半導(dǎo)體制作工藝----摻雜

1、芯片制造工藝芯片制造工藝 摻雜摻雜擴(kuò)擴(kuò) 散散 和和 離離 子子 注注 入入主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容l5.1 概述 l5.2 擴(kuò)散 l5.3 離子注入摻雜 l5.4 摻雜質(zhì)量評價 l5.5 實訓(xùn) 擴(kuò)散工藝規(guī)程 l為了在硅片內(nèi)部指定區(qū)域得到選擇性摻雜，核心步驟為：（1） 在硅片表面生長一層二氧化硅層。該二氧化硅層除了保護(hù)硅片表面和絕緣外，其關(guān)鍵是作為摻雜雜質(zhì)的阻擋層。二氧化硅層將阻擋摻雜原子進(jìn)入硅表面。（2） 在硅片表面的二氧化硅層上確定“窗口”（window）。該窗口的大小和形狀對應(yīng)于需要的摻雜區(qū)域。（3） 用腐蝕劑去掉窗口內(nèi)的二氧化硅，但不除去硅，使窗口的硅表面暴露在外。（4） 把整個硅片置于摻

2、雜源下，通過擴(kuò)散或離子注入使摻雜原子進(jìn)入二氧化硅未覆蓋的區(qū)域中，從而改變硅的雜質(zhì)性質(zhì)。5.1 概述概述 l摻雜是指將需要的雜質(zhì)原子摻入到特定的半導(dǎo)體區(qū)域中，用于對襯底基片進(jìn)行局部摻雜。以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成PN結(jié)、電阻、歐姆接觸的目的。l擴(kuò)散和離子注入 A族受主摻質(zhì)(P型)A族半導(dǎo)體A族施體摻質(zhì)(N型)元素元素原子量原子量元素元素原子量原子量元素元素原子量原子量硼5碳6氮7鋁13硅14磷15鎵31鍺32砷33銦49錫50銻515.2 擴(kuò)散擴(kuò)散l擴(kuò)散是微電子工藝中最基本的工藝之一，是在擴(kuò)散是微電子工藝中最基本的工藝之一，是在約約10001000的高溫、的高溫、p p型或型或n n型雜質(zhì)氣

3、氛型雜質(zhì)氣氛中，使雜質(zhì)向襯中，使雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，達(dá)到一定濃度，實現(xiàn)半底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，達(dá)到一定濃度，實現(xiàn)半導(dǎo)體導(dǎo)體定域、定量摻雜定域、定量摻雜的一種工藝方法，也稱為熱擴(kuò)的一種工藝方法，也稱為熱擴(kuò)散。散。l在集成電路發(fā)展初期是半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的主要技術(shù)之一。但隨著離子注入的出現(xiàn)，擴(kuò)散工藝在制備淺結(jié)、低濃度摻雜和控制精度等方面的巨大劣勢日益突出，在制造技術(shù)中的使用已大大降低。擴(kuò)擴(kuò) 散散 機機 理理 摻雜劑在半導(dǎo)體中的擴(kuò)散可以看成是：摻雜劑在半導(dǎo)體中的擴(kuò)散可以看成是： 雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子在在晶格中晶格中以以空位空位或或間隙間隙原子形式進(jìn)行原子形式進(jìn)行的原子運動。的原子運動。雜質(zhì)原子

4、的擴(kuò)散方式有以下幾種： 交換式交換式：兩相鄰原子由于有足夠高的能量，互相交換位置。 空位式空位式：由于有晶格空位，相鄰原子能移動過來。 填隙式填隙式：在空隙中的原子擠開晶格原子后占據(jù)其位，被擠出的原子再去擠出其他原子。 在空隙中的原子在晶體的原子間隙中快速移動一段距離后，最終或占據(jù)空位，或擠出晶格上原子占據(jù)其位。 以上幾種形式主要分成兩大類：替位式替位式擴(kuò)散。擴(kuò)散。間隙式擴(kuò)散。間隙式擴(kuò)散。P在硅中的擴(kuò)散曲線B在硅中的擴(kuò)散曲線多晶硅中的雜質(zhì)擴(kuò)散多晶硅中的雜質(zhì)擴(kuò)散 在多晶硅薄膜中進(jìn)行雜質(zhì)擴(kuò)散的擴(kuò)散方式與單晶硅中的方式是不同的，因為多晶硅中有晶粒間界存在多晶硅中有晶粒間界存在，所以雜質(zhì)原子主要沿著晶

5、粒間界進(jìn)行擴(kuò)散雜質(zhì)原子主要沿著晶粒間界進(jìn)行擴(kuò)散。主要有三種擴(kuò)散模式：晶粒尺寸較小小或晶粒內(nèi)的擴(kuò)散較快擴(kuò)散較快，以至從兩邊晶粒間界向晶粒內(nèi)的擴(kuò)散相互重疊，形成如圖A類分布。晶粒粒較大大或晶粒內(nèi)的擴(kuò)散較慢，所以離晶粒間界較遠(yuǎn)處雜質(zhì)原子很少，形成如圖B類分布。與晶粒間界擴(kuò)散相比，晶粒內(nèi)的擴(kuò)散可以忽略不計，因此形成如圖C類分布。所以多晶擴(kuò)散要比單晶擴(kuò)散快得多，其擴(kuò)散速度一般多晶擴(kuò)散要比單晶擴(kuò)散快得多，其擴(kuò)散速度一般要大兩個數(shù)量級。要大兩個數(shù)量級。5.2.1 間隙擴(kuò)散間隙擴(kuò)散 原子半徑比硅小的雜質(zhì)原子在硅片中不占據(jù)格點位置，只是從一個位置移動到另一個位置間隙式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)：存在于晶

