微电子工艺学掺杂原理与技术

1、微电子工艺学Microelectronic Processing第四章掺杂原理与技术,掺杂（doping）：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅中，并获得精确的杂质分布形状（doping profile）。,掺杂应用：MOSFET：阱、栅、源/漏、沟道等 BJT：基极、发射极、集电极等,p well,4.1 掺杂,基本概念：结深 xj （Junction Depth）；薄层电阻 Rs （Sheet Resistance ）；杂质固溶度（Solubility),4.1 掺杂,目的：改变晶片电学性质，实现器件和电路纵向结构。 方式：扩散（diffusion）、离子注入（ion implantation

2、）、合金、中子嬗变。,高温扩散：一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由高温的扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高温与扩散时间来决定。 离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注入能量决定。 扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，因为二者互补不足，相得益彰。例如，扩散可用于形成深结(deep junction)，如CMOS中的双阱(twin well)；而离子注入可用于形成浅结(shaIlow junction)，如MOSFE

3、T中的漏极与源极,4.1 掺杂,4.1 掺杂,杂质分布形状（doping profile）举例,4.1 掺杂,结深的定义 xj : 当 x = xj 处 Cx（扩散杂质浓度）= CB（本体浓度） 器件等比例缩小k倍，等电场要求xj 同时缩小k倍 同时,要求xj 增大 在现代COMS技术中，采用浅结和高掺杂来同时满足两方面的要求,4.1 掺杂,8,薄层电阻 RS（sheet resistance）,方块电阻,t,l,w,薄层电阻定义为：,4.1 掺杂,方块时，lw，RRS。所以，只要知道了某个掺杂区域的方块电阻，就知道了整个掺杂区域的电阻值。 重要性：薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质

4、总量,RS：表面为正方形的半导体薄层，在电流方向呈现的电阻。单位为 / RS：正方形边长无关,4.1 掺杂,物理意义： 薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量 q 电荷， 载流子迁移率，n 载流子浓度 假定杂质全部电离 ，载流子浓度 n = 杂质浓度 N 则： Q：从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量,4.1 掺杂,杂质固溶度（dopant solid solubility）,固溶度（solid solubility）：在平衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生反应形成分凝相的最大浓度。 电固溶度 超过电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不贡献,4.1 掺

5、杂,As在硅中的固溶度: 21021 cm-3 As的电学可激活浓度: 21020 cm-3,4.1 掺杂,掺入的杂质是电活性的，能提供所需的载流子，使许多微结构和器件得以实现。掺杂的最高极限约1021 atoms/cm3，最低1013 atoms/cm3,4.1 掺杂,扩散原理 扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在约1000的高温、p型或n型杂质气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一种工艺方法，也叫热扩散。 固相扩散：扩散是一种自然现象，由物质自身的热运动引起。微电子工艺中的扩散是杂质在晶体内的扩散，因此是一种固相扩散。 扩散的微观机制：晶体内扩

6、散是通过一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，有多种方式，最主要有：填隙式扩散；替位式扩散；填隙-替位式扩散,4.2 扩散,间隙式扩散（interstitial）,替位式扩散（substitutional）,间隙扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg,替位扩散杂质：As， Al，Ga，Sb，Ge。 替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前题,B，P，一般作为替位式扩散杂质，实际情况更复杂，包含了硅自间隙原子的作用，称填隙式或推填式扩散,4.2 扩散,填隙式（ interstitial assisted kick-out)或推填式扩散（Interstitialcy-assi

7、ted),4.2 扩散,4.2 扩散,间隙式扩散： Au, Ag, Cu, Fe, Ni等,间隙原子必须越过的势垒高度 Ei Ei 约为0.6 1.2 eV 跳跃几率和温度有关 振动频率010131014/s 快扩散杂质,T：绝对温度，k：玻尔兹曼常数,4.2 扩散,在温度T，单位晶体体积中的空位数 每一格点出现空位的几率为 Nv/N，替位式原子必须越过的势垒高度为Es; Es 约3 4 eV 跳跃几率为 慢扩散杂质,替位式扩散：B, P, As, Sb等,4.2 扩散,Ea：本征扩散激活能， D0和温度弱相关，而主要取决于晶格几何尺寸和振动频率v0,Ea 小，间隙扩散 Ea大，替位扩散,本征

