半导体工艺 掺杂原理与技术ppt课件

微电子工艺学MicroelectronicProcessing第四章掺杂原理与技术 张道礼教授Email zhang daoli Voice 87542894 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 dopingprofile 掺杂应用 MOSFET 阱 栅 源 漏 沟道等BJT 基极 发射极 集电极等 pwell 4 1掺杂 基本概念 结深xj JunctionDepth 薄层电阻Rs SheetResistance 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 ionimplantation 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 deepjunction 如CMOS中的双阱 twinwell 而离子注入可用于形成浅结 shaIlowjunction 如MOSFET中的漏极与源极 4 1掺杂 4 1掺杂 杂质分布形状 dopingprofile 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 sheetresistance 方块电阻 t l w 薄层电阻定义为 4 1掺杂 方块时 l w R RS 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 dopantsolidsolubility 固溶度 solidsolubility 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掺杂 As在硅中的固溶度 2 1021cm 3As的电学可激活浓度 2 1020cm 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1021atoms cm3 最低1013atoms 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 interstitialassistedkick out 或推填式扩散 Interstitialcy assited 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EiEi约为0 6 1 2eV跳跃几率和温度有关振动频率 0 1013 1014 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 4eV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 本征扩散系数 当NA ND ni 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 03 46In1 23 50P4 703 68As9 173 99Sb4 583 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 diffusionfromamacroscopicviewpoint 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 x 0 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 取决于某种杂质在硅中的最大固溶度 erfc称作 余误差函数 complementaryerrorfunction 4 2扩散 erfc x 1 erf x 余误差函数性质 对于x 1 对于x 1 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 900 1200 C 下的固溶度决定 而固溶度随温度变化不大 t1t2t3 t1 t2 t3 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 表面浓度Cs随时间而减少 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 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 t1t2t3 t1 t2 t3 CB 4 2扩散 多步退火 推进 过程 Multipledrive inprocess 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 thermalbudget 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 4 1017cm 3 结深xj 3mm 已知衬底浓度为CB 1 1015cm3 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 5 10 13cm2 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 5 1020 cm3 扩散系数D 4 2 10 15cm2 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5 1020cm 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ZnAs2 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 Fick sLaws OnlyvalidfordiffusionunderspecialconditionsSimplification 4 2扩散 49 电场效应 Fieldeffect 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 ND ni 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 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 oxidationenhanced retardeddiffusion 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 1 2 Si 2OI 2 V SiO2 2 I stress 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 间隙和空位在硅中复合 硅中空位浓度减小 Sb的扩散被抑制I V Sis 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 EmitterPusheffect 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 A I AI 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 1150 时固溶度达2 4 1020原子 cm3 D0 1cm2 sEa 3 46eV 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5 1021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2 1021 3 适宜于浅结 精确控制 4 2扩散 气态相源扩散 gassource 液态源扩散 liquidsource 固态源扩散 solidsource 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 PH4 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 O 3 在500oC以上分解反应B CH3 O 3 B2O3 CO2 H2O 2B2O3 3Si 3SiO2 4B 例 预淀积 950oC通源10 20分钟 N2再分布 1100 1200oC干氧 湿氧 干氧 4 2扩散 2 液态源磷扩散源三氯氧磷 POCl3 600 C5POCl3 P2O5 3PCl52P2O5 5Si 5SiO2 4P 向硅中扩散 PCl5难分解 会腐蚀硅 故还要通入少量O24PCl5 5O2 2P2O5 10Cl2 例 预淀积 1050 CN2和O2再分布 950 CO2 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 粉末重量比 2Sb2O3 3Si 4Sb 3SiO2 片状固态氮化硼扩散活化处理4BN 3O2 2B2O3 2N2900 C1h 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 C15分钟去处溶剂根据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 SSS S t时成立 1 4 3 2 4 2扩散 结深测量 磨角染色法 bevelandstain 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0 1 HNO3的混合液 使p区的显示的颜色比n区深 4 2扩散 掺杂分布测量 C V测量 Capacitance VoltageMeasurement 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 SecondaryIonMassSpectroscopy 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 1000 时 硅的ni 5 1018cm 3 砷化镓的ni 5 1017cm 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正比于空位密度 低掺杂浓度时 EF Ei 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 在尾部区扩散系数超过10 12cm2 s 此值比1000 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 8 m横向渗透约为2 3 m 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C Cs 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 8 m 而横向渗透 即沿着掩蔽层与半导体界面的渗透 