掺杂工艺小结

1、掺杂工艺小结掺杂工艺小结 扩散与离子注入微电子工艺微电子工艺1. 1.概述概述v掺杂工艺要实现在衬底上的掺杂工艺要实现在衬底上的定域、定量定域、定量的掺的掺杂杂v包括扩散和离子注入包括扩散和离子注入v两种掺杂工艺各有优缺点两种掺杂工艺各有优缺点v在掺杂前先通过氧化和光刻在衬底表面制备在掺杂前先通过氧化和光刻在衬底表面制备氧化层掩膜氧化层掩膜 http:/ http:/ http:/ 900-1200 v离子注入温度低，在室温或离子注入温度低，在室温或400400以下，但退火时以下，但退火时所需温度较高，一般在所需温度较高，一般在800800以上以上v扩散工艺对杂质的控制能力低扩散工艺对杂质的控

2、制能力低v离子注入对掺杂浓度和分布的控制力较好，适合浅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结掺杂及对浓度及分布要求较高的场合2.2.对比对比v扩散工艺的横向效应严重，相对而言，离子注入要扩散工艺的横向效应严重，相对而言，离子注入要好得多好得多v离子注入会导致晶格损伤离子注入会导致晶格损伤v离子注入可实现对化合物半导体的掺杂离子注入可实现对化合物半导体的掺杂v两种工艺各有千秋，通常将两者混合使用，即采用两种工艺各有千秋，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

3、分布（和扩散工艺中先恒杂质推入内部，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）定表面源扩散，再限定表面源扩散有异曲同工之妙）3.3.扩散扩散v概念概念v目的：通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类目的：通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型，电阻率或形成型，电阻率或形成PNPN结结v形成：浓度梯度形成：浓度梯度v扩散机构（三种）：扩散机构（三种）： 间隙式扩散间隙式扩散 替位式扩散替位式扩散 间隙间隙替位式扩散替位式扩散3.3.扩散扩散v替位式扩散：以近邻处有替位式扩散：以近邻处有空位空位为前题为前题v替位扩散杂质：替位扩散杂质：AsAs， AlAl，GaG

4、a，SbSb，GeGev对对替位扩散杂质而言，在晶格位置上势能相替位扩散杂质而言，在晶格位置上势能相对较低，在间隙处势能较高（和间隙式杂质对较低，在间隙处势能较高（和间隙式杂质正好相反，对比图正好相反，对比图5-25-2和图和图5-35-3）v替位式扩散速率比替位式扩散速率比填隙式扩散低得多填隙式扩散低得多v填隙扩散杂质：填隙扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mgv两种扩散速率与温度均成指数关系两种扩散速率与温度均成指数关系3.3.扩散扩散v许多杂质即可以是替位式也可以是间隙式溶于晶体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，并以间隙的晶格中，并以间隙- -替位式扩散。替

5、位式扩散。v这类扩散杂质的跳跃率随这类扩散杂质的跳跃率随空位空位和和自间隙自间隙等缺陷的浓等缺陷的浓度增加而迅速增加。度增加而迅速增加。vB B，P P一般作为间隙替位式扩散杂质一般作为间隙替位式扩散杂质v注：填隙式杂质没有占据晶格格点位置，无电活性，注：填隙式杂质没有占据晶格格点位置，无电活性，讨论意义不大讨论意义不大v替位式杂质扩散速率慢，称慢扩散杂质，间隙替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位式扩散杂质称为快扩散杂质3.3.扩散扩散 固体中的扩散基本特点固体中的扩散基本特点v（1 1）固体中明显的质点扩散常开始于较高的温度，）固体中明显的质点扩散常开始于

