半導(dǎo)體工藝-摻雜原理與技術(shù)ppt課件

1、微電子工藝學(xué)Microelectronic Processing第四章?lián)诫s原理與技術(shù),張道禮 教授 Email: zhang- Voice: 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（doping profile,摻雜應(yīng)用：MOSFET：阱、柵、源/漏、溝道等 BJT：基極、發(fā)射極、集電極等,p well,4.1 摻雜,基本概念：結(jié)深 xj （Junction Depth）；薄層電阻 Rs （Sheet Resistance ）；雜質(zhì)固溶度（Solubility,4.1 摻雜,目的：改變晶片電學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)器件和電路縱向結(jié)構(gòu)。 方式：擴(kuò)

2、散（diffusion）、離子注入（ion implantation）、合金、中子嬗變,高溫?cái)U(kuò)散：一直到20世紀(jì)70年代，雜質(zhì)摻雜主要是由高溫的擴(kuò)散方式來(lái)完成，雜質(zhì)原子通過(guò)氣相源或摻雜過(guò)的氧化物擴(kuò)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(kuò)散時(shí)間來(lái)決定。 離子注入：摻雜離子以離子束的形式注入半導(dǎo)體內(nèi)，雜質(zhì)濃度在半導(dǎo)體內(nèi)有個(gè)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(kuò)散和離子注入兩者都被用來(lái)制作分立器件與集成電路，因?yàn)槎呋パa(bǔ)不足，相得益彰。例如，擴(kuò)散可用于形成深結(jié)(deep junction)，如CMOS中的雙阱(twin well)；而離子注

3、入可用于形成淺結(jié)(shaIlow junction)，如MOSFET中的漏極與源極,4.1 摻雜,4.1 摻雜,雜質(zhì)分布形狀（doping profile）舉例,4.1 摻雜,結(jié)深的定義 xj : 當(dāng) x = xj 處 Cx（擴(kuò)散雜質(zhì)濃度）= CB（本體濃度） 器件等比例縮小k倍，等電場(chǎng)要求xj 同時(shí)縮小k倍 同時(shí),要求xj 增大 在現(xiàn)代COMS技術(shù)中，采用淺結(jié)和高摻雜來(lái)同時(shí)滿足兩方面的要求,4.1 摻雜,8,薄層電阻 RS（sheet resistance,方塊電阻,t,l,w,薄層電阻定義為,4.1 摻雜,方塊時(shí)，lw，RRS。所以，只要知道了某個(gè)摻雜區(qū)域的方塊電阻，就知道了整個(gè)摻雜區(qū)域的

4、電阻值。 重要性：薄層電阻的大小直接反映了擴(kuò)散入硅內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量,RS：表面為正方形的半導(dǎo)體薄層，在電流方向呈現(xiàn)的電阻。單位為 / RS：正方形邊長(zhǎng)無(wú)關(guān),4.1 摻雜,物理意義： 薄層電阻的大小直接反映了擴(kuò)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（dopant solid solubility,固溶度（solid solubility）：在平衡條件下，雜質(zhì)能溶解在硅中而不發(fā)生反應(yīng)形成分凝相的最大濃度。 電固溶度 超過(guò)電固溶度的雜質(zhì)可

5、能形成電中性的聚合物，對(duì)摻雜區(qū)的自由載流子不貢獻(xiàn),4.1 摻雜,As在硅中的固溶度: 21021 cm-3 As的電學(xué)可激活濃度: 21020 cm-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(shí)現(xiàn)。摻雜的最高極限約1021 atoms/cm3，最低1013 atoms/cm3,4.1 摻雜,擴(kuò)散原理 擴(kuò)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(kuò)散，達(dá)到一定濃度，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體定域、定量摻雜的一種工藝方法，也叫熱擴(kuò)散。 固相擴(kuò)散：擴(kuò)散是一種自然現(xiàn)象，由物質(zhì)自身的熱運(yùn)動(dòng)引起。微電子工藝中的擴(kuò)散是雜質(zhì)在

6、晶體內(nèi)的擴(kuò)散，因此是一種固相擴(kuò)散。 擴(kuò)散的微觀機(jī)制：晶體內(nèi)擴(kuò)散是通過(guò)一系列隨機(jī)跳躍來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些跳躍在整個(gè)三維方向進(jìn)行，有多種方式，最主要有：填隙式擴(kuò)散；替位式擴(kuò)散；填隙-替位式擴(kuò)散,4.2 擴(kuò)散,間隙式擴(kuò)散（interstitial,替位式擴(kuò)散（substitutional,間隙擴(kuò)散雜質(zhì)：O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg,替位擴(kuò)散雜質(zhì)：As， Al，Ga，Sb，Ge。 替位原子的運(yùn)動(dòng)一般是以近鄰處有空位為前題,B，P，一般作為替位式擴(kuò)散雜質(zhì)，實(shí)際情況更復(fù)雜，包含了硅自間隙原子的作用，稱填隙式或推填式擴(kuò)散,4.2 擴(kuò)散,填隙式（ interstitial assisted kick-ou

7、t)或推填式擴(kuò)散（Interstitialcy-assited,4.2 擴(kuò)散,4.2 擴(kuò)散,間隙式擴(kuò)散： Au, Ag, Cu, Fe, Ni等,間隙原子必須越過(guò)的勢(shì)壘高度 Ei Ei 約為0.6 1.2 eV 跳躍幾率和溫度有關(guān) 振動(dòng)頻率010131014/s 快擴(kuò)散雜質(zhì),T：絕對(duì)溫度，k：玻爾茲曼常數(shù),4.2 擴(kuò)散,在溫度T，單位晶體體積中的空位數(shù) 每一格點(diǎn)出現(xiàn)空位的幾率為 Nv/N，替位式原子必須越過(guò)的勢(shì)壘高度為Es; Es 約3 4 eV 跳躍幾率為 慢擴(kuò)散雜質(zhì),替位式擴(kuò)散：B, P, As, Sb等,4.2 擴(kuò)散,Ea：本征擴(kuò)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