6、格間隙的雜質(zhì)。以間隙形式存在于硅中的雜質(zhì)，主要是那些半徑較小、不容易和硅原子鍵合的原子。間隙式擴(kuò)散：間隙式擴(kuò)散：間隙式雜質(zhì)從一個間隙位置到另一個間隙位置的運動稱為間隙式擴(kuò)散。間隙式雜質(zhì)在硅晶體中的擴(kuò)散運動主要是間隙式擴(kuò)散。對間隙雜質(zhì)來說，間隙位置間隙位置是勢能極勢能極小位置小位置，相鄰的兩個間隙之間是勢能勢能極大位置極大位置。間隙雜質(zhì)要從一個間隙位置運動到相鄰的間隙位置上，必須要越過一個勢壘勢壘，勢壘高度Wi一般為0.6 1.2eV。間隙雜質(zhì)一般情況下只能在勢能極小位置附近做熱振動，振動頻率約為10131014/s,室溫下平均振動能只有0.026eV，也就是在1200度的高溫下也只有0.13e

7、V。間隙雜質(zhì)只能依靠熱漲落熱漲落才能獲得大于Wi的能量，越過勢壘跳到近鄰的間隙位置。)/exp(0kTWPii 溫度越高，間隙雜質(zhì)的跳躍率越高，間隙式擴(kuò)散越容易。間隙雜質(zhì)的熱振動頻率為0，根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計分布，熱漲落獲得能量大于Wi的幾率正比于exp(-Wi/kT)，則得到間隙雜質(zhì)的跳躍率跳躍率（每秒的跳躍次數(shù)）為室溫下，室溫下， 約每分鐘一次。約每分鐘一次。iP5.2.2 替位（空位）擴(kuò)散替位（空位）擴(kuò)散 高溫下，晶格處原子在平衡格點作熱振動，它有一定幾率獲得足夠的能量，離開格點，形成空位，即空格點。臨近的雜質(zhì)原子移動到空位上，而逃逸出來的原子進(jìn)入間隙或跑到晶片表面對替位雜質(zhì)來說，在晶格位置

8、上勢對替位雜質(zhì)來說，在晶格位置上勢能相對最低，而間隙處是勢能最高能相對最低，而間隙處是勢能最高位置。位置。與間隙雜質(zhì)相同，替位雜質(zhì)要從一與間隙雜質(zhì)相同，替位雜質(zhì)要從一個格點位置運動到近鄰格點上，必個格點位置運動到近鄰格點上，必須要越過一個勢壘。勢壘高度為須要越過一個勢壘。勢壘高度為Ws。替位雜質(zhì)的運動比間隙雜質(zhì)更為困替位雜質(zhì)的運動比間隙雜質(zhì)更為困難，首先要在近鄰出現(xiàn)空位，同時難，首先要在近鄰出現(xiàn)空位，同時還要依靠熱漲落獲得大于勢壘高度還要依靠熱漲落獲得大于勢壘高度Ws的能量才能實現(xiàn)替位運動。的能量才能實現(xiàn)替位運動。平衡時單位體積的空位數(shù)為：平衡時單位體積的空位數(shù)為：N是單位體積內(nèi)所含的晶格數(shù)，

9、Wv代表形成一個空位所需要的能量。則每個格點上出現(xiàn)空位的幾率為：每個格點上出現(xiàn)空位的幾率為：根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，替位雜質(zhì)依靠熱漲落跳過勢壘替位雜質(zhì)依靠熱漲落跳過勢壘W(wǎng)s的幾率的幾率為：替位雜質(zhì)的跳躍替位雜質(zhì)的跳躍率為出現(xiàn)空位的幾率乘以跳入該空位的幾率，即：對硅中的替位雜質(zhì)來說，Wv+Ws約為34eV)/exp(kTWNnv)/exp(kTWNnv)/exp(0kTWs/ )(exp)/exp()/exp(00kTWWkTWkTWPvssvv(a) 間隙式擴(kuò)散（間隙式擴(kuò)散（interstitial） (b) 替位式擴(kuò)散（替位式擴(kuò)散（substitutional）間隙擴(kuò)散間隙擴(kuò)散雜質(zhì)：雜質(zhì)：O，

10、Fe，Cu，Zn，Mg替位擴(kuò)散替位擴(kuò)散雜質(zhì)雜質(zhì)：As， Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的運動一般是以近鄰替位原子的運動一般是以近鄰處有處有空位空位為前提為前提B，P，一般作為替代式擴(kuò)，一般作為替代式擴(kuò)散雜質(zhì)，實際情況更復(fù)雜，散雜質(zhì)，實際情況更復(fù)雜，包含了硅自間隙原子的作包含了硅自間隙原子的作用，稱填隙式或推填式擴(kuò)用，稱填隙式或推填式擴(kuò)散散5.2.3 擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程1、 菲克第一定律1855年，菲克(Fick)，提出描述物質(zhì)擴(kuò)散的第一定律。菲克第一定律：菲克第一定律：如果在一個有限的基體中雜質(zhì)濃度C(x, t)存在梯度分布，則雜質(zhì)將會產(chǎn)生擴(kuò)散運動，雜質(zhì)的擴(kuò)散流密度 J 正

