扩散掺杂制程课件.ppt

1、電子材料電子材料 Electronic Materials連水養連水養(S.Y.Lien)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型半導體型半導體N-型型(砷砷)摻雜矽及施體能階摻雜矽及施體能階-SiSiSiSiSiSiSiSiAs額外的電子價帶,EvEg=1.1 eV導帶,EcEd 0.05 eVP型半導體型半導體P-型型(硼硼)摻雜矽及其受體能階摻雜矽及其受體能階價帶,EvEg=1.1 eV導帶,EcEa 0.05 eV電子-SiSiSiSiSiSiSiSiB 電洞電洞圖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

2、險燃燒、爆炸危險P型摻雜物型摻雜物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吹除淨化的氣體N2做為多晶矽和氮化矽沉基的矽源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多晶矽沉基的摻雜物B2H6,PH3 和 AsH3吹除淨化的氣體吹除淨化的氣體N2氮化矽氮化矽 SiNx n1.7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

3、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 SiH2Cl2+4 NH3 Si3N4+6 HCl+6 H2 或3 SiH4+4 NH3 Si3N4+12 H2透明透明、堅固堅固且且緻密緻密的材料，的材料，常拿來當常拿來當保護層保護層、絕緣層絕緣層、或或緩衝層緩衝層，而在太陽電池工，而在太陽電池工業裡，是當作業裡，是當作抗反射層抗反射層。氮化矽的氮化矽的LPCVD 系統示意圖系統示意圖 加熱器塔架MFCMFC控制閥調壓器製程氮氣S

4、iH4MFC洗滌室排氣燃燒室晶圓幫浦MFC淨化氮氣NH3製程反應室Purge 管路怎麼接？管路怎麼接？磊晶矽磊晶矽高溫(1000 C)製程.矽烷(SiH4),二氯矽烷(DCS,SiH2Cl2)或三氯矽烷(TCS,SiHCl3)做為矽的來源氣體氫氣做為製程氣體和清洗氣體三氫化砷(AsH3),三氫化磷(PH3),和氫化硼(B2H6)做為摻雜氣體磊晶矽沉積磊晶矽沉積矽烷製程 加熱(1000 C)SiH4 Si +H2 矽烷 磊晶矽 氫氣二氯矽烷製程 加熱(1150 C)SiH2Cl2 Si +2HCl二氯矽烷 磊晶矽 氯化氫磊晶矽摻雜磊晶矽摻雜N-型摻雜物 加熱(1000 C)AsH3 As +3/

5、2 H2三氫化砷 砷 氫 加熱(1000 C)PH3 P +3/2 H2三氫化磷 磷 氫P-型摻雜 加熱(1000 C)B2H6 2 B +3 H2氫化硼 硼 氫矽烷製程的溫度與晶體結構矽烷製程的溫度與晶體結構T 900 C 單晶矽550 C T 900 C 多晶矽晶粒晶界圖3.4三種形式的擴散源(續)圖3.4三種形式的擴散源 也可用磷玻璃或硼玻璃熱製程對溫度相當的敏感必要的精密溫度控制0.5 C,中央區帶0.05%在 1000 C裝載晶圓裝載晶圓,水平式系統水平式系統到排氣端製程爐管晶舟承載架製程氣體晶圓石英爐管：石英爐管：電融合電融合火焰融合火焰融合兩者可用來追蹤金屬量兩者可用來追蹤金屬量

6、火焰融合管產生的元件具有較佳的特性火焰融合管產生的元件具有較佳的特性.碳化矽管：碳化矽管：優點優點較高的熱穩定性較高的熱穩定性較好的金屬離子阻擋較好的金屬離子阻擋缺點缺點比較重、比較貴比較重、比較貴溫度控制：溫度控制：裝載晶圓裝載晶圓,垂直式系統垂直式系統製程反應室晶圓塔架加熱器先進生產工廠的無塵室空間相當昂貴小的佔地面積降低建造成本【cost of ownership(COO)】較小的佔地空間較小的佔地空間較好的污染物控制較好的污染物控制氣體流動從上到下對於層氣流的控制有較好的均勻性粒子大部分落在最上面的晶圓，而不會掉到底下的晶圓較好的晶圓控制較好的晶圓控制當控制較大直徑尺寸的晶圓數量時，作