8、動(dòng)頻率v0,Ea 小，間隙擴(kuò)散 Ea大，替位擴(kuò)散,本征擴(kuò)散系數(shù)：當(dāng)NA、NDni（在一定溫度下）時(shí)，稱為本征摻雜,D：cm2/sec,4.2 擴(kuò)散,表觀擴(kuò)散系數(shù),D0(cm2/s) Ea(eV) B1.0 3.46 In 1.2 3.50 P4.70 3.68 As9.17 3.99 Sb4.58 3.88,半導(dǎo)體工藝中常用摻雜原子在單晶硅中的本征擴(kuò)散系數(shù)和激活能,As的優(yōu)勢(shì)： 小D，大固溶度,4.2 擴(kuò)散,4.2 擴(kuò)散,右圖為在硅或砷化鎵中不同摻雜劑在低濃度時(shí)實(shí)測(cè)到的擴(kuò)散系數(shù)在一般情況下，擴(kuò)散系數(shù)的對(duì)數(shù)值和絕對(duì)溫度的倒數(shù)成線性關(guān)系,擴(kuò)散是微觀粒子作無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這種運(yùn)動(dòng)總是由粒子濃

9、度較高的地方向濃度低的地方進(jìn)行，而使得粒子的分布逐漸趨于均勻。擴(kuò)散的原始驅(qū)動(dòng)力是體系能量最小化,擴(kuò)散的宏觀機(jī)制：(diffusion from a macroscopic viewpoint,擴(kuò)散動(dòng)力學(xué),4.2 擴(kuò)散,費(fèi)克第一定律,C 為雜質(zhì)濃度（n/cm3)，D 為擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）。 式中負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散是由高濃度處向低濃度處進(jìn)行的（濃度有著負(fù)斜率，擴(kuò)散朝著x的正向進(jìn)行,4.2 擴(kuò)散,擴(kuò)散方程,費(fèi)克第二定律 濃度、時(shí)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(kuò)散,t 時(shí)間內(nèi)該小體積內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)目變化為 這個(gè)過(guò)程中由于擴(kuò)散進(jìn)出該小體積的雜質(zhì)原子數(shù)為

10、,費(fèi)克第二定律,由,假定 D為常數(shù),擴(kuò)散方程,4.2 擴(kuò)散,特定邊界條件下，擴(kuò)散方程的解,1、穩(wěn)態(tài)時(shí)，濃度不隨時(shí)間變化,有,如氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散,4.2 擴(kuò)散,2、恒定表面源擴(kuò)散(constant-surface-concentration)：雜質(zhì)原子由氣態(tài)源傳送到半導(dǎo)體表面，然后擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體硅晶片，在擴(kuò)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(shí)際工藝中，這種工藝稱作“預(yù)淀積擴(kuò)散”。即氣相中有無(wú)限量的雜質(zhì)存在，可以保證在擴(kuò)散表面的雜質(zhì)濃度恒定,解方程，得恒定擴(kuò)散方程的表達(dá)式,C(x, t) 為某處t時(shí)的雜質(zhì)濃度

11、 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)(complementary error function,4.2 擴(kuò)散,erfc(x) = 1 - erf(x,余誤差函數(shù)性質(zhì),對(duì)于x1,對(duì)于x1,4.2 擴(kuò)散,30,稱為特征擴(kuò)散長(zhǎng)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(duì)結(jié)深的影響要較t大許多,2）擴(kuò)散結(jié)深為xj ，則,4.2 擴(kuò)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(gè)量，可以改變梯度，如增加Cs（As,在p-n結(jié)處,CB和Cs一定時(shí)，xj 越深，結(jié)處的梯度越小,4.2 擴(kuò)散,32,余誤差函數(shù)

12、分布,預(yù)淀積擴(kuò)散,擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，雜質(zhì)擴(kuò)散距離越深，進(jìn)入襯底的雜質(zhì)總量越多。 恒定表面源的擴(kuò)散，其表面雜質(zhì)濃度Cs 基本由雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度（9001200 C）下的固溶度決定，而固溶度隨溫度變化不大,t1 t2 t3,t1t2t3,4.2 擴(kuò)散,3、有限源擴(kuò)散(constant-total-dopant)：一定量的雜質(zhì)淀積在半導(dǎo)體表面，接著擴(kuò)散進(jìn)入硅晶片內(nèi)。雜質(zhì)總量恒定為QT,在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中，預(yù)淀積的擴(kuò)散雜質(zhì)總量作為擴(kuò)散的雜質(zhì)源，不再有新源補(bǔ)充。如先期的預(yù)淀積擴(kuò)散或者離子注入一定量的雜質(zhì)，隨后進(jìn)行推進(jìn)退火時(shí)發(fā)生的高溫下擴(kuò)散,初始條件,邊界條件,得到高斯分布,Delta 函數(shù),4.2 擴(kuò)散,2）擴(kuò)

13、散結(jié)深,1）表面濃度Cs隨時(shí)間而減少,3）濃度梯度,在pn結(jié)處,濃度梯度隨著擴(kuò)散深度（結(jié)深）增加而下降,A隨時(shí)間變化,4.2 擴(kuò)散,相同表面濃度歸一化后，兩種分布的比較 瞬時(shí)間，二者相似,4.2 擴(kuò)散,高斯函數(shù)分布,推進(jìn)(drive-in)退火擴(kuò)散,擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)散越深，表面濃度越低。 擴(kuò)散時(shí)間相同時(shí)，擴(kuò)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),t1 t2 t3,t1t2t3,CB,4.2 擴(kuò)散,多步退火（推進(jìn)）過(guò)程（Multiple drive-in process,4.2 擴(kuò)散,當(dāng)擴(kuò)散系數(shù)相同時(shí)， 當(dāng)擴(kuò)散系數(shù)不同時(shí)， (Dt)eff 用來(lái)衡量擴(kuò)散過(guò)程的熱過(guò)程

