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1、1,第十七章 扩散和离子注入,微固学院 张金平 jinpingzhang,2,17.1 引 言,本章主要内容：,扩散工艺和离子注入工艺 扩散和离子注入工艺的应用 扩散和离子注入设备,本章知识要点：,掌握掺杂的目的和应用； 掌握扩散和离子注入的原理及其应用； 掌握退火效应和沟道效应 了解离子注入设备。,3,掺杂原因：,本征硅导电能力很差。 在硅中加入一定数量和种类的杂质，改变其电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。,17.1 引 言,4,半导体常用杂质,17.1 引 言,5,扩散: 是将一定数量和一定种类的杂质通过高温扩散掺入到硅或其它晶体中，以改变晶体的电学性质，并使掺入的杂质数量
2、和分布情况都满足要求的过程。 离子注入: 是在高真空的复杂系统中，产生电离杂质并形成高能量的离子束，入射到硅片靶中进行掺杂的过程。,17.1 引 言,6,掺杂方式,扩散：掺杂总量及浓度分布受扩散时间和温度影响；形成特征尺寸较大；扩散温度较高，需氧化物或氮化物作为掩膜。,离子注入：杂质总量及浓度分布受注入剂量、能量和推结时间及温度决定。适于小特征尺寸的芯片。注入温度较低，常用光刻胶作为掩膜。,17.1 引 言,7,具有掺杂区的CMOS结构,17.1 引 言,8,17.1 引 言,9,亚微米CMOS IC 制造厂典型的硅片流程模型,测试/拣选t,注入,扩散,刻蚀,抛光,光刻,完成的硅片,无图形的硅
3、片,硅片起始,薄膜,硅片制造前端,17.1 引 言,10,17.2 扩散,11,扩散原理 固溶度 扩散机构 扩散方式 扩散工艺 扩散效应,17.2 扩 散,12,17.2.1 扩散原理,扩散：粒子从浓度较高的地方向着浓度较低的地方移动，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀； 浓度的差别越大，扩散越快； 温度越高，扩散也越快。 目的：在硅中加入一定数量和种类的杂质，改变其电学性质。 扩散方式：气态；液态；固态,13,1100硅中的固溶度, 固溶度：在一定温度下，衬底能够吸收杂质浓度的上限。,17.2.2 固溶度,14,17.2.3 杂质扩散机构,15,杂质原子在半导体中扩散的方式有两种： 间隙式扩散：
4、间隙式杂质原子在晶格的间隙位置间运动。 替位式扩散：替位式杂质原子依靠周围空的格点（即空位）来进行扩散。 如对硅而言， Au、Ag、Cu、Fe、Ni 等半径较小的杂质原子按间隙式扩散； P、As、Sb、B、Al、Ga、In 等半径较大的杂质原子按替位式扩散。,17.2.3 杂质扩散机构,16,间隙式扩散： 必须要越过一个高度为Ei为0.61.2eV的势垒 越过势垒的几率： 扩散系数：,17.2.3 杂质扩散机构,17,替位式扩散： 只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位（势垒高度Ev），同时还需大于势垒高度Es 的能量，替位杂质才能运动到近邻空位上。 越过势垒的几率： 扩散系数：,由于（Ev+Es
5、）比Ei大（其差值远大于kT），因而替位杂质扩散远比间隙杂质的扩散慢,17.2.3 杂质扩散机构,18,17.2.3 杂质扩散机构,扩散系数与温度有关,D0：扩散率 E：扩散工艺激活能 k0：玻耳兹曼常数 T：绝对温度。,19,扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度保持不变 表面杂质浓度由该杂质在此温度下的固溶度决定： 边界条件1： N(0, t)= Ns 假定杂质在硅片内扩散的深度远小于硅片的厚度： 边界条件2： N(, t)= 0 在扩散开始时，硅片内没有杂质扩进，初始条件为： N(x, 0)= 0 x 0,一、恒定表面浓度的扩散,17.2.4 杂质扩散方式,20,x是由表面算起的垂
