哈工大微电子工艺3掺杂工艺

微电子工艺（3）

--定域掺杂工艺田丽1第3章扩散扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在900-1200℃的高温，杂质（非杂质）气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，又称热扩散。目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型，电阻率，或形成PN结。2内容3.1杂质扩散机构3.2扩散系数与扩散方程3.3扩散杂质的分布3.4影响杂质分布的其他因素3.5设备与工艺3.6扩散工艺的发展33.1杂质扩散机构扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。当物质内有梯度(化学位、浓度、应力梯度等)存在时，由于热运动而触发(导致)的质点定向迁移即所谓的扩散。因此，扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式，结果使其浓度趋于均匀。4扩散的微观机制(a)间隙式扩散（interstitial）(b)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，一般作为替代式扩散杂质，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5固相扩散工艺微电子工艺中的扩散，是杂质在晶体内的扩散，是固相扩散工艺。固相扩散是通过微观粒子一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，主要有三种方式

间隙式扩散

替位式扩散

间隙—替位式扩散6间隙式扩散间隙原子扩散势场示意图Wi=0.6-1.2eV7按照玻尔兹曼统计规律，获得大于能过Wi的几率正比于exp(-Wi／kT)k：玻尔兹曼常数

kT:平均振动能，0.026eV

υ0：振动频率，1013-1014/s跳跃率室温下，约每分钟一次。8替位式扩散

产生替位式扩散必需存在空位。晶体中空位平衡浓度相当低，室温下，替位式扩散跳跃率约每1045年一次。Ws空位浓度α9间隙-替位式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。

10间隙-替位式扩散杂质原子被从晶格位置“踢出”(Kick-out)AVA+IAi113.2扩散系数与扩散方程晶体衬底中杂质扩散流密度与杂质浓度梯度成正比。比例系数D定义为杂质在衬底中的扩散系数。Fick第一扩散定律12一、Fick第一定律

稳定扩散：扩散质点浓度不随时间变化推动力：浓度梯度描述：在扩散过程中，体系内部各处扩散质点的浓度不随时间变化，在x方向各处扩散流量相等。定律含义：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积上扩散的物质数量和浓度梯度成正比。13扩散过程中溶质原子的分布14J

扩散通量，单位时间通过单位截面的质点数(质点数/s.cm2)D

扩散系数，单位浓度梯度的扩散通量(m2/s或cm2/s)C

质点数/cm3“－”

表示粒子从高浓度向低浓度扩散，即逆浓度梯度方向扩散表达式：15此式表明：(1)扩散速率取决于外界条件

C/

x

扩散体系的性质D(2)扩散系数D可作为表征扩散的一个参量。它不仅与扩散机构，也与扩散介质和外部条件(单位浓度梯度、单位截面、单位时间通过的质点数)有关。

D取决于质点本身的性质：半径、电荷、极化性能等基质：结构紧密程度，缺陷的多少

扩散系数是物质的一个物性指标16扩散系数（以替位式推导）D0为表观扩散系数ΔE为扩散激活能(cm2/s)ΔE/kT)(D)/kT]w(w[vaDPaDxC(x,t)PaP,taxaCP,taxaCJvsvvvv-=+-==¶¶-=÷øöçèæ+-÷øöçèæ-=expexp220022217Si中杂质类型间隙式杂质

主要是ⅠA和ⅧA族元素，有：Na、K、Li、H等，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率快。替位式杂质

主要是ⅢA和ⅤA族元素，具有电活性，在硅中有较高的固浓度。以替位方式扩散为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。间隙—替位式杂质

大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以间隙-替位方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。18根据杂质在晶体中的扩散系数分

快扩散杂质：H，Li,Na,Cu,Fe,K,Au,He,Ag,

慢扩散杂质：Al,P,B,Ga,Tl,Sb，As在高温工艺中，如扩散、外延，掺杂元素的扩散系数小些好19菲克第二定律

当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改变时，利用第一定律不容易求出。

通常的扩散过程大都是非稳态扩散，为便于求出，还要从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。

讨论晶体中杂质浓度与扩散时间的关系，又称第二Fick定律。203.3扩散杂质的分布扩散工艺是要将具有电活性的杂质，在一定温度，以一定速率扩散到衬底硅的特定位置形成pn结，或者得到所需的掺杂浓度。扩散工艺重要的工艺参数包括：

