半導體工藝 摻雜原理與技術(shù)PPT課件

.,微電子工藝學MicroelectronicProcessing第四章?lián)诫s原理與技術(shù),張道禮教授Email:zhang-daoliVoice:87542894,摻雜（doping）：將一定數(shù)量和一定種類的雜質(zhì)摻入硅中，并獲得精確的雜質(zhì)分布形狀（dopingprofile）。,摻雜應用：MOSFET：阱、柵、源/漏、溝道等BJT：基極、發(fā)射極、集電極等,pwell,4.1摻雜,.,基本概念：結(jié)深xj（JunctionDepth）；薄層電阻Rs（SheetResistance）；雜質(zhì)固溶度（Solubility),4.1摻雜,目的：改變晶片電學性質(zhì)，實現(xiàn)器件和電路縱向結(jié)構(gòu)。方式：擴散（diffusion）、離子注入（ionimplantation）、合金、中子嬗變。,.,高溫擴散：一直到20世紀70年代，雜質(zhì)摻雜主要是由高溫的擴散方式來完成，雜質(zhì)原子通過氣相源或摻雜過的氧化物擴散或淀積到硅晶片的表面，這些雜質(zhì)濃度將從表面到體內(nèi)單調(diào)下降，而雜質(zhì)分布主要是由高溫與擴散時間來決定。離子注入：摻雜離子以離子束的形式注入半導體內(nèi)，雜質(zhì)濃度在半導體內(nèi)有個峰值分布，雜質(zhì)分布主要由離子質(zhì)量和注入能量決定。擴散和離子注入兩者都被用來制作分立器件與集成電路，因為二者互補不足，相得益彰。例如，擴散可用于形成深結(jié)(deepjunction)，如CMOS中的雙阱(twinwell)；而離子注入可用于形成淺結(jié)(shaIlowjunction)，如MOSFET中的漏極與源極,4.1摻雜,.,4.1摻雜,.,雜質(zhì)分布形狀（dopingprofile）舉例,4.1摻雜,.,結(jié)深的定義xj:當x=xj處Cx（擴散雜質(zhì)濃度）=CB（本體濃度）器件等比例縮小k倍，等電場要求xj同時縮小k倍同時,要求xj增大在現(xiàn)代COMS技術(shù)中，采用淺結(jié)和高摻雜來同時滿足兩方面的要求,4.1摻雜,.,8,薄層電阻RS（sheetresistance）,方塊電阻,t,l,w,薄層電阻定義為：,4.1摻雜,.,方塊時，lw，RRS。所以，只要知道了某個摻雜區(qū)域的方塊電阻，就知道了整個摻雜區(qū)域的電阻值。重要性：薄層電阻的大小直接反映了擴散入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量,RS：表面為正方形的半導體薄層，在電流方向呈現(xiàn)的電阻。單位為/RS：正方形邊長無關(guān),4.1摻雜,.,物理意義：薄層電阻的大小直接反映了擴散入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量q電荷，載流子遷移率，n載流子濃度假定雜質(zhì)全部電離，載流子濃度n=雜質(zhì)濃度N則：Q：從表面到結(jié)邊界這一方塊薄層中單位面積上雜質(zhì)總量,4.1摻雜,.,雜質(zhì)固溶度（dopantsolidsolubility）,固溶度（solidsolubility）：在平衡條件下，雜質(zhì)能溶解在硅中而不發(fā)生反應形成分凝相的最大濃度。電固溶度超過電固溶度的雜質(zhì)可能形成電中性的聚合物，對摻雜區(qū)的自由載流子不貢獻,4.1摻雜,.,As在硅中的固溶度:21021cm-3As的電學可激活濃度:21020cm-3,4.1摻雜,.,摻入的雜質(zhì)是電活性的，能提供所需的載流子，使許多微結(jié)構(gòu)和器件得以實現(xiàn)。摻雜的最高極限約1021atoms/cm3，最低1013atoms/cm3,4.1摻雜,.,擴散原理擴散是微電子工藝中最基本的平面工藝，在約1000的高溫、p型或n型雜質(zhì)氣氛中，雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴散，達到一定濃度，實現(xiàn)半導體定域、定量摻雜的一種工藝方法，也叫熱擴散。固相擴散：擴散是一種自然現(xiàn)象，由物質(zhì)自身的熱運動引起。微電子工藝中的擴散是雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴散，因此是一種固相擴散。擴散的微觀機制：晶體內(nèi)擴散是通過一系列隨機跳躍來實現(xiàn)的，這些跳躍在整個三維方向進行，有多種方式，最主要有：填隙式擴散；替位式擴散；填隙-替位式擴散,4.2擴散,.,間隙式擴散（interstitial）,替位式擴散（substitutional）,間隙擴散雜質(zhì)：O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg,替位擴散雜質(zhì)：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的運動一般是以近鄰處有空位為前題,B，P，一般作為替位式擴散雜質(zhì)，實際情況更復雜，包含了硅自間隙原子的作用，稱填隙式或推填式擴散,4.2擴散,.,填隙式（interstitialassistedkick-out)或推填式擴散（Interstitialcy-assited),4.2擴散,.,4.2擴散,.,間隙式擴散：Au,Ag,Cu,Fe,Ni等,間隙原子必須越過的勢壘高度EiEi約為0.61.2eV跳躍幾率和溫度有關(guān)振動頻率010131014/s快擴散雜質(zhì),T：絕對溫度，k：玻爾茲曼常數(shù),4.2擴散,.,在溫度T，單位晶體體積中的空位數(shù)每一格點出現(xiàn)空位的幾率為Nv/N，替位式原子必須越過的勢壘高度為Es;Es約34eV跳躍幾率為慢擴散雜質(zhì),替位式擴散：B,P,As,Sb等,4.2擴散,.,Ea：本征擴散激活能，D0和溫度弱相關(guān)，而主要取決于晶格幾何尺寸和振動頻率v0,Ea小，間隙擴散Ea大，替位擴散,本征擴散系數(shù)：當NA、NDni（在一定溫度下）時，稱為本征摻雜。