14、（thermal budget） 由于擴(kuò)散系數(shù)成指數(shù)隨溫度增加，因此熱過(guò)程主要由最高溫度下的擴(kuò)散來(lái)決定，別的一些步驟在決定擴(kuò)散總量時(shí)可以忽略,二步擴(kuò)散,第一步 為恒定表面濃度的擴(kuò)散（Pre-deposition） （稱為預(yù)沉積或預(yù)擴(kuò)散），控制摻入的雜質(zhì)總量,第二步為有限源的擴(kuò)散（Drive-in），往往同時(shí)氧化（稱為主擴(kuò)散或再分布），控制擴(kuò)散深度和表面濃度,4.2 擴(kuò)散,因?yàn)?當(dāng) 時(shí)，最后的雜質(zhì)濃度分布為,4.2 擴(kuò)散,余誤差函數(shù)分布（erfc,表面濃度恒定 雜質(zhì)總量增加 擴(kuò)散深度增加,關(guān)鍵參數(shù) Cs（表面濃度） xj （結(jié)深） Rs（薄層電阻,4.2 擴(kuò)散,如何判斷對(duì)費(fèi)克定律應(yīng)用何種解析解？

15、 當(dāng)表面濃度為固溶度時(shí)，意味者該分布是余誤差分布 當(dāng)表面濃度較低時(shí)，意味者該分布是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的推進(jìn)過(guò)程，是高斯分布,費(fèi)克定律解析解的應(yīng)用,本征擴(kuò)散時(shí)，理想邊界條件下的解。實(shí)際情況需要修正，如： 高濃度 電場(chǎng)效應(yīng) 雜質(zhì)分凝 點(diǎn)缺陷,4.2 擴(kuò)散,例題：CMOS中的p阱的形成。要求表面濃度Cs=41017 cm-3，結(jié)深xj=3 mm。已知襯底濃度為CB=11015 cm3。設(shè)計(jì)該工藝過(guò)程,離子注入 退火,4.2 擴(kuò)散,假定推入退火獲得的結(jié)深，則根據(jù),該數(shù)值為推進(jìn)擴(kuò)散的“熱預(yù)算,解：1）假設(shè)離子注入+推進(jìn)退火,4.2 擴(kuò)散,2）推進(jìn)退火的時(shí)間,假定在1100 C進(jìn)行推進(jìn)退火，則擴(kuò)散系數(shù)D=1.51

16、0-13 cm2/s,3）所需離子注入的雜質(zhì)劑量,可以推算出,該劑量可以很方便地用離子注入實(shí)現(xiàn)在非常薄的范圍內(nèi)的雜質(zhì)預(yù)淀積,4.2 擴(kuò)散,4）假如采用950 C熱擴(kuò)散預(yù)淀積而非離子注入,預(yù)淀積時(shí)間為,此時(shí)，B的固溶度為2.51020/cm3，擴(kuò)散系數(shù)D=4.210-15 cm2/s,該預(yù)淀積為余誤差分布，則,但是預(yù)淀積時(shí)間過(guò)短，工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)。應(yīng)改為離子注入,4.2 擴(kuò)散,基本擴(kuò)散工藝 雜質(zhì)擴(kuò)散通常是在經(jīng)仔細(xì)控制的石英高溫爐管中放入半導(dǎo)體硅晶片并通入含有所需摻雜劑的氣體混合物。硅的溫度在800-1200；砷化鎵的溫度在600-1000。擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部的雜質(zhì)原子數(shù)量與氣體混合物中的雜質(zhì)分壓有關(guān)

17、。 對(duì)硅而言，B、P和As分別是常用的p型和n型摻雜劑，它們?cè)诠柚卸加袠O高的固溶度，可高于51020cm-3。引入方式有：固態(tài)源（BN、As2O3、P2O5）；液態(tài)源（BBr3、AsCl3、POCl3）；氣體源（B2H6、AsH3、PH3 ），其中液態(tài)源最常用。 使用液態(tài)源的磷擴(kuò)散的化學(xué)反應(yīng)如下,P2O5在硅晶片上形成一層玻璃并由硅還原出磷，氯氣被帶走,4.2 擴(kuò)散,對(duì)砷化鎵的擴(kuò)散工藝而言，因砷的蒸汽壓高，所以需要特別的方式來(lái)防止砷的分解或蒸發(fā)所造成的損失。包括含過(guò)壓的封閉爐管中擴(kuò)散及在含有摻雜氧化物覆蓋層（氮化硅）的開(kāi)發(fā)爐管中擴(kuò)散。p型擴(kuò)散選用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或ZnAs2（

18、封閉爐管法）或ZnO-SiO2（開(kāi)放爐管法）。n型摻雜劑有硒和碲,4.2 擴(kuò)散,影響雜質(zhì)分布的其他因素,Ficks Laws：Only valid for diffusion under special conditions Simplification,4.2 擴(kuò)散,49,電場(chǎng)效應(yīng)（Field effect）非本征擴(kuò)散,電場(chǎng)的產(chǎn)生：由于載流子的遷移率高于雜質(zhì)離子，二者之間形成內(nèi)建電場(chǎng)。 載流子領(lǐng)先于雜質(zhì)離子，直到內(nèi)建電場(chǎng)的漂移流與擴(kuò)散流達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,如果NA、NDni（擴(kuò)散溫度下）時(shí)，非本征擴(kuò)散效應(yīng),4.2 擴(kuò)散,所以，雜質(zhì)流由兩部分組成,內(nèi)建電場(chǎng),以n型摻雜為例,4.2 擴(kuò)散,由 并假定雜