11、比于雜質(zhì)濃度梯度C/ x ，比例系數(shù)D定義為雜質(zhì)在基體中的擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散流密度的一維表達(dá)式為： xtxCDJ,擴(kuò)散流密度 J 定義為單位時間通過單位面積的雜質(zhì)(粒子)數(shù)。D是擴(kuò)散系數(shù)，D的單位為cm2/s。 雜質(zhì)的擴(kuò)散方向擴(kuò)散方向是使雜質(zhì)濃度梯度變小。如果擴(kuò)散時間足夠長，則雜質(zhì)分布逐漸變得均勻。 當(dāng)濃度梯度變小時濃度梯度變小時，擴(kuò)散減緩。 D依賴于擴(kuò)散溫度、雜質(zhì)的類型以及雜質(zhì)濃度等。xtxCDJ, 首先在替位原子的勢能曲線和一維擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)上，來推導(dǎo)擴(kuò)散粒子流密度J(x, t)的表達(dá)式。 晶格常數(shù)為a，t時刻在(x-a/2)和(x+a/2)位置處，單位面積上替位原子數(shù)分別為C(x-a/2,

12、t)*a和C(x+a/2, t) *a。單位時間內(nèi)，替位原子由(x-a/2)處跳到(x+a/2處)的粒子數(shù)目為由(x+a/2)處單位面積上跳到(x-a/2)處的粒子數(shù)目為2、 擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)aPtaxCv),2( aPtaxCv),2( 擴(kuò)散系數(shù)的推導(dǎo)：則t時刻通過x處單位面積的凈粒子數(shù)（粒子流密度）為：則有：D0為表觀擴(kuò)散系數(shù)，E為激活能。擴(kuò)散系數(shù)由D0、E及溫度T決定。xtxCDxtxCpaaPtaxCaPtaxCtxJvvv),(),(),2(),2(),(2kTEDkTWWapaDvsv/exp/exp00223、 菲克第二定律（擴(kuò)散方程）菲克第二定律（擴(kuò)散方程） 如圖，沿擴(kuò)散方向，

13、從x到x+x，面積為s的一個小小體積元內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量隨時間的變化體積元內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量隨時間的變化情況。 假設(shè)在小體積元v=xs內(nèi)的雜質(zhì)分布是均勻雜質(zhì)分布是均勻的。 在t時刻，體積元內(nèi)的雜質(zhì)濃度為雜質(zhì)濃度為C(x, t)，在t+t時刻雜質(zhì)濃度為C(x, t+t) 。經(jīng)過t時間，該體積元內(nèi)雜質(zhì)雜質(zhì)變化量變化量為xstxCttxCxsttxCxstxC),(),(),(),(tstxJtxxJtstxJtstxxJ),(),(),(),(擴(kuò)散方程的推導(dǎo)（一維擴(kuò)散）設(shè)雜質(zhì)在x和x+x處的擴(kuò)散流密度分別為J(x,t) 和J(x+x,t)，則在t時間內(nèi)，通過x處和x+x處的雜質(zhì)流量差雜質(zhì)流量差為 假設(shè)體積元內(nèi)

14、的雜質(zhì)不產(chǎn)生也不消失，可得 把菲克第一定律代入上式則得一維擴(kuò)散方程一維擴(kuò)散方程 此方程就是菲克第二定律菲克第二定律的最普遍表達(dá)式。 如果假設(shè)擴(kuò)散系數(shù)D為常數(shù)，這種假設(shè)在低雜質(zhì)濃度情況下是正確的，則得 xtxJttxC,xtxCDxttxC,22,xtxCDttxC5.2.4、擴(kuò)散雜質(zhì)的分布1、 恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散：恒定表面源擴(kuò)散：整個擴(kuò)散過程中，硅片表面的雜質(zhì)濃度始終不變。在恒定表面源擴(kuò)散過程中，表面濃度，表面濃度Cs始終保持恒定始終保持恒定，邊界條件：假定雜質(zhì)在硅內(nèi)的擴(kuò)散深度遠(yuǎn)小于硅片的厚度，則另一個邊界條件為 sCtC), 0(0),( tC 根據(jù)實際情況下的邊界條件和初始條件，

15、求解擴(kuò)散方程，就可以得到擴(kuò)散雜質(zhì)的分布C(x,t)。在擴(kuò)散開始時，初始條件應(yīng)為 根據(jù)上述的邊界條件和初始條件，可求出恒定表面源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布情況：erfc為余誤差函數(shù)。0, 0)0 ,(xxCDtxerfcCDtxerfCtxCss221),(恒定表面源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布形式如圖所示。 在表面濃度在表面濃度Cs一定的情況下，擴(kuò)散時間越長，雜一定的情況下，擴(kuò)散時間越長，雜質(zhì)擴(kuò)散的就越深，擴(kuò)到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量也就越多。質(zhì)擴(kuò)散的就越深，擴(kuò)到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量也就越多。 如果擴(kuò)散時間為t，那么通過單位表面積擴(kuò)散到Si片內(nèi)部的雜質(zhì)數(shù)量Q(t)為： 恒定源擴(kuò)散，其表面雜質(zhì)濃度Cs基本上由該雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度(900-1