8、扩散系数：当NA、NDni（在一定温度下）时，称为本征掺杂。,D：cm2/sec,4.2 扩散,表观扩散系数：,D0(cm2/s) Ea(eV) B1.0 3.46 In 1.2 3.50 P4.70 3.68 As9.17 3.99 Sb4.58 3.88,半导体工艺中常用掺杂原子在单晶硅中的本征扩散系数和激活能,As的优势： 小D，大固溶度,4.2 扩散,4.2 扩散,右图为在硅或砷化镓中不同掺杂剂在低浓度时实测到的扩散系数在一般情况下，扩散系数的对数值和绝对温度的倒数成线性关系,扩散是微观粒子作无规则热运动的统计结果，这种运动总是由粒子浓度较高的地方向浓度低的地方进行，而使得粒子的分布逐

9、渐趋于均匀。扩散的原始驱动力是体系能量最小化。,扩散的宏观机制：(diffusion from a macroscopic viewpoint),扩散动力学,4.2 扩散,费克第一定律,C 为杂质浓度（n/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）,4.2 扩散,扩散方程,费克第二定律 浓度、时间、空间的关系,单位体积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,A,4.2 扩散,t 时间内该小体积内的杂质数目变化为 这个过程中由于扩散进出该小体积的杂质原子数为 ,费克第二定律,由,假定 D为常数,扩散方

10、程,4.2 扩散,特定边界条件下，扩散方程的解,1、稳态时，浓度不随时间变化,有,如氧化剂在SiO2中的扩散,4.2 扩散,2、恒定表面源扩散(constant-surface-concentration)：杂质原子由气态源传送到半导体表面，然后扩散进入半导体硅晶片，在扩散期间，气态源维持表面质浓度恒定为Cs,边界条件： C(x,0)=0, x0，C(0,t)=Cs ，C(,t)=0,实际工艺中，这种工艺称作“预淀积扩散”。即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。,解方程，得恒定扩散方程的表达式,C(x, t) 为某处t时的杂质浓度 Cs 为表面杂质浓度，取决于某种杂质在

11、硅中的最大固溶度,erfc 称作“余误差函数(complementary error function)”,4.2 扩散,erfc(x) = 1 - erf(x),余误差函数性质：,对于x1,对于x1,4.2 扩散,30,：称为特征扩散长度,1）掺杂总量为,A和Cs/CB有关 D与温度T是指数关系,因此 T对结深的影响要较t大许多,2）扩散结深为xj ，则,4.2 扩散,3）杂质浓度梯度,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（As）。,在p-n结处,CB和Cs一定时，xj 越深，结处的梯度越小。,4.2 扩散,32,余误差函数分布,预淀积扩散,扩散时

12、间越长，杂质扩散距离越深，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，而固溶度随温度变化不大。,t1 t2 t3,t1t2t3,4.2 扩散,3、有限源扩散(constant-total-dopant)：一定量的杂质淀积在半导体表面，接着扩散进入硅晶片内。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。如先期的预淀积扩散或者离子注入一定量的杂质，随后进行推进退火时发生的高温下扩散。,初始条件：,边界条件：,得到高斯分布,Delta 函数,4.2 扩散,2）扩散结深,1）表面

13、浓度Cs随时间而减少,3）浓度梯度,在pn结处,浓度梯度随着扩散深度（结深）增加而下降,A随时间变化,4.2 扩散,相同表面浓度归一化后，两种分布的比较 瞬时间，二者相似,4.2 扩散,高斯函数分布,推进(drive-in)退火扩散,扩散时间越长，扩散越深，表面浓度越低。 扩散时间相同时，扩散温度越高，表面浓度下降越多。 用于制作低表面浓度的结和较深的p-n结。,t1 t2 t3,t1t2t3,CB,4.2 扩散,多步退火（推进）过程（Multiple drive-in process）,4.2 扩散,当扩散系数相同时， 当扩散系数不同时， (Dt)eff 用来衡量扩散过程的热过程（therm

14、al budget） 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，别的一些步骤在决定扩散总量时可以忽略。,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,4.2 扩散,因为,当 时，最后的杂质浓度分布为,4.2 扩散,余误差函数分布（erfc）,表面浓度恒定 杂质总量增加 扩散深度增加,关键参数 Cs（表面浓度） xj （结深） Rs（薄层电阻）,4.2 扩散,如何判断对费克定律应用何种解析解？ 当表

15、面浓度为固溶度时，意味者该分布是余误差分布 当表面浓度较低时，意味者该分布是经过长时间的推进过程，是高斯分布。,费克定律解析解的应用,本征扩散时，理想边界条件下的解。实际情况需要修正，如： 高浓度 电场效应 杂质分凝 点缺陷 ,4.2 扩散,例题：CMOS中的p阱的形成。要求表面浓度Cs=41017 cm-3，结深xj=3 mm。已知衬底浓度为CB=11015 cm3。设计该工艺过程。,离子注入 退火,4.2 扩散,假定推入退火获得的结深，则根据,该数值为推进扩散的“热预算”。,解：1）假设离子注入+推进退火,4.2 扩散,2）推进退火的时间,假定在1100 C进行推进退火，则扩散系数D=1.