,D：cm2/sec,4.2擴散,表觀擴散系數(shù)：,.,D0(cm2/s)Ea(eV)B1.03.46In1.23.50P4.703.68As9.173.99Sb4.583.88,半導體工藝中常用摻雜原子在單晶硅中的本征擴散系數(shù)和激活能,As的優(yōu)勢：小D，大固溶度,4.2擴散,.,4.2擴散,右圖為在硅或砷化鎵中不同摻雜劑在低濃度時實測到的擴散系數(shù)在一般情況下，擴散系數(shù)的對數(shù)值和絕對溫度的倒數(shù)成線性關(guān)系,.,擴散是微觀粒子作無規(guī)則熱運動的統(tǒng)計結(jié)果，這種運動總是由粒子濃度較高的地方向濃度低的地方進行，而使得粒子的分布逐漸趨于均勻。擴散的原始驅(qū)動力是體系能量最小化。,擴散的宏觀機制：(diffusionfromamacroscopicviewpoint),擴散動力學,4.2擴散,.,費克第一定律,C為雜質(zhì)濃度（n/cm3)，D為擴散系數(shù)（cm2/s）。式中負號表示擴散是由高濃度處向低濃度處進行的（濃度有著負斜率，擴散朝著x的正向進行）,4.2擴散,擴散方程,.,費克第二定律濃度、時間、空間的關(guān)系,單位體積內(nèi)雜質(zhì)原子數(shù)的變化量等于流入和流出該體積元的流量差,A,4.2擴散,t時間內(nèi)該小體積內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)目變化為這個過程中由于擴散進出該小體積的雜質(zhì)原子數(shù)為,.,費克第二定律,由,假定D為常數(shù),擴散方程,4.2擴散,.,特定邊界條件下，擴散方程的解,1、穩(wěn)態(tài)時，濃度不隨時間變化,有,如氧化劑在SiO2中的擴散,4.2擴散,.,2、恒定表面源擴散(constant-surface-concentration)：雜質(zhì)原子由氣態(tài)源傳送到半導體表面，然后擴散進入半導體硅晶片，在擴散期間，氣態(tài)源維持表面質(zhì)濃度恒定為Cs,邊界條件：C(x,0)=0,x0，C(0,t)=Cs，C(,t)=0,實際工藝中，這種工藝稱作“預淀積擴散”。即氣相中有無限量的雜質(zhì)存在，可以保證在擴散表面的雜質(zhì)濃度恒定。,解方程，得恒定擴散方程的表達式,C(x,t)為某處t時的雜質(zhì)濃度Cs為表面雜質(zhì)濃度，取決于某種雜質(zhì)在硅中的最大固溶度,erfc稱作“余誤差函數(shù)(complementaryerrorfunction)”,4.2擴散,.,erfc(x)=1-erf(x),余誤差函數(shù)性質(zhì)：,對于x1,4.2擴散,.,30,：稱為特征擴散長度,1）摻雜總量為,A和Cs/CB有關(guān)D與溫度T是指數(shù)關(guān)系,因此T對結(jié)深的影響要較t大許多,2）擴散結(jié)深為xj，則,4.2擴散,.,3）雜質(zhì)濃度梯度,梯度受到Cs、t和D（即T）的影響。改變其中的某個量，可以改變梯度，如增加Cs（As）。,在p-n結(jié)處,CB和Cs一定時，xj越深，結(jié)處的梯度越小。,4.2擴散,32,余誤差函數(shù)分布,預淀積擴散,擴散時間越長，雜質(zhì)擴散距離越深，進入襯底的雜質(zhì)總量越多。恒定表面源的擴散，其表面雜質(zhì)濃度Cs基本由雜質(zhì)在擴散溫度（9001200C）下的固溶度決定，而固溶度隨溫度變化不大。,t1t2t3,t1t2t3,4.2擴散,.,3、有限源擴散(constant-total-dopant)：一定量的雜質(zhì)淀積在半導體表面，接著擴散進入硅晶片內(nèi)。雜質(zhì)總量恒定為QT,在整個擴散過程中，預淀積的擴散雜質(zhì)總量作為擴散的雜質(zhì)源，不再有新源補充。如先期的預淀積擴散或者離子注入一定量的雜質(zhì)，隨后進行推進退火時發(fā)生的高溫下擴散。,初始條件：,邊界條件：,得到高斯分布,Delta函數(shù),4.2擴散,.,2）擴散結(jié)深,1）表面濃度Cs隨時間而減少,3）濃度梯度,在pn結(jié)處,濃度梯度隨著擴散深度（結(jié)深）增加而下降,A隨時間變化,4.2擴散,.,相同表面濃度歸一化后，兩種分布的比較瞬時間，二者相似,4.2擴散,.,高斯函數(shù)分布,推進(drive-in)退火擴散,擴散時間越長，擴散越深，表面濃度越低。擴散時間相同時，擴散溫度越高，表面濃度下降越多。用于制作低表面濃度的結(jié)和較深的p-n結(jié)。,t1t2t3,t1t時成立！,1,4,3,2,4.2擴散,.,結(jié)深測量,磨角染色法（bevelandstain）pn結(jié)顯示技術(shù)：不同導電類型的區(qū)域，由于電化學勢不同，經(jīng)染色后顯示出不同顏色。常用染色液：HF與01HNO3的混合液，使p區(qū)的顯示的顏色比n區(qū)深。