雜質(zhì)摻雜在半導(dǎo)體中的應(yīng)用課件

雜質(zhì)摻雜現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2004,7,30雜質(zhì)摻雜所謂雜質(zhì)摻雜是將可控?cái)?shù)量的雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體內(nèi)。雜質(zhì)摻雜的實(shí)際應(yīng)用主要是改變半導(dǎo)體的電特性。擴(kuò)散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要方式。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)散方式來完成，雜質(zhì)原子通過氣相源或摻雜過的氧化物擴(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制作分立器件與集成電路，因?yàn)槎呋パa(bǔ)不足，相得益彰。對砷化鎵的擴(kuò)散工藝而言，因砷的蒸汽壓高，所以需要特別的方式來防止砷的分解或蒸發(fā)所造成的損失。包括含過壓的封閉爐管中擴(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（封閉爐管法）或ZnO-SiO2（開放爐管法）。n型摻雜劑有硒和碲。電爐電爐O2N2液態(tài)雜質(zhì)源石英管排氣口硅晶片擴(kuò)散方程式半導(dǎo)體中的擴(kuò)散可以視作在晶格中通過空位或填隙原子形式進(jìn)行的原子移動。下圖顯示了2種基本的原子擴(kuò)散模型。雜質(zhì)原子的基本擴(kuò)散工藝近似于載流子擴(kuò)散，因此定義通量F為單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的摻雜原子數(shù)量，C為摻雜濃度，因此有：擴(kuò)散驅(qū)動力是濃度梯度，摻雜原子從高濃度區(qū)流向低濃度區(qū)。結(jié)合一維連續(xù)性方程，同時(shí)考慮在基質(zhì)半導(dǎo)體中并無物質(zhì)生成或消耗（即Gn＝Rn＝0），將得到：擴(kuò)散分布摻雜原子的擴(kuò)散分布和起始條件與邊界條件有關(guān)?？紤]兩種方式：恒定表面濃度擴(kuò)散：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)源維持恒定的表面濃度；恒定摻雜總量擴(kuò)散：指一定量的雜質(zhì)淀積在半導(dǎo)體表面，接著擴(kuò)散進(jìn)入硅晶片內(nèi)。恒定表面濃度擴(kuò)散t＝0時(shí)初始條件是表示半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度開始為零，邊界條件是Cs是x＝0處的表面濃度，與時(shí)間無關(guān)。X＝∞，距離表面無窮遠(yuǎn)無雜質(zhì)原子。符合起始與邊界條件的擴(kuò)散方程式的解是：erfc是余誤差函數(shù)半導(dǎo)體單位面積的摻雜原子總數(shù)是代入C（x，t）有一個(gè)相關(guān)量是擴(kuò)散分布的梯度dC/dt，這個(gè)梯度可對C（x，t）微分得到恒定雜質(zhì)總量擴(kuò)散一恒定總量的雜質(zhì)以一層薄膜的形式淀積在半導(dǎo)體表面，接著進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)。t＝0時(shí)的初始條件C（x，0）＝0，邊界條件是：S為單位面積摻雜總量。符合上述擴(kuò)散方程的解為：此為高斯分布，雜質(zhì)將隨時(shí)間的增加擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體，而總摻雜量S恒定，所以表面濃度必然下降。在x＝0處表面濃度為：上圖為高斯函數(shù)分布下圖為恒定雜質(zhì)總量的擴(kuò)散分布注意到隨時(shí)間的增加，表面濃度下降，微分可得擴(kuò)散分布的梯度：濃度梯度在x＝0與x＝∞處是零，同時(shí)最大梯度將發(fā)生在x＝2(Dt)1/2處。在集成電路工藝中，通常采用兩階段步驟擴(kuò)散，首先在恒定表面濃度擴(kuò)散條件下形成預(yù)淀積擴(kuò)散層，接著在恒定摻雜總量擴(kuò)散條件下，進(jìn)行再分布擴(kuò)散。擴(kuò)散層的計(jì)算擴(kuò)散工藝的結(jié)構(gòu)可由三種測量方式來評價(jià)：擴(kuò)散層的結(jié)深、方塊電阻與雜質(zhì)分布。下圖是在半導(dǎo)體內(nèi)磨以凹槽并用溶液腐蝕去除表面，溶液會使p型區(qū)顏色暗，因而描繪出結(jié)深。用磨槽和染色法測量結(jié)深若R0是磨槽所用工具的半徑，則可得結(jié)深：如果R0遠(yuǎn)小于a和b，則如圖b所示，結(jié)深xj是雜質(zhì)濃度等于襯底濃度CB時(shí)所在的位置。如果結(jié)深和CB已知，則只要擴(kuò)散分布遵從“兩種分布”所推導(dǎo)的公式，表面濃度Cs和雜質(zhì)分布就能計(jì)算出來。非本征擴(kuò)散前面討論對于恒定擴(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)。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。與濃度有關(guān)的擴(kuò)散當(dāng)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。可以預(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)，EF＝Ei，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(shí)，EF向?qū)У滓苿樱笖?