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进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着“怎么这么热怎么这么热”，于是三五成群，聚在大树，于是三五成群，聚在大树下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到“强子，别跑了，快来我给你扇扇强子，别跑了，快来我给你扇扇”。孩。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，“你看热的，跑什么？你看热的，跑什么？”此时这把蒲扇，此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧道，袅长的时间隧道，袅微电子工艺17zhang掺杂原因：掺杂原因：n n本征硅 导电能力很差。n n在硅中加入少量杂质，结构和电导率变化。217.2 扩扩 散散n n1 1.扩散原理扩散原理扩散原理扩散原理n n三步三步n n预扩散预扩散n n推进推进n n激活激活n n杂质移动杂质移动n n固溶度固溶度n n横向扩散横向扩散n n2.2.扩散工艺扩散工艺扩散工艺扩散工艺n n硅片清洗硅片清洗n n杂质源杂质源 9硅中的杂质扩散硅中的杂质扩散Displaced silicon atom in interstitial siteSiSiSiSiSiSiSiSiSic)Mechanical interstitial displacementSiSiSiSiSiSiSiSiSia)Silicon lattice structureb)Substitutional diffusionSiSiSiSiSiSiSiSiVacancyDopantd)Interstitial diffusionSiSiSiSiSiSiSiSiSiDopant in interstitial siteFigure 17.4 10扩散原理扩散原理 一一.扩散流方程扩散流方程11/10/2022扩散时质量守衡，J随时间变化与随空间变化相同连续性方程以下式表示杂质原子流密度扩散方程为：17-117-217-312扩散系数与温度有关扩散系数与温度有关D0：扩散率，E：扩散工艺激活能，k0：玻耳兹曼常数，T：绝对温度。3 36 613硅中的固溶度极限硅中的固溶度极限 1100 CTable 17.3 14扩散工艺扩散工艺扩散扩散扩散扩散8 8个步骤个步骤个步骤个步骤:1.1.进行质量测试以保证工具满足生产质量指标进行质量测试以保证工具满足生产质量指标进行质量测试以保证工具满足生产质量指标进行质量测试以保证工具满足生产质量指标.2.2.使用批控制系统，验证硅片特性使用批控制系统，验证硅片特性使用批控制系统，验证硅片特性使用批控制系统，验证硅片特性.3.3.下载包含所需工艺参数的工艺菜单下载包含所需工艺参数的工艺菜单下载包含所需工艺参数的工艺菜单下载包含所需工艺参数的工艺菜单.4.4.开启扩散炉，包括温度分布开启扩散炉，包括温度分布开启扩散炉，包括温度分布开启扩散炉，包括温度分布.5.5.清洗硅片并浸泡清洗硅片并浸泡清洗硅片并浸泡清洗硅片并浸泡HFHF，去除自然氧化层，去除自然氧化层，去除自然氧化层，去除自然氧化层.6.6.预淀积：把硅片装入扩散炉，扩散杂质预淀积：把硅片装入扩散炉，扩散杂质预淀积：把硅片装入扩散炉，扩散杂质预淀积：把硅片装入扩散炉，扩散杂质.7.7.推进：升高炉温，推进并激活杂质，然后撤出硅片推进：升高炉温，推进并激活杂质，然后撤出硅片推进：升高炉温，推进并激活杂质，然后撤出硅片推进：升高炉温，推进并激活杂质，然后撤出硅片.8.8.测量、评价、记录结深和电阻测量、评价、记录结深和电阻测量、评价、记录结深和电阻测量、评价、记录结深和电阻.15扩散常用杂质源扩散常用杂质源Table 17.4 1617.3 离子注入离子注入n n1.概况n n控制掺杂浓度（数量、深度）控制掺杂浓度（数量、深度）控制掺杂浓度（数量、深度）控制掺杂浓度（数量、深度）n n离子注入的优点离子注入的优点离子注入的优点离子注入的优点n n离子注入的缺点离子注入的缺点离子注入的缺点离子注入的缺点n n2.离子注入参数n n剂量剂量n n射程射程 17控制掺杂浓度、深度a)低掺杂浓度(n,p)浅结(xj)MaskMaskSilicon substratexjLow energyLow doseFast scan speedBeam scanDopant ionsIon implanterb)高掺杂浓度(n+,p+)和深结(xj)Beam scanHigh energyHigh doseSlow scan speedMaskMaskSilicon substratexjIon implanterFigure 17.5 18离子注入机示意图离子注入机示意图Ion sourceAnalyzing magnetAcceleration columnIon beamPlasmaProcess chamberExtraction assemblyScanning disk19离子注入机离子注入机Photograph courtesy of Varian Semiconductor,VIISion 80 Source/Terminal sidePhoto 17.1 20离子注入的优点离子注入的优点1.精确控制掺杂浓度2.很好的杂质均匀性3.对杂质深度很好控制4.产生单一离子束5.低温工艺6.注入的离子能穿过薄膜7.无固溶度极限Table 17.5 21缺点缺点l1.辐射损伤。高温退火修复。l2.设备复杂（比扩散）注入剂量22射程l能量l电子阻止Se、核阻止Sn23离子注入机的种类离子注入机的种类Table 17.6 24杂质离子的射程和投影射程杂质离子的射程和投影射程Incident ion beamSilicon substrateStopping point for a single ionRpDRp dopant distributionFigure 17.7 25投影射程图投影射程图Implantation Energy(keV)Projected Range,Rp(mm)101001,0000.010.11.0BPAsSbImplanting into SiliconFigure 17.8 Redrawn from B.El-Kareh,Fundamentals of Semiconductor Processing Technologies,(Boston:Kluwer,1995),p.38826注入杂质能量损失注入杂质能量损失SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-raysElectronic