,4.2擴散,摻雜分布測量,CV測量（Capacitance-VoltageMeasurement）測量結(jié)的反偏電容和電壓的關(guān)系可以測得擴散層的摻雜分布。,對于均勻摻雜的單邊突變結(jié)，結(jié)電容由下式給出：s硅的介電常數(shù);NB襯底摻雜濃度；Vbi結(jié)的內(nèi)建勢;VR反偏電壓,4.2擴散,.,二次離子質(zhì)譜（SecondaryIonMassSpectroscopy,SIMS）,用高能離子束轟擊樣品，使其產(chǎn)生正負二次離子，將這些二次離子引入質(zhì)譜儀進行分析，再由檢測系統(tǒng)收集，據(jù)此識別樣品的組分。,4.2擴散,.,4.2擴散,.,非本征擴散前面討論對于恒定擴散系數(shù)而言，只發(fā)生在摻雜濃度低于擴散溫度下的本征載流子濃度ni時(例如，T=1000時，硅的ni=51018cm-3，砷化鎵的ni=51017cm-3)低濃度時的擴散系數(shù)就是其本征擴散系數(shù)。當雜質(zhì)濃度大于ni時，擴散系數(shù)變得與濃度有關(guān)，稱為非本征擴散。非本征擴散區(qū)內(nèi)，同時擴散或相繼擴散的雜質(zhì)之間存在著相互作用和協(xié)同效應，使擴散更為復雜。,4.2擴散,.,與濃度有關(guān)的擴散當基質(zhì)原子離開晶格位置而產(chǎn)生空位，依照空位的電荷數(shù)，可有中性空位V0、受主空位V、雙電荷受主V2、施主空位V+等?？梢灶A期，某種帶電狀態(tài)下的空位密度，有類似與載流子濃度的溫度相關(guān)性。,如果雜質(zhì)擴散以空位擴散為主，則D正比于空位密度。低摻雜濃度時，EFEi，空位密度等于Ci而與雜質(zhì)濃度無關(guān)。正比與Ci的D也將和雜質(zhì)濃度無關(guān)。高摻雜濃度時，EF向?qū)У滓苿?，指?shù)項大于1，這是CV增大，進而是D變大。如上圖的右側(cè)所示。,4.2擴散,.,考慮擴散系數(shù)時，D可以寫成：,Cs為表面濃度，Ds為表面擴散系數(shù)，是用來描述與濃度有關(guān)的參數(shù)。擴散方程式為：,可將擴散方程式寫成一常微分方程式并以數(shù)值法求解。,4.2擴散,.,結(jié)深可以用下式表示,4.2擴散,.,擴散分布硅中的擴散硅內(nèi)所測量到的D與雜質(zhì)濃度的關(guān)系B和As，其1，曲線（c）所示，非常陡峭。Au和Pt，-2，曲線（d）所示，呈一凹陷的形狀。P，與V2有關(guān)，D隨C2而變化，分布解決曲線（b）所示。但由于離解效應，擴散分布將呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀。,4.2擴散,.,磷在不同表面濃度下，在1000下擴散1h后的分布。當表面濃度低時，相當于本征擴散，擴散分布是一個余誤差函數(shù)曲線(a)隨著濃度增加，分布變得與簡單的表示法有差異曲線(b)及(c)在非常高濃度時曲線(d)，在表面附近的分布確實近似于上圖中的(b)曲線，然而在濃度為ne時，會有一個拐點產(chǎn)生；接著在尾區(qū)會有一個快速的擴散濃度ne發(fā)生在費米能級低于導帶0.11eV時，在此能級時，彼此結(jié)合的雜質(zhì)一空位對(P+V2-)會分解為P+、V-及一個電子這些分解會產(chǎn)生大量的單一電荷受主空位V-，這加速了尾部區(qū)的擴散在尾部區(qū)擴散系數(shù)超過10-12cm2s，此值比1000本征擴散系數(shù)約大兩個數(shù)量級由于磷的高擴散系數(shù)，它通常被用來形成深結(jié)，如在CMOS中的n阱(n-tubs),4.2擴散,.,在砷化鎵中的鋅擴散在砷化鎵中的擴散會比在硅中要來得復雜，因為雜質(zhì)的擴散包含砷和鎵兩種晶格原子移動。空位在砷化鎵擴散過程中扮演了一個主要角色，因為p型和n型雜質(zhì)最終必須進駐晶格位置上，然而空位的荷電狀態(tài)迄今尚未確定。鋅是砷化鎵中最廣為使用的擴散劑，它的D會隨C2而變化，所以擴散分布如下圖所示，是陡峭的。并注意即使是最低表面濃度的情況，擴散型態(tài)也屬于非本征擴散。因為在1000時砷化鎵的ni小于1018cm-3由圖0可見，表面濃度對結(jié)深有重大影響擴散系數(shù)會隨鋅蒸氣壓呈線性變化，而表面濃度正比于分壓的平方根，結(jié)深線性正比于表面濃度,4.2擴散,.,擴散相關(guān)工藝橫向擴散一維擴散方程基本能描述擴散工藝，但在掩蔽層的邊緣例外，因為在邊緣處雜質(zhì)會向下、向橫向擴散。這時必須考慮二維的擴散方程式，并使用數(shù)值分析技術(shù)求得在不同初始與邊界條件下的擴散分布。顯示一恒定表面初始濃度條件下的輪廓線，并假設(shè)D與濃度無關(guān)。,垂直滲透約為2.8m橫向滲透約為2.3m,4.2擴散,.,由于橫向擴散作用，結(jié)包含了一個中央平面區(qū)及一個近似圓柱、曲率半徑為rj的邊。此外，如果掩蔽層有尖銳的角，在這個角處的結(jié)將因橫向擴散而近似與圓球狀。既然電場強度在圓柱與圓球結(jié)處較強，則該處雪崩擊穿電壓遠低于有相同襯底摻雜的平面結(jié)處。