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?？紤]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)，γ是用來描述與濃度有關(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。擴(kuò)散分布－硅中的擴(kuò)散硅內(nèi)所測量到的D與雜質(zhì)濃度的關(guān)系B和As，其γ＝1，曲線（c）所示，非常陡峭。Au和Pt，γ＝-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。磷在不同表面濃度下，在1000℃下擴(kuò)散1h后的分布在砷化鎵中的鋅擴(kuò)散在砷化鎵中的擴(kuò)散會比在硅中要來得復(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?？瘴辉谏榛墧U(kuò)散過程中扮演了一個(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。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與濃度無關(guān)。垂直滲透約為2.8um橫向滲透約為2.3um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。氧化過程中雜質(zhì)的再分布在熱氧化過程中，靠近硅表面的摻雜劑分布將會改變，這種再分布取決于幾個(gè)因素。一是兩個(gè)固體接觸在一起時(shí)，其中之一內(nèi)的雜質(zhì)會在此二者內(nèi)重新分布達(dá)到平衡，此情形類似與融體生長晶體中的雜質(zhì)再分布。在硅內(nèi)的雜質(zhì)平衡濃度對二氧化硅內(nèi)雜質(zhì)平衡濃度之比為分凝系數(shù)，定義為：二是雜質(zhì)可能會快速地?cái)U(kuò)散穿過二氧化硅，逸入周圍空氣中，如果在二氧化硅中雜質(zhì)擴(kuò)散速度很快，這個(gè)因素將會很重要。三是二氧化硅不斷增厚，故硅與二氧化硅間的邊界將會隨時(shí)間而深入硅中，此邊界深入與雜質(zhì)穿過氧化層擴(kuò)散間的相對速率在決定再分布范圍時(shí)很重要。四種可能的再分布工藝列于下圖。分為二類1.氧化層吸收雜質(zhì)，k<1圖（a）和（b）2.氧化層排斥雜質(zhì)，k>1圖（c）和（d）其結(jié)果是1.吸收的發(fā)生表面雜質(zhì)耗盡2.排斥的發(fā)生表面雜質(zhì)堆積注入離子的分布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(dá)10nm~10um，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(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)整加速能量來控制。雜質(zhì)劑量可由注入時(shí)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(dǎo)體晶格斷裂或損傷。因此，后續(xù)的退化處理用來去除這些損傷。中等電流離子注入機(jī)的示意圖離子分布一個(gè)離子在停止前所經(jīng)過的總距離，稱為射程R。此距離在入射軸方向上的投影稱為投影射程Rp。投影射程的統(tǒng)計(jì)漲落稱為投影偏差σp。沿著入射軸的垂直的方向上亦有一統(tǒng)計(jì)漲落，稱為橫向偏差σ┷。下圖顯示了離子分布，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軸移動了一個(gè)Rp?；貞浌綄U(kuò)散，最大濃度為x＝0；對于離子注入，位于Rp處。在（x－Rp）＝±σp處，離子濃度比其峰值降低了40%。在±2σp處則將為10%。在±3σp處為1%。在±4σp處將為0.001%。沿著垂直于入射軸的方向上，其分布亦為高斯分布，可用表示。因?yàn)檫@種形式的分布也會參數(shù)某些橫向注入。離子阻止是荷能離子進(jìn)入半導(dǎo)體襯底后靜止有兩種機(jī)制。一是離子能量傳給襯底原子核，是入射離子偏轉(zhuǎn)，也使原子核從格點(diǎn)移出。設(shè)E是離子位于其運(yùn)動路徑上某點(diǎn)x處的能量，定義核阻止本領(lǐng)：二是入射離子與襯底原子的電子云相互作用，通過庫侖作用，離子與電子碰撞失去能量，電子則被激發(fā)至高能級或脫離原子。定義電子組織本領(lǐng)：離子能量隨距離的平均損耗可由上述兩種阻止機(jī)制的疊加而得：如果一個(gè)離子在停下來之前，所經(jīng)過的總距離為R，則E0為初始離子能量，R為射程。核阻止過程可以看成是一個(gè)入射離子硬球與襯底核硬球之間的彈性碰撞M1轉(zhuǎn)移給M2的能量為電子阻止本領(lǐng)與入射離子的速度成正比：其中系數(shù)ke是原子質(zhì)量和原子序數(shù)的弱相關(guān)函數(shù)。硅的ke值為107(eV)1/2/cm。砷化鎵的ke值為3×107(eV)1/2/cm硅中電子阻止本領(lǐng)如虛線所示，交叉能量點(diǎn)是Sn(E)=Se(E)。一旦Sn(E)和Se(E)已知，可計(jì)算處射程范圍?？梢杂孟率鼋品匠淌絹砬蟮猛队吧涑膛c投影偏差：As、B和P在Si和SiO2中的投影射程As、B和P在Si和SiO2中的投影偏差和橫向偏差H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs中的投影射程H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs中的投影偏差和橫向偏差離子注入的溝道效應(yīng)前述高斯分布的投影射程及投影的標(biāo)準(zhǔn)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)晶向<111>，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，可用“高斯分布函數(shù)”來表示，即使延伸到低于峰值一至兩個(gè)數(shù)量級處也一樣，這表示在下圖中。