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1、掺杂,杂质掺杂,掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触 磷(P)、砷(As) N型硅 硼(B) P型硅 掺杂工艺：扩散、离子注入,扩散,扩散,70年代初期以前，杂质掺杂主要通过高温的扩散实现。 杂质原子通过气相源或氧化物源扩散或淀积到硅晶片的表面。 杂质浓度从表面到体内单调下降 杂质分布主要是由温度和扩散时间决定 可用于形成深结（deep junction），如CMOS中的双阱（twin well）,离子注入,离子注入,从70年代初开始，掺杂的操作改由离子注入完成 掺杂原子以离子束的形式注入半导体内 杂质浓度在半导体内有峰值分布 杂质分布
2、主要由离子质量和离子能量决定 用于形成浅结（shallow junction），如MOSFET中的漏极和源极,扩散,杂质扩散机构 扩散方程 扩散杂质的分布 扩散工艺,扩散机构,扩散机构,扩散机构,扩散机构,扩散机构,菲克第一定律,扩散是微观粒子热运动的统计结果，当杂质存在浓度梯度时，出现宏观的扩散流。杂质由高浓度区向低浓度区移动，直至浓度趋于均匀，扩散流为零。实验表明：扩散流的大小，正比于杂质的浓度梯度。 菲克第一定律: 如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度，则杂质将会产生扩散运动，而且杂质的扩散方向使杂质浓度梯度变小。,扩散系数,扩散系数,其中：V0代表振动频率 Wv代表形成一个空位所需要
3、的能量 Ws代表替位杂质的势垒高度 E为扩散激活能，对替位式杂质来说，一般为34eV,扩散方程,扩散方程（菲克第二定律）,扩散方程,扩散方程（菲克第二定律） 经过t时间，体积元内的杂质变化量为 体积元内杂质的变化，是由于在t时间内，通过x处和xx处的两个截面的流量差所造成,扩散方程,扩散方程（菲克第二定律） 假定体积元内的杂质不产生也不消失，上面两式应该相等，得到 假设扩散系数D为常数（低浓度正确），得到,恒定表面源扩散,定义：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终不变的扩散 边界条件和初始条件 C(0,t)=Cs ； C( ,t)=0； C(x ,0)=0, x0 恒定表面源扩散的杂质分布
4、：,恒定表面源扩散杂质分布形式,恒定表面源扩散结深,恒定表面源扩散杂质浓度梯度,有限表面源扩散,定义：扩散之前在硅片表面淀积一层杂质，在整个扩散过程中这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充 初始条件和边界条件 C(x ,0)=0,xh C( ,t)=0 C(x ,0)= Cs(0)=Q/h,0 x h 解得：,有限表面源扩散杂质分布形式,有限表面源扩散,结深 杂质浓度梯度 任意位置 P-n结处得杂质梯度,两步扩散,实际方法 实际生产中的扩散温度一般为9001200 ，在这样的温度范围内，常用杂质如硼、磷、砷等在硅中的固溶度随温度变化不大，因而采用恒定表面源扩散很难得到低浓度的分布形式。为了同
5、时满足对表面浓度、杂质数量、结深以及梯度等方面的要求，实际生产中往往采用两步扩散法,两步扩散 预扩散：在低温下采用恒定表面源扩散方式，控制扩散杂质的数量，杂质按余误差形式分布。 主扩散将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在较高温度下进行扩散。控制表面浓度和扩散深度。杂质按高斯形式分布。 分布形式：D1t1D2t2 , 余误差分布 D1t1 D2t2 ，高斯分布,两步扩散,影响杂质分布的其它因素,上面推导的杂质分布形式理想化 实际上理论分布与实际分布存在一定的差异 主要是因为硅中掺杂原子的扩散，除了与空位有关外，还与硅中其它类型的点缺陷有密切的关系。,二维扩散,实际扩散 在掩蔽层的边缘，横向扩散与纵
6、向扩散同时进行,杂质横向扩散示意图,由于横向扩散作用，结包含 一个中央平面区 一个近似圆柱、曲率半径为rj的边 如果扩散掩蔽层有尖锐的角，在这角处的结将因横向扩散而近似于圆球状。 电场强度在圆柱和圆球结处较强，该处雪崩击穿电压将远低于有相同衬底掺杂的平面结处。,实际扩散区域大于窗口影响集成度,各种杂质源,B的杂质源 大多数杂质源都是先分解或化合生成B2O3， B2O3再与表面Si反应产生B并向Si内扩散。 P的杂质源 大多数P源都是经化学反应先生成P2O5， P2O5再与表面Si反应产生P并向Si内扩散。,离子注入,核碰撞和电子碰撞 注入离子在无定形靶中的分布 注入损伤 热退火,离子注入,离子