19、質(zhì)全部離化，有,場(chǎng)助擴(kuò)散方程,其中h為擴(kuò)散系數(shù)的電場(chǎng)增強(qiáng)因子,當(dāng)摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征載流子濃度時(shí)，h 接近 2,4.2 擴(kuò)散,電場(chǎng)效應(yīng)對(duì)于低濃度本體雜質(zhì)分布影響更大,4.2 擴(kuò)散,擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系,在雜質(zhì)濃度很高時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)不再是常數(shù)，而與摻雜濃度相關(guān),擴(kuò)散方程改寫為,箱型,4.2 擴(kuò)散,族元素在硅中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是建立在雜質(zhì)與空位相互作用的基礎(chǔ)上的，摻入的施主或受主雜質(zhì)誘導(dǎo)出了大量荷電態(tài)空位，從而增強(qiáng)了擴(kuò)散系數(shù),4.2 擴(kuò)散,55,非本征摻雜擴(kuò)散系數(shù)比本征摻雜擴(kuò)散系數(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí),由于非本征摻雜的擴(kuò)散系數(shù)在摻雜邊緣迅速衰減，因而出現(xiàn)邊緣陡峭的“箱型”分布,箱型,1000 C下，非本征擴(kuò)散系

20、數(shù),4.2 擴(kuò)散,對(duì)于B，P來(lái)說(shuō)，在氧化過(guò)程中，其擴(kuò)散系數(shù)增加。 對(duì)Sb來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散系數(shù)減小。 雙擴(kuò)散機(jī)制: 雜質(zhì)可以通過(guò)空位和間隙兩種方式擴(kuò)散,氧化增強(qiáng)/抑制擴(kuò)散（oxidation enhanced / retarded diffusion）OED/ORD,4.2 擴(kuò)散,57,OED：對(duì)于原子B或P來(lái)說(shuō)，其在硅中的擴(kuò)散可以通過(guò)間隙硅原子進(jìn)行。氧化時(shí)由于體積膨脹，造成大量Si間隙原子注入，增加了B和P的擴(kuò)散系數(shù),12）Si2OI2VSiO22Istress,4.2 擴(kuò)散,ORD：對(duì)于Sb來(lái)說(shuō)，其在硅中的擴(kuò)散主要是通過(guò)空位進(jìn)行。 氧化注入間隙間隙和空位在硅中復(fù)合 硅中空位濃度減小Sb的擴(kuò)散被抑制

21、 I+VSis,表示晶格上的Si原子,As受間隙和空位擴(kuò)散兩種機(jī)制控制，氧化時(shí)的擴(kuò)散受影響較小,4.2 擴(kuò)散,發(fā)射極推進(jìn)效應(yīng)（Emitter Push effect,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在P（磷）發(fā)射區(qū)下的B擴(kuò)散比旁邊的B擴(kuò)散快，使得基區(qū)寬度改變。 AIAI，由于發(fā)射區(qū)內(nèi)大量A(P)I的存在使得反應(yīng)向左進(jìn)行，通過(guò)摻雜原子A(P)向下擴(kuò)散并找到晶格位置的同時(shí)，釋放大量的間隙原子I，產(chǎn)生所謂“間隙原子泵”效應(yīng)，加快了硼的擴(kuò)散,Phosphorus,Boron,4.2 擴(kuò)散,常用雜質(zhì)硼（B），磷（P），砷（As）在硅中的性質(zhì),1）硼,B: III族元素，受主雜質(zhì)， 1150 時(shí)固溶度達(dá) 2.41020 原子/

22、cm3,D0=1 cm2/s Ea=3.46 eV,高濃度摻雜 如考慮場(chǎng)助效應(yīng) h 電場(chǎng)增強(qiáng)因子,4.2 擴(kuò)散,2）磷,族元素，施主原子，有吸收銅、金等快擴(kuò)散雜質(zhì)的性質(zhì)（這些雜質(zhì)在缺陷處淀積會(huì)產(chǎn)生漏電）,固溶度達(dá)51021 原子/3。 磷的本征擴(kuò)散系數(shù)主要由中性空位V0作用決定。 高濃度磷擴(kuò)散時(shí)濃度分布有三個(gè)區(qū)域。主要是磷離子與V0，V-，V=三種空位的作用造成的,溫度為1000 時(shí)，尾區(qū)的擴(kuò)散系數(shù)比本征情況下的擴(kuò)散系數(shù)大二個(gè)數(shù)量級(jí)。因此磷常作為深結(jié)擴(kuò)散的雜質(zhì),4.2 擴(kuò)散,3）砷,族元素，施主雜質(zhì)，半徑與硅相同， 擴(kuò)散系數(shù)小，僅磷、硼的十分之一。 在高摻雜情況下也不引起畸變。 在硅晶體中，砷

23、激活量低于摻雜量，電激活濃度達(dá) 21021 -3,適宜于淺結(jié)，精確控制,4.2 擴(kuò)散,氣態(tài)相源擴(kuò)散（gas source） 液態(tài)源擴(kuò)散（liquid source） 固態(tài)源擴(kuò)散（solid source） 旋涂源擴(kuò)散（spin-on-glass） 注意：在引入擴(kuò)散源后作推進(jìn)擴(kuò)散時(shí)，常常會(huì)在硅片上表面有一氧化層或其它覆蓋層保護(hù)硅片，使硅片中的雜質(zhì)不會(huì)揮發(fā)到大氣中去,擴(kuò)散摻雜工藝,4.2 擴(kuò)散,1、氣態(tài)源擴(kuò)散,利用載氣（如N2）稀釋雜質(zhì)氣體，雜質(zhì)氣體在高溫下與硅表面硅原子發(fā)生反應(yīng)，釋放出雜質(zhì)原子向硅中擴(kuò)散。 氣態(tài)雜質(zhì)源(劇毒氣體) : 磷烷（PH4）、砷烷（AsH3）、氫化銻（SbH3）、乙硼烷（

