半导体器件原理与工艺2讲解课件.ppt

1、半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺概述概述半导体衬底半导体衬底热氧化热氧化 扩散扩散离子注入离子注入光刻光刻刻蚀刻蚀薄膜淀积薄膜淀积CMOS半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺掺杂掺杂掺杂掺杂扩散扩散离子离子注入注入扩散的基本原理扩散的基本原理扩散方法扩散方法扩散层的主要参扩散层的主要参数及检测数及检测离子注入的离子注入的基本原理基本原理离子注入设备离子注入设备离子注入后的损离子注入后的损伤与退火伤与退火主要用于结较深主要用于结较深（0.3 m)线线条较粗（条较粗（3 m）主要适用主要适用于浅结细于浅结细线条图形线条图形半导体器件原理与工艺半导

2、体器件原理与工艺掺杂掺杂掺杂在半导体生产中的作用：掺杂在半导体生产中的作用：1.形成形成PN结结2.形成电阻形成电阻3.形成欧姆接触形成欧姆接触4.形成双极形的基区、发射区、集电形成双极形的基区、发射区、集电区，区，MOS管的源、漏区和对多晶硅掺杂管的源、漏区和对多晶硅掺杂5.形成电桥作互连线形成电桥作互连线半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺扩散扩散 扩散的定义：扩散的定义：在高温下，杂质在浓度梯度的驱使在高温下，杂质在浓度梯度的驱使下渗透进半导体材料，并形成一定下渗透进半导体材料，并形成一定的杂质分布，从而改变导电类型或的杂质分布，从而改变导电类型或杂质浓度。杂质浓度。半导体器件原理与

3、工艺半导体器件原理与工艺杂质扩散杂质扩散 预扩散预扩散剂量控制剂量控制 推进推进结深控制半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺杂质扩散源杂质扩散源半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺掺杂机制掺杂机制O,Au,Fe,Cu,Ni,Sn,Mg P,B,As,Al,Ga,Sb,Ge半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺填隙扩散机制填隙扩散机制 硅原子挤走杂质，杂质再填隙半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺两种扩散机制并存两种扩散机制并存P,B P,B 同时靠这两种机制扩散同时靠这两种机制扩散挤出机制Frank-Turnbull机制半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺替位式杂质又称慢扩散

4、杂质，间隙式杂质又称快扩替位式杂质又称慢扩散杂质，间隙式杂质又称快扩散杂质，工艺中作为掺杂一般选择慢扩散杂质，工散杂质，工艺中作为掺杂一般选择慢扩散杂质，工艺容易控制艺容易控制慢扩散杂质的扩散系数快扩散杂质的扩散系数扩散扩散杂质杂质半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺一维扩散模型一维扩散模型半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺扩散模型扩散模型 采用连续性方程 J1 J2dxxCDxxJttxCxJAdxJJAtCAdx),()(12或半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺扩散模型扩散模型如果如果D与与x无关无关,FickFick第二定律第二定律半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺

5、D的温度依赖性的温度依赖性 D=Doexp(-EA/kT),式中EA是激活能半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺预沉积分布预沉积分布半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺余误差函数余误差函数半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺预沉积预沉积 预沉积剂量预沉积剂量 浓度梯度浓度梯度半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺预沉积与推进后浓度与深度关系预沉积与推进后浓度与深度关系半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺结深计算结深计算 当杂质浓度等于衬底浓度时当杂质浓度等于衬底浓度时,对应的深度为对应的深度为 xjDtCQDtxCCerfcDtxjBj

6、0014:2:推进扩散预沉积扩散半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺也叫发射区推进效应也叫发射区推进效应现象现象：发射区下的基区推进：发射区下的基区推进深度较发射区外的基区推进深度较发射区外的基区推进深度大深度大产生原因产生原因：在扩散层中又掺：在扩散层中又掺入第二种高浓度的杂质，由入第二种高浓度的杂质，由于两种杂质原子与硅原子的于两种杂质原子与硅原子的晶格不匹配，造成晶格畸变晶格不匹配，造成晶格畸变从而使结面部份陷落从而使结面部份陷落改进措施改进措施：采用原子半径与：采用原子半径与硅原子半径相接近的杂质硅原子半径相接近的杂质基区陷落效应基区陷落效应半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺

7、扩散分布的测试分析扩散分布的测试分析 浓度的测量浓度的测量四探针测量方块电阻四探针测量方块电阻范德堡法范德堡法 结深的测量结深的测量磨球法染色磨球法染色 扩展电阻扩展电阻 CV SIMS RBS AESWLtWtLRdxdxxCCqRes)()(1LWt半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺扩散系统固态源液态源半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体加工工艺原理半导体加工工艺原理概述概述半导体衬底半导体衬底热氧化热氧化扩散扩散 离子注入离子注入光刻光刻刻蚀刻蚀化学气相淀积化学气相淀积物理淀积物理淀积外延外延工艺集成工艺集成CMOS双极工艺双极工艺