16、510-13 cm2/s,3）所需离子注入的杂质剂量,可以推算出,该剂量可以很方便地用离子注入实现在非常薄的范围内的杂质预淀积,4.2 扩散,4）假如采用950 C热扩散预淀积而非离子注入,预淀积时间为,此时，B的固溶度为2.51020/cm3，扩散系数D=4.210-15 cm2/s,该预淀积为余误差分布，则,但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离子注入！,4.2 扩散,基本扩散工艺 杂质扩散通常是在经仔细控制的石英高温炉管中放入半导体硅晶片并通入含有所需掺杂剂的气体混合物。硅的温度在800-1200；砷化镓的温度在600-1000。扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气体混合物中的杂质分

17、压有关。 对硅而言，B、P和As分别是常用的p型和n型掺杂剂，它们在硅中都有极高的固溶度，可高于51020cm-3。引入方式有：固态源（BN、As2O3、P2O5）；液态源（BBr3、AsCl3、POCl3）；气体源（B2H6、AsH3、PH3 ），其中液态源最常用。 使用液态源的磷扩散的化学反应如下：,P2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。,4.2 扩散,对砷化镓的扩散工艺而言，因砷的蒸汽压高，所以需要特别的方式来防止砷的分解或蒸发所造成的损失。包括含过压的封闭炉管中扩散及在含有掺杂氧化物覆盖层（氮化硅）的开发炉管中扩散。p型扩散选用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或Z

18、nAs2（封闭炉管法）或ZnO-SiO2（开放炉管法）。n型掺杂剂有硒和碲。,4.2 扩散,影响杂质分布的其他因素,Ficks Laws：Only valid for diffusion under special conditions Simplification !,4.2 扩散,49,电场效应（Field effect）非本征扩散,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。,如果NA、NDni（扩散温度下）时，非本征扩散效应,4.2 扩散,所以，杂质流由两部分组成：,内建电场,以n型掺杂为例,，,4

19、.2 扩散,由 并假定杂质全部离化，有,场助扩散方程：,其中h为扩散系数的电场增强因子：,当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时，h 接近 2。,4.2 扩散,电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大,4.2 扩散,扩散系数与杂质浓度的关系,在杂质浓度很高时，扩散系数不再是常数，而与掺杂浓度相关,扩散方程改写为：,箱型,4.2 扩散,、族元素在硅中的扩散运动是建立在杂质与空位相互作用的基础上的，掺入的施主或受主杂质诱导出了大量荷电态空位，从而增强了扩散系数。,4.2 扩散,55,非本征掺杂扩散系数比本征掺杂扩散系数高一个数量级！,由于非本征掺杂的扩散系数在掺杂边缘迅速衰减，因而出现边缘陡峭的“箱型”分

20、布。,箱型,1000 C下，非本征扩散系数：,4.2 扩散,对于B，P来说，在氧化过程中，其扩散系数增加。 对Sb来说，扩散系数减小。 双扩散机制: 杂质可以通过空位和间隙两种方式扩散,氧化增强/抑制扩散（oxidation enhanced / retarded diffusion）OED/ORD,4.2 扩散,57,OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数,（12）Si2OI2VSiO22Istress,4.2 扩散,ORD：对于Sb来说，其在硅中的扩散主要是通过空位进行。 氧化注入间隙间隙和空位

21、在硅中复合 硅中空位浓度减小Sb的扩散被抑制 I+VSis,表示晶格上的Si原子,As受间隙和空位扩散两种机制控制，氧化时的扩散受影响较小,4.2 扩散,发射极推进效应（Emitter Push effect）,实验现象：在P（磷）发射区下的B扩散比旁边的B扩散快，使得基区宽度改变。 AIAI，由于发射区内大量A(P)I的存在使得反应向左进行，通过掺杂原子A(P)向下扩散并找到晶格位置的同时，释放大量的间隙原子I，产生所谓“间隙原子泵”效应，加快了硼的扩散。,Phosphorus,Boron,4.2 扩散,常用杂质硼（B），磷（P），砷（As）在硅中的性质,1）硼,B: III族元素，受主杂质