16、200)下的固溶度所決定，在900-1200范圍內(nèi)，固溶度隨溫度變化不大，很難通很難通過改變溫度來達(dá)到控制表面濃度過改變溫度來達(dá)到控制表面濃度Cs的目的，的目的，這是該擴(kuò)散方法的不足之處。雜質(zhì)分布形式雜質(zhì)分布形式DtCdxDtxerfcCdxtxCtQss22,)(00恒定表面源擴(kuò)散的主要特點結(jié)深結(jié)深 如果擴(kuò)散雜質(zhì)與硅襯底原有雜質(zhì)的導(dǎo)電類型不同，在兩種雜質(zhì)濃度相等處會形成p-n結(jié)。 若CB為硅襯底原有的背景雜質(zhì)濃度為硅襯底原有的背景雜質(zhì)濃度，根據(jù)C(xj, t)=CB，得到結(jié)的位置xj： 其中A是常數(shù)。xj與擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)D和擴(kuò)散時間和擴(kuò)散時間t的平方根成正比。的平方根成正比。D與與溫度溫

17、度T是指數(shù)關(guān)系是指數(shù)關(guān)系，所以在擴(kuò)散過程中，溫度對擴(kuò)散深度和雜質(zhì)分布的影響較大。DtACCerfcDtxsBj12 雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度 如果雜質(zhì)按余誤差函數(shù)分布，可求得雜質(zhì)濃度梯度為 由上式可知，雜質(zhì)濃度梯度大小與雜質(zhì)濃度梯度大小與Cs，t和和D(即溫度即溫度T)有關(guān)，有關(guān)，可以改變其中某個量使雜質(zhì)濃度分布的梯度滿足要求。 在pn結(jié)處的梯度為 由上式可以看出，在在Cs和和CB一定的情況下，一定的情況下，pn結(jié)越深，在結(jié)結(jié)越深，在結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度就越小。處的雜質(zhì)濃度梯度就越小。)4exp(,2,DtxDtCxtxCstxsBsBjsxCCerfcCCerfcxCxtxCj12exp12,

18、2、 有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散：有限表面源擴(kuò)散：擴(kuò)散之前在硅片表面先沉積一層雜質(zhì)，在整個擴(kuò)散過程中這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散的雜質(zhì)源，不再有新源補充，這種擴(kuò)散方式稱為有限表面源擴(kuò)散。假設(shè)假設(shè)擴(kuò)散之前在硅片表面沉積的雜質(zhì)均勻地分布在薄層h內(nèi)，每單位面積上的雜質(zhì)數(shù)量為Q。如果雜質(zhì)在硅內(nèi)要擴(kuò)散的深度遠(yuǎn)大于h，則預(yù)先淀積的雜質(zhì)分布可按函數(shù)考慮。初始條件為：hxxChxhQCxCs, 0)0 ,(0,)0()0 ,(假設(shè)假設(shè)雜質(zhì)不蒸發(fā)，硅片厚度遠(yuǎn)大于雜質(zhì)要擴(kuò)散的深度。則邊界條件為：在上面的初始條件和邊界條件下，求解擴(kuò)散方程，得到有限表面源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布情況：式中，exp(-x2/4Dt)為高斯函

19、數(shù)。)4exp(),(2DtxDtQtxC0),( tC雜質(zhì)分布形式雜質(zhì)分布形式 )4exp(),(2DtxtCtxCs有限表面源擴(kuò)散的主要特點擴(kuò)散溫度相同時，擴(kuò)散時間越長，雜質(zhì)擴(kuò)散溫度相同時，擴(kuò)散時間越長，雜質(zhì)擴(kuò)散的越深，表面濃度越低。擴(kuò)散的越深，表面濃度越低。擴(kuò)散時間相同時，擴(kuò)散溫度越高，雜質(zhì)擴(kuò)散時間相同時，擴(kuò)散溫度越高，雜質(zhì)擴(kuò)散的越深，表面濃度下降越多。擴(kuò)散的越深，表面濃度下降越多。 溫度相同時，雜質(zhì)的分布情況隨擴(kuò)散時間的變化如圖所示，有限表面源擴(kuò)散在整個擴(kuò)散過程中雜質(zhì)數(shù)量保持不變，各條分析曲線下面所包圍的面積相等。 有限源擴(kuò)散的表面雜質(zhì)濃度是可以控制的，有限源擴(kuò)散的表面雜質(zhì)濃度是可以控

