扩散与离子注入

1、2003年10月8日1扩散与离子注入Diffusion and Ion Implantation（第二讲）22003年10月8日典型MOS工艺回顾 NMOS结构32003年10月8日NMOS典型工艺 热氧化 薄膜沉积 光刻 刻蚀 注入 扩散 互连 封装42003年10月8日 CMOS工艺52003年10月8日光刻技术 正胶 负胶62003年10月8日热氧化72003年10月8日第四章：扩散 向硅中引入杂质的重要方法之一，用于控制主要载流子类型、浓度，进而控制导电率。 主要介绍：扩散的基本原理、扩散层的片电阻、扩散层深度的测量，以及物理扩散系统。82003年10月8日1、扩散过程 替位扩散： 杂

2、质沿着晶格运动 必须有空位存在 添隙扩散： 杂质通过晶格位之间的间隙运动 扩散速度快于替位扩散 扩散过程难以控制92003年10月8日2、扩散的数学描述 Fick第一定律 D为扩散系数 描述扩散粒子的空间分布 Fick第二定律 描述扩散粒子的时间分布xNDJ22xNDtN102003年10月8日3、两种扩散方式 恒定源扩散 有限源扩散112003年10月8日4、扩散系数)/exp(0kTEDDA扩散系数的对数与温度的倒数成正比，即满足Arrhenius关系左图为替位扩散粒子的扩散系数右图为填隙扩散粒子的扩散系数122003年10月8日常见杂质的扩散系数例：计算硼在1100oC下的扩散系数：D=

3、10.5exp-(3.69/8.614 10-5 1373) =2.96 10-13cm2/sec132003年10月8日5、固溶极限 在一定温度下，硅能够容纳的杂质有一个上限，被称为固溶极限。 只有一小部分杂质对电子和空穴有贡献，被称为“电活性”杂质。 如图中虚线所示142003年10月8日6、PN结的形成与特征 纵向扩散与结的形成 大多数的扩散过程，是为了将p型材料转变成为n型从而形成pn结 扩散杂质浓度与背景浓度相等的点称为“冶金结深”，此处净杂质浓度为零。)/ln(2BOjNNDtx152003年10月8日杂质浓度与电阻率162003年10月8日横向扩散 在纵向扩散的同时，会发生横向扩

4、散 纵、横向扩散比 效应耦合器件 扩散掩模的设计172003年10月8日扩散结深的测量 Groove-and-stain法 沟槽与着色法182003年10月8日扩散结深的测量 Angle-lap 斜角研磨法 角度介于15o192003年10月8日7、片电阻 由于电阻是扩散深度的函数，为了描述方便，引入一个新的参数：片电阻，来描述扩散层的电阻特性：电阻率与厚度的比（W/）-方阻。202003年10月8日各种图形的方阻212003年10月8日方阻的测量 四点探针法222003年10月8日四点探针法的矫正系数 曲线a用于校正硅片厚度较大的情形 曲线b用于校正硅片直径较小的情形232003年10月8日

5、Van der Pauw 法 用右图的结构测试方阻：AB之间通电流、测量CD之间的电压：ABCDsIVR2ln242003年10月8日8、扩散系统 常用旋涂方法将液态源施加在硅片表面，但是均匀性差 固态扩散源 液态扩散源 气态扩散源252003年10月8日9、硼、磷、砷、锑的扩散 硼 元素硼的扩散系数极低，所以常用氧化硼与贵的反应来提供硼扩散源： 三甲基硼（(CH3O)3B）、氮化硼为常用的固态源 溴化硼为常用的液态源 二硼烷B2H6为常用的气态源2323432SiOBSiOB除了氧化硼外，其它硼源均先与氧反应形成氧化硼，在于硅反应扩散262003年10月8日磷的扩散 磷的扩散也是通过氧化磷与

6、硅的反应实现的： 固态源 单磷酸铵(NH4H2PO4) 二磷酸铵(NH4) 2H2PO4) 液态源 氧氯酸磷(POCl3) 气态源 磷烷PH32525452SiOPSiOP除了氧化磷外，其它磷源均先与氧反应形成氧化磷，在于硅反应扩散272003年10月8日砷、锑的扩散 As 砷在硅中具有最高的溶解度，但是其高挥发性造成其扩散控制困难，故通常用离子注入法。 Sb 锑在硅中的扩散系数较低 可以使用液态的五氯化锑作为扩散源2323432SiOAsSiOAs2323432SiOSbSiOSb282003年10月8日气体扩散源的毒性292003年10月8日五、离子注入 离子注入已经成为向硅片中引入杂质的

7、主要方法。 离子注入机是一个高压粒子加速器，利用高能粒子向硅片内部的穿透对硅片进行掺杂。302003年10月8日1、离子注入机 离子源：25kV，可以利用气态源，或者利用固态源溅射产生所需要的离子； 质谱仪：利用磁场选择所需要的离子，使其通过光栏进入主加速器； 高压加速器：可以高达175keV； 扫描系统：控制注入的位置、均匀性以及剂量，略微偏转可以避免中性束的入射； 靶室：处于低电位端及真空环境。312003年10月8日2、杂质分布322003年10月8日3、选择性注入 使用掩模：氮化硅、氧化硅、光刻胶等 右图为杂质在掩模中的分布332003年10月8日4、PN结的形成342003年10月8

8、日5、注入时的隧道效应352003年10月8日6、晶格损伤与热处理 如果注入剂量足够大，则离子可能将硅原子从晶格位置上打出去，使得注入区变为非晶结构。因此存在一个临界注入剂量，高于此值，硅将非晶化：362003年10月8日快速热处理 恢复硅的损伤、激活掺入的杂质372003年10月8日扩散与离子注入的简要对比 扩散 设备简单 快速 掺杂浓度高 扩散浓度分布控制困难 扩散掩模少 难以实现选择性扩散 扩散温度高 表层杂质浓度最高 注入 低温工艺 更多的杂质种类 掺杂剂量控制准确 可以向浅表层引入杂质 设备昂贵 大剂量掺杂耗时 隧道效应 可以通过倾斜8o角注入来避免 注入损伤 可以通过热处理恢复382003年10月8日热氧化392003年10月8日第四章：扩散 向硅中引入杂质的重要方法之一，用于控制主要载流子类型、浓度，进而控制导电率。 主要介绍：扩散的基本原理、扩