22、， 1150 时固溶度达 2.41020 原子/cm3,D0=1 cm2/s Ea=3.46 eV,高浓度掺杂 如考虑场助效应 h 电场增强因子,4.2 扩散,2）磷,族元素，施主原子，有吸收铜、金等快扩散杂质的性质（这些杂质在缺陷处淀积会产生漏电）,固溶度达51021 原子/3。 磷的本征扩散系数主要由中性空位V0作用决定。 高浓度磷扩散时浓度分布有三个区域。主要是磷离子与V0，V-，V=三种空位的作用造成的。,温度为1000 时，尾区的扩散系数比本征情况下的扩散系数大二个数量级。因此磷常作为深结扩散的杂质,4.2 扩散,3）砷,族元素，施主杂质，半径与硅相同， 扩散系数小，仅磷、硼的十分之

23、一。 在高掺杂情况下也不引起畸变。 在硅晶体中，砷激活量低于掺杂量，电激活浓度达 21021 -3,适宜于浅结，精确控制,4.2 扩散,气态相源扩散（gas source） 液态源扩散（liquid source） 固态源扩散（solid source） 旋涂源扩散（spin-on-glass） 注意：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。,扩散掺杂工艺,4.2 扩散,1、气态源扩散,利用载气（如N2）稀释杂质气体，杂质气体在高温下与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（PH

24、4）、砷烷（AsH3）、氢化锑（SbH3）、乙硼烷（H2B6）等,4.2 扩散,2、液态源扩散,利用载气（如N2）通过液态杂质源，携带着杂质蒸汽进入高温扩散反应管，杂质蒸汽在高温下分解，并与硅表面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。,舟,4.2 扩散,1）液态源硼扩散 源 硼酸三甲脂 B(CH3)O3 在500 oC 以上分解反应 B(CH3)O3 B2O3 + CO2 + H2O . 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B 例： 预淀积: 950 oC 通源 1020 分钟，N2 再分布: 1100 1200 o C干氧湿氧干氧,4.2 扩散,2）液态源磷扩散 源 三氯氧磷 (P

25、OCl3) 600 C 5POCl3 P2O5 + 3PCl5 2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P (向硅中扩散) PCl5难分解，会腐蚀硅，故还要通入少量O2 4PCl5 + 5O2 2P2O5 + 10Cl2 例 ： 预淀积 :1050 C N2 和 O2 再分布: 950 C O2,4.2 扩散,3、固态源扩散：（B2O3，P2O5，BN等）,舟,惰性气体作为载气把杂质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。,4.2 扩散,锑的箱法扩散 硅片与扩散源同放一箱内， 在N2气保护下扩散 源：Sb2O3 : SiO2 = 1:4 (粉末重

26、量比) 2Sb2O3 + 3Si = 4Sb + 3SiO2,片状固态氮化硼扩散 活化处理 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2 900 C 1 h. 通 O2 扩散 2B2O3 + 3Si 3SiO2 + 4B,BN片与硅片大小相当，和硅片相间均匀放置在舟上。不需载气，但以N2或Ar2保护。,4.2 扩散,4、旋涂掺杂法（spin-on-glass）,用旋涂法在Si表面形成掺杂氧化层，然后在高温下杂质向硅中扩散。 源：As（arsenosilica）； Sb（antimonysilica）； B （borosilica）； P（phosphorosilica） 烘焙 200 C 15分

27、钟去处溶剂 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,4.2 扩散,扩散层质量检验,薄层电阻测量 结深测量 掺杂分布测量,4.2 扩散,四探针薄层电阻测量,四根探针何四个针尖都保持在一条直线上（linear），并以等压力压在半导体样品表面。1和4称为电流探针，由稳压电源恒电流供电；3和4称为电位探针，测量这两个探针之间的电位差,V,I,t,S S S,S t时成立！,1,4,3,2,4.2 扩散,结深测量,磨角染色法（bevel and stain） pn结显示技术：不同导电类型的区域，由于电化学势不同，经染色后显示出不同颜色。 常用染色液：HF与01HNO3的混合