8、BiCMOSMEMS加工加工半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺定义定义 先使待掺杂的原子或分子电离，再加速先使待掺杂的原子或分子电离，再加速到一定的能量，使之注入到晶体中，然到一定的能量，使之注入到晶体中，然后经过退火使杂质激活后经过退火使杂质激活半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺离子注入的优点离子注入的优点 精确控制剂量和深度精确控制剂量和深度从从1010到到1017个个/cm2,误差误差+/-2%之间之间 低温低温:小于小于125 掩膜材料多样掩膜材料多样photoresist,oxide,poly-Si,metal 表面要求低表面要求低 横向均匀性好横向均匀性好(1%for

9、8”wafer)半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺离子注入半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺离子注入机种类：离子注入机种类：离子注入机的组成离子注入机的组成离子注入机结构图离子注入机结构图外形外形卧式卧式立式立式能量能量低能量低能量60Kev中能量中能量60kev-200kev高能量高能量200kev以上以上半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺离子注入系统离子注入系统 系统包含系统包含离子源(BF3,AsH3,PH3)加速管终端台半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺质量分析器质量分析器 由经典力学由经典力学BqrMvv2MqVMEvext22extVqMBqBMr21v选择

10、所需要的杂质离子，选择所需要的杂质离子，筛选掉其他的杂质离子筛选掉其他的杂质离子半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺加速器加速器利用强电场使离子加速获得足够的能量能利用强电场使离子加速获得足够的能量能够穿跃整个系统并注入靶中够穿跃整个系统并注入靶中加速管注入深度取决于加速管的电场能量注入深度取决于加速管的电场能量离子束离子束+100kv100M100M 100M100M100M半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺注入剂量注入剂量靶室：接受注入离子并计算靶室：接受注入离子并计算出注入剂量出注入剂量：注入剂量：注入剂量I:束流强度束流强度A：硅片面积硅片面积t:注入时间注入时间qAItqQ

11、半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺-+带硅片的扫描盘带硅片的扫描盘在盘上的在盘上的取样狭缝取样狭缝离子束离子束抑制栅孔径抑制栅孔径法拉弟杯法拉弟杯电流积电流积分仪分仪法拉弟杯电流测量法拉弟杯电流测量半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺剂量的控制剂量的控制 Faraday cupDI=It/A半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺库仑散射与离子能量损失机理库仑散射与离子能量损失机理半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺垂直射程垂直射程 高斯深度分布高斯深度分布半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺垂直投影射程垂直投影射程titippEEenRpMMMMRRSSdEdxdEdEdx

12、Rp32/00000投影射程：投影射程：半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺Monte Carlo Simulation of 50keV Boron implanted into Si半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺离子注入损伤与退火离子注入损伤与退火退火的作用：退火的作用：1.消除晶格损伤消除晶格损伤2.激活杂质激活杂质退火的方法：退火的方法：1.高温热退火：用高温炉把硅片加热至高温热退火：用高温炉把硅片加热至800-1000 并保持并保持30分钟分钟特点：方法简单，设备兼容，但高温长特点：方法简单，设备兼容，但高温长时间易导致杂质的再扩散。时间易导致杂质的再扩散。半导体器件原

13、理与工艺半导体器件原理与工艺Implantation Damage 入射离子与晶格碰撞入射离子与晶格碰撞产生原子移位产生原子移位,形成损形成损伤。伤。热处理可以消除损伤热处理可以消除损伤和激活杂质和激活杂质 损伤阈值损伤阈值半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺Implantation Damage 晶体中的缺陷晶体中的缺陷一次缺陷一次缺陷primary primary defectsdefects二次缺陷二次缺陷Secondary Secondary defectdefects s点缺陷重新组合并点缺陷重新组合并扩展形成的，如位扩展形成的，如位错环错环半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工

14、艺Implantation Damage 等时退火等时退火激活载流子激活载流子减小二次缺陷减小二次缺陷 SPESPE半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺Rapid Thermal Processing 减小了杂质再分布减小了杂质再分布 工艺简单工艺简单 硅化物的形成硅化物的形成 热塑应力热塑应力半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺离子注入的应用举例离子注入的应用举例 SIMOX(Separation by IMplantation of OXygen)4000 of buried oxide requires a high oxygen dose of 2E18/cm2半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺离子注入的应用举例离子注入的应用举例 Ion Cut-Hydrogen Implantation