第五章-掺杂

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1、掺杂 Doping,大规模集成电路制造工艺,1,制造工艺,2,薄膜形成,光刻,掺杂、刻蚀,掺杂的用途,3,掺杂: 将可控数量的杂质掺入到半导体中，并获得一定的杂质分布 (doping profile)。,MOSFET：阱、栅、源/漏、沟道等 BJT：基极、发射极、集电极，埋层等,掺杂应用：,p well,MOS,目的: 改变半导体的导电性。,掺杂实现工艺,4,扩散工艺： 浓度梯度,离子注入： 离子+电场,+温度,扩散工艺相关概念,5,结深(Junction Depth),扩散工艺相关概念,6,薄层电阻(Sheet Resistance):,RS: 表面为正方形(l=w)的半导体薄层, 在电流方

2、向呈现的电阻,单位为 / (或), 所以也叫方块电阻; RS: 与正方形边长无关;,薄层电阻,7,q 单位电荷, 载流子迁移率, n 载流子浓度,：从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总个数；,物理意义： 薄层电阻的大小直接反映了扩散入半导体内部 的净杂质总量。,扩散工艺相关概念,8,杂质固溶度(Dopant Solid Solubility),固溶度：在平衡条件下，杂质能溶解在半导体中而不发生反应形成分凝相的最大浓度; 电学固溶度(Electrically Active Concentration); 超过电学固溶度的杂质可能 形成电中性的聚合物； 对掺杂区的自由载流子 没有贡献;,掺

3、杂掩膜,9,温度高，扩散系数高； 杂质在二氧化硅中的扩散激活能 高于在硅中扩散激活能， 二氧化硅可以做扩散掩膜层；,掺杂掩膜,10,扩散掺杂杂质源,11,气态源扩散(gas source) 液态源扩散(liquid source) 固态源扩散(solid source) 旋涂源扩散(spin-on-glass),扩散工艺,12,气态源扩散：,利用载气稀释杂质气体； 杂质气体在高温下在硅表面硅原子发生反应， 释放出杂质原子向硅中扩散； 气态杂质源(剧毒气体) : 磷烷(PH3)、砷烷(AsH3)、乙硼烷(H2B6),扩散工艺,13,反应方程式：,扩散工艺,14,舟,利用载气通过液态杂质源(BBr

4、3，AsCl3，POCl3)； 携带着杂质蒸汽进入高温扩散反应管； 在硅表面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散；,液态源扩散,液态源扩散,15,反应方程式：,扩散工艺,16,惰性气体作为载气把杂质(As2O3, P2O5, B2O3)源蒸气输运到硅片表面；在扩散温度下, 杂质化合物与硅反应生成单质杂质原子相硅内扩散。,固态源扩散：,正面,背面,扩散工艺,17,将掺杂氧化物溶于有机溶剂； 用旋涂法在Si表面形成掺杂氧化层； 在高温下杂质向硅中扩散。 源： As（arsenosilica）； Sb（antimonysilica）； B（borosilica）； P（phosphorosili

5、ca） 烘焙：200 C 15分钟去除溶剂 根据Rs和xj要求决定扩散温度和时间； 特点：掺杂元素多，浓度范围广；,旋涂源扩散：,扩散掺杂过程,18,掺杂原子扩散,19,基质原子,空位扩散/替位式扩散,填隙扩散,扩散较慢(B,P,As),扩散较快(Au,Cu,Fe),Ea: 3-5eV,Ea: 0.5-2eV,掺杂原子扩散,20,杂质分布推导,21,费克第一定律：,C为杂质浓度(#/cm3),D为扩散系数(cm2/s); 式中负号表示扩散是由高浓度处向低浓度处进行的(浓度有着负斜率，扩散朝着x的正向进行),单位时间穿过单位面积 的杂质原子数量和杂质原子 的浓度梯度成正比；,杂质分布推导,22,

