扩散掺杂制程.ppt

擴散摻雜製程 摻雜物濃度與接面深度兩者與溫度相關 沒有方法可以單獨控制兩個因素 摻雜物等向擴散的剖面 1970年代中期被離子佈植製程取代 擴散摻雜製程 氧化, 微影製程技術 和 氧化蝕刻 預積: B2H6 + 2 O2 ? B2O3 + 3 H2O 覆蓋層氧化反應: 2 B2O3 + 3 Si ? 3 SiO2 + 4 B 2 H2O + Si ? SiO2 + 2 H2 驅入 硼擴散到矽基片 擴散摻雜製程 氧化, 微影製程技術 和 氧化蝕刻 沉積擴散物氧化: 4POCl3 + 3O2 ? 2P2O5 + 3Cl2 覆蓋氧化反應 2P2O5 + 5Si ? 5SiO2 + 4P 磷集中在矽表面 驅入 磷擴散的矽基片 限制與應用 擴散是等向性的製程，而且吸附在遮蔽氧化層的底層 無法單獨控制接面深度和摻雜物的濃度 用來做為井區佈植驅入 為了超淺接面(ultra shallow junction,USJ)的形成進行研發 擴散的應用: 驅入 井區有最深的接面深度 需要非常高的離子佈植能量 百萬電子伏特的離子佈植成本非常的高 當退火時，擴散可以幫助驅使摻雜物到想要的接面深度 井區佈植和驅入 利用硼的擴散在超淺接面形成的製程 小元件需要超淺接面 硼本身具有小和輕的特質，可以具有高佈植能以達到深度的要求 在研發淺接面形成時，應用可控制的熱擴散製程 快速加熱製程(RTP)反應室示意圖 外端反應室 紅外線高溫計 石英反應室 晶圓 製程氣體 鎢—鹵素燈管 快速加熱製程(RTP) 反應室 照片提供：Applied Materials, Inc 圖3.5　各種摻質在矽中的固態溶解度 圖3.6　離子植入機的概略圖(德州大學之400 KeV機器) 離子佈植優點： 可精確控制劑量 可在真空下操作，避免雜質等污染 可控制植入深度 比較低溫製程 只要能游離，任何離子都可以植入 離子佈植儀器 圖3.7　三氟化硼解離後的譜圖 無色氣體，有刺激性，遇水呈白色煙霧狀，遇氧強烈爆炸 目的有兩個： （P76） 利用擴散將雜質擴散至較深區域 使雜質佔據矽原子位置，產生所需電性 P型磊晶 光阻 N型井區 P+ P型磊晶 N型井區 圖3.8　(a)退火(anneal)後使矽晶再結晶 目的： 利用高溫消除晶圓內因內應力而造成的缺陷 使原子重新排列，缺陷消失進而再結晶 (續)圖3.8　 (b)退火後硼植入的濃度側繪圖 圖3.9　通道效應 晶格較鬆散路徑，造成植入深度較深 圖3.10　(a)西貝克效應，(b)皮爾第效應 Thermocouples (熱電偶)： 鋁/鎳; 鉻/鎳 圖3.11　質流控制器(a)概略結構圖，(b)測溫電路 圖3.13　氣體連鎖系統 圖3.14　電子簇射器 圖3.15　斜角研磨 圖3.16　電容－電壓圖 圖3.17　(a)傳統的MOS電容，(b)壕溝電容 * * 電子材料 Electronic Materials 連水養 (S. Y. Lien) 摻 質 材 料 圖3.1　(a)完全鍵結的矽，(b)摻入硼成為p-Si，(c)摻入砷成為n-Si N型半導體 N-型 (砷) 摻雜矽及施體能階 - Si Si Si Si Si Si Si Si As 額外 的電子 價帶, Ev Eg = 1.1 eV 導帶, Ec Ed ~ 0.05 eV P型半導體 P-型(硼) 摻雜矽及其受體能階 價帶, Ev Eg = 1.1 eV 導帶, Ec Ea ~ 0.05 eV 電子 - Si Si Si Si Si Si Si Si B 電洞 圖3.2　磊晶在CMOS的例子 化學氣相沈積(CVD)系統常使用此氣體 燃燒、爆炸危險 P型摻雜物 B2H6, 燒焦巧克力和太甜的味道 有毒易燃且易爆的 N型摻雜物 PH3, 腐魚味 AsH3, 像大蒜的味道 有毒易燃且易爆的 吹除淨化的氣體 N2 做為多晶矽和氮化矽沉基的矽源: 矽烷, SiH4, 會自燃, 有毒且易爆炸 二氯矽烷, SiH2Cl2, 極易燃 氮化矽沉積的氮源: NH3, 刺鼻的, 讓人不舒服的味道, 具腐蝕性(沈積SiNx作為抗反射層) 多晶矽沉基的摻雜物 B2H6, PH3 和 AsH3 吹除淨化的氣體 N2 氮化矽 SiNx n~1.7 緻密的材料 廣泛的作為擴散阻擋層和鈍化保護介電質層 低壓化學氣相沉積法(LPCVD)【前段】和電漿增強型化學氣相沉積法(PECVD)【後段】 LPCVD 氮化矽製程經常使用一個帶有真空系統的高溫爐 矽烷或二氯矽烷作為矽的來源氣體 氨(NH3)做為氮的來源氣體 氮氣做為淨化的氣體 3 SiH2