,4.2擴散,例如，在CCs=10-4時(即襯底雜質(zhì)濃度比表面濃度低104倍)，我們從這個恒定表面濃度曲線可看出垂直滲透約為2.8m，而橫向滲透(即沿著掩蔽層與半導體界面的滲透)約為2.3m因此，當濃度低于表面濃度達三個或更多的數(shù)量級時，其橫向滲透約為垂直滲透的80對恒定摻雜總量擴散情況而言，也可得到相似的結(jié)果，橫向滲透與垂直滲透的比約為75對與濃度有關(guān)的擴散系數(shù)而言，這個比例下降到約為65%70,86,什么是離子注入離化后的原子在強電場的加速作用下，注射進入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學性質(zhì),離子注入的基本過程將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電的離子在強電場中加速，獲得較高的動能后，射入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學性質(zhì),4.3離子注入,離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底硅的過程。注入能量介于1keV到1MeV之間，注入深度平均可達10nm10m，離子劑量變動范圍從用于閾值電壓調(diào)整的1012/cm3到形成絕緣層的1018/cm3。相對于擴散工藝，離子注入的主要好處在于能更準確地控制雜質(zhì)摻雜、可重復性和較低的工藝溫度。高能的離子由于與襯底中電子和原子核的碰撞而失去能量，最后停在晶格內(nèi)某一深度。平均深度由于調(diào)整加速能量來控制。雜質(zhì)劑量可由注入時監(jiān)控離子電流來控制。主要副作用是離子碰撞引起的半導體晶格斷裂或損傷。因此，后續(xù)的退火處理用來去除這些損傷。,4.3離子注入,.,離子注入特點,各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度可通過精確控制摻雜劑量（1011-1018cm-2）和能量（1-400keV）來達到平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（1%variationacrossan8wafer）表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度或深結(jié)高濃度注入元素可以非常純，雜質(zhì)單一性可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻膠、介質(zhì)；可防止玷污，自由度大低溫過程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高溫過程引起的熱擴散橫向效應比氣固相擴散小得多，有利于器件尺寸的縮小會產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進設(shè)備相對復雜、相對昂貴（尤其是超低能量離子注入機）有不安全因素，如高壓、有毒氣體,4.3離子注入,.,中等電流離子注入機示意圖特點,4.3離子注入,.,90,BF3：B+，B+，BF2+，F(xiàn)+,BF+，BF+,B10B11,4.3離子注入,.,源（Source）：在半導體應用中，為了操作方便，一般采用氣體源，如BF3，BCl3，PH3，AsH3等。如用固體或液體做源材料，一般先加熱，得到它們的蒸汽，再導入放電區(qū)。b)離子源（IonSource）：燈絲（filament）發(fā)出的自由電子在電磁場作用下，獲得足夠的能量后撞擊源分子或原子，使它們電離成離子，再經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器,氣體源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，.離子源：B，As，Ga，Ge，Sb，P，.,4.3離子注入,.,離子注入過程是一個非平衡過程，高能離子進入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失能量，最后停下來。停下來的位置是隨機的，大部分不在晶格上，因而沒有電活性。,4.3離子注入,.,注入離子如何在體內(nèi)靜止？,LSS理論對在非晶靶中注入離子的射程分布的研究,1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論，簡稱LSS理論。該理論認為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個彼此獨立的過程：(1)核阻止（nuclearstopping）；(2)電子阻止（electronicstopping）總能量損失為兩者的和,4.3離子注入,核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)-LSS理論,阻止本領(lǐng)（stoppingpower）：材料中注入離子的能量損失大小單位路程上注入離子由于核阻止和電子阻止所損失的能量(Sn(E),Se(E)。核阻止本領(lǐng)：來自靶原子核的阻止，經(jīng)典兩體碰撞理論。電子阻止本領(lǐng)：來自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。