24、H2B6）等,4.2 擴(kuò)散,2、液態(tài)源擴(kuò)散,利用載氣（如N2）通過(guò)液態(tài)雜質(zhì)源，攜帶著雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入高溫?cái)U(kuò)散反應(yīng)管，雜質(zhì)蒸汽在高溫下分解，并與硅表面硅原子發(fā)生反應(yīng)，釋放出雜質(zhì)原子向硅中擴(kuò)散,舟,4.2 擴(kuò)散,1）液態(tài)源硼擴(kuò)散 源 硼酸三甲脂 B(CH3)O3 在500 oC 以上分解反應(yīng) B(CH3)O3 B2O3 + CO2 + H2O . 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B 例： 預(yù)淀積: 950 oC 通源 1020 分鐘，N2 再分布: 1100 1200 o C干氧濕氧干氧,4.2 擴(kuò)散,2）液態(tài)源磷擴(kuò)散 源 三氯氧磷 (POCl3) 600 C 5POCl3 P2O5 + 3

25、PCl5 2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P (向硅中擴(kuò)散) PCl5難分解，會(huì)腐蝕硅，故還要通入少量O2 4PCl5 + 5O2 2P2O5 + 10Cl2 例 ： 預(yù)淀積 :1050 C N2 和 O2 再分布: 950 C O2,4.2 擴(kuò)散,3、固態(tài)源擴(kuò)散：（B2O3，P2O5，BN等,舟,惰性氣體作為載氣把雜質(zhì)源蒸氣輸運(yùn)到硅片表面，在擴(kuò)散溫度下，雜質(zhì)化合物與硅反應(yīng)生成單質(zhì)雜質(zhì)原子相硅內(nèi)擴(kuò)散,4.2 擴(kuò)散,銻的箱法擴(kuò)散 硅片與擴(kuò)散源同放一箱內(nèi)， 在N2氣保護(hù)下擴(kuò)散 源：Sb2O3 : SiO2 = 1:4 (粉末重量比) 2Sb2O3 + 3Si = 4Sb + 3SiO

26、2,片狀固態(tài)氮化硼擴(kuò)散 活化處理 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 900 C 1 h. 通 O2 擴(kuò)散 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B,BN片與硅片大小相當(dāng)，和硅片相間均勻放置在舟上。不需載氣，但以N2或Ar2保護(hù),4.2 擴(kuò)散,4、旋涂摻雜法（spin-on-glass,用旋涂法在Si表面形成摻雜氧化層，然后在高溫下雜質(zhì)向硅中擴(kuò)散。 源：As（arsenosilica）； Sb（antimonysilica）； B （borosilica）； P（phosphorosilica） 烘焙 200 C 15分鐘去處溶劑 根據(jù)Rs和xj要求決定擴(kuò)散溫度和時(shí)間 特點(diǎn) ：摻雜

27、元素多 濃度范圍廣,4.2 擴(kuò)散,擴(kuò)散層質(zhì)量檢驗(yàn),薄層電阻測(cè)量 結(jié)深測(cè)量 摻雜分布測(cè)量,4.2 擴(kuò)散,四探針薄層電阻測(cè)量,四根探針何四個(gè)針尖都保持在一條直線上（linear），并以等壓力壓在半導(dǎo)體樣品表面。1和4稱為電流探針，由穩(wěn)壓電源恒電流供電；3和4稱為電位探針，測(cè)量這兩個(gè)探針之間的電位差,V,I,t,S S S,S t時(shí)成立,1,4,3,2,4.2 擴(kuò)散,結(jié)深測(cè)量,磨角染色法（bevel and stain） pn結(jié)顯示技術(shù)：不同導(dǎo)電類型的區(qū)域，由于電化學(xué)勢(shì)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(kuò)散,摻雜分布測(cè)量,CV

28、測(cè)量（Capacitance-Voltage Measurement） 測(cè)量結(jié)的反偏電容和電壓的關(guān)系可以測(cè)得擴(kuò)散層的摻雜分布,對(duì)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(shì); VR 反偏電壓,4.2 擴(kuò)散,二次離子質(zhì)譜（Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS,用高能離子束轟擊樣品，使其產(chǎn)生正負(fù)二次離子，將這些二次離子引入質(zhì)譜儀進(jìn)行分析，再由檢測(cè)系統(tǒng)收集，據(jù)此識(shí)別樣品的組分,4.2 擴(kuò)散,4.2 擴(kuò)散,非本征擴(kuò)散 前面討論對(duì)于恒定擴(kuò)散系數(shù)而言，只發(fā)生在摻雜濃度低于擴(kuò)散溫度下的本征載流子濃度ni時(shí)(例如，

29、T=1 000時(shí)，硅的ni=51018cm-3，砷化鎵的ni=51017cm-3)低濃度時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)就是其本征擴(kuò)散系數(shù)。當(dāng)雜質(zhì)濃度大于ni時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)變得與濃度有關(guān)，稱為非本征擴(kuò)散。非本征擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，同時(shí)擴(kuò)散或相繼擴(kuò)散的雜質(zhì)之間存在著相互作用和協(xié)同效應(yīng)，使擴(kuò)散更為復(fù)雜,4.2 擴(kuò)散,與濃度有關(guān)的擴(kuò)散 當(dāng)基質(zhì)原子離開(kāi)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(yù)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(kuò)散以空位擴(kuò)散為主，則D正比于空位密度。低摻雜濃度時(shí)，EFEi，空位密度等于Ci而與雜質(zhì)濃度無(wú)關(guān)。正比與Ci的

30、D也將和雜質(zhì)濃度無(wú)關(guān)。高摻雜濃度時(shí)，EF向?qū)У滓苿?dòng)，指數(shù)項(xiàng)大于1，這是CV增大，進(jìn)而是D變大。如上圖的右側(cè)所示,4.2 擴(kuò)散,考慮擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，D可以寫成,Cs為表面濃度，Ds為表面擴(kuò)散系數(shù)，是用來(lái)描述與濃度有關(guān)的參數(shù)。擴(kuò)散方程式為,可將擴(kuò)散方程式寫成一常微分方程式并以數(shù)值法求解,4.2 擴(kuò)散,結(jié)深可以用下式表示,4.2 擴(kuò)散,擴(kuò)散分布硅中的擴(kuò)散 硅內(nèi)所測(cè)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(yīng)，擴(kuò)散分布將呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀,4.2 擴(kuò)散,