6、较高的温度，但实际上又往往低于固体的熔点。但实际上又往往低于固体的熔点。v（2 2）晶体结构将以一定的对称性和周期性限制着）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。质点每一步迁移的方向和自由行程。v扩散方程：菲克第二定律扩散方程：菲克第二定律v扩散系数：扩散系数：D =D =D D0 0exp(-Ea/kT)exp(-Ea/kT)v扩散系数主要受温度的影响，当然也受杂质浓度等扩散系数主要受温度的影响，当然也受杂质浓度等的影响的影响22C( ,t)C( ,t)xxDtx3.3.扩散扩散v两种方式：两种方式：恒定表面源扩散恒定表面源扩散和和限定表面源扩散限定表面源扩散

7、v扩散工艺重要的工艺参数包括：扩散工艺重要的工艺参数包括： 杂质的分布杂质的分布 表面浓度表面浓度 结深结深 掺入杂质总量掺入杂质总量v通过求解一维扩散方程，带入不同初始条件和边界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条件可以得出两种方式的分布函数3.3.扩散扩散v恒定表面源扩散杂质分布情况（恒定表面源扩散杂质分布情况（余误差分布余误差分布）v特点：延长扩散时间：特点：延长扩散时间： 表面杂质浓度不变；表面杂质浓度不变； 结结深增加；深增加； 扩入杂质总量增加；扩入杂质总量增加； 杂质浓度梯度减杂质浓度梯度减小。小。v表面浓度一般为杂质在半导体的固溶度表面浓

8、度一般为杂质在半导体的固溶度v限定表面源扩散杂质分布情况（限定表面源扩散杂质分布情况（高斯分布高斯分布) )v这里的高斯分布和离子注入的高斯分布有所区别这里的高斯分布和离子注入的高斯分布有所区别2sxC x,tC erfcDt3.3.扩散扩散v特点：延长扩散时间特点：延长扩散时间( (提高扩散温度提高扩散温度T T ) )： 杂质表杂质表面浓度迅速减小；面浓度迅速减小；杂质总量不变杂质总量不变； 结深增加；结深增加； 杂质浓度梯度减小杂质浓度梯度减小。 v实际扩散工艺：实际扩散工艺：两步工艺两步工艺 分为预淀积（预扩散）、再分布（主扩散）分为预淀积（预扩散）、再分布（主扩散）两步。两步。Dtx

9、eDtQtxC42,3.3.扩散扩散预淀积预淀积是惰性气氛下的是惰性气氛下的恒定源扩散恒定源扩散，目的是在扩，目的是在扩散窗口硅表层扩入总量散窗口硅表层扩入总量QQ一定的杂质。一定的杂质。再分布再分布是氧气氛或惰性气氛下的是氧气氛或惰性气氛下的有限源扩散有限源扩散，目，目的是使杂质在硅中具有一定的表面浓度的是使杂质在硅中具有一定的表面浓度C Cs s、分布、分布C C（x x）、且达到一定的结深）、且达到一定的结深x xj jD D1 1t t1 1DD2 2t t2 2预扩散起决定作用，杂质按余误差函数预扩散起决定作用，杂质按余误差函数形式分布形式分布D D1 1t t1 1 D D2 2t

10、 t2 2主扩散起决定作用，杂质按高斯函数形主扩散起决定作用，杂质按高斯函数形式分布式分布3.3.扩散扩散v四个效应：氧化增强、发射区推进、横向扩散、场四个效应：氧化增强、发射区推进、横向扩散、场助扩散助扩散v硼在氧化气氛中的扩散存在明显增强现象，磷、砷硼在氧化气氛中的扩散存在明显增强现象，磷、砷也有此现象；也有此现象；锑在氧化气氛中的扩散却被阻滞。锑在氧化气氛中的扩散却被阻滞。（原因自己看书）（原因自己看书）v采用离子注入可以减小横向扩散效应采用离子注入可以减小横向扩散效应v场助扩散效应在硅片内形成一内建电场场助扩散效应在硅片内形成一内建电场E E，起，起加速加速扩散的作用扩散的作用3.3.