,4.3離子注入,.,-dE/dx：能量隨距離損失的平均速率E：注入離子在其運動路程上任一點x處的能量Sn(E)：核阻止本領(lǐng)/截面(eVcm2)Se(E)：電子阻止本領(lǐng)/截面（eVcm2)N:靶原子密度51022cm-3forSi,LSS理論,能量E的函數(shù),能量為E的入射粒子在密度為N的靶內(nèi)走過x距離后損失的能量,4.3離子注入,核阻止本領(lǐng),注入離子與靶內(nèi)原子核之間兩體碰撞兩粒子之間的相互作用力是電荷作用,摘自J.F.Gibbons,Proc.IEEE,Vol.56(3),March,1968,p.295,核阻止能力的一階近似為：,例如：磷離子Z1=15,m1=31注入硅Z2=14,m2=28,計算可得：Sn550keV-mm2,m質(zhì)量，Z原子序數(shù)下標1離子，下標2靶,對心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移：,4.3離子注入,.,4.3離子注入,計算顯示，在低能量時，核阻止本領(lǐng)隨能量的增加而線性增加，Sn(E)會在某一中等能量時達到最大值在高能量時，由于快速粒子沒有足夠的時間和靶原子進行有效的能量交換，所以Sn(E)變小硅對各種能量的砷、磷、硼離子的Sn(E)計算值，在圖中用實線畫出(在離子符號左上角標有原子量)由圖可見，較重的原子(如砷)有較大的核阻止本領(lǐng)，即單位距離內(nèi)的能量損失較大,.,電子阻止本領(lǐng),把固體中的電子看成自由電子氣，電子的阻止就類似于粘滯氣體的阻力（一階近似）。電子阻止本領(lǐng)和注入離子的能量的平方根成正比。,非局部電子阻止,局部電子阻止,不改變?nèi)肷潆x子運動方向,電荷/動量交換導致入射離子運動方向的改變（500keV,4.3離子注入,.,4.3離子注入,.,R：射程（range）離子在靶內(nèi)的總路線長度Rp：投影射程（projectedrange）R在入射方向上的投影,Rp：標準偏差（Straggling），投影射程的平均偏差R：橫向標準偏差（Traversestraggling）,垂直于入射方向平面上的標準偏差。,射程分布：平均投影射程Rp，標準偏差Rp，橫向標準偏差R,非晶靶中注入離子的濃度分布,4.3離子注入,.,硼、磷、砷在硅中及氫鋅碲在砷化鎵中的投影射程、投影偏差與橫向偏差。,4.3離子注入,.,注入離子的二維分布圖,4.3離子注入,沿著入射軸所注入的雜質(zhì)分布可以用一個高斯分布函數(shù)來近似：,S為單位面積的離子注入劑量，此式等同于恒定摻雜總量擴散是的式。沿x軸移動了一個Rp。,對擴散而言，最大濃度位于x=0；而對離子注入來說，最大濃度位于投影射程Rp處在(x-Rp)=p處，離子濃度比其峰值降低了40%；在2p處則降為10；在3p處降為1；在4.8p處降為0.001,.,投影射程Rp:,4.3離子注入,.,注入離子的濃度分布,在忽略橫向離散效應和一級近似下，注入離子在靶內(nèi)的縱向濃度分布可近似取高斯函數(shù)形式,200keV注入,元素原子質(zhì)量Sb122As74P31B11,Cp,4.3離子注入,.,Q：為離子注入劑量（Dose）,單位為ions/cm2，可以從測量積分束流得到,由，可以得到：,4.3離子注入,.,Q可以精確控制,A為注入面積，I為硅片背面搜集到的束流（FaradyCup），t為積分時間，q為離子所帶的電荷。,例如：當A2020cm2，I0.1mA時，,而對于一般NMOS的VT調(diào)節(jié)的劑量為：B1-51012cm-2注入時間為30分鐘,對比：如果采用預淀積擴散（1000C），表面濃度為固溶度1020cm-3時，,D10-14cm-2/s,每秒劑量達1013/cm2,I0.01mAmA,4.3離子注入,.,常用注入離子在不同注入能量下的特性,平均投影射程Rp,標準偏差Rp,4.3離子注入,.,已知注入離子的能量和劑量，估算注入離子在靶中的濃度和結(jié)深問題：140keV的B+離子注入到直徑為150mm的硅靶中。注入劑量Q=51014/cm2（襯底濃度21016/cm3）1)試估算注入離子的投影射程，投影射程標準偏差、峰值濃度、結(jié)深2)如注入時間為1分鐘，估算所需束流。,4.3離子注入,.,【解】1)從查圖或查表得Rp=4289=0.43mmRp=855=0.086mm峰值濃Cp=0.4Q/Rp=0.451014/(0.08610-4)=2.341019cm-3襯底濃度CB21016cm-3xj=0.734mm2)注入的總離子數(shù)：Q摻雜劑量硅片面積51014(15/2)2=8.81016離子數(shù)IqQ/t(1.61019C)(8.81016)/60sec=0.23mA,4.3離子注入,.,注入離子的真實分布,4.3離子注入,真實分布非常復雜，不服從嚴格的高斯分布當輕離子硼（B）注入到硅中，會有較多的硼離子受到大角度的散射（背散射），會引起在峰值位置與表面一側(cè)有較多的離子堆積；重離子散射得更深。,.,橫向效應：指的是注入離子在垂直于入射方向平面內(nèi)的分布情況,橫向效應影響MOS晶體管的有效溝道長度。,R（m）,4.3離子注入,.,35keVAs注入,120keVAs注入,4.3離子注入,.,注入掩蔽層掩蔽層應該多厚？,如果要求掩膜層能完全阻擋離子,xm為恰好能夠完全阻擋離子的掩膜厚度Rp*為離子在掩蔽層中的平均射程，Rp*為離子在掩蔽層中的射程標準偏差,4.3離子注入,.,解出所需的掩膜層厚度：,穿過掩膜層的劑量：,余誤差函數(shù),4.3離子注入,.,離子注入退火后的雜質(zhì)分布,DtD0t0Dt,一個高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其標準偏差和峰值濃度發(fā)生改變。,4.3離子注入,.,離子注入的溝道效應前述高斯分布的投影射程及投影射程的標準偏差能很好地說明非晶硅或小晶粒多晶硅襯底的注入離子分布只要離子束方向偏離低指數(shù)(low-index)晶向(如)，硅和砷化鎵中的分布狀態(tài)就如在非晶半導體中一樣在此情況下，靠近峰值處的實際雜質(zhì)分布，即使延伸到低于峰值一至兩個數(shù)量級處也一樣，如右圖所示然而即使只偏離晶向7o，仍會有一個隨距離而成指數(shù)級exp(-x/)變化的尾區(qū)，其中典型的數(shù)量級為0.1m,4.3離子注入,.,指數(shù)型尾區(qū)與離子注入溝道效應有關(guān)，當入射離子對準一個主要的晶向并被導向在各排列晶體原子之間時，溝道效應就會發(fā)生。