20、制的，任意時刻t的表面濃度：雜質(zhì)分布為： DtQtCtCs, 0)(結(jié)深結(jié)深 如果襯底中原有雜質(zhì)與擴(kuò)散的雜質(zhì)具有不同的導(dǎo)電類型，則在兩種雜質(zhì)濃度相等處形成p-n結(jié)，結(jié)深可由下式求出： 則結(jié)深為 A與比值Cs/CB有關(guān)，但因為雜質(zhì)濃度Cs (t)隨時間變化，所以A也隨時間變也隨時間變化，這與恒定源擴(kuò)散情況（化，這與恒定源擴(kuò)散情況（A是常數(shù)）不同。是常數(shù)）不同。 對于有限源擴(kuò)散來說，擴(kuò)散時間較短時，結(jié)深對于有限源擴(kuò)散來說，擴(kuò)散時間較短時，結(jié)深xj將隨將隨(Dt)1/2的增加而增加。的增加而增加。 在雜質(zhì)分布形式相同的情況下，在雜質(zhì)分布形式相同的情況下，CB越大，結(jié)深越淺。越大，結(jié)深越淺。DtACC

21、DtxBsjln2)4exp()(,2DtxtCtxCCjsjB 雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度任意位置x處的雜質(zhì)濃度梯度在p-n結(jié)處的雜質(zhì)梯度為雜質(zhì)濃度梯度將隨擴(kuò)散結(jié)深的增加而減小。雜質(zhì)濃度梯度將隨擴(kuò)散結(jié)深的增加而減小。txCDtxxtxCtx,2,BsBsjCCCCjsxxCxtxCln2,3、 兩步擴(kuò)散兩步擴(kuò)散 實際的擴(kuò)散溫度一般為900-1200，在這個溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)在硅中的固溶度隨溫度變化不大，采用恒定表面源擴(kuò)散很難通過改變溫度來控制表面濃度，而且很難得到恒定表面源擴(kuò)散很難通過改變溫度來控制表面濃度，而且很難得到低表面濃度的雜質(zhì)分布形式。低表面濃度的雜質(zhì)分布形式。兩步擴(kuò)散：采用兩種擴(kuò)散結(jié)

22、合的方式。第一步稱為預(yù)擴(kuò)散或者預(yù)淀積：第一步稱為預(yù)擴(kuò)散或者預(yù)淀積：在較低溫度較低溫度下，采用恒定表面源擴(kuò)散方式。在硅片表面擴(kuò)散一層數(shù)量一定，按余誤差函數(shù)形式分布的雜質(zhì)。由于溫度較低，且時間較短，雜質(zhì)擴(kuò)散的很淺，可認(rèn)為雜質(zhì)是均勻分布在一薄層內(nèi)，目的足為了控制擴(kuò)散雜質(zhì)的數(shù)量。第二步稱為主擴(kuò)散或者再分布：第二步稱為主擴(kuò)散或者再分布：將由預(yù)擴(kuò)散引入的雜質(zhì)作為擴(kuò)散源，在較較高溫度下高溫度下進(jìn)行擴(kuò)散。擴(kuò)散的同時也往往進(jìn)行氧化同時也往往進(jìn)行氧化。主擴(kuò)散的目的是為了控制控制表面濃度和擴(kuò)散深度表面濃度和擴(kuò)散深度。兩步擴(kuò)散后的雜質(zhì)最終分布形式：兩步擴(kuò)散后的雜質(zhì)最終分布形式：當(dāng)D預(yù)t預(yù)D主t主時，預(yù)擴(kuò)散起決定作用，

23、雜質(zhì)基本為余誤差分布；當(dāng)D預(yù)t預(yù) Rp一側(cè)有較多的離子分布（重，散射角?。?與注入離子與靶原子的相對質(zhì)量有關(guān) 盡管如此，實踐中通常仍利用理想高高斯分布斯分布來快速估算估算注入離子在非晶靶以及單晶靶材料中的分布。一級近似得到的高斯分布，在峰值附近與實際分布符合較好，距峰值較遠(yuǎn)時有一定偏離。 在能量一定的情況下，輕離子比重離子的射程要深。B，P，As在無定型硅和熱氧化SiO2中的投影射程和能量的關(guān)系2、橫向分布橫向效應(yīng)：橫向效應(yīng)：注入離子在垂直入射方向的平面內(nèi)的分布情況。離子束沿x方向入射，注入離子的空間分布函數(shù)注入離子的空間分布函數(shù)f(x,y,z)： 其中Y和Z分別為在Y方向和Z方向上的標(biāo)準(zhǔn)偏差

24、。 Y= Z=R，R為橫向離散。2222222/321exp21,pppRRxZzYyZYRzyxf 在掩膜邊緣在掩膜邊緣(即-a和+a處)的濃的濃度是窗口中心處濃度的度是窗口中心處濃度的50。而距離大于+a和小于-a各處的濃度按余誤差余誤差下降。通過一狹窄掩膜窗口注入的離子，掩膜窗口的寬度為2a，原點選在窗口的中心，y和z方向如圖所示。 在數(shù)學(xué)中，誤差函數(shù)（也稱之為高斯誤差函數(shù)）是一個非基本函數(shù)（即不是初等函數(shù)），其在概率論、統(tǒng)其在概率論、統(tǒng)計學(xué)以及偏微分方程中都有廣泛的應(yīng)用計學(xué)以及偏微分方程中都有廣泛的應(yīng)用。自變量為自變量為x的誤差函數(shù)定義為：的誤差函數(shù)定義為：誤差函數(shù)誤差函數(shù)余誤差函數(shù)余

