微电子材料与制程：第五章 扩散与离子注入

1、2018年深圳大学材料学院本科生课程微电子材料与制程第五章 扩散与离子注入25.1 引言 掺杂本质：改变硅的电阻率，使其成为有用的半导体。 掺杂目的： 主要是形成PN结35.1 引言45.1 引言55.1 引言亚微米IC 制造厂典型的硅片流程测试/拣选t注入扩散刻蚀抛光光刻完成的硅片无图形的硅片硅片起始薄膜硅片制造前端65.1 引言半导体常用杂质75.1 引言扩散: 是将一定数量和一定种类的杂质通过高温扩散掺入到硅或其它晶体中，以改变晶体的电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求的过程。离子注入: 是在高真空的复杂系统中，产生电离杂质并形成高能量的离子束，入射到硅片靶中进行掺杂的过程。

2、OxideOxideP Silicon substrateDiffused regionNDopant gas束扫描MaskMaskSilicon substratexj离子注入机85.1 引言掺杂方式扩散：掺杂总量及浓度分布受扩散时间和温度影响；形成特征尺寸较大；扩散温度较高，需氧化物或氮化物作为掩膜。离子注入：杂质总量及浓度分布受注入剂量、能量和推结时间及温度决定。适于小特征尺寸的芯片。注入温度较低，常用光刻胶作为掩膜。5.2 扩散105.2.1 扩散原理扩散：粒子从浓度较高的地方向着浓度较低的地方移动，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀； 浓度的差别越大，扩散越快； 温度越高，扩散也越快。目

3、的：在硅中加入一定数量和种类的杂质，改变其电学性质。扩散方式：气态；液态；固态115.2.1 扩散原理在间隙位置的杂质杂质空位 （a）间隙式扩散 （b）替位式扩散固态杂质扩散机制125.2.1 扩散原理杂质在硅中的扩散 沿着空位进行替位式扩散。对于硅，Au、Ag、Cu、Fe、Ni 等半径较小的金属杂质原子按间隙式扩散，而 P、As、Sb、B、Al、Ga、In 等半径较大的杂质原子则按替位式扩散。间隙式扩散的速度比替位式扩散的速度快得多。 135.2.1 扩散原理杂质扩散方程J为扩散粒子流密度，定义为单位时间通过单位面积的粒子数， D为扩散系数，是表征杂质扩散快慢的系数，N是扩散粒子的浓度。对杂

4、质扩散方程进行求解，首先需要引入两组边界条件，分别是： 1). 恒定表面源条件（表面杂质浓度固定） 2). 有限表面源条件（杂质总量固定）145.2.1 扩散原理其扩散方程的解： 式中的erfc 代表余误差函数1)、余误差函数分布（恒定表面源扩散条件） 余误差函数分布的特点： a、当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变。杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。 b、扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散进入硅片内的杂质总量就越多； c、扩散时间越长，扩散温度越高，杂质扩散得越深；155.2.1 扩散原理其扩散方程的解： 式中的QT为杂质总量2)、高斯函数分布（有限表面源扩散条件） 高斯函

5、数分布的特点： a、在整个扩散过程中，杂质总量 QT 保持不变； b、扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深，表面浓度越低； c、表面杂质浓度可控；165.2.2 杂质扩散后的参数表征 1)、方块电阻 2)、结深175.2.2 杂质扩散后的参数表征1)、方块电阻 方块电阻就是长宽相等的扩散电阻，它与长宽大小无关。方块电阻通常用R表示，单位为/。 扩散电阻与方块电阻的关系： , 当L=W时， 其中为扩散层的平均电阻率185.2.2 杂质扩散后的参数表征方块电阻是杂质扩散的一个重要表征参数，因为它间接的表征了在半导体中掺入的杂质总量。方块电阻可以通过四探针测试仪进行测量。18VItS S S

6、1432195.2.2 杂质扩散后的参数表征2)、结深 定义：杂质扩散浓度分布曲线与衬底掺杂浓度曲线的交点的位置称为杂质扩散的结深。 结深的获得： a、公式计算（令扩散方程的解N（xj , t）= NB） b、实验测量余误差分布高斯分布205.2.2 杂质扩散后的参数表征a、结深公式 余误差分布 高斯分布215.2.2 杂质扩散后的参数表征b、结深的测量 磨角染色法, HF与0.1HNO3的混合液，使p区的显示的颜色比n区深 Xj Lsin225.2.3 扩散常用杂质源硅中的常规扩散杂质： 形成P型硅的杂质：B、Al、Ga（A族元素） 形成N型硅的杂质：P、As、Sb（A族元素） IC制造中常