6、费克第二定律： 浓度、时间、空间的关系：,单位体积元内杂质原子数的变化量等于流入和流出该体积元的流量差,t 时间内该体积内的杂质数目变化为：,这个过程中由于扩散进出该体积的杂质原子数：,杂质分布推导,23,t 时间内该体积内的杂质数目变化：,由于扩散进出该小体积的杂质原子数:,杂质分布推导,24,其中：,杂质分布推导,25,1. 稳态时: 浓度不随时间变化,如氧化剂在SiO2中的扩散,杂质分布推导,26,2. 恒定表面源扩散：表面杂质浓度恒定为Cs,初始条件： C(x,0)=0, x0,气相中有无限量的杂质存在, 可以保证在扩散表面的杂质浓度恒定。,边界条件： C(0,t)=Cs C(,t)=

7、0,衬底,表面,杂质源,杂质分布推导,27,2. 恒定表面源扩散：,初始条件：C(x,0)=0, x0 边界条件：C(0,t)=Cs C(,t)=0,解得恒定表面源扩散方程:,C(x,t)为在t时刻x位置处的杂质浓度； Cs为表面杂质浓度,取决于某种杂质在硅中的最大固溶度；,erfc(x): 余误差函数,余误差函数,28,erfc(x) =1- erf(x),恒定表面源扩散杂质分布特点,29,:称为特征扩散长度,1）单位面积掺杂总量,A是与Cs/CB有关的常数, 与T有关；D与温度T是指数关系； 温度对结深的影响要较t大许多,2）扩散结深:,恒定表面源扩散杂质分布特点,30,3）杂质浓度梯度,

8、梯度受到Cs、t 和D(即T)的影响。 改变其中的某个量,可以改变梯度, 如增加Cs。,恒定表面源扩散杂质分布特点,31,Dt越大，结深越大; 进入衬底的杂质总量越多;,恒定表面源的扩散，其表面杂质浓度Cs 基本由杂质在扩散温度（9001200 C）下的固溶度决定;,扩散方程式推导,32,3.有限源扩散：杂质总量恒定为QT,在整个扩散过程中，预淀积的扩散杂质总量作为扩散的杂 质源，不再有新源补充。,初始条件：,边界条件：,Delta 函数,扩散方程式推导,33,杂质总量恒定为QT:,初始条件：,边界条件：,高斯分布：,有限源杂质扩散分布特点,34,1）表面浓度Cs：,随时间增长而减少 随温度增

9、加而减少,有限源杂质扩散分布特点,35,2）扩散结深,随时间增长而增长； 随温度增加而增加；,有限源扩散分布特点,36,有限源杂质扩散分布特点,37,3）浓度梯度,有限源杂质扩散分布特点,38,3）浓度梯度,在p-n结处，浓度梯度随着扩散深度(结深)增加而下降;,多次扩散杂质分布,39,如果经历多次退火过程（场热氧化，栅氧化层，掺杂),最后仍然是高斯分布：,由于扩散系数成指数随温度增加， 因此热过程主要由最高温度下的扩散来决定；,(Dt)eff 用来衡量扩散过程的热过程（thermal budget） 控制xj,两种分布比较,40,余误差函数分布(erfc),表面浓度恒定; 杂质总量增加; 结

10、深增加;,高斯函数分布(Gaussian),杂质总量恒定; 表面浓度下降( ); 结深增加;,关键参数 Cs（表面浓度） xj （结深） Rs（薄层电阻）,独立控制Q和xj,41,二步扩散,第一步 为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition） （称为预沉积或预扩散） 控制掺入的杂质总量,第二步 为有限源的扩散（Drive-in）， 控制扩散深度和表面浓度,表面浓度：,独立控制Q和xj,42,当 时，最后的杂质浓度分布为,掺杂工艺流程设计,43,CMOS中的p阱的形成： 已知衬底浓度为CB=11015 cm3； 要求表面浓度Cs=4x1017 cm-3，结深xj=3 mm；,掺杂工艺流程

11、设计,44,形成低浓度的深结: Cs=4x1017cm-3，xj=3mm,需要采用有限源扩散掺杂工艺,掺杂工艺流程设计,45,掺杂工艺流程设计,46,假定在1100C进行推进退火,则扩散系数D=1.510-13 cm2/s,总的剂量：,掺杂工艺流程设计,47,采用950 C热扩散预淀积: 恒定表面浓度,B的固溶度 Cs=2.51020/cm3，扩散系数D1=4.210-15 cm2/s,该预淀积为余误差分布，杂质总量为：,掺杂工艺流程设计,48,最终可选方案：,1）采用950 C热扩散预淀积：,2）1100C进行推进退火：,非本征扩散,在扩散温度下, 当杂质浓度高于本征载流子浓度时的扩散。,1