31、磷在不同表面濃度下，在1000下擴(kuò)散1h后的分布。當(dāng)表面濃度低時(shí)，相當(dāng)于本征擴(kuò)散，擴(kuò)散分布是一個(gè)余誤差函數(shù)曲線(a)隨著濃度增加，分布變得與簡(jiǎn)單的表示法有差異曲線(b)及(c)在非常高濃度時(shí)曲線(d)，在表面附近的分布確實(shí)近似于上圖中的(b)曲線，然而在濃度為ne時(shí)，會(huì)有一個(gè)拐點(diǎn)產(chǎn)生；接著在尾區(qū)會(huì)有一個(gè)快速的擴(kuò)散濃度ne發(fā)生在費(fèi)米能級(jí)低于導(dǎo)帶0.11eV時(shí)，在此能級(jí)時(shí)，彼此結(jié)合的雜質(zhì)一空位對(duì)(P+V2-)會(huì)分解為P+、V-及一個(gè)電子這些分解會(huì)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(kuò)散在尾部區(qū)擴(kuò)散系數(shù)超過(guò)10-12cm2s，此值比1 000本征擴(kuò)散系數(shù)約大兩個(gè)數(shù)量級(jí)由于磷的高擴(kuò)散系數(shù)，

32、它通常被用來(lái)形成深結(jié)，如在CMOS中的n阱(n-tubs,4.2 擴(kuò)散,在砷化鎵中的鋅擴(kuò)散 在砷化鎵中的擴(kuò)散會(huì)比在硅中要來(lái)得復(fù)雜，因?yàn)殡s質(zhì)的擴(kuò)散包含砷和鎵兩種晶格原子移動(dòng)?？瘴辉谏榛墧U(kuò)散過(guò)程中扮演了一個(gè)主要角色，因?yàn)閜型和n型雜質(zhì)最終必須進(jìn)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(kuò)散劑，它的D會(huì)隨C2而變化，所以擴(kuò)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(kuò)散型態(tài)也屬于非本征擴(kuò)散。 因?yàn)樵?000時(shí)砷化鎵的ni小于1018cm-3由圖0可見(jiàn)，表面濃度對(duì)結(jié)深有重大影響擴(kuò)散系數(shù)會(huì)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

33、面濃度,4.2 擴(kuò)散,擴(kuò)散相關(guān)工藝橫向擴(kuò)散 一維擴(kuò)散方程基本能描述擴(kuò)散工藝，但在掩蔽層的邊緣例外，因?yàn)樵谶吘壧庪s質(zhì)會(huì)向下、向橫向擴(kuò)散。這時(shí)必須考慮二維的擴(kuò)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(kuò)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(wú)關(guān),垂直滲透約為2.8m 橫向滲透約為2.3m,4.2 擴(kuò)散,由于橫向擴(kuò)散作用，結(jié)包含了一個(gè)中央平面區(qū)及一個(gè)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(gè)角處的結(jié)將因橫向擴(kuò)散而近似與圓球狀。既然電場(chǎng)強(qiáng)度在圓柱與圓球結(jié)處較強(qiáng)，則該處雪崩擊穿電壓遠(yuǎn)低于有相同襯底摻雜的平面結(jié)處,4.2 擴(kuò)散,例如，在CCs=1

34、0-4時(shí)(即襯底雜質(zhì)濃度比表面濃度低104倍)，我們從這個(gè)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(dǎo)體界面的滲透)約為2.3m因此，當(dāng)濃度低于表面濃度達(dá)三個(gè)或更多的數(shù)量級(jí)時(shí)，其橫向滲透約為垂直滲透的80對(duì)恒定摻雜總量擴(kuò)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(duì)與濃度有關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)而言，這個(gè)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(qiáng)電場(chǎng)的加速作用下，注射進(jìn)入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì),離子注入的基本過(guò)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(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得較高的動(dòng)能后，射入材

35、料表層（靶） 以改變這種材料表層的物理或化學(xué)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(guò)程。注入能量介于1keV到1MeV之間，注入深度平均可達(dá)10nm10m，離子劑量變動(dòng)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(duì)于擴(kuò)散工藝，離子注入的主要好處在于能更準(zhǔn)確地控制雜質(zhì)摻雜、可重復(fù)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(lái)控制。雜質(zhì)劑量可由注入時(shí)監(jiān)控離子電流來(lái)控制。主要副作用是離子碰撞引起的半導(dǎo)體晶格斷裂或損傷。因此，后續(xù)的退火處理用來(lái)去除這些損傷,4

36、.3 離子注入,離子注入特點(diǎn),各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度可通過(guò)精確控制摻雜劑量（1011-1018 cm-2）和能量（1-400 keV）來(lái)達(dá)到 平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（1% variation across an 8 wafer） 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(guò)程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高溫過(guò)程引起的熱擴(kuò)散 橫向效應(yīng)比氣固相擴(kuò)散小得多，有利于器件尺寸的縮小 會(huì)產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進(jìn) 設(shè)備相對(duì)復(fù)雜、相對(duì)昂貴（尤其是超低能量離子注入

37、機(jī)） 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(jī)示意圖特點(diǎn),4.3 離子注入,90,BF3：B+，B+，BF2+，F(xiàn)+, BF+，BF,B10 B11,4.3 離子注入,源（Source）：在半導(dǎo)體應(yīng)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(dǎo)入放電區(qū)。 b) 離子源（Ion Source）：燈絲（filament）發(fā)出的自由電子在電磁場(chǎng)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，PH

38、3，Ar，GeH4，O2，N2，. 離子源：B ， As，Ga，Ge，Sb，P,4.3 離子注入,離子注入過(guò)程是一個(gè)非平衡過(guò)程，高能離子進(jìn)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(lái)。停下來(lái)的位置是隨機(jī)的，大部分不在晶格上，因而沒(méi)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(duì)在非晶靶中注入離子的射程分布的研究,1963年，Lindhard, Scharff and Schiott首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論，簡(jiǎn)稱 LSS理論。 該理論認(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)立的過(guò)程：(1) 核阻止（nuclear stopping）；(2) 電子阻止