7、用杂质：B、 P、As、Sb 注：B：硼，Al：铝，Ga：镓， P：磷，As：砷，Sb：锑235.2.3 扩散常用杂质源 Si中慢扩散杂质（扩散系数小）： B、 As、Sb Si中快扩散杂质（扩散系数大）： P、 Al、Ga 在SiO2中扩散系数非常小的杂质： B、 P、As、Sb 在SiO2中扩散系数大的杂质：Al、Ga 扩散杂质在Si和SiO2中的不同扩散特性：241100硅中的固溶度 固溶度：在一定温度下，衬底能够吸收杂质浓度的上限。5.2.3 扩散常用杂质源255.2.3 扩散常用杂质源265.2.4 杂质扩散工艺液态源扩散系统固态源扩散系统气态源扩散系统磷烷(PH4)、砷烷(AsH3

8、) 、氢化锑(SbH3)、乙硼烷(H2B6)等(剧毒气体) 三氯氧磷 (POCl3) 、硼酸三甲脂 B(CH3)O3 （B2O3，P2O5，BN等）275.2.4 杂质扩散工艺1)、固态源扩散 依据扩散系统的不同分类为：开管扩散、箱法扩散、涂源法扩散和薄膜扩散。开管扩散：杂质源是片状或粉状，且杂质源与硅片平行分开，不接触；箱法扩散：杂质源与硅片放在有盖的石英箱里；涂源法扩散：将掺有杂质的乳胶源旋涂在硅片上；薄膜法扩散：用CVD办法先在硅片上淀积一层含扩散杂质的薄膜，如氧化硅、氮化硅。优点：重复性、稳定性较好缺点：源处理不方便（如B2O3易受潮，需活化处理）285.2.4 杂质扩散工艺举例：硼的

9、涂源扩散（固态源扩散） B2O3乳胶源是普遍选用的扩散源，该源无毒。通过旋转涂敷到硅片上，经过烘培除去有机溶剂，然后进入高温炉进行预扩散。 其化学反应式： B2O3 Si B SiO2295.2.4 杂质扩散工艺2)、液态源扩散方法：携带气体经过液态杂质源，将杂质源蒸汽（杂质化合物）带入扩散炉管内与硅反应，或分解后与硅反应。优点：系统简单、操作方便、成本低、效率高缺点：腐蚀性高，起泡器加压（易炸），对温度敏感305.2.4 杂质扩散工艺举例：磷的液态源扩散 三氯氧磷（POCl3）是普遍选用的液态源， POCl3是无色透明液体，其熔点是2 ，沸点是105.3 ，具有窒息性气味，在室温下具有较高的

10、蒸气压，有毒。磷的液态源扩散属于预扩散。 化学反应式： POCl3 PCl5 P2O5 PCl5 O2 P2O5 Cl2 POCl3 O2 P2O5 Cl2 P2O5 Si P SiO2315.2.4 杂质扩散工艺液态源扩散系统325.2.4 杂质扩散工艺 3)、气态源扩散气态杂质源一般先在硅片表面进行化学反应生成掺杂氧化层，杂质再由氧化层向硅中预扩散。以B掺杂为例： B2H6+2O2 B2O3+3H2O 2H2O+Si SiO2+2H2 2B2O3+3Si 4B+3SiO2优点：操作很方便缺点：安全问题，气态源均易爆33 半导体工艺中，常规结深（Xj）扩散均采用两步扩散工艺： 第一步：预扩散

11、或预沉积 温度一般较低（980以下）、时间短（小于60分钟）。此步扩散为恒定表面源扩散，余误差函数分布； 第二步：再扩散或结推进 温度一般较高（1200 左右）、时间长（大于120分钟），同时生长SiO2。此步扩散为有限表面源扩散，高斯函数分布。两步扩散工艺5.2.4 杂质扩散工艺采用两步扩散工艺方法的目的及意义：第一步：掺入一定总量的杂质，特征是浅结；第二步：一是形成工艺要求的结深，二是激活杂质， 三是形成后道工序所需的阻挡层氧化硅。34横向扩散原子扩散进入硅片，向各个方向运动：硅的内部、横向和重新离开硅片。杂质原子沿硅片表面方向迁移，发生横向扩散。热扩散中的横向扩散通常是纵向结深的75%一

12、85。横向扩散导致沟道长度的减小，影响器件的集成度和性能。5.2.4 杂质扩散工艺35扩散效应硼、磷杂质在SiO2Si界面的分凝效应 在硼、磷杂质的再扩散中，总是要生长一定厚度的SiO2，杂质在SiO2Si界面发生分凝效应，使杂质在SiO2和Si中重新分布，其结果造成在硅中的硼杂质总量比磷损失的多，其现象俗称SiO2吸硼排磷。5.2.4 杂质扩散工艺365.2.4 杂质扩散工艺杂质源浓度（浓度越高，同样时间内扩散越深）扩散温度（温度升高，扩散原子获得能量超越势垒几率增大且空位浓度增大，扩散增强）扩散时间（时间越长扩散进入硅片的杂质总量越大，结深越深）扩散介质结构（介质结构越紧密，越不易扩散）结