28、液，使p区的显示的颜色比n区深。,4.2 扩散,掺杂分布测量,CV测量（Capacitance-Voltage Measurement） 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，结电容由下式给出： s 硅的介电常数; NB 衬底掺杂浓度；Vbi 结的内建势; VR 反偏电压,4.2 扩散,二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS）,用高能离子束轰击样品，使其产生正负二次离子，将这些二次离子引入质谱仪进行分析，再由检测系统收集，据此识别样品的组分。,4.2 扩散,4.2 扩散,非本征扩散 前面讨论对于恒定扩

29、散系数而言，只发生在掺杂浓度低于扩散温度下的本征载流子浓度ni时(例如，T=1 000时，硅的ni=51018cm-3，砷化镓的ni=51017cm-3)低浓度时的扩散系数就是其本征扩散系数。当杂质浓度大于ni时，扩散系数变得与浓度有关，称为非本征扩散。非本征扩散区内，同时扩散或相继扩散的杂质之间存在着相互作用和协同效应，使扩散更为复杂。,4.2 扩散,与浓度有关的扩散 当基质原子离开晶格位置而产生空位，依照空位的电荷数，可有中性空位V0、受主空位V、双电荷受主V2、施主空位V+等。可以预期，某种带电状态下的空位密度，有类似与载流子浓度的温度相关性。,如果杂质扩散以空位扩散为主，则D正比于空位

30、密度。低掺杂浓度时，EFEi，空位密度等于Ci而与杂质浓度无关。正比与Ci的D也将和杂质浓度无关。高掺杂浓度时，EF向导带底移动，指数项大于1，这是CV增大，进而是D变大。如上图的右侧所示。,4.2 扩散,考虑扩散系数时，D可以写成：,Cs为表面浓度，Ds为表面扩散系数，是用来描述与浓度有关的参数。扩散方程式为：,可将扩散方程式写成一常微分方程式并以数值法求解。,4.2 扩散,结深可以用下式表示,4.2 扩散,扩散分布硅中的扩散 硅内所测量到的D与杂质浓度的关系 B和As ，其1，曲线（c）所示，非常陡峭。 Au和Pt，-2，曲线（d）所示，呈一凹陷的形状。 P，与V2有关，D随C2而变化，分

31、布解决曲线（b）所示。但由于 离解效应，扩散分布将呈现出不规则的形状。,4.2 扩散,磷在不同表面浓度下，在1000下扩散1h后的分布。当表面浓度低时，相当于本征扩散，扩散分布是一个余误差函数曲线(a)随着浓度增加，分布变得与简单的表示法有差异曲线(b)及(c)在非常高浓度时曲线(d)，在表面附近的分布确实近似于上图中的(b)曲线，然而在浓度为ne时，会有一个拐点产生；接着在尾区会有一个快速的扩散浓度ne发生在费米能级低于导带0.11eV时，在此能级时，彼此结合的杂质一空位对(P+V2-)会分解为P+、V-及一个电子这些分解会产生大量的单一电荷受主空位V-，这加速了尾部区的扩散在尾部区扩散系数

32、超过10-12cm2s，此值比1 000本征扩散系数约大两个数量级由于磷的高扩散系数，它通常被用来形成深结，如在CMOS中的n阱(n-tubs),4.2 扩散,在砷化镓中的锌扩散 在砷化镓中的扩散会比在硅中要来得复杂，因为杂质的扩散包含砷和镓两种晶格原子移动。空位在砷化镓扩散过程中扮演了一个主要角色，因为p型和n型杂质最终必须进驻晶格位置上，然而空位的荷电状态迄今尚未确定。 锌是砷化镓中最广为使用的扩散剂，它的D会随C2而变化，所以扩散分布如下图所示，是陡峭的。并注意即使是最低表面浓度的情况，扩散型态也属于非本征扩散。 因为在1000时砷化镓的ni小于1018cm-3由图0可见，表面浓度对结深

33、有重大影响扩散系数会随锌蒸气压呈线性变化，而表面浓度正比于分压的平方根，结深线性正比于表面浓度,4.2 扩散,扩散相关工艺横向扩散 一维扩散方程基本能描述扩散工艺，但在掩蔽层的边缘例外，因为在边缘处杂质会向下、向横向扩散。这时必须考虑二维的扩散方程式，并使用数值分析技术求得在不同初始与边界条件下的扩散分布。 显示一恒定表面初始浓度条件下的轮廓线，并假设D与浓度无关。,垂直渗透约为2.8m 横向渗透约为2.3m,4.2 扩散,由于横向扩散作用，结包含了一个中央平面区及一个近似圆柱、曲率半径为rj的边。此外，如果掩蔽层有尖锐的角，在这个角处的结将因横向扩散而近似与圆球状。既然电场强度在圆柱与圆球结