collisionAtomic collisionDisplaced Si atomEnergetic dopant ionSilicon crystal latticeFigure 17.9 27Crystal Damage Due to Light and Heavy IonsLight ion impactHeavy ion impactFigure 17.10 2817.4 离子注入机离子注入机n n离子源n n引出电极（吸极）和离子分析器n n加速管n n扫描系统n n工艺室n n退火n n沟道效应n n颗粒 29离子源和吸极装配图离子源和吸极装配图Used with permission from Applied Materials Technology,Precision Implanter 9500 Figure 17.11 Extraction assemblySource chamberTurbo pumpIon source insulatorBernas ion source assemblyArc chamberExtraction electrodeExtraction assemblyIon beam30Bernas 离子源装配图离子源装配图前板狭缝起弧室灯丝电子反射器气体入口5 V电子反射器Anode+100 V起弧室气化喷嘴电炉气体导入管DI 冷却水入口掺杂剂气体入口Used with permission from Applied Materials Technology,Precision Implanter 9500 Figure 17.12 31离子源和吸极交互作用装配图离子源和吸极交互作用装配图Used with permission from Applied Materials Technology,Precision Implanter 9500+-NS N S120 VArc吸出组件Ion Source60 kVExtraction2.5 kVSuppressionSource magnet supply5VFilamentTo PA+Ion beamTerminal reference(PA voltage)Suppression electrodeGrounded electrodeArc chamberFigure 17.13 32分析磁体分析磁体石墨Ion sourceAnalyzing magnetIon beamExtraction assemblyLighter ionsHeavy ionsNeutralsFigure 17.14 339.2.1 硅片制造厂的分区概述硅片制造厂的分区概述离子注入离子注入34离子注入机分析磁体离子注入机分析磁体35加速管加速管100 MW100 MW100 MW100 MW100 MW0 kV+100 kV+80 kV+20 kV+40 kV+60 kV+100 kVIon beamIon beamTo process chamberElectrodeFrom analyzing magnetFigure 17.15 36剂量与能量图邻近吸收Present applicationsEvolving applicationsPoly dopingSource/drainDamageengineeringBuried layersRetrogradewellsTriple wellsVt adjustChannel and drain engineering0.1110100100010,0001017101110121013101410151016Energy(keV)Dose(atoms/cm2)Used with permission from Varian Semiconductor Equipment37高能注入机的线性加速器高能注入机的线性加速器SourceAtomic mass analysis magnetLinear acceleratorFinal energy analysis magnetScan diskWaferFigure 17.17 38空间电荷中和空间电荷中和+Cross section of beamwith space charge neutralization+Cross section of beam blow-upDopant ionSecondary electronFigure 17.18 39中性束流陷阱中性束流陷阱SourceAnalyzing MagnetAcceleratorNeutral beam trapFocussing anodeY-axisdeflectionX-axisdeflectionNeutral beam pathWaferIon beamGrounded collector plateUsed with permission from Varian Semiconductor Equipment Figure 17.19 40硅片的静电离子束扫描硅片的静电离子束扫描+Ion beamY-axisdeflectionX-axisdeflectionWaferTwistTiltHigh frequency X-axis deflectionLow frequency Y-axis deflectionFigure 17.20 41注入阴影效应注入阴影效应Resista)Mechanical scanning with no tiltIon beamb)Electrostatic scanning with normal tiltResistIon beamFigure 17.21 42离子注入硅片的机械扫描Outer scan radiusInner scan radiusImplant area(calculated)Spillover cupRotationIon beamUsed with permission from Varian Semiconductor Equipment,VIISion 80 Ion Implanter Figure 17.22 43控制硅片充电的电子喷淋控制硅片充电的电子喷淋Adapted from Eaton NV10 ion implanter,circa 1983+Ion beam-Biased apertureElectron gunSecondary electron targetSecondary electrons+Ion-electronrecombinationWaferFigure 17.23 44控制硅片充电的等离子体喷淋控制硅片充电的等离子体喷淋-BiasedapertureIon