,圖為沿方向觀測金剛石晶格的示意圖。離子沿方向入射，因為它與靶原子較遠，使它在和核碰撞時不會損傷大量能量。對溝道離子來說，唯一的能量損傷機制是電子阻止，因此溝道離子的射程可以比在非晶硅靶中大得多。,4.3離子注入,.,溝道效應（Channelingeffect）：當離子沿晶軸方向注入時，大部分離子將沿溝道運動，幾乎不會受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠。,4.3離子注入,.,4.3離子注入,離子進入的角度及通道,.,110,111,100,傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向,4.3離子注入,.,濃度分布：由于溝道效應的存在，在晶體中注入將偏離LSS理論在非晶體中的高斯分布，濃度分布中出現(xiàn)一個相當長的“尾巴”,產(chǎn)生非晶化的劑量,沿的溝道效應,4.3離子注入,.,表面非晶層對于溝道效應的作用,BoronimplantintoSiO2,BoronimplantintoSi,4.3離子注入,.,減少溝道效應的措施：覆蓋一層非晶體的表面層、將硅晶片轉(zhuǎn)向或在硅晶片表面制造一個損傷的表層常用的覆蓋非晶體材料只是一層薄的氧化層圖(a)，此層可使離子束的方向隨機化，使離子以不同角度進入硅晶片而不直接進入晶體溝道將硅晶片偏離主平面5o10o，也能有防止離子進入溝道的效果圖(b)利用這種方法，大部分的注入機器將硅晶片傾斜7o并從平邊扭轉(zhuǎn)22o以防止溝道效應先注入大量硅或鍺原子以破壞硅晶片表面，可在硅晶片表面產(chǎn)生一個隨機層圖(c)然而，這種方法需要使用昂貴的離子注入機,4.3離子注入,.,典型離子注入?yún)?shù),離子：P，As，Sb，B，In，O劑量：10111018cm-2能量：1400keV可重復性和均勻性:1%溫度：室溫流量：1012-1014cm-2s-1,4.3離子注入,.,總阻止本領(lǐng)（Totalstoppingpower）,4.3離子注入,.,4.3離子注入,.,EORdamage,CourtesyAnn-ChatrinLindberg(March2002).,4.3離子注入,.,晶格損傷：高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列碰撞，可能使靶原子發(fā)生位移，被位移原子還可能把能量依次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的空位間隙原子對及其它類型晶格無序的分布。這種因為離子注入所引起的簡單或復雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。,什么是注入損傷,(Si)SiSiI+SiV,4.3離子注入,.,損傷的產(chǎn)生,移位原子：因碰撞而離開晶格位置的原子。移位閾能Ed：使一個處于平衡位置的原子發(fā)生移位，所需的最小能量.(對于硅原子,Ed15eV)注入離子通過碰撞把能量傳給靶原子核及其電子的過程，稱為能量傳遞過程,4.3離子注入,.,損傷區(qū)的分布,重離子每次碰撞傳輸給靶的能量較大，散射角小，獲得大能量的位移原子還可使許多原子移位。注入離子的能量損失以核碰撞為主。同時，射程較短，在小體積內(nèi)有較大損傷。重離子注入所造成的損傷區(qū)域小，損傷密度大。,質(zhì)量較靶原子輕的離子傳給靶原子能量較小，被散射角度較大，只能產(chǎn)生數(shù)量較少的位移靶原子，因此，注入離子運動方向的變化大，產(chǎn)生的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較大。呈鋸齒狀。,4.3離子注入,.,離子注入損傷估計,100KeVB離子注入損傷初始核能量損失：30eV/nm,硅晶面間距:0.25nm,每穿過一個晶面能量損失:30eV/nm0.25nm=7.5eVEd(15eV).當能量降到50KeV,穿過一個晶面能量損失為15eV,該能量所對應的射程為:150nm.位移原子數(shù)為:150/0.25=600,如果移位距離為:2.5nm,那么損傷體積:(2.5)2150=3X10-18cm3.損傷密度:2X1020cm-3,大約是原子密度0.4%.100KeVAs離子注入損傷平均核能量損失：1320eV/nm,損傷密度:51021cm-3,大約是原子密度10%,該數(shù)值為達到晶格無序所需的臨界劑量,即非晶閾值.,4.3離子注入,.,非晶化（Amorphization）,注入離子引起的晶格損傷有可能使晶體結(jié)構(gòu)完全破壞變?yōu)闊o序的非晶區(qū)。與注入劑量的關(guān)系注入劑量越大，晶格損傷越嚴重。臨界劑量：使晶格完全無序的劑量。臨界劑量和注入離子的質(zhì)量有關(guān),4.3離子注入,.,損傷退火（DamageAnnealing）,被注入離子往往處于半導體晶格的間隙位置，對載流子的輸運沒有貢獻；而且也造成大量損傷。注入后的半導體材料：雜質(zhì)處于間隙nND；pNA晶格損傷，遷移率下降；少子壽命下降熱退火后：nn=ND(p=NA)bulk0,4.3離子注入,.,損傷退火的目的,去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復其原有完美晶體結(jié)構(gòu)讓雜質(zhì)進入電活性（electricallyactive）位置替位位置?