25、誤差函數(shù)erfc(x)定義為：定義為： (a) 雜質(zhì)B、P通過l寬掩膜窗口注入到硅靶中的等濃度曲線 (b) 雜質(zhì)P以不同能量注入硅靶中的等濃度曲線橫向效應(yīng)與注入離子的種類注入離子的種類和入射離子的能量入射離子的能量有關(guān)3、溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)：溝道效應(yīng)：當(dāng)離子注入的方向與靶晶體的某個晶面平行平行時，將很少受到核碰撞，離子將沿溝道運動離子將沿溝道運動，注入深度很深。由于溝道效應(yīng)，使注入離子濃度的分布產(chǎn)生很長的拖尾拖尾。為了避免溝道效應(yīng)，可使晶體的主軸方向偏離注入方向晶體的主軸方向偏離注入方向，使之呈現(xiàn)無定形狀態(tài)，會發(fā)生大量碰撞。偏離的典型值為7。部分溝道效應(yīng)，在兩次碰撞之間有溝道效應(yīng)存在。部分溝道效

26、應(yīng)，在兩次碰撞之間有溝道效應(yīng)存在。4、淺結(jié)的形成對于輕雜質(zhì)，形成淺結(jié)非常困難。 降低注入離子能量：注入離子能量幾個降低注入離子能量：注入離子能量幾個keV 但是在低能情況下，溝道效應(yīng)變得非常明顯。增大偏離角度。 在低能注入時，離子束的穩(wěn)定性是一個問題，由于空間電荷效應(yīng)，離子束發(fā)散。解決辦法是采用寬束流，降低束流密度。 預(yù)先非晶化：注預(yù)先非晶化：注B前，先以重離子高劑量注入，使前，先以重離子高劑量注入，使Si形成非晶表面層。形成非晶表面層。 使溝道效應(yīng)減小。 完全非晶化層在退火后結(jié)晶質(zhì)量好。5.3.3、注入損傷 離子注入技術(shù)的最大優(yōu)點，就是可以精確地控制摻雜雜質(zhì)的數(shù)量及深度可以精確地控制摻雜雜質(zhì)

27、的數(shù)量及深度。 但是，在離子注入的過程中，襯底的晶體結(jié)構(gòu)受到損傷是不可避免的。離子注入前后，襯底的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。離子注入前后，襯底的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。5.3.4、熱退火 注入離子所造成的晶格損傷，對材料的電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)將產(chǎn)生重要的影響。如載流子遷移率下降、少子的壽命減少載流子遷移率下降、少子的壽命減少等。 另外，離子注入的摻雜機理與熱擴(kuò)散不同，在離子注入中，是把雜質(zhì)離子強行射入晶體內(nèi)，被射入的雜質(zhì)原子大多數(shù)都存在于晶格間隙位置，被射入的雜質(zhì)原子大多數(shù)都存在于晶格間隙位置，起不到施主或受主的作用起不到施主或受主的作用。 所以，采用離子注入技術(shù)進(jìn)行摻雜的硅片，必須消除晶格損傷消除晶格損傷，并

28、使注入的雜質(zhì)進(jìn)入晶格位置以實現(xiàn)電激活注入的雜質(zhì)進(jìn)入晶格位置以實現(xiàn)電激活。熱退火：熱退火：在一定溫度下，將注有雜質(zhì)離子的硅片經(jīng)過適當(dāng)時間的熱處理，使硅片中的損傷部分或絕大部分消除，少子壽命和遷移率得到恢復(fù)，摻入的雜質(zhì)被激活，這樣的處理過程稱為熱退火。1、硅材料的熱退火特性 退火的溫度和時間，退火方式等都要根據(jù)實際情況而定。低劑量所造成的損傷，一般在較低溫度下退火就可以消除。 熱退火的重結(jié)晶過程熱退火的重結(jié)晶過程2、硼的熱退火特性電激活比例電激活比例:自由載流子數(shù)自由載流子數(shù)p和注入劑量和注入劑量Ns的比的比 對于低劑量的情況，隨退火溫度上升，電激活退火溫度上升，電激活比例增大。比例增大。能量為1

29、50keV的硼離子以三個不同劑量注入硅中的等時退火特性對于高劑量情況，可以把退火溫度分為三個區(qū)域： 在區(qū)域區(qū)域I中，隨退火溫度上升退火溫度上升，點缺陷的移動能力增強，因此間隙硼和硅原子與空位的復(fù)合幾率增加，使點缺陷消失，替位硼的濃度上升，電激活比例增電激活比例增加加，自由載流子濃度增大。 當(dāng)退火溫度在退火溫度在500-600的范圍內(nèi)。點缺陷通過重新組合或結(jié)團(tuán)，降低其能量。因為硼原子非常小，和缺陷團(tuán)有很強的作用，很容易遷移或被結(jié)合到缺陷團(tuán)中，處于非激活位置，因而出現(xiàn)隨溫度的升高而替位硼的濃度下降的現(xiàn)象，也就是自由載流子濃度自由載流子濃度隨溫度上升而下降隨溫度上升而下降的現(xiàn)象（逆退火特性）。 在區(qū)

