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1、有关扩散方面的主要内容,费克第二定律的运用和特殊解 特征扩散长度的物理含义 非本征扩散 常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用 常用扩散掺杂方法 常用扩散掺杂层的质量测量,Distribution according to error function,Distribution according to Gaussian function,1,实际工艺中二步扩散,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），往往同时氧化 （称为主扩散或再分布） 控制扩散深度和表面浓度,2,什么是离子注入 离
2、化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质,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） 以改变这种材料表层的物理或化学性质,3,离子注入特点,可通过精确控制掺杂剂量（1011-1018 cm-2）和能量（1-400 keV）来达到各种杂质浓度分布与注入浓度 平面上杂质掺杂分布非常均匀（1% variation across an 8 wafer） 表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度 注入元素可以非常纯，杂质单一性 可用多种材料作掩膜，如金属、光
3、刻胶、介质；可防止玷污，自由度大 离子注入属于低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的热扩散 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小 会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进 设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机） 有不安全因素，如高压、有毒气体,4,BF3：B+，B+，BF2+，F+, BF+，BF+,B10 B11,5,源（Source）：在半导体应用中，为了操作方便， 一般采用气体源，如 BF3，BCl3，PH3，AsH3等。如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它们的蒸汽，再导入放电区。 b) 离子源（Ion Source）：灯丝（fil
4、ament）发出的自由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器,气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，. 离子源：B ， As，Ga，Ge，Sb，P，.,6,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外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。,7,注入离子如何在体内静止？,LSS理论对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究,1963年，Lindhard, Scharff and Schiott首先确立了注入离子在靶内分布
5、理论，简称 LSS理论。 该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程 (1) 核阻止（nuclear stopping） (2) 电子阻止 （electronic stopping） 总能量损失为两者的和,8,核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论,阻止本领（stopping power）：材料中注入离子的能量损失大小 单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量 (Sn(E), Se(E) )。 核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。 电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。,9,-dE/dx：能量随距离损失的平均速率 E：注入离子在其运动路程上任一点
6、x处的能量 Sn(E)：核阻止本领/截面 (eVcm2) Se(E)：电子阻止本领/截面（eVcm2) N: 靶原子密度 51022 cm-3 for Si,LSS理论,能量E的函数,能量为E的入射粒子在密度为N的靶内走过x距离后损失的能量,10,核阻止本领,注入离子与靶内原子核之间两体碰撞 两粒子之间的相互作用力是电荷作用,摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295,核阻止能力的一阶近似为：,例如：磷离子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅Z2 = 14, m2 = 28, 计算可得： Sn 550 keV-m
7、m2,m质量， Z原子序数 下标1离子，下标2靶,对心碰撞，最大能量转移：,11,12,电子阻止本领,把固体中的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正比。,非局部电子阻止,局部电子阻止,不改变入射离子运动方向,电荷/动量交换导致入射离子运动方向的改变（核间作用）,13,总阻止本领（Total stopping power）,核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端） 电子阻止本领在高能量下起主要作用,核阻止和电子阻止相等的能量,14,离子 E2 B 17 keV P 150 keV As, Sb 500 keV,15,1
8、6,R：射程（range） 离子在靶内的总路线长度 Rp：投影射程（projected range） R在入射方向上的投影,Rp：标准偏差（Straggling），投影射程的平均偏差 R：横向标准偏差（Traverse straggling）, 垂直于入射方向平面上的标准偏差。,射程分布：平均投影射程Rp，标准偏差Rp，横向标准偏差R,非晶靶中注入离子的浓度分布,17,注入离子的二维分布图,18,投影射程Rp:,19,注入离子的浓度分布,在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式,200 keV 注入,元素 原子质量 Sb 122 As 74 P 31 B
9、 11,Cp,20,Q：为离子注入剂量（Dose）, 单位为 ions/cm2，可以从测量积分束流得到,由 ， 可以得到：,21,Q可以精确控制,A为注入面积，I为硅片背面搜集到的束流（Farady Cup），t为积分时间，q为离子所带的电荷。,例如：当A2020 cm2，I0.1 mA时，,而对于一般NMOS的VT调节的剂量为：B 1-51012 cm-2注入时间为30分钟,对比一下：如果采用预淀积扩散（1000 C），表面浓度为固溶度1020 cm-3时，,D10-14 cm2/s,每秒剂量达1013/cm2,I0.01 mAmA,22,常用注入离子在不同注入能量下的特性,平均投影射程Rp
10、,标准偏差Rp,23,已知注入离子的能量和剂量， 估算注入离子在靶中的 浓度和结深 问题：140 keV的B+离子注入到直径为150 mm的硅靶中。 注入 剂量Q=510 14/cm2（衬底浓度21016 /cm3） 1) 试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、 峰 值浓度、结深 2) 如注入时间为1分钟，估算所需束流。,24,【解】1) 从查图或查表 得 Rp=4289 =0.43 mm Rp=855 =0.086 mm 峰值浓度 Cp=0.4Q/Rp=0.451014/(0.08610-4)=2.341019 cm-3 衬底浓度CB21016 cm-3 xj=0.734 mm 2)
11、注入的总离子数 Q掺杂剂量硅片面积 51014(15/2)2=8.81016 离子数 IqQ/t (1.61019C)(8.81016)/60 sec=0.23 mA,25,注入离子的真实分布,真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布 当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射（背散射），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。,26,横向效应 横向效应指的是注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况,横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。,R （m）,27,35 keV As注入,120 keV As注入,28,注入掩蔽层掩蔽层应该多厚？,如果要求掩膜层
12、能完全阻挡离子,xm为恰好能够完全阻挡离子的掩膜厚度 Rp*为离子在掩蔽层中的平均射程，DRp*为离子在掩蔽层中的射程标准偏差,29,解出所需的掩膜层厚度：,穿过掩膜层的剂量：,余误差函数,30,离子注入退火后的杂质分布,Dt D0t0Dt,一个高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其标准偏差和峰值浓度发生改变。,31,离子注入的沟道效应,沟道效应（Channeling effect） 当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远。,32,110,111,100,倾斜旋转硅片后的无序方向,33,浓度分布 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离L
13、SS理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的“尾巴”,产生非晶化的剂量,沿的沟道效应,34,表面非晶层对于沟道效应的作用,Boron implant into SiO2,Boron implant into Si,35,减少沟道效应的措施,对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离710o 用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层（Pre-amorphization） 增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少） 表面用SiO2层掩膜,36,典型离子注入参数,离子：P，As，Sb，B，In，O 剂量：10111018 cm-2 能量：1 400 keV 可重复性和均匀性: 1% 温度：室温 流量：1012-1014 cm-2s-1,37,本节课主要内容,LSS理论？阻止能力的含义？,离子注入的杂质分布？退火后？,离子注入的主要特点？,掩蔽膜的厚度？,精确控制掺杂，浅结、浅掺杂，纯度高，低温，多种掩模，,非晶靶。能量损失为两个彼此独立的过程(1) 核阻止与(2) 电子阻止之和。能量为E的入射粒子在密度为N的靶内走过x距离后损失的能量。,掩膜层能完全阻挡离子的条件：,38,