13、构缺陷（原子沿缺陷扩散速率快）杂质材料本身固有特性影响杂质扩散的因素375.2.5 杂质扩散设备1. 卧式炉2. 立式炉与氧化工艺设备基本相同5.3 离子注入395.3.1 离子注入概念a)低掺杂浓度 (n, p) 浅结 (xj)MaskMaskSilicon substratexj低能低剂量快速扫描束扫描掺杂离子离子注入机b)高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结 (xj)束扫描高能大剂量慢速扫描MaskMaskSilicon substratexj离子注入机离子注入：一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学性能的方法。它是一个物理过程，即不发生化学反应。离子注入是继扩散之后的第二种掺

14、杂技术，是现代先进的集成电路制造工艺非常重要的技术。有些特殊的掺杂（如小剂量浅结掺杂、深浓度峰分布掺杂等）扩散是无法实现的，而离子注入却能胜任。40离子源分析磁体加速管离子束等离子体工艺腔吸出组件扫描盘 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）5.3.1 离子注入概念415.3.2 离子注入特点 1). 精确地控制掺杂深度和掺杂浓度 离子注入层的深度依赖于离子能量，而杂质浓度依赖于离子剂量。可以独立地调整能量和剂量，精确地控制掺杂层的深度和浓度，工艺自由度大。 2). 可以获得任意的杂质浓度分布 由于离子注入的

15、浓度峰在体内，所以基于第1点采用多次叠加注入可以获得任意形状的杂质分布，增大了设计的灵活性。离子注入的优点425.3.2 离子注入特点 3). 杂质浓度均匀性、重复性很好 用扫描的方法控制杂质浓度的均匀性，在1010 1017ions/cm2的范围内，均匀性可达2，而扩散的均匀性在 10，并且1013ions/cm2以下的小剂量，扩散无法实现。 4). 掺杂温度低 注入可在125以下的温度进行，允许使用不同的注入 阻挡层（如光刻胶、氧化硅），增加了工艺的灵活性。435.3.2 离子注入特点 5). 沾污少 质量分离技术产生没有沾污的纯离子束，减少了由于杂质源纯度低带来的沾污，另外低温工艺也减少

16、了掺杂沾污。 6). 无固溶度极限 注入杂质浓度不受硅片固溶度限制。445.3.2 离子注入特点1). 高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤2). 注入设备复杂昂贵离子注入的缺点455.3.3 离子注入参数1) 注入剂量 注入剂量是样品表面单位面积注入的离子总数。单位：离子/cm2 。 I为束流，单位是库仑每秒（安培） t为注入时间，单位是秒 q为电子电荷，等于1.61019库仑 n为每个离子的电荷数 A为注入面积，单位为cm22) 注入能量 离子注入的能量用电子电荷与电势差的乘积来表示。单位：千电子伏特(KEV)。带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场中运动，它的能量为100KEV。

17、465.3.3 离子注入参数3) 射程、投影射程 具有一定能量的离子入射靶中，与靶原子和电子发生一系列碰撞（即受到了核阻止和电子阻止）进行能量的交换，最后损失了全部能量停止在相应的位置，离子由进入到停止所走过的总距离，称为射程，用R表示。这一距离在入射方向上的投影称为投影射程 Rp。投影射程也是停止点与靶表面的垂直距离。第i个离子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi475.3.3 离子注入参数4) 平均投影射程 离子束中的各个离子虽然能量相等，但每个离子与靶原子和电子的碰撞次数和损失能量都是随机的，使得能量完全相同的同种离子在靶中的投影射程不等，存在一个统计分布。离子的平均投影射程RP为 其中N为

18、入射离子总数，RPi为第i个离子的投影射程485.3.3 离子注入参数5) 离子的投影射程的标准偏差RP为其中N为入射离子总数Rp 为平均投影射程Rpi为第i个离子的投影射程495.3.3 离子注入参数各种离子在Si中注入能量对应平均投影射程图 注入能量增加，投影射程增加，杂质浓度的峰值会因偏差的增加而降低。 投影射程图能够预测一定注入能量下的投影射程505.3.4 离子注入浓度分布SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-rays电子碰撞原子碰撞被移动的硅原子携能杂质原子硅晶格 主要能量损失机制是电子阻止和核阻止； 电子阻止是杂质原子