30、域區(qū)域中，硼的替位濃度以接近于5eV的激活能隨溫度上升而增加，這個激活能與升溫時Si自身空位的產(chǎn)生和移動的能量一致。產(chǎn)生的空位向間隙硼處運動，因而間隙硼就可以進(jìn)入空位而處于替代位置，硼的電激活比例也隨溫度上升而增加。硼的電激活比例也隨溫度上升而增加。3、熱退火過程中的擴(kuò)散效應(yīng) 注入離子在靶內(nèi)的分布近似認(rèn)為是高斯型的。但是熱退火過程使高斯分布有明顯的展寬，偏離了注入時的分布，尤其是尾部出現(xiàn)了較長的按指數(shù)衰減的拖尾。 實際上，熱退火溫度比熱擴(kuò)散時的溫度要低得多。在退火溫度下，對于完美晶體中的雜質(zhì)來說，擴(kuò)散系數(shù)是很小的，甚至可以忽略。但是，對于注入?yún)^(qū)的雜質(zhì)，即使在比較低的溫度下，雜質(zhì)擴(kuò)散效果也是非常

31、顯著的。 這是因為離子注入所造成的晶格損傷離子注入所造成的晶格損傷： 硅內(nèi)的空位數(shù)比完美晶體中多得多 晶體內(nèi)存在大量的間隙原子 其它各種缺陷使擴(kuò)散系數(shù)增大，擴(kuò)散效應(yīng)增強使擴(kuò)散系數(shù)增大，擴(kuò)散效應(yīng)增強。退火溫度不同時注入雜質(zhì)B分布（注入條件和退火時間相同）4、快速退火快速退火：快速退火：降低退火溫度，或者縮短退火時間?？焖偻嘶鸺夹g(shù)：快速退火技術(shù)：脈沖激光、脈沖電子束與離子束、掃描電子束、連續(xù)波激光以及非相干寬帶光源(鹵燈、電弧燈、石墨加熱器)等。特點：特點：瞬時使硅片的某個區(qū)域加熱到所需要溫度，退火時間短(10-3-102秒)。脈沖激光退火：脈沖激光退火：利用高能量密度的激光束輻射退火材料表面，引

32、起被照區(qū)域的溫度突然升高，達(dá)到退火效果。激光退火的主要特點：激光退火的主要特點：退火區(qū)域受熱時間非常短，因而損傷區(qū)中雜質(zhì)幾乎不擴(kuò)散不擴(kuò)散；襯底材料中的少數(shù)載流子壽命及其他電學(xué)參數(shù)基本不受影響少數(shù)載流子壽命及其他電學(xué)參數(shù)基本不受影響。利用聚焦得到細(xì)微的激光束，可對樣品進(jìn)行局部選擇退火局部選擇退火，通過選擇激光的波長和改變能量密度，可在深度上和表面上進(jìn)行不同的退火過程在深度上和表面上進(jìn)行不同的退火過程，因而可以在同一硅片上制造出不同結(jié)深或者不同擊穿電壓的器件。連續(xù)波激光退火：連續(xù)波激光退火：是固-固外延再結(jié)晶過程。使用的能量密度為1-100J/cm2，照射時間約100s。由于樣品不發(fā)生溶化，而且時

33、間又短，因此注入雜質(zhì)的分注入雜質(zhì)的分布幾乎不受任何影響布幾乎不受任何影響。電子束退火：電子束退火：退火機理與激光退火一樣，只是用電子束照射損傷區(qū)，使損傷區(qū)在極短時間內(nèi)升到較高溫度，通過固相或液相外延過程，使非晶區(qū)轉(zhuǎn)化為結(jié)晶區(qū)，達(dá)到退火目的。電子束退火的束斑均勻性比激光好束斑均勻性比激光好，能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)50左右，但電子束能在氧化層中產(chǎn)生中性缺陷產(chǎn)生中性缺陷。寬帶非相干光源：寬帶非相干光源：主要是鹵燈和高頻加熱方式，是一種很有前途的退火技術(shù)，目前用得較多。其設(shè)備簡單、生產(chǎn)效率高，沒有光干涉效應(yīng)，而又能保持快速退火技術(shù)的所有優(yōu)點，退火時間一般為10-100秒。l 注入離子是通過質(zhì)量分析器選取，純度

34、高，能量單一，保證了摻雜純度摻雜純度不受雜質(zhì)源純度的影響。l 可以精確控制摻雜原子數(shù)目精確控制摻雜原子數(shù)目，注入劑量的范圍較寬(1011-1017/cm2)，同一平面內(nèi)的雜質(zhì)均勻性和重復(fù)性可精確控制在1以內(nèi)。（即使是高濃度擴(kuò)散也只能控制在5-10% ）l 離子注入時，襯底一般是保持在室溫或低于400，可選掩蔽膜很多，如光刻膠光刻膠、SiO2、SiN和Al等。而擴(kuò)散必須是能耐高溫的材料。l 離子注入時的襯底溫度低溫度低，避免了高溫擴(kuò)散所引起的熱缺陷。l 離子注入深度離子注入深度通過控制離子束能量來控制，而摻雜濃度摻雜濃度的控制可通過控制注入離子劑量來實現(xiàn)。是兩個獨立控制過程兩個獨立控制過程。l