然而即使只偏離<111>晶向7度，仍會有一個(gè)隨距離而成指數(shù)級exp(-x/λ)變化的尾區(qū)，其中λ的典型的數(shù)量級為0.1um。襯底定位時(shí)有意偏離晶向情況下的雜質(zhì)分布。離子束從<111>軸偏離7度入射。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)就會發(fā)生。圖為沿<110>方向觀測金剛石晶格的示意圖。離子沿<110>方向入射，因?yàn)樗c靶原子較遠(yuǎn)，使它在和核碰撞時(shí)不會損傷大量能量。對溝道離子來說，唯一的能量損傷機(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。離子進(jìn)入的角度及通道<111><100><110>溝道效應(yīng)降低的技巧：1、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。常用的覆蓋層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)入硅晶體溝道。2、將硅晶片偏離主平面5-10度，也能有防止離子進(jìn)入溝道的效果[圖(b)]。此方法大部分的注入機(jī)器將硅晶片傾斜7度并從平邊扭轉(zhuǎn)22度以防止溝道效應(yīng)。3、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)]，這種方法需使用昂貴的離子注入機(jī)、離子注入離子注入離子注入氧化層晶格晶格晶格損傷的晶格（a）經(jīng)過非晶體氧化層的注入（b）不對準(zhǔn)晶軸的入射（c）在單晶層上的預(yù)先損傷注入損傷與退火離子注入中，與原子核碰撞后轉(zhuǎn)移足夠的能量給晶格，使基質(zhì)原子離開晶格位置而造成注入損傷（晶格無序）。這些離位的在也許獲得入射能量的大部分，接著如骨牌效應(yīng)導(dǎo)致鄰近原子的相繼移位而形成一個(gè)沿著離子路徑的樹枝狀的無序區(qū)。當(dāng)單位體積內(nèi)移位的原子數(shù)接近半導(dǎo)體的原子密度時(shí)，單晶材料便成為非晶材料。輕離子的樹枝狀的無序區(qū)不同于重離子。輕離子（11B+）大多數(shù)的能量損傷起因于電子碰撞，這并不導(dǎo)致晶格損傷。離子的能量會減低至交叉點(diǎn)能量，而在那里核阻止會成為主導(dǎo)。因此，晶格無序發(fā)生在離子最終的位置附近。如下圖（a）所示。重離子的能量損失主要是原子核碰撞，因此預(yù)期有大量的損傷。如下圖（b）所示。要估計(jì)將單晶轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷Р牧纤璧哪芰?，可以利用一個(gè)判據(jù)，即認(rèn)為注入量應(yīng)該與融化材料所需的能量密度（1021keV/cm3）在數(shù)量級上相同。對于100keV的砷離子來說，形成非晶硅所需的劑量為：退火由于離子注入所造成的損傷區(qū)及畸形團(tuán)，是遷移率和壽命等半導(dǎo)體參數(shù)受到影響。此外，大部分的離子在被注入時(shí)并不位于置換位置。為激活被注入的離子并恢復(fù)遷移率與其它材料參數(shù)，必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間與溫度下將半導(dǎo)體退火。傳統(tǒng)退火爐使用類似熱氧化的整批式開放爐管系統(tǒng)。需要長時(shí)間和高溫來消除注入損傷。但會造成大量雜質(zhì)擴(kuò)散而無法符合淺結(jié)及窄雜質(zhì)分布的需求?？焖贌嵬嘶穑≧TA）是一種采用各種能源、退火時(shí)間范圍很寬（100s到納秒）的退火工藝。RTA可以在最小的雜質(zhì)再分布情況下完全激活雜質(zhì)。硼與磷的傳統(tǒng)退火退火的特性與摻雜種類及所含劑量有關(guān)快速熱退火一個(gè)具有瞬間光加熱的快速熱退火系統(tǒng)反射器燈石英窗氣體入口晶片IR溫度計(jì)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、溫度測量與控制、硅晶片的應(yīng)力與產(chǎn)率間作取舍。傳統(tǒng)爐管RTA工藝整批單一芯片爐管熱管壁冷管壁加熱率低高周期高低溫控爐管芯片熱預(yù)算高低粒子問題是最小均勻度和可重復(fù)性高低產(chǎn)率高低注入相關(guān)工藝－多次注入及掩蔽在許多應(yīng)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(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。使用多次離子注入的合成摻雜分布為了要在半導(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：回憶式穿越深度d的劑量的百分比可由穿透系數(shù)T求得：一旦得到了T，對任一恒定的Rp和σp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（T＝10-4）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。傾斜角度離子注入當(dāng)器件縮小到亞微米尺寸時(shí)，將雜質(zhì)分布垂直方向也縮寫是很重要的?，F(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