扩散工艺

 

早期的IC生产普遍使用扩散掺杂半导体,由于最常用的硅掺杂工具是高温石英炉,所以“扩散炉”这个名词沿用至今。同样,高温炉在IC生产中的位置就称为扩散区间,然而先进的IC生产中实际已很少使用扩散掺杂工艺。

 

扩散是一种物理过程,通过分子热运动使物质由浓度高区移向浓度低区。扩散可以发生在任何地方及任何时间。香水在空气中的扩散是一个例子,糖、盐和墨水在液体中的扩散,以及浸在水中的木材或接触油类的固体等都是扩散过程。

 

早期的IC生产普遍使用扩散掺杂工艺。利用高温在硅表面掺杂高浓度的掺杂物后,掺杂物就会扩散到硅衬底中而改变半导体的导电率,下图说明了硅扩散掺杂过程。结深定义为扩散的掺杂浓度等于衬底浓度时的深度,下图说明了结深的定义。

 

由于固体的扩散速率和温度呈指数关系D~exp(-Ea/kT),因此高温环境可以显著加速扩散速率。其中Ea是活化能,k是玻尔兹曼常数,T是温度。

 

对于硼和磷等元素,大多数和半导体制造有关的掺杂物在二氧化硅中的活化能高于在单晶硅中的活化能,所以在二氧化硅中的扩散速率远低于在硅中的速率,因此二氧化硅能够作为扩散遮蔽层以便在硅表面特定区域掺杂(见下图)。

 

与离子注入掺杂工艺相比,扩散掺杂工艺有几个缺点,如扩散掺杂不能独立控制掺杂物浓度和结深。由于扩散是一种等向过程,因此掺杂物总会扩散到遮蔽氧化层下部区域(见下图)。当图形尺寸缩小时,扩散掺杂将造成相邻界面处短路。所以当离子注入工艺在20世纪70年代中期引入半导体制造过程中后,就快速取代了扩散掺杂过程成为硅掺杂的主要技术。

 

IC产业中有一项与扩散工艺有关的重要过程,这就是所谓的热积存。自对准源极/漏极注入之后,除了栅极的大小之外还会形成重掺杂的源极和漏极(见下图)。源极/漏极注入之后的任何高温过程,都可能造成源极/漏极的掺杂物扩散而增加源极/漏极的结深,如果结深增加得太大就可能对元器件的功能造成影响。源极/漏极注入形成之后,晶圆在加热工艺中所花费的时间和温度乘积称为热积存。

 

热积存取决于栅极的尺寸,也就是IC芯片的最小图形尺寸。栅极长度较小的元器件能使源极/漏极扩散的空间小,因此也只有较小的热积存。由于最小图形尺寸的缩小,晶圆只能在高温(超过1000℃)过程中停留很短的时间,所以需要紧凑的热积存控制。下图显示了图形尺寸不同的元器件在不同温度下的热积存(某温度下所能停留的时间)。下图假设掺杂物的表面浓度为10的20次方原子/立方厘米。图形尺寸越小的元器件,热积存也越小。如0.25um的元器件经过源极/漏极注入之后只能在1000℃的温度下停留24s,而2um的元器件能停留1000s。降低温度能使热积存明显增加,比如经过源极/漏极注入后的0.25um的元器件能够在900℃的温度下停留200s,而当温度为800℃时,可以停留3000s。

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