34、处较强，则该处雪崩击穿电压远低于有相同衬底掺杂的平面结处。,4.2 扩散,例如，在CCs=10-4时(即衬底杂质浓度比表面浓度低104倍)，我们从这个恒定表面浓度曲线可看出垂直渗透约为2.8m，而横向渗透(即沿着掩蔽层与半导体界面的渗透)约为2.3m因此，当浓度低于表面浓度达三个或更多的数量级时，其横向渗透约为垂直渗透的80对恒定掺杂总量扩散情况而言，也可得到相似的结果，横向渗透与垂直渗透的比约为75对与浓度有关的扩散系数而言，这个比例下降到约为65%70,86,什么是离子注入 离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

35、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,4.3 离子注入,离子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10nm10m，离子剂量变动范围从用于阈值电压调整的1012/cm3到形成绝缘层的1018/cm3。相对于扩散工艺，离子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。 高能的离子由于与衬底中电子和原子核的碰撞而失去能量，最后停在晶格内某一深度。平均深度由于调整加速能量来控制。杂质剂量可由注入时监控离子电流来控

36、制。主要副作用是离子碰撞引起的半导体晶格断裂或损伤。因此，后续的退火处理用来去除这些损伤。,4.3 离子注入,离子注入特点,各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量（1011-1018 cm-2）和能量（1-400 keV）来达到 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、光刻胶、介质；可防止玷污，自由度大 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

37、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,4.3 离子注入,中等电流离子注入机示意图特点,4.3 离子注入,90,BF3：B+，B+，BF2+，F+, BF+，BF+,B10 B11,4.3 离子注入,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（filament）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

38、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，.,4.3 离子注入,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。,4.3 离子注入,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理论，简称 LSS理论。 该理论认为，注入离子在靶内

39、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,4.3 离子注入,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。,4.3 离子注入,-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x处的能量 Sn(E)：

40、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,4.3 离子注入,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-mm2,m质量，

41、 Z原子序数 下标1离子，下标2靶,对心碰撞，最大能量转移：,4.3 离子注入,4.3 离子注入,计算显示，在低能量时，核阻止本领随能量的增加而线性增加，Sn(E)会在某一中等能量时达到最大值在高能量时，由于快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)变小硅对各种能量的砷、磷、硼离子的Sn(E)计算值，在图中用实线画出(在离子符号左上角标有原子量)由图可见，较重的原子(如砷)有较大的核阻止本领，即单位距离内的能量损失较大,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

42、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）,4.3 离子注入,99,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,4.3 离子注入,离子 E2 B 17 keV P 150 keV As, Sb 500 keV,4.3 离子注入,4.3 离子注入,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（Travers

43、e 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,4.3 离子注入,硼、磷、砷在硅中及氢锌碲在砷化镓中的投影射程、投影偏差与横向偏差。,4.3 离子注入,注入离子的二维分布图,4.3 离子注入,沿着入射轴所注入的杂质分布可以用一个高斯分布函数来近似：,S为单位面积的离子注入剂量，此式等同于恒定掺杂总量扩散是的式。沿x轴移动了一个Rp。,对扩散而言，最大浓度位于x=0；而对离子注入来说，最大浓度位于投影射程Rp处在(x-Rp)= p处，离子浓度比其峰值降低了40 %；在2 p处则降为10；在3 p

44、处降为1；在4.8 p 处降为0.001,投影射程Rp:,4.3 离子注入,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 11,Cp,4.3 离子注入,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：,4.3 离子注入,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

45、的剂量为：B 1-51012 cm-2注入时间为30分钟,对比：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 cm-2/s,每秒剂量达1013/cm2,I0.01 mAmA,4.3 离子注入,常用注入离子在不同注入能量下的特性,平均投影射程Rp,标准偏差Rp,4.3 离子注入,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

46、1分钟，估算所需束流。,4.3 离子注入,【解】1) 从查图或查表 得Rp=4289 =0.43 mm Rp=855 =0.086 mm 峰值浓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) 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,4.3 离子注入,注入离子的真实分布,4.3 离子注入,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