约为2 3 m 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10nm 10 m 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 1018cm 2 和能量 1 400keV 来达到平面上杂质掺杂分布非常均匀 1 variationacrossan8 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 B10B11 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 IonSource 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 ScharffandSchiott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 注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程 1 核阻止 nuclearstopping 2 电子阻止 electronicstopping 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 stoppingpower 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 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 5 1022cm 3forSi 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 550keV mm2 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 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 Totalstoppingpower 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E2B17keVP150keVAs Sb 500keV 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 projectedrange 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 Traversestraggling 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 200keV注入 元素原子质量Sb122As74P31B11 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 FaradyCup t为积分时间 q为离子所带的电荷 例如 当A 20 20cm2 I 0 1mA时 而对于一般NMOS的VT调节的剂量为 B 1 5 1012cm 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1020cm 3时 D 10 14cm 2 s 每秒剂量达1013 cm2 I 0 01mA mA 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 140keV的B 离子注入到直径为150mm的硅靶中 注入剂量Q 5 1014 cm2 衬底浓度2 1016 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 4 3离子注入 解 1 从查图或查表得Rp 4289 0 43mm Rp 855 0 086mm峰值浓Cp 0 4Q Rp 0 4 5 1014 0 086 10 4 2 34 1019cm 3衬底浓度CB 2 1016cm 3 xj 0 734mm2 注入的总离子数 Q 掺杂剂量 硅片面积 5 1014 15 2 2 8 8 1016离子数I qQ t 1 6 10 19C 8 8 1016 60sec 0 23mA 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 35keVAs注入 120keVAs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 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 1 m 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 Channelingeffect 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 BoronimplantintoSiO2 BoronimplantintoSi 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5o 10o 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 1011 1018cm 2能量 1 400keV可重复性和均匀性 1 温度 室温流量 1012 1014cm 2s 1 4 3离子注入 总阻止本领 Totalstoppingpower 4 3离子注入 4 3离子注入 EORdamage CourtesyAnn ChatrinLindberg March2002 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 Si SiI 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 Ed 15eV 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 100KeVB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 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 2X1020cm 3 大约是原子密度0 4 100KeVAs离子注入损伤平均核能量损失 1320eV nm 损伤密度 5 1021cm 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 3离子注入 损伤退火 DamageAnnealing 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n ND p NA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 electricallyactive 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 DamageRecoveryMechanism Annihilation recombination SiI SiV Si Si MonteCarlo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 FrenkelI Vpairs 4 3离子注入 该 311 缺陷带在较高温度下 800 1000 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600oC以上 时间最长可达数小时杂质激活 退火温度650 900oC 时间10 30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 RapidThermalProcessing RTP 4 3离子注入 4 3离子注入 表为传统炉管与RTA技术的比较 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 Bipolarfabrication 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BacksideDamageLayerFormationforGettering形成SOI结构Silicon On InsulatorUsingOxygenorHydrogenImplantation 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 transmissioncoefficient 求得 一旦得到了T 对任一恒定的Rp和 p来说 都可以求得掩蔽层厚度d 对SiO2 Si3N4与抗蚀剂来说 要阻挡99 99 的入射离子 T 10 4 所需的d值如下图所示 图中内插图显示了在掩蔽材料内的注入物的分布 4 3离子注入 倾斜角度离子注入当器件缩小到亚微米尺寸时 将杂质分布垂直方向也缩写是很重要的 现代器件结构如轻掺杂漏极 LDD 需要在纵向和横向上精确控制杂质分布 垂直于表面的离子速度决定注入分布的投影射程 如果硅晶片相对于离子束倾斜了一个很大的角度 则等效离子能量将大为减少 在倾斜角度离子注入时 需考虑硅晶片上掩蔽图案的阴影效应 较小的倾斜角度导致一个小阴影区 如高为0 5 m的掩蔽层 离子束的入射角为7度 将导致一个61nm的阴影区 可能是器件产生一个预想不到的串联电阻 4 3离子注入 垂直于表面的离子速度决定注入分布的投影射程 如果硅晶片相对于离子束倾斜了一个很大的角度 则等效离子能量将大为减少 上图显示倾斜角与60keV砷离子的关系 它显示以高倾斜角度 86o 可得到一极浅的分布 高能量与大电流注入注入机能量可高达1 5 5MeV 且已用作多种新型用途 主要利用其能将杂质掺入半导体内深达好几个微米的能力而不需要借助高温下长时间的扩散 也可用于制作低电阻埋层 例如 CMOS器件中距离表面深达1 5到3 m的埋层 大电流注入机 10 20mA 工作在25 30keV范围下 通常用于扩散技术中的预置处理 因为其总量能够精确控制 在预置后 掺杂剂可以用高温扩散步骤再分布 同时顺便将表面区的注入损伤修补 另一用途就是MOS器件的阈值电压调整 精确控制的杂质量经栅极氧化层注入沟道区 目前 已有能量范围介于150 200keV的大电流离子注入 主要用途是制作高品质硅层 通过向硅层中注入氧来生成二氧化硅从而使该硅层与衬底绝缘 这种氧注入隔离 SIMOX 是一种绝缘层上硅 SOI 的关键技术 4 3离子注入 用途就是MOS器件中的阈值电压调整 精确控制的杂质量