19、与靶材料的电子发生碰撞； 核阻止是杂质原子与硅原子发生碰撞，造成硅原子的移位。51核阻止本领在低能量下起主要作用电子阻止本领在高能量下起主要作用核阻止和电子阻止相等的能量注入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论5.3.4 离子注入浓度分布525.3.4 离子注入浓度分布 为样品表面单位面积注入的离子总数（注入剂量，单位:cm-2)。RP 是平均投影射程，离子注入深度的平均值。注入离子在无定形靶中的浓度分布为高斯分布:535.3.4 离子注入浓度分布注入离子浓度分布的特点：(1) 最大浓度位置在样品内的平均投影射程处： (2) 注入离子的剂量越大，浓度峰值越高；(3) 注入离子的能量E（2020

20、0 KeV）越大，RP 、RP 相应越大，浓度峰值越低。(4) 在x = RP 处的两边，注入离子浓度对称地下降，且下降速度越来越快。545.3.4 离子注入浓度分布离子注入结深 Xj其中:NB为衬底浓度555.3.4 离子注入浓度分布真实分布非常复杂，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,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。注入离子的真实分布56RP和RP的计算很复杂，有表可以查用 入射能量 （KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP662130219032465299434963974443

21、24872RP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279RP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005RP5999136172207241275308341各种离子在Si中的Rp和Rp 值 ()5.3.4 离子注入浓度分布575.3.5 离子注入效应轻离子冲击重离子冲击轻离子和重离子引起的损伤 轻离子注入损伤密度小，但区域较大； 重离子注入损伤密度大，但区域很小。585.3.5 离子注入效应a) 注入过程中损伤的硅晶格离子束修复硅晶格结构

22、并激活杂质一硅键b) 退火后的硅晶格 高温退火：激活杂质(950)，修复晶格损伤(500) 。 退火方法： 高温炉退火：800-1000度退火30分钟，导致杂质的再扩散 快速热退火：1000下短暂时间退火，减小瞬时增强扩散。595.3.5 离子注入效应沿 轴的硅晶格视图 Si的晶向为开沟方向，是注入最深的方向 沟道效应 当注入离子未与硅原子碰撞减速，而是穿透了晶格间隙时就发生了沟道效应。605.3.5 离子注入效应 控制沟道效应的方法： 注入时，倾斜硅片；掩蔽氧化层； 硅预非晶化；使用质量较大的原子。有、无沟道效应时的杂质浓度分布615.3.6 离子注入应用 1. 深埋层 2. 倒掺杂阱 3.

23、 穿透阻挡层 4. 阈值电压调整 5. 轻掺杂漏区（LDD）6. 源漏注入7. 多晶硅栅掺杂8. 沟槽电容器9. 超浅结10. 绝缘体上硅（SOI）在先进的CMOS IC制造中，离子注入有以下应用625.3.7 离子注入设备离子注入机主要由以下5个部分组成 1. 离子源 2. 引出电极（吸极）和离子分析器 3. 加速管 4. 扫描系统 5. 工艺室635.3.7 离子注入设备离子注入系统645.3.7 离子注入设备1. 离子源 离子源从气态或固态杂质中产生正离子。（例如BF3、 AsH3 和 PH3 等） 电子轰击气体分子，产生杂质离子。电子由热钨丝源产生。前板狭缝起弧室灯丝电子反射器气体入口

24、5 V电子反射器Anode +100 V起弧室气化喷嘴电炉气体导入管DI 冷却水入口掺杂剂气体入口655.3.7 离子注入设备2. 引出电极（吸极）和离子分析器 吸极用于把离子从离子源室中引出。+-NS N S120 V起弧吸出组件离子源60 kV吸引2.5 kV抑制源磁铁5V灯丝To PA+离子束参考端(PA voltage)抑制电极接地电极起弧室665.3.7 离子注入设备质量分析器磁铁 不同的离子具有不同的质量与电荷（如BF3B、 B10 、 B11 、BF2、 F2等），因而在离子分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子。 分析磁体675.3.7 离子注入设备3. 加速管

25、 加速管用来加速正离子以获得更高的速度（即动能）。 加速管685.3.7 离子注入设备 大电流高能离子束源原子质量分析磁体线性加速器最终能量分析磁体扫描盘硅片高能注入机的线性加速器示意图线性加速器由一组交替变换的高压电极和接地的四极聚束透镜组成，使离子加速获得高能。避免使用超高电压。695.3.7 离子注入设备+离子束膨胀剖面掺杂离子+具有空间电荷中和的离子束剖面二次电子空间电荷中和 正电荷间相互排斥，造成离子束膨胀，导致注入不均匀。 空间电菏中和：二次电子中和正离子的方法。705.3.7 离子注入设备4. 扫描系统 聚束离子束通常很小，必须通过扫描覆盖整个硅片。束斑： 中束流的束斑：1cm2 大束流的束斑：3cm2 扫描方式： 1). 固定硅片、移动束斑（中、小束流） 2). 固定束斑、移动硅片（大束