12、000oC, 硅中，ni=5x1018cm-3。,本征扩散： 扩散系数就是杂质本征扩散系数； 同时扩散或相继扩散可以独立处理，最后叠加；,非本征扩散： 扩散系数和杂质浓度有关； 同时扩散或相继扩散的杂质之间有着相互作用；,杂质浓度小于ni,杂质浓度大于ni,非本征扩散,杂质浓度影响,替位式扩散:与空位浓度成正比; 空位浓度和杂质浓度呈正比,空位密度：,空位: 中性空位，受主空位， 双电荷受主空位，施主空位等,非本征扩散,恒定表面浓度扩散：,硼和砷,金/白金,非本征扩散,52,磷在半导体Si中扩散：,浓度低时： 余误差函数；,浓度高时： 开始类似浓度影响,出现一个拐点 随后出现快速扩散,形成n型

13、深结,非本征扩散,53,Zn在GaAs 中扩散：,1000，退火2.7小,1000，退火2.7小,1000, 2.7小时；,不同的表面浓度是锌保持在600到 800的温度范围,锌保持在 600到 800 的温度范围获得 不同的表面浓度,非本征扩散,54,电场影响：,杂质浓度梯度， 引起杂质和载流子的扩散；,电场的产生：由于载流子的迁移率高于杂质离子，二者之间形成内建电场。,载流子领先于杂质离子，直到内建电场的漂移流与扩散流达到动态平衡。,场助扩散,55,当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时，h 接近 2。,场助扩散,56,电场效应对低浓度本体杂质分布影响更大！,非理想情况,57,横向扩散：,二维扩

14、散,58,1）实际上是二维的扩散:,2）MOSFET沟道长度变短:,氧化过程杂质再分布,59,扩散质量检测,60,结深测量 掺杂分布测量 薄层电阻测量,结深,61,pn结显示技术： HF与01HNO3的混合液，使p区的显示的颜色比n区深。,掺杂分布,62,CV测量法： 测量结的反偏电容和电压的关系可以测得扩散层的掺杂分布。,对于均匀掺杂的单边突变结，结电容：,杂质分布,63,二次离子质谱法 (Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS),用高能离子束轰击样品； 产生二次离子； 利用质谱仪分析二次离； 识别样品的组分; 随着轰击时间增长，收集分析不同厚度处组分；,

15、二次离子质谱分析,64,薄层电阻测量,65,四探针测量薄层电阻：,四根探针的四个针尖都保持在一条直线上; 1和4称为电流探针，由稳压电源恒电流供电流; 2和3称为电位探针，测量这两个探针之间的电位差;,S t时成立；,利用方块电阻计算结深,66,67,PERL:passivated emitter rear locally-diffused,掺杂 Doping,大规模集成电路制造工艺,68,掺杂实现工艺,69,扩散工艺： 浓度梯度,离子注入： 离子+电场,+温度,70,知识回顾,离子注入(Ion Implantation),71,离化的原子(?)在强电场的加速作用下, 注射进入衬底材料的表层,

16、 以改变这种材料表层的电学性质(物理或化学性质),离子注入的特点,72,注入能量介于1keV到1MeV之间； 注入深度平均可达10nm 到10m； 离子剂量（dose）从1012 cm-2到1018 cm-2; 相对于扩散工艺:离子注入的主要优点在于可重复性、更准确地控制杂质掺杂和较低的工艺温度。,基本的COMS工艺使用1517个离子注入工序； 现行主流的CMOS工艺使用2023个注入； 特殊专用的CMOS电路则使用多于达30个； 所有先进现代CMOS器件中的掺杂都是用离子注入完成的 。,73,磁分析器,离子源,加速管,聚焦,扫描系统,靶,BF3：B+,B+,BF2+, BF+, BF+,F+,AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，.,单位面积注入杂质的个数,（剂量，Dose）,离子注入过程,74,离子注入过程是一个非平衡过程,高能离子进入靶后不断与原子核及其核