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

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

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

含有摻雜物的氣流

擴散爐管

P 型摻雜原子 N 型摻雜原子

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

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

側向擴散

圖 11.6 　 N 型摻雜物的側向擴散

理想狀況 橫向擴散

圖 11.8 　擴散之接合界面的剖面表示圖

深度 (層的編號 )

濃度

(原子數目

) 2

141210

864

1 2 3 4 5 6 深度 (層的編號 )

濃度

(原子數目

)1 2 3 4 5 6

2

141210

864

接合界面的位置

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

濃度深度分佈圖

/

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

摻雜原子

沈積爐管

電阻線圈

圖 11.11 　沈積

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

固態溶解的原子數目

(每平方公分

)

1510

1610

1710

1810

1910

2010

2110

2210

500 700 900 1100 1300 1500

)C(溫度

圖 11.13 矽中不純物 ( 雜質 ) 的固態溶解度

1 2 3 4 51310

1410

1510

1610

1710

1810

1910

2010表面摻雜物濃度

接合界面深度

晶圓內部的摻雜濃度

)(層深度

摻雜物濃度

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 )

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)

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

晶圓

氣流 晶舟

/ 沈積 驅入爐管

晶舟

晶圓

氣流

圖 11.15 　晶舟裝入的方式 (a) 平行 (b) 垂直

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

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

摻雜物載氣鈍氣

摻雜氣體

沈積爐管

晶圓

層流亂流 整流隔板

圖 11.17 液態摻雜物原料

圖 11.18 利用整流隔板產生層流

圖 11.19 液態原料 BBr3

和氧 在沈積爐內的反應

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

鈍氣反應氣體

摻雜原料氣體

流量計

閥壓力調節器

氣體鋼瓶

圖 11.20 　輸送氣體原料歧管

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

原料爐 沈積爐

固態原料

載氣

圖 11.21 　固態原料 (a) 遠端爐 (b) 相鄰式原料

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

囊狀容器 密封 塞 爐管

晶圓固體原料 圖 11.22 　囊狀擴

散

(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

水蒸氣氧化物

摻雜物

摻雜物濃度

沈積後分佈為錯誤函數

驅入化後為高斯分佈

晶圓內摻雜物濃度

透入晶圓深度

圖 11.23 　驅入氧化： (a) 晶圓剖面 (b) 晶圓內摻雜物濃度

氧化效果 氧化層

原先的表面

/二氧化矽 矽的交界面

(a) (b)深度 深度

摻雜物濃度

摻雜物濃度

 　　沈積 　　驅入

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 900~1100C 1050~1200C

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

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

所需的間隔空間

圖 11.27 　側向擴散

圖 11.28 　離子植入的類比說明

離子供應源

(b)

(a)

晶圓處理腔室中的晶圓

中性粒子接收板

中性粒子捕捉器分析磁管

角的質量90

聚焦

加速管Y 軸掃描

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

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

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

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

離子束至晶圓

中性射束

圖 11.33 　離子束和中性射束中偏移出

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

晶圓

離子束

旋轉方向

圖 11.34 　以靜電板將射束掃描

圖 11.35 　機械式掃描法

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

法拉第杯

帶正電的離子束

旋轉的植入板

電子溢流鎗

量測射束電流

圖 11.36 　電子溢流鎗

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

投射距離

進入晶圓的深度

摻雜物濃度

圖 11.38 離子植入後摻雜物濃度的分佈

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 :600~1000C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

插入

空孔

離子軌跡

圖 11.40 空孔 -插入造成損傷的機制

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

濃度

進入晶圓的深度

進入通道的離子

圖 11.41 進入通道的離子佔 總共植入量的效應 含離子的氣體

氧化物

圖 11.42 穿過非結晶氧化層 的離子植入

晶體

含離子的氣體

圖 11.43 將射束的方向偏移 所有的晶體結晶軸

晶體

受損的晶體

圖 11.44 將晶體表面 預先損傷

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% 離子摻雜物

閘極區域 圖 11.48 植入離子於 MOS 的閘極區域

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)

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