39、（electronic stopping） 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)（stopping power）：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(lái)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(lái)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(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)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 51022

40、 cm-3 for Si,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(guò)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(jì)算可得： Sn 550 keV-mm2,m質(zhì)量， Z原子序數(shù) 下標(biāo)1離子，下標(biāo)2靶,對(duì)心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移,4.3 離子注入,4.3 離子注入,計(jì)算顯示，在低

41、能量時(shí)，核阻止本領(lǐng)隨能量的增加而線性增加，Sn(E)會(huì)在某一中等能量時(shí)達(dá)到最大值在高能量時(shí)，由于快速粒子沒(méi)有足夠的時(shí)間和靶原子進(jìn)行有效的能量交換，所以Sn(E)變小硅對(duì)各種能量的砷、磷、硼離子的Sn(E)計(jì)算值，在圖中用實(shí)線畫(huà)出(在離子符號(hào)左上角標(biāo)有原子量)由圖可見(jiàn)，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(yùn)動(dòng)方向,電荷/動(dòng)量交換導(dǎo)致入射離子運(yùn)動(dòng)方向的改變（核間作用,4.3 離子注入,99,總

42、阻止本領(lǐng)（Total stopping power,核阻止本領(lǐng)在低能量下起主要作用（注入分布的尾端） 電子阻止本領(lǐng)在高能量下起主要作用,4.3 離子注入,離子 E2 B 17 keV P 150 keV As, Sb 500 keV,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(zhǎng)度 Rp：投影射程（projected range） R在入射方向上的投影,Rp：標(biāo)準(zhǔn)偏差（Straggling），投影射程的平均偏差 R：橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差（Traverse straggling）, 垂直于入射方向平面上的標(biāo)準(zhǔn)偏差,射程分布：平均投影射程Rp，標(biāo)準(zhǔn)偏差Rp，橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差R

43、,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(gè)高斯分布函數(shù)來(lái)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(kuò)散是的式。沿x軸移動(dòng)了一個(gè)Rp,對(duì)擴(kuò)散而言，最大濃度位于x=0；而對(duì)離子注入來(lái)說(shuō)，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2 p處則降為10；在3 p處降為1；在4.8 p 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(yīng)和一級(jí)近似下，

44、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,200 keV 注入,元素 原子質(zhì)量 Sb 122 As 74 P 31 B 11,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(cè)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（Farady Cup），t為積分時(shí)間，q為離子所帶的電荷,例如：當(dāng)A2020 cm2，I0.1 mA時(shí),而對(duì)于一般NMOS的VT調(diào)節(jié)的劑量為：B 1-51012 cm-2注入時(shí)間為30分鐘,對(duì)比：如果采用預(yù)淀積擴(kuò)散（1000 C），表面濃度為固溶度1020 cm-3

45、時(shí),D10-14 cm-2/s,每秒劑量達(dá)1013/cm2,I0.01 mAmA,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(biāo)準(zhǔn)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(wèn)題：140 keV的B+離子注入到直徑為150 mm的硅靶中。注入劑量Q=510 14/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(biāo)準(zhǔn)偏差、 峰 值濃度、結(jié)深 2) 如注入時(shí)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 =0.43 mm Rp=855 =0.086 mm 峰

46、值濃Cp=0.4Q/Rp= 0.451014/(0.08610-4)=2.341019 cm-3 襯底濃度CB21016 cm-3 xj=0.734 mm 2) 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)/60 sec=0.23 mA,4.3 離子注入,注入離子的真實(shí)分布,4.3 離子注入,真實(shí)分布非常復(fù)雜，不服從嚴(yán)格的高斯分布 當(dāng)輕離子硼（B）注入到硅中，會(huì)有較多的硼離子受到大角度的散射（背散射），會(huì)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(yīng)：指的是注入離子在垂直于入射方向

47、平面內(nèi)的分布情況,橫向效應(yīng)影響MOS晶體管的有效溝道長(zhǎng)度,R （m,4.3 離子注入,35 keV As注入,120 keV As注入,4.3 離子注入,注入掩蔽層掩蔽層應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)偏差,4.3 離子注入,解出所需的掩膜層厚度,穿過(guò)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,Dt D0t0Dt,一個(gè)高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其標(biāo)準(zhǔn)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(yīng) 前述高斯分布的投影射程及投影射程的標(biāo)準(zhǔn)偏差

48、能很好地說(shuō)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(dǎo)體中一樣在此情況下，靠近峰值處的實(shí)際雜質(zhì)分布，即使延伸到低于峰值一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)處也一樣，如右圖所示然而即使只偏離晶向7o，仍會(huì)有一個(gè)隨距離而成指數(shù)級(jí)exp(-x/)變化的尾區(qū)，其中典型的數(shù)量級(jí)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(yīng)有關(guān)，當(dāng)入射離子對(duì)準(zhǔn)一個(gè)主要的晶向并被導(dǎo)向在各排列晶體原子之間時(shí)，溝道效應(yīng)就會(huì)發(fā)生,圖為沿方向觀測(cè)金剛石晶格的示意圖。離子沿方向入射，因?yàn)樗c靶原子較遠(yuǎn)，使它在和核碰撞時(shí)不會(huì)損傷大量能量。對(duì)溝道離子來(lái)說(shuō)，唯

49、一的能量損傷機(jī)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(yīng)（Channeling effect）：當(dāng)離子沿晶軸方向注入時(shí)，大部分離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)，幾乎不會(huì)受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠(yuǎn),4.3 離子注入,4.3 離子注入,離子進(jìn)入的角度及通道,110,111,100,傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無(wú)序方向,4.3 離子注入,濃度分布：由于溝道效應(yīng)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(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的“尾巴,產(chǎn)生非晶化的劑量,沿的溝道效應(yīng),4.3 離子注入,表面非晶層對(duì)于溝道效應(yīng)的作用,Boron implant into S

