半導體製程 (4 版 ) Microchip Fabrication 第 11 章 : 摻雜

1. 半導體製程(4版)Microchip Fabrication 第11章:摻雜 Peter Van Zant 著姜庭隆 譯 李佩雯 校閱滄海書局中 華 民 國 90 年 11 月 28 日

2. 摘要 N-P接合界面  擴散製程  沈積和驅入(drive-in)  離子植入機 接合界面(junction) 將充滿負電荷的區域 (N型區) 和充滿電洞的區域 (P型區) 分隔 的界面。位置在電子/電洞濃度相等之處

3. 擴散的觀念 擴散(diffusion):一種材料移動進入另一種材料中的自然化學反應 發生條件 (1)一材料的濃度要高於另一材料的濃度 (2)系統必須有足夠的能量供高濃度的材料進入另一材料 以擴散法形成摻雜區及接合界面 晶圓在高溫狀況下被置於一擴散爐管中， 暴露於摻雜物環境中， 摻雜物便會由氧化層上的開孔處擴散至晶圓內

4. 圖11.3 　開始進行擴散製程 圖11.4 　擴散完畢後晶圓的剖面圖

5. 固態擴散的目的 1. 在晶圓表面造成特定數量(濃度)的摻雜原子 2. 在晶圓表面下方特定深度處造成一個N-P (或P-N)接合界面 3. 在晶圓表面產生出特定分佈(濃度)的摻雜原子 橫向擴散或側向擴散(lateral/side diffusion) 進入晶圓的摻雜原子向四方移動，有些原子橫向運動， 在氧化層阻隔下方形成接合界面 圖11.8 　擴散之接合界面的剖面表示圖 圖11.6 N型摻雜物的側向擴散

6. 濃度深度分佈圖 圖11.9 濃度和深度關係圖的建立(a) 繪P型摻雜的濃度(b) 繪N型的濃度分佈， 並決定和P型線的交點

7. 擴散製程的步驟 (1) 沈積(deposition) 又稱預先沈積 (predeposition)，簡稱dep或predep 摻雜原子蒸氣被送至爐管中擴散進入晶圓表面 圖11.11 　沈積

8. 在晶圓內部，摻雜原子以兩種方式進行其運動  空位模型 (vacancy model)  擠入空隙模型 (interstitial model) 沈積反應的限制因素  摻雜物的擴散率 (diffusivity) : 隨溫度上升而增加  摻雜物在晶圓內的最大固態溶解率 (maximum solid solubility) 圖11.12 　擴散的模型：(a) 空位模型；(b) 擠入空隙模型

9. 摻雜物濃度與深度的曲線關係: 錯誤函數 (error function) 晶圓表面的摻雜物濃度: 表面濃度 (surface concentration) 圖11.14 三種不同沈積時間典型的沈積摻雜物深度 (錯誤函數) 圖11.13 矽中不純物 (雜質) 的固態溶解度

10. 沈積步驟 1.預先清潔及蝕洗 2. 爐管內沈積  裝填晶圓(氮氣環境下進行)  摻雜動作  晶圓移出(氮氣環境下進行 ) 3. 除去表面的光亮氧化層 4. 檢測 圖11.15 　晶舟裝入的方式(a) 平行(b) 垂直

11. 摻雜物原料 摻雜原子的蒸氣來源 : 爐管原料櫃內的摻雜物混合，以承載氣體(carrier gas)送至爐中 圖11.16 沈積原料來源表

12. 液態原料　 液態原料被置於有溫度控制的石英燒瓶中， 吹入惰性氣體(氮)形成含摻雜物的飽和蒸氣 優點:價格低，摻雜品質一致 缺點:均勻度不佳，安全有顧慮，燒瓶注入原料時可能被污染 圖11.19 液態原料BBr3和氧 在沈積爐內的反應 圖11.17 液態摻雜物原料 圖11.18 利用整流隔板產生層流

13. 氣態原料　  製造商喜歡氣態摻雜原料  常為摻雜原子的氫化物形式(如AsH3及B2H6)  氣體和其他氣體相混合以稀釋其濃度 優點:可精確的控制進氣量，較清潔，常用於大晶圓 缺點: 進氣歧管內可能生成矽化物污染爐管及晶圓 圖11.20 　輸送氣體原料歧管