；謴碗娮雍涂昭ㄟw移率注意：退火過程中應避免大幅度的雜質(zhì)再分布,4.3離子注入,.,損傷恢復機制（DamageRecoveryMechanism）,Annihilation:recombination,SiI+SiV(Si)Si,MonteCarlo模擬的I-V復合結(jié)果：短時間內(nèi)（10-2秒）800C下，體內(nèi)的V在表面復合迅速完成，產(chǎn)生剩余的I，其表面復合相對較緩慢。在400C以上，這些I可接合入311面形成棒/帶狀缺陷，并可以穩(wěn)定較長時間。,FrenkelI-Vpairs,4.3離子注入,.,該311缺陷帶在較高溫度下（8001000C）即可退火修復，但是釋放出大量填隙原子I。損傷小于臨界值，這些311缺陷可以完全分解，回復完美晶體。損傷高于臨界值，則311缺陷可能變成穩(wěn)定的位錯環(huán)，該位錯環(huán)位于EOR，并難以去除。,4.3離子注入,.,退火一定溫度下，通常在Ar、N2或真空條件下退火溫度取決于注入劑量及非晶層的消除。修復晶格：退火溫度600oC以上，時間最長可達數(shù)小時雜質(zhì)激活：退火溫度650900oC，時間1030分鐘*方法簡單*不能全部消除缺陷*對高劑量注入激活率不夠高*雜質(zhì)再分布,4.3離子注入,.,。高功率激光束輻照。電子束。高強度的光照。其它輻射RTP主要優(yōu)點是摻雜的再分布大大降低，對制備淺結(jié)器件特別有利,b）快速熱退火，RapidThermalProcessing（RTP）,4.3離子注入,.,4.3離子注入,.,表為傳統(tǒng)爐管與RTA技術(shù)的比較。為獲得較短的工藝時間，需在溫度和工藝的不均勻性、溫度測量與控制、硅晶片的應力與產(chǎn)率間作取舍。,4.3離子注入,.,4.3離子注入,.,離子注入在集成電路中的應用,4.3離子注入,.,雙極型制造（Bipolarfabrication）。高能注入形成埋層。LOCOS下方的p-n結(jié)隔離。形成基區(qū)注入。砷注入多晶硅發(fā)射區(qū)。多晶電阻,4.3離子注入,.,其它應用硅襯底背面損傷形成吸雜區(qū)BacksideDamageLayerFormationforGettering形成SOI結(jié)構(gòu)Silicon-On-InsulatorUsingOxygenorHydrogenImplantation,4.3離子注入,.,注入相關(guān)工藝多次注入及掩蔽在許多應用中，除了簡單的高斯分布外其他的雜質(zhì)分布也是需要的。例如硅內(nèi)預先注入惰性離子，使表面變成非晶。此方法使雜質(zhì)分布能準確地控制，且近乎百分百的雜質(zhì)在低溫下激活。在此情況下，深層的非晶體層是必須，為了得到這種區(qū)域，必須要做一些列不同能量與劑量的注入（多次注入）。多次注入如下圖所示，用于形成一平坦的雜質(zhì)分布。,4.3離子注入,在圖中，四次硼注入硅中以提供一合成的雜質(zhì)分布測量和利用射程理論所預測的載流子濃度如圖所示其他不能由擴散方法得到的雜質(zhì)分布，也可用不同雜質(zhì)劑量與注入能量的組合來實現(xiàn),.,多次注入也用來保證砷化鎵在注入與退火時化學成分保持不變這種方法以等量的鎵與n型雜質(zhì)(或砷與p型雜質(zhì))在退火前預先注入，這樣可以激活更多的雜質(zhì)為了要在半導體襯底中預先選擇的區(qū)域里形成p-n結(jié)，注入時需要一層合適的掩蔽層因為注入屬于低溫工藝，有很多材料可以使用要阻止一定比例的入射離子所需用的掩蔽材料，其最小厚度可從離子的射程參數(shù)來求得,4.3離子注入,.,為了要在半導體襯底中預先選擇的區(qū)域里形成p-n結(jié)，注入時需要一層合適的掩蔽層。此層要阻止一定比例的入射離子其最小厚度可從離子的射程參數(shù)來求得。在某一深度d之后的注入量對回憶式積分可得：,回憶式,4.3離子注入,.,穿越深度d的劑量的百分比可由穿透系數(shù)T(transmissioncoefficient)求得：,一旦得到了T，對任一恒定的Rp和p來說，都可以求得掩蔽層厚度d，對SiO2、Si3N4與抗蝕劑來說，要阻擋99.99%的入射離子（T10-4）所需的d值如下圖所示。圖中內(nèi)插圖顯示了在掩蔽材料內(nèi)的注入物的分布。,4.3離子注入,.,傾斜角度離子注入當器件縮小到亞微米尺寸時，將雜質(zhì)分布垂直方向也縮寫是很重要的。現(xiàn)代器件結(jié)構(gòu)如輕摻雜漏極（LDD），需要在縱向和橫向上精確控制雜質(zhì)分布。垂直于表面的離子速度決定注入分布的投影射程。如果硅晶片相對于離子束傾斜了一個很大的角度，則等效離子能量將大為減少。在傾斜角度離子注入時，需考慮硅晶片上掩蔽圖案的陰影效應。較小的傾斜角度導致一個小陰影區(qū)。如高為0.5m的掩蔽層，離子束的入射角為7度，將導致一個61nm的陰影區(qū)?？赡苁瞧骷a(chǎn)生一個預想不到的串聯(lián)電阻。,4.3離子注入,垂直于表面的離子速度決定注入分布的投影射程如果硅晶片相對于離子束傾斜了一個很大的角度，則等效離子能量將大為減少上圖顯示傾斜角與60keV砷離子的關(guān)系，它顯示以高傾斜角度(86o)可得到一極淺的分布,.,高能量與大電流注入注入機能量可高達1.5-5MeV，且已用作多種新型用途。主要利用其能將雜質(zhì)摻入半導體內(nèi)深達好幾個微米的能力而不需要借助高溫下長時間的擴散。也可用于制作低電阻埋層。