beamNeutralized atomsWafer scan directionCurrent(dose)monitorPlasma electron flood chamberArgon gas inletElectron emissionChamber wall+SNSN+ArArArFigure 17.24 45离子注入机的终端台离子注入机的终端台Photograph provided courtesy of International SEMATECHPhoto 17.3 46注入工艺腔的硅片传送器注入工艺腔的硅片传送器Used with permission from Varian Semiconductor Equipment,VIISion 200 Ion ImplanterVIISion终端台Process ChamberTerminal SubsystemSource Subsystem注入子系统Operator interface片架真空锁硅片传送器Scan diskVideo monitorWallFigure 17.25 47法拉第杯电流测量法拉第杯电流测量Redraawn from S.Ghandhi,VLSI Fabricaton Principles:Silicon and Gallium Arsenide,2d ed.,(New York:Wiley,1994),p.417Scanning disk with wafersScanning directionFaraday cupSuppressor apertureCurrent integratorSampling slit in diskIon beamFigure 17.26 48硅单晶的退火硅单晶的退火Repaired Si lattice structure and activated dopant-silicon bondsb)Si lattice after annealinga)Damaged Si lattice during implantIon BeamFigure 17.27 49退火退火n n1.不退火的害处：扩散或注入的杂质没有被激活，不能成为施主或受主。n n2.退火的好处：激活杂质，修复晶格缺陷。（注入造成的）n n原理：500C修复晶格，950C激活n n1.高温炉退火，800-1000度退火30分钟，导致杂质的再扩散。n n2.快速热处理RTA：1000下短暂时间？n n瞬时增强扩散：严格控制50沿沿 轴的硅晶格视图轴的硅晶格视图Used with permission from Edgard Torres DesignsFigure 17.28 51离子入射角与沟道离子入射角与沟道Used with permission from Edgard Torres DesignsFigure 17.29 52来自颗粒沾污的注入损伤来自颗粒沾污的注入损伤MaskMaskSilicon SubstrateBeam scanIon implanterParticle creates a void in implanted areaFigure 17.30 5317.5离子注入的发展趋势离子注入的发展趋势不同的离子注入工艺n n深埋层深埋层n n倒掺杂阱倒掺杂阱n n穿通阻挡层穿通阻挡层n n阈值电压调整阈值电压调整n n轻掺杂漏极轻掺杂漏极(LDD)(LDD)n n源源/漏漏 注入注入n n多晶硅栅多晶硅栅n n沟槽电容沟槽电容n n超浅结超浅结n n绝缘体上硅绝缘体上硅(SOI)(SOI)541 深埋层Figure 17.31 n-wellp-wellp-Epi layerp+Silicon substratep+Buried layer倒掺杂阱倒掺杂阱552 倒掺杂阱 Retrograde Welln-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+n+Figure 17.32 563 穿通阻挡层n-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+p+n+n+Figure 17.33 574.阈值电压调整n-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+p+pn+n+nFigure 17.34 585.LDD 6.源漏注入+-+-n-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substratep+S/D implantn+S/D implantSpacer oxideDrainSourceDrainSourceb)p+and n+Source/drain implants(performed in two separate operations)+-n-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substratep-channel transistorp LDD implantn-channel transistorn LDD implantDrain SourceDrain SourcePoly gatea)p and n lightly-doped drain implants(performed in two separate operations)Figure 17.35 597 多晶硅栅 8.沟槽电容n+dopantn+p+Tilted implantTrench for forming capacitorFigure 17.36 609.超浅结Figure 17.37 180 nm20 gate oxide54 nm 砷arsenic implanted layerPoly gate61绝缘层上硅SIMOX a)Common CMOS wafer constructionn-wellp-wellEpi layerSilicon substrateb)CMOS wafer with SIMOX buried layern-wellp-wellImplanted silicon dioxideSilicon substrateSilicon substrateFigure 17.38 6217.6 离子注入质量测量离子注入质量测量1、硅片表面无法接受的颗粒沾污；、硅片表面无法接受的颗粒沾污；2、剂量控制；、剂量控制；3、使用低能注入的超浅结结深。、使用低能注入的超浅结结深。63第十七章第十七章 作业作业n nP473：1，2，5，8，14，16，23，24，25，26，27，28，32，33，39，42，45，46，50，55，56，5864