11、扩散扩散Nx5*102010183*1016N+PNN型型erfc分布分布P型高斯分布型高斯分布N型衬底型衬底0 Xebj XbcjNx发射区发射区基区基区集电区集电区B扩：扩：D1t1D2t2NPN管管千呼万唤始出来千呼万唤始出来离子注入离子注入在取代热扩散技术的道路上越走越远在取代热扩散技术的道路上越走越远4.4.离子注入离子注入v概念：概念： 离化后的原子在强电场的加速作用下，注射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化学性质 v特点特点可精确控制掺杂浓度和分布非平衡过程，不受固溶度限制，可做

12、到浅结低浓度 或深结高浓度注入元素通过质量分析器选取，纯度高，能量单一低温过程（因此可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质）；避免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂；横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小可防止玷污（通过硅表面的薄膜注入硅中），自由度大会产生缺陷，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）v相关概念：相关概念：R：射程（range） 离子在靶内的总路线长度 Xp：投影射程（projected range） R在入射方向上的投影Rp：平均投影射程 所有入射离子投影射程的平均值Rp：标准偏差 投影射程的平均偏差

13、R：横向标准偏差垂直于入射方向平面上的标准偏差4.4.离子注入离子注入vLSSLSS理论理论对在非晶靶中注入离子的射程分布的研对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究究v该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程彼此独立的过程核碰撞核碰撞 和和电子碰撞电子碰撞 v核阻止本领：能量为核阻止本领：能量为E E的注入离子在单位密度靶内的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。托马斯费米屏蔽函数能量损失率与离子能量的关系低能量时核阻止本领随能量增低能量时核阻止本领随能量增加呈线性关系，在高

14、能量时，加呈线性关系，在高能量时，因快速运动的离子没有足够的因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量时间与靶原子进行有效的能量交换，所以核阻止本领较小交换，所以核阻止本领较小4.4.离子注入离子注入v电子碰撞：电子碰撞：注入离子与靶内自由电子以及束缚电子注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞之间的碰撞v电子阻止本领和注入离子能量的平方根成正比电子阻止本领和注入离子能量的平方根成正比低能区中能区高能区核阻止本领和电子阻止本领曲线c(1)低能区：Sn(E)占主要地位，Se(E)可忽略(2)中能区：Sn(E)和Se(E)同等重要(3)高能区：Se(E) 占主要地位， Sn(E) 可

15、忽略4.4.离子注入离子注入v用以上理论解释下面两幅图：用以上理论解释下面两幅图：v注入离子在靶中的分布：接近注入离子在靶中的分布：接近高斯分布高斯分布v三个效应：横向效应、沟道效应、背散射效应三个效应：横向效应、沟道效应、背散射效应4.4.离子注入离子注入v横向效应：注入离子在横向效应：注入离子在垂直于入射方向平面垂直于入射方向平面内的分内的分布情况布情况v相对与热扩散，离子注入的横向扩展要小得多相对与热扩散，离子注入的横向扩展要小得多v沟道效应：衬底为单晶材料，离子束准确的沿着晶沟道效应：衬底为单晶材料，离子束准确的沿着晶格方向注入，几乎不会受到原子核的散射，其纵向格方向注入，几乎不会受到

16、原子核的散射，其纵向分布峰值与高斯分布不同。一部分离子穿过较大距分布峰值与高斯分布不同。一部分离子穿过较大距离。离。v临界角临界角: :决定一个入射离子能否进入沟道决定一个入射离子能否进入沟道4.4.离子注入离子注入v由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离LSSLSS理论理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的长的“尾巴尾巴”v减少沟道效应的措施：减少沟道效应的措施：对大的离子，沿沟道轴向对大的离子，沿沟道轴向(110)(110)偏离偏离7 71010o o用用Si Si，GeGe，F F，ArAr等