6、直距离(cm)，t 代表扩散时间(s),恒定表面源扩散，杂质为余误差分布,17.2.4 杂质扩散方式,21, 在一定扩散温度下，表面杂质浓度Ns为由扩散温度下的固溶度决定。 扩散时间越长，扩散温度越高，扩散进硅片内的杂质数量就越多。对单位面积的半导体而言，在t 时间内扩散到体内的杂质总量可求出：,恒定表面源扩散的主要特点:,扩散时间越长，温度越高，扩散深度越大。结深的位置由N(xj, t)= NB 和上面公式可得：,17.2.4 杂质扩散方式,22,扩散开始时，半导体表面杂质源总量一定，此种扩散称为有限源扩散。 假定扩散开始时硅表面单位面积的杂质总量为Q，且均匀地在一极薄的一层内（厚度h），杂
7、质在硅片内要扩散的深度远大于h。 初始条件和边界条件为： N(x, 0)= 0， x h N(x, 0)= Ns= Q/h， 0 x h N(, t) = 0,二、有限源扩散:,17.2.4 杂质扩散方式,23,有限源扩散，杂质分布为高斯分布,17.2.4 杂质扩散方式,24, 扩散时间越长，杂质扩散越深，表面浓度越低；扩散温度越高，杂质扩散得也越深，表面浓度下降得越多； 在整个扩散过程中，杂质总量Q保持不变。 表面杂质浓度可控，任何t 时刻的表面浓度为： 因此有限源扩散的杂质分布也可表示为：,有限源扩散的主要特点:,17.2.4 杂质扩散方式,25, 结深为： 表面浓度Ns 与扩散深度成反比
8、，扩散越深，则表面浓度越低；NB 越大，结深将越浅。,17.2.4 杂质扩散方式,26,为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求，实际生产中常采用两步扩散工艺： 第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表面源扩散方式，其分布为余误差函数，目的在于控制扩散杂质总量； 第二步称为主扩散或再分布，将表面已沉积杂质的硅片在较高温度下扩散，以控制扩散深度和表面浓度。 激活：杂质原子与衬底原子形成共价键，成为替位式杂质。,17.2.4 杂质扩散方式,在引入扩散源后作推进扩散时，常常会在硅片上表面有一氧化层或其它覆盖层保护硅片，使硅片中的杂质不会挥发到大气中去。,27,17.2.6 扩散工
9、艺,液态源扩散系统,固态源扩散系统,气态源扩散系统,磷烷(PH4)、砷烷(AsH3) 、氢化锑(SbH3)、乙硼烷(H2B6)等(剧毒气体),三氯氧磷 (POCl3) 、 硼酸三甲脂 B(CH3)O3,（B2O3，P2O5，BN等）,28,磷的液态源扩散 三氯氧磷（POCl3）是普遍选用的液态源，无色透明液体，有毒，在室温下具有较高的蒸气压。磷的液态源扩散做为预扩散，其化学反应式： POCl3 PCl5 P2O5 PCl5 O2 P2O5 Cl2 POCl3 O2 P2O5 Cl2 P2O5 Si P SiO2,17.2.6 扩散工艺,29,硼的涂源扩散 B2O3乳胶源是普遍选用的扩散源，该源
10、无毒。通过旋转涂敷到硅片上，经过烘培除去有机溶剂然后进入高温炉进行预扩散。其化学反应式： B2O3 Si B SiO2,17.2.6 扩散工艺,30,方块电阻(Rs:单位为 /)和结深是扩散的重要工艺参数，两个参数已知则扩散分布曲线也可确定下来。 结深测量:磨角染色法, HF与01HNO3的混合液，使p区的显示的颜色比n区深 方块电阻(Rs:单位为 /):,17.2.6 扩散工艺,V,I,t,S S S,1,4,3,2,31,17.2.7 横向扩散,原子扩散进入硅片，向各个方向运动：硅的内部、横向和重新离开硅片。 杂质原子沿硅片表面方向迁移，发生横向扩散。热扩散中的横向扩散通常是纵向结深的75
11、%一85。 横向扩散导致沟道长度的减小，影响器件的集成度和性能。,32,硼、磷杂质在SiO2Si界面的分凝效应 在硼、磷杂质的再扩散中，总是要生长一定厚度的SiO2，杂质在SiO2Si界面发生分凝效应，使杂质在SiO2和Si中重新分布，其结果造成在硅中的硼杂质总量比磷损失的多，其现象俗称SiO2吸硼排磷。,17.2.7 扩散效应,33,17.2.8 扩散常用杂质源,34,17.3 离子注入,35,离子注入：一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学性能的方法。它是一个物理过程，即不发生化学反应。,17.3 离子注入,36,离子源,分析磁体,加速管,离子束,等离子体,工艺腔,吸出组件,扫描