50、iO2,Boron implant into Si,4.3 離子注入,減少溝道效應(yīng)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(gè)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(jī)化，使離子以不同角度進(jìn)入硅晶片而不直接進(jìn)入晶體溝道將硅晶片偏離主平面5o10o，也能有防止離子進(jìn)入溝道的效果圖 (b)利用這種方法，大部分的注入機(jī)器將硅晶片傾斜7o并從平邊扭轉(zhuǎn)22o以防止溝道效應(yīng)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(gè)隨機(jī)層圖(c)然而，這種方法需要使用昂貴的離子注入機(jī),4.3 離子注入,典型離子注入?yún)?shù),離子：P，As，Sb，B

51、，In，O 劑量：10111018 cm-2 能量：1 400 keV 可重復(fù)性和均勻性: 1% 溫度：室溫 流量：1012-1014 cm-2s-1,4.3 離子注入,總阻止本領(lǐng)（Total stopping power,4.3 離子注入,4.3 離子注入,EOR damage,Courtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002,4.3 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(duì)及其它類型晶格無(wú)序的分布。這種因?yàn)殡x子注入所引起的簡(jiǎn)單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為

52、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(kāi)晶格位置的原子。 移位閾能Ed：使一個(gè)處于平衡位置的原子發(fā)生移位，所需的最小能量. (對(duì)于硅原子, Ed15eV) 注入離子通過(guò)碰撞把能量傳給靶原子核及其電子的過(guò)程，稱為能量傳遞過(guò)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(shí)，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

53、原子，因此，注入離子運(yùn)動(dòng)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(jì),100KeV B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(guò)一個(gè)晶面能量損失: 30eV/nm 0.25nm=7.5eV Ed (15eV). 當(dāng)能量降到50KeV,穿過(guò)一個(gè)晶面能量損失為15eV, 該能量所對(duì)應(yīng)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)2 150=3X10-18cm3. 損傷密度: 2X1020 cm-3, 大約是原子密度0.4%.

54、 100KeV As離子注入損傷 平均核能量損失：1320eV/nm,損傷密度: 5 1021 cm-3, 大約是原子密度10%, 該數(shù)值為達(dá)到晶格無(wú)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(wú)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(yán)重。 臨界劑量：使晶格完全無(wú)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 （Damage Annealing,被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位置，對(duì)載流子的輸運(yùn)沒(méi)有貢獻(xiàn)；而且也造成大量損傷。 注入后的半導(dǎo)體材料： 雜質(zhì)處于間隙

55、 nND；pNA 晶格損傷，遷移率下降；少子壽命下降 熱退火后：n n=ND (p=NA) bulk 0,4.3 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(fù)其原有完美晶體結(jié)構(gòu) 讓雜質(zhì)進(jìn)入電活性（electrically active） 位置替位位置。 恢復(fù)電子和空穴遷移率 注意：退火過(guò)程中應(yīng)避免大幅度的雜質(zhì)再分布,4.3 離子注入,損傷恢復(fù)機(jī)制（Damage Recovery Mechanism,Annihilation: recombination,SiI + SiV (Si)Si,Monte Carlo模擬的 I-V 復(fù)合結(jié)果：短時(shí)間內(nèi)（10-2秒）800 C 下，體內(nèi)的

56、 V 在表面復(fù)合迅速完成，產(chǎn)生剩余的 I ，其表面復(fù)合相對(duì)較緩慢。在400 C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(zhǎng)時(shí)間,Frenkel I-V pairs,4.3 離子注入,該311缺陷帶在較高溫度下（8001000 C）即可退火修復(fù)，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(fù)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(cuò)環(huán)，該位錯(cuò)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(fù)晶格：退火溫度600 oC以上，時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)小時(shí) 雜質(zhì)

57、激活：退火溫度650900 oC ，時(shí)間1030分鐘 * 方法簡(jiǎn)單 * 不能全部消除缺陷 * 對(duì)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(qiáng)度的光照 。其它輻射 RTP主要優(yōu)點(diǎn)是摻雜的再分布大大降低，對(duì)制備淺結(jié)器件特別有利,b）快速熱退火， Rapid Thermal Processing（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(shí)間，需在溫度和工藝的不均勻性、溫度測(cè)量與控制、硅晶片的應(yīng)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(yīng)用,4.3 離子注入,雙極型制造

58、（Bipolar fabrication） 。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(yīng)用 硅襯底背面損傷形成吸雜區(qū) Backside Damage Layer Formation for Gettering 形成SOI結(jié)構(gòu) Silicon-On-Insulator Using Oxygen or Hydrogen Implantation,4.3 離子注入,注入相關(guān)工藝 多次注入及掩蔽 在許多應(yīng)用中，除了簡(jiǎn)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(yù)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(zhǔn)確地

59、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(cè)量和利用射程理論所預(yù)測(cè)的載流子濃度如圖所示其他不能由擴(kuò)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(lái)實(shí)現(xiàn),多次注入也用來(lái)保證砷化鎵在注入與退火時(shí)化學(xué)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(yù)先注入，這樣可以激活更多的雜質(zhì)為了要在半導(dǎo)體襯底中預(yù)先選擇的區(qū)域里形成p-n結(jié)，注入時(shí)需要一層合適的掩蔽層因?yàn)樽⑷雽儆诘蜏?/p>

60、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(lái)求得,4.3 離子注入,為了要在半導(dǎo)體襯底中預(yù)先選擇的區(qū)域里形成p-n結(jié)，注入時(shí)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(lái)求得。在某一深度d之后的注入量對(duì)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(transmission coefficient)求得,一旦得到了T，對(duì)任一恒定的Rp和p來(lái)說(shuō)，都可以求得掩蔽層厚度d，對(duì)SiO2、Si3N4與抗蝕劑來(lái)說(shuō)，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