17、离子注入使表面预非晶化，形成非晶层等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）表面用表面用SiOSiO2 2层掩膜层掩膜4.4.离子注入离子注入v背散射现象背散射现象：高能离子入射到衬底时，一小部分与高能离子入射到衬底时，一小部分与表面晶核原子弹性散射，而从衬底表面反射回来，表面晶核原子弹性散射，而从衬底表面反射回来，未进入衬底的现象未进入衬底的现象v两种情况两种情况当轻离子注入到较重原子的靶中，当轻离子注入到较重原子的靶中，分布在峰值位置分布在峰值位置与表面一侧的离子数量大于峰值位置的另一侧，不

18、与表面一侧的离子数量大于峰值位置的另一侧，不服从严格的高斯分布服从严格的高斯分布重离子注入较轻原子的靶中，情况则相反重离子注入较轻原子的靶中，情况则相反4.4.离子注入离子注入v晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系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因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称

19、为晶格损伤。格损伤。v高能离子在靶内与晶格多次碰撞，从而导致靶的晶高能离子在靶内与晶格多次碰撞，从而导致靶的晶格损伤格损伤v移位阈能移位阈能EdEd：使一个处于平衡位置的原子发生移位，：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量所需的最小能量4.4.离子注入离子注入v碰撞中，当转移能量碰撞中，当转移能量E EEdEd移位阈能移位阈能时，靶原子位移时，靶原子位移；若移位原子能量；若移位原子能量22EdEd时，移位原子再碰撞其它原时，移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，这种现象称子，使其它原子再位移，这种现象称级联碰撞级联碰撞。v损伤有三种：损伤有三种： 点缺陷点缺陷 非晶区非晶区 非

20、晶层非晶层损伤主要与注入离子质量、能量、剂量、剂量率有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。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；少子寿命变短；pnpn结反向漏电结反向漏电简单晶格损伤4.4.离子注入离子注入v注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完全破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坏变为无序的非晶区 1. 1. 与注入剂量的关系与注入剂量的关系* *注入剂量越大，晶格损伤越严重。注入剂量越大，晶格损伤越严重。* *临界剂量临界剂量：使晶格完全无序的剂量。：使

21、晶格完全无序的剂量。* *临界剂量和注入离子的质量有关临界剂量和注入离子的质量有关2.2.与靶温关系与靶温关系 -自退火自退火3.3.与注入离子能量关系与注入离子能量关系4.4.与注入离子剂量率之间关系与注入离子剂量率之间关系5.5.与晶体取向的关系与晶体取向的关系6.6.与注入速度的关系与注入速度的关系 4.4.离子注入离子注入v退火：退火：在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩散进入替位，有散进入替位，有电活性电活性；并使晶体损伤区域；并使晶体损伤区域“外延外延生长生长”为晶体，恢复或部分恢复硅的迁移率，少子为晶体，恢复或部分恢复硅的迁移率，少子寿命。

22、寿命。v两个目的：使杂质具有电活性；减小点缺陷密度两个目的：使杂质具有电活性；减小点缺陷密度v退火效果与温度，时间有关退火效果与温度，时间有关v退火后出现靶的杂质再分布退火后出现靶的杂质再分布v退火方法退火方法高温退火高温退火快速退火：激光、宽带非相关光、电子束退火快速退火：激光、宽带非相关光、电子束退火4.4.离子注入离子注入v损伤退火的目的损伤退火的目的q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q让杂质进入电活性（让杂质进入电活性（electrically activeelectrically active） 位置位置替位位置替位位置q恢复电子和空穴迁移率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注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布方法简单方法简单 不能全部消除缺陷不能全部消除缺陷 对高剂量注入激活率不够高对高剂量注入激活率不够高杂质再分布杂质再分布4.4.离子注入离子注入vB、P的退火的退火BP逆退火现象4.4.离子注入离子注入v退火后往往会留下所谓二次缺陷。退火后往往会留下所谓二次缺陷。v二次缺陷可以影响载流子的迁移率、少数载流子寿二次