例如，CMOS器件中距離表面深達1.5到3m的埋層。大電流注入機（10-20mA）工作在25-30keV范圍下，通常用于擴散技術(shù)中的預置處理。因為其總量能夠精確控制。在預置后，摻雜劑可以用高溫擴散步驟再分布，同時順便將表面區(qū)的注入損傷修補。另一用途就是MOS器件的閾值電壓調(diào)整，精確控制的雜質(zhì)量經(jīng)柵極氧化層注入溝道區(qū)。目前，已有能量范圍介于150-200keV的大電流離子注入。主要用途是制作高品質(zhì)硅層，通過向硅層中注入氧來生成二氧化硅從而使該硅層與襯底絕緣。這種氧注入隔離（SIMOX）是一種絕緣層上硅（SOI）的關(guān)鍵技術(shù)。,4.3離子注入,.,用途就是MOS器件中的閾值電壓調(diào)整精確控制的雜質(zhì)量(如硼)經(jīng)柵極氧化層注入溝道區(qū)，如圖(a)所示因為硼在硅與二氧化硅中的投影射程相差不多，如果我們選擇適當?shù)娜肷淠芰?，這些離子將會只穿過薄的柵極氧化層而不會穿過較厚的場氧化層閾值電壓將隨注入的劑量以近似線性的關(guān)系變化在硼注入后，即可淀積多晶硅，進而光刻出圖形以作為MOSFET的柵電極包圍著柵電極的薄氧化層隨后被去掉，如圖(b)所示，接著利用另一次的高劑量砷注入來形成漏極和源極,4.3離子注入,.,154,1、摻雜工藝一般分為哪兩步？結(jié)深？薄層電阻？固溶度？,2、兩種特殊條件下的費克第二定律的解及其特點？特征擴散長度？,預淀積退火。預淀積：氣固相預淀積擴散或離子注入。Rs：表面為正方形的半導體薄層（結(jié)深），在電流方向所呈現(xiàn)的電阻。單位為/。反映擴散入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量。固溶度：在平衡條件下，雜質(zhì)能溶解在硅中而不發(fā)生反應形成分凝相的最大濃度。,表面濃度恒定，余誤差函數(shù)分布（erfc）:表面濃度恒定，雜質(zhì)總量增加，擴散深度增加，雜質(zhì)總量恒定，高斯函數(shù)分布（Gaussian）：表面濃度下降，結(jié)深增加,4.4本章小結(jié),.,常用雜質(zhì)的擴散特性？B,P,As,常用擴散摻雜方法？,常用擴散摻雜層的質(zhì)量測量？,B：p型雜質(zhì)，OED；P：n型雜質(zhì)，深結(jié)，OED；As：n型雜質(zhì)，離子注入精確控制實現(xiàn)淺結(jié),氣態(tài)源、液態(tài)源、固態(tài)源、旋涂法,薄層電阻：四探針法；結(jié)深：染色法；摻雜分布：C-V法，SIMS,非本征擴散,4.4本章小結(jié),.,LSS理論？阻止能力的含義？,離子注入的雜質(zhì)分布？退火后？,離子注入的主要特點？,掩蔽膜的厚度？,精確控制摻雜，淺結(jié)、淺摻雜，純度高，低溫，多種掩模，,非晶靶。能量損失為兩個彼此獨立的過程(1)核阻止與(2)電子阻止之和。能量為E的入射粒子在密度為N的靶內(nèi)走過x距離后損失的能量。,掩膜層能完全阻擋離子的條件：,4.4本章小結(jié),.,什么是離子注入損傷？退火的目的是什么？什么是RTP？,產(chǎn)生大量空位間隙對，直至非晶化。恢復晶格，激活雜質(zhì)，恢復載流子遷移率和少子壽命?？焖贌嵬嘶?，熱擴散小，制作淺結(jié)。,4.4本章小結(jié),.,(1)注入離子在靶內(nèi)的縱向濃度分布可近似取高斯函數(shù)形式(2)在平均投影射程x=Rp處有一最高濃度，最大濃度與注入劑量關(guān)系(3)平均投影射程兩邊，注入離子濃度對稱地下降。離平均投影射程越遠，濃度越低。,4.4本章小結(jié),.,1.在1000時向硅中擴散硼，表面濃度維持在1019cm-3，而擴散時間為1h。試求Q(t)和在x=0處以及摻雜濃度為1015cm-3處濃度梯度。解：硼在1000時向硅中擴散的擴散系數(shù)約為210-14cm2/s，所以擴散長度為：,例題選講,.,當CB=1015cm-3時，由可得對應的xj，,例題選講,.,2.由AsH3氣體將砷預淀積，單位面積的摻雜總量為11014cm-2，要花多少時間才能將砷在分布擴散到1m的結(jié)深。假設(shè)襯底摻雜濃度為11015cm-3，再分布擴散溫度為1200。對砷而言，D0=24cm2/s，Ea=4.08eV。解：上式的解可由方程和而求得。因此，t=1190s20min,例題選講,.,3.假設(shè)硼以100keV、每平方厘米51014個離子的劑量注入進200mm的硅晶片。試計算其峰值濃度。如果注入在1min內(nèi)完成，求離子束電流。解：查表知本題的投影射程為0.31m，投影偏差為0.07m。由式可得，峰值濃度位于x=Rp，n(x)=2.851014個離子/cm2。注入離子的總量為Q=51014(20/2)2=1.571017個離子。所需的離子電流為I=qQ/t=1.610-191.571017/60=4.1910-4A0.42mA。,例題選講,.,4.當硼離子以200keV注入時，需要多厚的SiO2來阻擋99.99%的入射離子？投影射程為0.53m，投影偏差為0.093m。解：式中的余誤差函數(shù)可以近似為：其中參數(shù)u代表。若T=10-4，可以解出上面的方程式而得u=2.8。因此d=Rp+3.96p=0.53+3.960.093=0.898m,例題選講,.,例題選講,掩蔽效率為99.99%時，不同材料的最小厚度和入射離子能量的關(guān)系，內(nèi)插圖表示離子透過深度d的情況,.,(1)注入離子在靶內(nèi)的縱向濃度分布可近似取高斯函數(shù)形式(2)在平均投影