12、盘,离子注入机示意图,17.3 离子注入,离子注入的基本过程 将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子 在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）,37,17.3.1 离子注入特点,离子注入的优点： 精确地控制掺杂浓度和掺杂深度 可以获得任意的杂质浓度分布 杂质浓度均匀性、重复性很好 掺杂温度低 沾污少 无固溶度极限,38,离子注入的缺点： 1. 高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤 2. 注入设备复杂昂贵,17.3.1 离子注入特点,39,剂量：剂量是单位面积硅片表面注入的离子数，单位是原子每平方厘米。 Q：剂量，原子数/cm2；I：束流，库伦/秒； n：每个离子的电
13、荷数；A：注入面积； t：时间。 离子注入是硅片制造的重要技术，主要原因之一是它能够重复向硅片中注入相同剂量的杂质。,17.3.2 离子注入参数,40,注入能量:离子注入的能量用电子电荷与电势差的乘积来表示。单位：千电子伏特KeV 带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场运动，它的能量为100KeV,17.3.2 离子注入参数,41,主要能量损失机制是电子阻止和核阻止； 电子阻止是杂质原子与靶材料的电子发生碰撞； 核阻止是杂质原子与硅原子发生碰撞，造成硅原子的移位。,17.3.2 离子注入参数,42,17.3.2 离子注入参数,核阻止本领在低能量下起主要作用 电子阻止本领在高能量下起主要
14、作用,注入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论,43,射程R:指的是离子注入过程中，离子穿入硅片所走过的总距离。 投影射程Rpi:射程在入射方向上的投影。投影射程也是停止点与靶表面直距的垂离。决定于离子质量和能量、靶的质量和离子束相对于硅片晶体结构的方向。 平均投影射程RP: 投影射程的平均标准偏差Rp：表示注入杂质在RP附近的分布,17.3.2 离子注入参数,44,注入能量增加，投影射程增加，杂质浓度的峰值会因偏差的增加而降低。 投影射程图能够预测一定注入能量下的投影射程,投影射程图,17.3.2 离子注入参数,45,17.3.3 离子注入浓度分布,为样品表面单位面积注入的离子总数（注入剂量
15、，单位:cm-2)。 RP 是平均投影射程，离子注入深度的平均值。,注入离子在无定形靶中的浓度分布为高斯分布:,46,注入离子浓度分布的特点： (1) 最大浓度位置在样品内的平均投影射程处： (2) 注入离子的剂量越大，浓度峰值越高； (3) 注入离子的能量E（20200 KeV）越大，RP 、RP 相应越大，浓度峰值越低。 (4) 在x = RP 处的两边，注入离子浓度对称地下降，且下降速度越来越快。,17.3.3 离子注入浓度分布,47,17.3.3 离子注入浓度分布,离子注入结深 Xj,其中:NB为衬底浓度,48,17.3.3 离子注入浓度分布,真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布 当
16、轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射,会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。,注入离子的真实分布,各种离子在Si中的Rp和Rp 值 (),17.3.3 离子注入浓度分布,各种离子在光刻胶中的Rp和Rp 值 (),17.3.3 离子注入浓度分布,各种离子在SiO2中的Rp和Rp 值 (),17.3.3 离子注入浓度分布,各种离子在Si3N4中的Rp和Rp 值 (),17.3.3 离子注入浓度分布,53,轻离子冲击,重离子冲击,轻离子和重离子引起的损伤,轻离子注入损伤密度小，但区域较大； 重离子注入损伤密度大，但区域很小。,17.3.4 离子注入效应,54,硅单晶的退火,高温退火：激活杂质(950)，修复晶
