掺杂工艺小结幻灯片.ppt

掺杂工艺小结,扩散与离子注入,微电子工艺,1.概述,掺杂工艺要实现在衬底上的定域、定量的掺杂包括扩散和离子注入两种掺杂工艺各有优缺点在掺杂前先通过氧化和光刻在衬底表面制备氧化层掩膜,2.对比,扩散为准热力学平衡过程，所以受固溶度的限制离子注入为非热力学平衡过程，不受固溶度的限制扩散工艺温度高，为900-1200离子注入温度低，在室温或400以下，但退火时所需温度较高，一般在800以上扩散工艺对杂质的控制能力低离子注入对掺杂浓度和分布的控制力较好，适合浅结掺杂及对浓度及分布要求较高的场合,2.对比,扩散工艺的横向效应严重，相对而言，离子注入要好得多离子注入会导致晶格损伤离子注入可实现对化合物半导体的掺杂两种工艺各有千秋，通常将两者混合使用，即采用离子注入将定量杂质射入衬底表面，再通过扩散将杂质推入内部，形成所需分布（和扩散工艺中先恒定表面源扩散，再限定表面源扩散有异曲同工之妙）,3.扩散,概念目的：通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型，电阻率或形成PN结形成：浓度梯度扩散机构（三种）：间隙式扩散替位式扩散间隙替位式扩散,3.扩散,替位式扩散：以近邻处有空位为前题替位扩散杂质：As，Al，Ga，Sb，Ge对替位扩散杂质而言，在晶格位置上势能相对较低，在间隙处势能较高（和间隙式杂质正好相反，对比图5-2和图5-3）替位式扩散速率比填隙式扩散低得多填隙扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg两种扩散速率与温度均成指数关系,3.扩散,许多杂质即可以是替位式也可以是间隙式溶于晶体的晶格中，并以间隙-替位式扩散。这类扩散杂质的跳跃率随空位和自间隙等缺陷的浓度增加而迅速增加。B，P一般作为间隙替位式扩散杂质注：填隙式杂质没有占据晶格格点位置，无电活性，讨论意义不大替位式杂质扩散速率慢，称慢扩散杂质，间隙替位式扩散杂质称为快扩散杂质,3.扩散,固体中的扩散基本特点（1）固体中明显的质点扩散常开始于较高的温度，但实际上又往往低于固体的熔点。（2）晶体结构将以一定的对称性和周期性限制着质点每一步迁移的方向和自由行程。扩散方程：菲克第二定律扩散系数：D=D0exp(-Ea/kT)扩散系数主要受温度的影响，当然也受杂质浓度等的影响,3.扩散,两种方式：恒定表面源扩散和限定表面源扩散扩散工艺重要的工艺参数包括：杂质的分布表面浓度结深掺入杂质总量通过求解一维扩散方程，带入不同初始条件和边界条件可以得出两种方式的分布函数,3.扩散,恒定表面源扩散杂质分布情况（余误差分布）特点：延长扩散时间：表面杂质浓度不变；结深增加；扩入杂质总量增加；杂质浓度梯度减小。表面浓度一般为杂质在半导体的固溶度限定表面源扩散杂质分布情况（高斯分布)这里的高斯分布和离子注入的高斯分布有所区别,3.扩散,特点：延长扩散时间(提高扩散温度T)：杂质表面浓度迅速减小；杂质总量不变；结深增加；杂质浓度梯度减小。实际扩散工艺：两步工艺分为预淀积（预扩散）、再分布（主扩散）两步。,3.扩散,预淀积是惰性气氛下的恒定源扩散，目的是在扩散窗口硅表层扩入总量Q一定的杂质。再分布是氧气氛或惰性气氛下的有限源扩散，目的是使杂质在硅中具有一定的表面浓度Cs、分布C（x）、且达到一定的结深xjD1t1D2t2预扩散起决定作用，杂质按余误差函数形式分布D1t12Ed时，移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，这种现象称级联碰撞。损伤有三种：点缺陷非晶区非晶层损伤主要与注入离子质量、能量、剂量、剂量率有关；与靶温有关。损伤造成半导体电学特性衰退：载流子迁移率下降；少子寿命变短；pn结反向漏电,4.离子注入,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1.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2.与靶温关系-自退火3.与注入离子能量关系4.与注入离子剂量率之间关系5.与晶体取向的关系6.与注入速度的关系,4.离子注入,退火：在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩散进入替位，有电活性；并使晶体损伤区域“外延生长”为晶体，恢复或部分恢复硅的迁移率，少子寿命。两个目的：使杂质具有电活性；减小点缺陷密度退火效果与温度，时间有关退火后出现靶的杂质再分布退火方法高温退火快速退火：激光、宽带非相关光、电子束退火,4.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.离子注入,B、P的退火,4.离子注入,退火后往往会留下所谓二次缺陷。二次缺陷可以影响载流子的迁移率、少数载流子寿命及退火后注入原子在晶体中的位置等，因而直接影响半导体器件的特性。源的问题：源：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，再导入放电离子源：灯丝发出的自由电子在电磁场作用下，获得足够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,4.离子注入,掩膜选取：离子注入在常温进行，所以光刻胶、二氧化硅薄膜、金属薄膜等多种材料都可以作为掩膜使用。要求掩蔽效果达到99.