35、由于離子注入的直進(jìn)性，注入雜質(zhì)是按掩膜的圖形近于垂直入射，橫向橫向效應(yīng)比熱擴(kuò)散小很多效應(yīng)比熱擴(kuò)散小很多，這一特點有利于器件特征尺寸的縮小。離子注入的主要特點擴(kuò)散擴(kuò)散離子注入離子注入高溫，硬掩膜低溫，光刻膠掩膜各向同性的雜質(zhì)分布各向異性的雜質(zhì)分布不能夠獨立控制摻雜濃度和結(jié)深能夠獨立控制摻雜濃度和結(jié)深（離子束流和注入時間控制摻雜濃度；離子能量控制結(jié)深）批量化的工藝可批量，也可單片工藝離子注入與擴(kuò)散的主要區(qū)別 氣體系統(tǒng) 電控系統(tǒng) 真空系統(tǒng) 離子束線控制1、離子注入系統(tǒng)5.3.5、離子注入系統(tǒng)及工藝簡介 氣體系統(tǒng)特殊的傳送系統(tǒng)來操作危險氣體；用氬氣來凈化系統(tǒng)及校準(zhǔn)離子束。 電控系統(tǒng)高壓系統(tǒng)（離子能量，

36、從而控制結(jié)深）；射頻系統(tǒng)（一些離子源需要用射頻電源來產(chǎn)生離子）。 真空系統(tǒng)需要高真空來加速離子以及減少碰撞；真空度為10-5-10-7 torr；使用分子泵和低溫泵；排空系統(tǒng)。 離子束線控制離子源；提取電極；磁分析器；后加速器；等離子體溢注系統(tǒng)；底部分析器。離子束線控制離子束線控制離子源離子源熱鎢絲發(fā)射熱電子；熱電子與源氣分子碰撞使之分解并離子化；離子被從源艙提取并加速進(jìn)入離子束管線。射頻離子源射頻離子源微波離子源微波離子源離子束線控制離子束線控制提取電極提取電極 加速電極將提取離子的能量加速到50keV。 磁分析器需要如此高的離子能量，來選擇合適的離子樣品。離子束線控制離子束線控制磁分析器磁

37、分析器 磁場中的帶電顆粒的回旋半徑與與磁場和荷質(zhì)比相關(guān)。 只有合適的荷質(zhì)比的離子才能通過狹縫。 對注入離子束起到純化純化的作用。離子束線控制離子束線控制后加速器后加速器 增加離子能量使離子能夠達(dá)到器件所需要的結(jié)深。 具有高電壓的電極。 可調(diào)整的垂直快門來控制束流。后加速器后加速器離子束流控制離子束流控制離子束線控制離子束線控制等離子體溢注系統(tǒng)等離子體溢注系統(tǒng) 電荷中性化系統(tǒng)電荷中性化系統(tǒng) 注入離子使硅片帶正電。 導(dǎo)致硅片荷電效應(yīng)。 對帶正電的離子排斥，導(dǎo)致離子束放大并使對帶正電的離子排斥，導(dǎo)致離子束放大并使摻雜不一致。摻雜不一致。 電弧放電在硅片上產(chǎn)生缺陷。電弧放電在硅片上產(chǎn)生缺陷。 使柵氧化

38、物擊穿，降低產(chǎn)率。使柵氧化物擊穿，降低產(chǎn)率。 需要消除和最小化荷電效應(yīng)。 等離子體溢注系統(tǒng)將電子等離子體溢注系統(tǒng)將電子“溢注溢注”到離子束到離子束中，使硅片的電荷中性化。中，使硅片的電荷中性化。 電子槍。 電子簇射。荷電效應(yīng)荷電效應(yīng)等離子體溢注系統(tǒng)等離子體溢注系統(tǒng)電子槍電子槍離子束線控制離子束線控制 束阻止束阻止 底部分析器底部分析器束阻止束阻止 吸收離子束能量。 離子束探測器測試束流，束能量和束形狀。 水冷金屬盤帶走熱量并阻擋X射線輻射。底部分析器底部分析器 法拉第電荷探測器。 用來校準(zhǔn)束流，形狀和分布。阱注入阱注入高能量（達(dá)到MeV），低束流（1013/cm2）。2、離子注入工藝應(yīng)用VT調(diào)

39、整的注入調(diào)整的注入低能量，低束流。輕摻雜漏極（輕摻雜漏極（LDD）低能量（達(dá)到10keV），低束流（1013/cm2）。源源/漏極離子注入漏極離子注入低能量（達(dá)到20keV），高束流（1015/cm2）。離子注入的前景離子注入的前景l(fā)隨著科技的發(fā)展，特別是半導(dǎo)體向微型方向發(fā)展，離子注入技術(shù)將會得到更加廣泛的應(yīng)用。但是作為工藝，離子注入技術(shù)還有很有方面需要改進(jìn)l諸如，退火技術(shù)還不夠理想；l再者其存在對材料表面的損傷；l高濃度摻雜受限；l生產(chǎn)無法大批生產(chǎn)l這些都是需要改進(jìn)的，今后的離子注入技術(shù)的發(fā)展將依賴于這些方面的提高。5.4 摻雜質(zhì)量評價摻雜質(zhì)量評價l5.4.1 擴(kuò)散摻雜工藝質(zhì)量評價l（1）摻雜的濃度濃度是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)。一般擴(kuò)散摻雜的精度在810。要是一