14. 固態原料　  遠端固態原料 (remote solid source) 經濟，但均勻性不佳，用於摻雜不需高精密度的個別元件  平面式原料片 (planar source wafer) 晶圓大小的嵌片 (slugs)，內含所需的摻雜物  相鄰式固體原料 (solid neighbor source) 在每兩片元件用晶圓間夾入一片嵌片 圖11.21 　固態原料(a) 遠端爐(b) 相鄰式原料

15.  塗在晶圓表面的保形層(conformal layer) 均勻度高，產能高，安全 密閉式爐管沈積  IBM公司發展的密閉式爐管系統  石英囊中沒有空氣，擴散效果十分均勻  擴散後打破石英囊以取出晶圓，需真空用幫浦，成本高 圖11.22 　囊狀擴散

16. (2) 驅入氧化(drive-in-oxidation) 又稱為驅入 (drive-in)、擴散 (diffusion)、再氧化 (reoxidation或reox) 目的 1. 將摻雜物重新分配至晶圓表面下更深處  新濃度分佈在數學上稱為高斯分佈 (Gaussian distribution)  接合界面的深度也增加  反應溫度比沈積的溫度高 2. 將暴露的矽表面氧化 圖11.23 　驅入氧化：(a) 晶圓剖面(b) 晶圓內摻雜物濃度

17. 　　沈積 　　驅入 氧化效果 目標 引入摻雜物 1.摻雜物重新分佈 2.再氧化 變數 1.表面成分 2.接合界面深度 3.時間 4.擴散性 5.溫度 6.原子數量 原料條件 連續供應原料 不需原料 溫度範圍 900~1100C 1050~1200C 氧化 否 是 圖11.25 　沈積和驅入步驟的總結 圖11.24 氧化時摻雜物的 堆疊及耗竭現象 (a)N型摻雜的堆疊 (b) P型摻雜的耗竭

18. 離子植入法 熱擴散法的問題 橫向擴散、不易造成超薄的接合界面、摻雜控制不佳、 表面污染的干擾、差排的生成 離子植入法的優點  不會造成側壁 (橫向) 擴散  在近室溫即可進行  摻雜原子可被置於晶圓表面的下方  摻雜濃度分佈有多種可能(特定摻雜濃度梯度的井)  可控制使摻雜原子的位置及數量  可用光阻及薄金屬層作為摻雜時的阻隔層

19. 圖11.27 　側向擴散 圖11.28 　離子植入的類比說明

20. 圖11.29 　離子植入法(a) 離子植入機的功能圖 (b) 植入原子在晶圓中的分佈情形

21. 離子植入系統 植入原料 氣體原料使用簡便，易於控制 氣體大部分是含氟的化合物 離子產生室 低壓腔室中充以原料蒸氣， 加熱燈絲釋出電子， 前進撞到摻雜物分子， 產生帶正電的離子及其他粒子 圖11.30 　離子化後產生的各種粒子

22. 質量分析/挑選離子 分析 (analyzing)、質量分析 (mass analyzing)、挑選 (selection)、 分離離子 (ion separation) 質量分析儀Mass Spectrometer qV=mv2/2 (電壓能提供動能) qVB= mv2 /R (電磁力提供向心力) 迴轉半徑 R= (2mV/qB2)1/2 V=電壓 , 15至40 keV (千電子伏特) v=離子速度 m=離子質量 弧形迴轉半徑R是由粒子的 電量q 、質量m、速度v、磁場強度B決定  圖11.31 　質量分析磁管

23. 加速管(acceleration tube) 離子進入加速管，以得到足夠的動量貫穿晶圓表面 電壓高動量大，離子速度快，植入深度深 中度電流(0.5~1.7m,能量30~200keV) 高強度電流(10mA,能量200keV) 離子束的聚焦 利用靜電或磁透鏡將離子束聚焦，或成為一組平行的射束 中性粒子束捕捉器 少量殘餘氣體和離子碰撞造成離子變成中性原子 靜電板將帶電離子束偏移，中性射束則保持原方向前進 圖11.33 　離子束和中性射束中偏移出