47、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。,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）,4.3 离子注入,35 keV As注入,120 keV As注入,4.3 离子注入,注入掩蔽层掩蔽层应该多厚？,如果要求掩膜层能完全阻挡离子,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，Rp*为离子在掩蔽层中的射程标准偏差,4.3 离子注入,解出所需的掩膜层厚度：,穿过掩膜层的剂量：,余误差函数,4.3 离子注入,离子注入退火后的杂质分布,Dt D0t0

48、Dt,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。,4.3 离子注入,离子注入的沟道效应 前述高斯分布的投影射程及投影射程的标准偏差能很好地说明非晶硅或小晶粒多晶硅衬底的注入离子分布只要离子束方向偏离低指数(low-index)晶向(如)，硅和砷化镓中的分布状态就如在非晶半导体中一样在此情况下，靠近峰值处的实际杂质分布，即使延伸到低于峰值一至两个数量级处也一样，如右图所示然而即使只偏离晶向7o，仍会有一个随距离而成指数级exp(-x/)变化的尾区，其中典型的数量级为0.1m,4.3 离子注入,指数型尾区与离子注入沟道效应有关，当入射离子对准一个主要的晶向并被导向在各排列晶

49、体原子之间时，沟道效应就会发生。,图为沿方向观测金刚石晶格的示意图。离子沿方向入射，因为它与靶原子较远，使它在和核碰撞时不会损伤大量能量。对沟道离子来说，唯一的能量损伤机制是电子阻止，因此沟道离子的射程可以比在非晶硅靶中大得多。,4.3 离子注入,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。,4.3 离子注入,4.3 离子注入,离子进入的角度及通道,110,111,100,倾斜旋转硅片后的无序方向,4.3 离子注入,浓度分布：由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离LSS理论在非晶体中的高斯

50、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,4.3 离子注入,表面非晶层对于沟道效应的作用,Boron implant into SiO2,Boron implant into Si,4.3 离子注入,减少沟道效应的措施：覆盖一层非晶体的表面层、将硅晶片转向或在硅晶片表面制造一个损伤的表层常用的覆盖非晶体材料只是一层薄的氧化层图(a)，此层可使离子束的方向随机化，使离子以不同角度进入硅晶片而不直接进入晶体沟道将硅晶片偏离主平面5o10o，也能有防止离子进入沟道的效果图 (b)利用这种方法，大部分的注入机器将硅晶片倾斜7o并从平边扭转22o以防止沟道效应先注入大量硅

51、或锗原子以破坏硅晶片表面，可在硅晶片表面产生一个随机层图(c)然而，这种方法需要使用昂贵的离子注入机,4.3 离子注入,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-1,4.3 离子注入,总阻止本领（Total stopping power）,4.3 离子注入,4.3 离子注入,EOR damage,Courtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002).,4.3 离子注入,晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰

52、撞，可能使靶原子发生位移，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的空位间隙原子对及其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。,什么是注入损伤,(Si)SiSiI + SiV,4.3 离子注入,损伤的产生,移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。 移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量. (对于硅原子, Ed15eV) 注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程，称为能量传递过程,4.3 离子注入,损伤区的分布,重离子每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，获得大能量的位移原子还可使许多原子移位。注入离子的能量损失以

53、核碰撞为主。同时，射程较短，在小体积内有较大损伤。重离子注入所造成的损伤区域小，损伤密度大。,质量较靶原子轻的离子传给靶原子能量较小，被散射角度较大，只能产生数量较少的位移靶原子，因此，注入离子运动方向的变化大，产生的损伤密度小，不重叠，但区域较大。呈锯齿状。,4.3 离子注入,离子注入损伤估计,100KeV B离子注入损伤 初始核能量损失：30eV/nm, 硅晶面间距: 0.25nm, 每穿过一个晶面能量损失: 30eV/nm 0.25nm=7.5eV Ed (15eV). 当能量降到50KeV,穿过一个晶面能量损失为15eV, 该能量所对应的射程为: 150nm. 位移原子数为: 150/

54、0.25=600, 如果移位距离为: 2.5nm, 那么损伤体积: (2.5)2 150=3X10-18cm3. 损伤密度: 2X1020 cm-3, 大约是原子密度0.4%. 100KeV As离子注入损伤 平均核能量损失：1320eV/nm,损伤密度: 5 1021 cm-3, 大约是原子密度10%, 该数值为达到晶格无序所需的临界剂量, 即非晶阈值.,4.3 离子注入,非晶化（Amorphization）,注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完全破坏变为无序的非晶区。 与注入剂量的关系 注入剂量越大，晶格损伤越严重。 临界剂量：使晶格完全无序的剂量。 临界剂量和注入离子的质量有关,4.

