动。一种物质向另一种物质发生扩散运动需满足两个基本条件:第一有浓度差; 第二提供足够的能量使物质进行扩散。在半导体制造中, 利用高温热能使杂质扩散到半导体衬底中。 1. 扩散机制杂质在硅晶体中的扩散机构 2. 扩散系数 3. 杂质浓度分布扩散示意图杂质浓度分布 4. 结深 5. 掩蔽膜 6. 固溶度 扩散工艺步骤 前面已经介绍了扩散工艺流程, 在这个流程中,前3 步为扩散掺杂的晶圆准备, 同时在扩散掺杂前要进行设备准备,即包括设备检测、设备清洁、工艺菜单、升温并达到指定的温度分布等。 1. 上料模式两种上料模式 2. 扩散步骤 1) 预淀积扩散: 预淀积是恒定表面源扩散, 即扩散炉中的杂质气体浓度保持恒定不变,这样暴露在杂质气体中的半导体晶圆表面杂质浓度 NS 也保持恒定不变。 2) 再分布扩散:再分步又叫推进,是限定源浓度扩散。 3. 评估 4. 横向扩散扩散的理想情况与横向扩散 扩散设备、工艺参数及其控制半导体设备发展很快, 扩散设备已经智能化。图9?8 是一款扩散设备外观(通常叫扩散炉)。扩散设备外观 1. 扩散设备扩散设备——单管控制结构图(1) 技术指标 1) 适用硅片: Φ 100mm 、Φ 150mm 、Φ 200mm 、Φ 300mm 。 2) 炉管数量: 1~4 管( 由客户定)。 3) 净化工作台:台面采用进口不锈钢面板。 4) 气路流量计:标配为浮子流量计,可选件为质量流量计: 5) 气密性指标:阀门压力调节到 29psi(1psi=) , 24h 后压力减小到不大于 (1psi=) 。 6) 气路管件:采用内抛光不锈钢气路管线及优质阀门,SWAGELOK 接口。 7) 工作温度范围: 600~1300 ℃。 8) 温度传感器: S 型热电偶。 9) 长期工作温度: 1200~1286 ℃。 10) 恒温区长度及精度: 800~1300 ℃, 800mm/ ± ℃; 400~800 ℃, 800mm/ ± 1℃。 11) 单