24. 離子束的掃描 射束掃描 中度電流植入機 優點：快速, 均勻 缺點： 離子束必須被移至晶圓外後 才能轉回做下一位置的掃描 機械式掃描 離子射束的位置固定，而將前方的晶圓移動 強度電流植入機 優點 省去轉回射束所浪費的時間 射束的速度固定 為批量(batch) 製程，非常有效率 射束快門(shutter) 利用電場式/機械式快門， 射束位於晶圓上時快門打開 (進行植入) 大部分的系統合併射束掃描和機械式移動 圖11.34 　以靜電板將射束掃描 圖11.35 　機械式掃描法

25. 靶室(target chamber) 也稱為末端腔室 (end chamber)  靶室中有掃描系統及負責將晶圓送入及送出的機構  偵測器(法拉第杯Faraday cup)計算植入表面的離子數目 圖11.36 　電子溢流鎗

26. 離子植入的阻隔罩(masks) 擴散法中唯一有效的阻隔罩是二氧化矽， 阻隔離子束: 大部分薄膜材料均可 (光阻、二氧化矽、氮化矽、鋁、其他金屬) 摻雜原子的數量和分佈位置 擴散法：擴散定律、擴散時間、溫度決定 離子植入法：由射束的電流密度、植入時間決定 離子的位置 離子能量、晶圓結晶方向、離子停止機制之函數 離子減速/停止的機制 1. 正電性的離因和晶體內帶負電的電子相吸而減速 2. 離子和晶圓原子內的原子核實體相撞 投射距離(projected range) 離子進入晶圓後會停止的深度 圖11.38 離子植入後摻雜物濃度的分佈

27. 晶體損傷 植入製程中，晶圓結晶因離子撞擊受傷 晶框(lattice)損傷 原子串群(damage cluster)損傷 空孔和插入(vacancy-interstitial)損傷 退火(anneal)  將受傷的結晶結構復原  退火溫度須低於擴散溫度，以防止摻雜物橫向擴散 爐管退火 退火溫度:600~1000C氫氣環境下，15至30分鐘 快速熱製程 (RTP) 技術  表面快速升溫到恢復損傷所需， 不使底材度升溫至摻雜物擴散  僅需幾秒鐘 圖11.40 空孔-插入造成損傷的機制

28. 通道(channeling)問題 晶圓的結晶方向和離子射束方向相同時 離子通過結晶原子間的距離(通道) 進入比計算出的深度更深10倍的距離 減低通道效果方法：  在表面加上一層非結晶的阻障層  將晶圓的結晶方向調偏  在晶圓表面製造出一受損層 圖11.41 進入通道的離子佔 總共植入量的效應 圖11.42 穿過非結晶氧化層 的離子植入 圖11.43將射束的方向偏移 所有的晶體結晶軸 圖11.44 將晶體表面 預先損傷

29. 植入層的檢測  4點探針：植入層的片電阻 (sheet resistance)  散流電阻(spreading resistance) 技術及電容-電壓技術:  離子濃度分佈、劑量、接合界面深度  斜面及裝飾法 (bevel and decoration)：接合界面深度 離子植入法的用途  摻雜較密及較小特徵尺寸的晶片  CMOS元件中的逆向濃度井 (retrograde wells)  超淺層的接合界面(深度小於125奈米)  MOS閘極臨界電壓(threshold voltage)調整: 閘極摻雜濃度  雙載子(bipolar) 技術:砷的埋層，高品質磊晶層  製造的電阻其均勻度變異低於1% 圖11.48 植入離子於MOS的閘極區域

30. 離子植入法優缺點 優點  能正確控制1010~1016原子平方公分的植入量  大面積上植入十分均勻  可由能量的控制得到所要的摻雜濃度分佈  對不同種的摻雜物之植入，相對容易  側向擴散現象減至最低程度  可植入非摻雜物原子  可穿過表面層將摻雜原子送至表面層下  對於不同的摻雜原子可選用不同的阻隔材料  在深井(逆向濃度井)結構中可依需求製出所要的濃度分佈 缺點  設備貴/複雜  人員訓練時間/設備維護時間久  機器高電壓  使用許多種毒性氣體  少於40奈米的淺層接合界面: 無能為力，改用電漿摻雜(plasma doping)