55、3 离子注入,损伤退火 （Damage Annealing）,被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。 注入后的半导体材料： 杂质处于间隙 nND；pNA 晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降 热退火后：n n=ND (p=NA) bulk 0,4.3 离子注入,损伤退火的目的,去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构 让杂质进入电活性（electrically active） 位置替位位置。 恢复电子和空穴迁移率 注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布,4.3 离子注入,损伤恢复机制（Damage Recovery Mechanism）

56、,Annihilation: recombination,SiI + SiV (Si)Si,Monte Carlo模拟的 I-V 复合结果：短时间内（10-2秒）800 C 下，体内的 V 在表面复合迅速完成，产生剩余的 I ，其表面复合相对较缓慢。在400 C以上，这些 I 可接合入311面形成棒/带状缺陷，并可以稳定较长时间。,Frenkel I-V pairs,4.3 离子注入,该311缺陷带在较高温度下（8001000 C）即可退火修复，但是释放出大量填隙原子I。 损伤小于临界值，这些311缺陷可以完全分解，回复完美晶体。 损伤高于临界值，则311缺陷可能变成稳定的位错环，该位错环位于

57、EOR，并难以去除。,4.3 离子注入,退火 一定温度下，通常在Ar、N2或真空条件下 退火温度取决于注入剂量及非晶层的消除。 修复晶格：退火温度600 oC以上，时间最长可达数小时 杂质激活：退火温度650900 oC ，时间1030分钟 * 方法简单 * 不能全部消除缺陷 * 对高剂量注入激活率不够高 * 杂质再分布,4.3 离子注入,。高功率激光束辐照 。电子束 。高强度的光照 。其它辐射 RTP主要优点是掺杂的再分布大大降低，对制备浅结器件特别有利,b）快速热退火， Rapid Thermal Processing（RTP）,4.3 离子注入,4.3 离子注入,表为传统炉管与RTA技术

58、的比较。为获得较短的工艺时间，需在温度和工艺的不均匀性、温度测量与控制、硅晶片的应力与产率间作取舍。,4.3 离子注入,4.3 离子注入,离子注入在集成电路中的应用,4.3 离子注入,双极型制造（Bipolar fabrication） 。高能注入形成埋层 。LOCOS下方的p-n结隔离 。形成基区注入 。砷注入多晶硅发射区 。多晶电阻,4.3 离子注入,其它应用 硅衬底背面损伤形成吸杂区 Backside Damage Layer Formation for Gettering 形成SOI结构 Silicon-On-Insulator Using Oxygen or Hydrogen Imp

59、lantation,4.3 离子注入,注入相关工艺 多次注入及掩蔽 在许多应用中，除了简单的高斯分布外其他的杂质分布也是需要的。例如硅内预先注入惰性离子，使表面变成非晶。此方法使杂质分布能准确地控制，且近乎百分百的杂质在低温下激活。在此情况下，深层的非晶体层是必须，为了得到这种区域，必须要做一些列不同能量与剂量的注入（多次注入）。 多次注入如下图所示，用于形成一平坦的杂质分布。,4.3 离子注入,在图中，四次硼注入硅中以提供一合成的杂质分布测量和利用射程理论所预测的载流子浓度如图所示其他不能由扩散方法得到的杂质分布，也可用不同杂质剂量与注入能量的组合来实现,多次注入也用来保证砷化镓在注入与退火

60、时化学成分保持不变这种方法以等量的镓与n型杂质(或砷与p型杂质)在退火前预先注入，这样可以激活更多的杂质为了要在半导体衬底中预先选择的区域里形成p-n结，注入时需要一层合适的掩蔽层因为注入属于低温工艺，有很多材料可以使用要阻止一定比例的入射离子所需用的掩蔽材料，其最小厚度可从离子的射程参数来求得,4.3 离子注入,为了要在半导体衬底中预先选择的区域里形成p-n结，注入时需要一层合适的掩蔽层。此层要阻止一定比例的入射离子其最小厚度可从离子的射程参数来求得。在某一深度d之后的注入量对回忆式积分可得：,回忆式,4.3 离子注入,穿越深度d的剂量的百分比可由穿透系数T(transmission coe