7、注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程，注入能量介于1KeV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm10um。离子剂量变动范围，从用于阈值电压调整的1012/cm2到形成绝缘埋层的1018/cm2。,离子注入应用,隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断 调整阈值电压用的沟道掺杂 CMOS阱的形成 浅结的制备 在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为一种主流技术。离子注入已成为VLSI制程上最主要的掺杂技术。一般CMOS制程，大约需要612个或更多的离子注入步骤。,相对于扩散，它能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。,离子注入系统的原理示意图,离子源是产生离子的部件。将被注
8、入物质的气体注入离子源，在其中被电离形成正离子，经吸极吸出，由初聚焦系统，聚成离子束，射向磁分析器。 吸极是一种直接引出离子束的方法，即用一负电压（几伏到几十千伏）把正离子吸出来。 产生离子的方法有很多，目前常用的利用气体放电产生等离子体。,离子注入系统原理离子源,离子注入系统原理提取电极,从离子源吸出的离子束中，包括多种离子。如对BCl3气体源，一般包括H+、B+、Cl+、O+、C+等。,离子注入系统原理磁分析器,离子注入系统原理后加速器,被掺杂的材料称为靶。由加速管出来的离子先由静电聚焦透镜进行聚焦，再进行x、y两个方向的扫描，然后通过偏转系统注入到靶上。 扫描目的：把离子均匀注入到靶上。
9、 偏转目的：使束流传输过程中产生的中性离子不能到达靶上。 注入机内的压力维持低于104Pa以下，以使气体分子散射降至最低。,离子注入系统原理,离子注入的优缺点,优点： 注入的离子纯度高 可以精确控制掺杂原子数目，同一平面的掺杂均匀性得到保证，电学性能得到保证。 温度低：小于400。低温注入，避免高温扩散所引起的热缺陷；扩散掩膜能够有更多的选择 掺杂深度和掺杂浓度可控，得到不同的杂质分布形式 非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制 横向扩散效应比热扩散小得多 离子通过硅表面的薄膜注入，防止污染。 可以对化合物半导体进行掺杂,离子注入的优缺点,缺点： 产生的晶格损伤不易消除 很难进行很深或很浅的结的注
10、入 高剂量注入时产率低 设备价格昂贵（约200万美金）,核碰撞和电子碰撞,高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点停止下来,核碰撞和电子碰撞,核碰撞和电子碰撞,核碰撞和电子碰撞,核阻止本领说明注入离子在靶内能量损失的具体情况，一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻止本领定义为： 电子阻止本领定义为：,核碰撞和电子碰撞,在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为： 注入离子在靶内运动的总路程,低能量时，核阻止本领随能量的增加
11、而线性增加，Sn(E)会在某一中等能量时达到最大值。 高能量时，由于高速粒子没有足够的时间和靶原子进行有效的能量交换，所以Sn(E)变小。,核阻止本领,电子阻止本领,电子阻止本领同注入离子的速度成正比，即与注入离子能量的平方根成正比。 V 为注入离子速度，Ke 与注入离子和靶的原子序数、质量有微弱关系，粗略估计时，可近似为常数,核碰撞和电子碰撞,不同能区的能量损失形式 低能区：以核碰撞为主 中能区：核碰撞、电子碰撞持平 高能区：以电子碰撞为主,注入离子在无定形靶中的分布,一个离子在停止前所经过的总路程，称为射程R R在入射轴方向上的投影称为投影射程Xp R在垂直入射方向的投影称为射程横向分量Xt,平均投影射程Rp：所有入射离子的投影射程的平均值 标准偏差：,注入离子在无定形靶中的分布,对于无定形靶（SiO2、Si3N4、光刻胶等），注入离子的纵向分布可用高斯函数表示： 其中：,高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。 轻离子/重离子入射对高斯分布的影响 实践中，用高斯分布快速估算注入离子在靶材料中的分布。,注入离子在无定形靶中的分布,注入离子在无定形靶中的分布,横向分布（高斯分布） 入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布 横向渗透远小于热扩散,离子注入特点,离子注入特点,