7、用在水平爐管的承載架的力矩也很高垂直高溫爐的晶圓塔架則是零力矩水平式高溫爐水平式高溫爐中心帶區平坦帶區距離溫度加熱線圈石英爐管氣流晶圓至製程爐管MFCMFCMFC控制閥調壓器氣體鋼瓶氣體輸送系統示意圖氣體輸送系統示意圖Mass Flow Controller Purge 管路設計？MFCMFCMFC控制閥調壓器製程氮氣淨化氮氣O2POCl3MFC洗滌室排氣製程爐管晶圓燃燒室磷擴散系統磷擴散系統在釋放前要先移除有害的氣體有毒的,易燃的,易爆炸的,具腐蝕性的氣體.燃燒室移除大部分有毒的,易燃的,易爆炸的氣體洗滌室用水移除燃燒後的氧化物和具腐蝕性的氣體.處理後的氣體排放到大氣.排氣系統：排氣系統：快

8、速加熱製程快速加熱製程(RTP)單晶圓快速加熱化學氣相沉積(RTCVD)反應室可以用來沉積多晶矽和氮化矽RTCVD反應室可以在群集工具和其他製程反應室整合在同一個系統中 薄膜氧化厚度小(40)和用對於晶圓對晶圓均勻控制的快速加熱氧化製程差不多Rapid Thermal Processing RTP並不用來沉積薄膜，而是用來修正薄膜性質與製程結果。RTP將使晶圓歷經極為短暫且精確控制高溫處理過程，這個過程使晶圓溫度在短短的10至20秒內可自室溫昇到1000。RTP通常用於回火製程（annealing），負責控制元件內摻質原子之均勻度。快速加熱製程快速加熱製程(RTP)反應室示意圖反應室示意圖外端

9、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快速加熱製程(RTP)反應室反應室照片提供：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：1.可精確控制劑量2.可在真空下操作，避免雜質等污染3.可控制植入深度4.比較低溫製程5.只要能游離，任何離子都可以植入離子佈植儀器離子佈植儀器圖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，遇氧強烈爆炸無色氣體，有刺激性，遇水呈白色煙霧狀，遇氧強烈爆炸擴散摻雜製程擴散摻雜製程l摻雜物濃度與接面深度兩者與溫度相關l沒有方法可以

10、單獨控制兩個因素l摻雜物等向擴散的剖面l1970年代中期被離子佈植製程取代擴散摻雜製程擴散摻雜製程l氧化,微影製程技術 和 氧化蝕刻l預積:B2H6+2 O2 B2O3+3 H2Ol覆蓋層氧化反應:2 B2O3+3 Si 3 SiO2+4 B2 H2O+Si SiO2+2 H2l驅入l硼擴散到矽基片目的有兩個：（P76）1.利用擴散將雜質擴散至較深區域2.使雜質佔據矽原子位置，產生所需電性擴散摻雜製程擴散摻雜製程l氧化,微影製程技術 和 氧化蝕刻l沉積擴散物氧化:4POCl3+3O2 2P2O5+3Cl2l覆蓋氧化反應2P2O5+5Si 5SiO2+4Pl磷集中在矽表面l驅入l磷擴散的矽基片限

11、制與應用限制與應用l擴散是等向性的製程，而且吸附在遮蔽氧化層的底層l無法單獨控制接面深度和摻雜物的濃度l用來做為井區佈植驅入l為了超淺接面(ultra shallow junction,USJ)的形成進行研發擴散的應用擴散的應用:驅入驅入l井區有最深的接面深度l需要非常高的離子佈植能量l百萬電子伏特的離子佈植成本非常的高l當退火時，擴散可以幫助驅使摻雜物到想要的接面深度P型磊晶型磊晶光阻光阻N型井區型井區P+P型磊晶型磊晶N型井區型井區井區佈植和驅入井區佈植和驅入利用硼的擴散在超淺接面形成的製程利用硼的擴散在超淺接面形成的製程l小元件需要超淺接面l硼本身具有小和輕的特質，可以具有高佈植能以達到

12、深度的要求l在研發淺接面形成時，應用可控制的熱擴散製程圖3.8(a)退火(anneal)後使矽晶再結晶目的：1.利用高溫消除晶圓內因內應力而造成的缺陷2.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 擴散的概要擴散的概要擴散的物理機制容易理解在早期IC製造的製程，擴散廣泛使用在摻雜製程1970年代中期之後被離子佈植技術取代佈植後退火佈植後退火能量較高的離子會損傷晶格結構非晶矽有較高的電阻係數需要額外的能量(如：熱)來幫助原子回復晶格結構僅僅單晶結構的摻雜物可以被活化佈植後退火佈植後退火單晶結構有最低的位能原子傾向於停留在晶格位置熱能提供原子作快速熱運動所需要的能量原子尋找並停留在位能最低的單晶晶格位置溫度越高,退火越快晶格原子離子佈值之前離子佈值之前摻雜原子晶格原子離子佈值之後離子佈值之後摻雜原子晶格原子晶體缺陷晶體缺陷晶格原子摻雜原子退火製程退火製程