①杂质的分布②表面浓度③结深

④掺入杂质总量21恒定表面源扩散指硅一直处于杂质氛围中，硅片表面达到了该扩散温度的固溶度Cs。解扩散方程：边界条件为：C(0，t)=Cs

C(∞，t)=0初始条件为：C(x，0)=0，x>0

恒定表面源扩散杂质分布情况xCBCsxj1xj2xj3C(x,t)t1t2t3022有限表面源扩散

指杂质源在扩散前积累于硅片表面薄层h内，Q为单位面积杂质总量，解扩散方程：边界条件:C(x,0)=Q/h,0<x<h

C(∞,t)=0初始条件：C(x,0)=0,x>hXXj1Xj2Xj3CsCs’Cs”t1t2t3C(x,t)CB0h有限表面源扩散杂质分布情况23有限表面源扩散有限源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。延长扩散时间：①杂质表面浓度迅速减小；②杂质总量不变；③结深增加；④杂质浓度梯度减小。杂质浓度梯度杂质表面浓度结深24两步扩散预淀积（预扩散）低温，短时，恒定表面源扩散—杂质扩散很浅，杂质数量可控主扩散（再分布）高温，扩散同时伴随氧化—控制表面浓度和扩散深度253.4影响杂质分布的其他因素实验发现硅中掺杂原子的分布，有Fick定律不能解释地方：在npn窄基区晶体管基区和发射区分别扩B和扩P，在发射区正下方的基区要比不在发射区正下方的基区深，即发射区推进效应；在热氧化过程中原存在Si内的某些掺杂原子显现更高扩散性，即氧化增强扩散。26杂质原子与点缺陷的结合自间隙与杂质的结合可以促进扩散运动。如氧化时产生大量自间隙原子，AI团增大，导致扩散能力增加。27扩散系数与杂质浓度的关系扩散系数和空位成正比：D∝V实际空位：V=V0+V++V-+V2-+…EcEvE2-E-E+0.11eV0.44eV0.06-0.16eV硅中空位的能带图28扩散系数与杂质浓度的关系硅衬底的掺杂浓度对杂质的扩散系数有影响，衬底掺杂浓度Ce比扩散温度下本征载流子浓度Ci高时(Ce>Ci

≈1019/cm3)，将使扩散系数显著提高，称之为场助扩散效应。本征扩散系数：非本征扩散系数：29发射区推进效应也称为发射区陷落效应。B扩散的增强是由于磷与空位相互作用形成的PV对，发生分解所带来的复合效应。xbcδebnpn掺BP扩散掺P30氧化增强扩散(OED)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。原因是氧化诱生堆垛层错产生大量自填隙Si，间隙-替位式扩散中的“踢出”机制提高了扩散系数。氧化层B有限源扩散氮化物p-Sin-Si氮化物n-Si氧化层掺BCB<1019O2I+B

IB31氧化阻滞扩散锑扩散是以替位方式进行，氧化堆垛层错带来的自填隙硅填充了空位，减少了空位浓度。锑在氧化气氛中的扩散却被阻滞。氮化物n-Sip-Si氧化层氮化物p-Si氧化层Sb有限源扩散CB<1019掺SbO232横向扩散横向扩散的线度是纵向扩散的0.75-0.85倍，浓度高时是纵向的0.65-0.7倍33衬底其它影响因素

与衬底材料、晶向及晶格完整性有关，有D（100）>D（111）晶格缺欠越多，扩散速率也越大。343.5扩散设备与工艺扩散设备多是炉丝加热的热壁式扩散炉。和氧化炉相类似。根据扩散源的不同有三种扩散工艺：固态源扩散，液态源扩散，气态源扩散。选择源必需满足固溶度、扩散系数要求。选择好掩蔽膜。35固态源扩散扩散方式开管扩散箱式扩散涂源扩散固态源陶瓷片或粉体：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等石英管接排风阀和流量计载气铂源舟石英舟和硅片开管固态源扩散系统36液态源扩散液态源POCl3、BBr3、B(CH3O)3

（TMB）接排风阀和流量计载气石英舟和硅片石英管温度控制池源瓶和液相源液相源扩散系统37气态源扩散气态源BCl3、B2H6、PH3、AsH3

石英管接排风阀和质量流量计气源石英舟和硅片气态源扩散系统38一步工艺是惰性气氛下的恒定源扩散，杂质分布服从余误差函数；两步工艺分为预淀积（预扩散）、再分布（主扩散）两步。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，将窗口杂质再进一步向片内扩散，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xj，有时还需生长氧化层。实际扩散工艺39NPN管的硼扩散原理

2B2O3+3Si→4B+3SiO2

选源固态BN源使用最多，必须活化

活化：4BN+3O22B2O3+2N2特点

B与Si原子半径相差较大，有伴生应力缺陷，能造成晶格损伤。硼在硅中的最大固溶度达4*1020/cm3，但浓度在1020/cm3以上有结团现象。工艺两部工艺，预淀积为恒定源扩散，用氮气保护，再分布有限源扩散，生长氧化层（干氧-湿氧-干氧）900-1100℃40B扩散工艺流程预淀积，一般预淀积温度较低，时间也较短。氮气保护。漂硼硅玻璃，予淀积后的窗口表面有薄薄的一层硼硅玻璃，用HF漂去。再分布，温度较高，时间也较长。通氧气，直接生长氧化层。测方块电阻，方块电阻是指表面为正方形的薄膜，在电流方向的电阻值。

41方块电阻R□一个重要的工艺参数，又称薄膜电阻RsllXjIn-SiP-Si42NPN管的磷扩散原理2P2O5+5Si→4P+5SiO2选源固态P2O5陶瓷片源使用最多，无须活化。特点磷是n形替位杂质，B与Si原子半径接近，杂质浓度可达1021/Cm3，该浓度即为电活性浓度。工艺与硼扩相近两步工艺，不漂磷硅玻璃。43NPN管Nx5*102010183*1016N+PNN型erfc分布P型高斯分布N型衬底0Xebj

XbcjNx发射区基区集电区B扩：D1t1<<D2t2P扩：D1t1>>D2t244工艺条件的确定与质量检测工艺指标杂质表面浓度Cs结深xj薄层电阻Rs分布曲线C(x)工艺条件(T,t)的确定解析扩散方程获得工艺条件，目前用计算机模拟获得工艺参数。45扩散质量检测工艺参数：结深、杂质分布方块电阻、电阻率染色法测结深阳极氧化测分布函数四探针法测电阻率、方块电阻电参数测量I-V曲线46染色法测结深原理：Si的电极电位低于Cu，Si能从硫酸铜染色液中把Cu置换出来，而且在Si表面上形成红色Cu镀层，又由于N型Si的标准电极电位低于P型Si的标准电极电位，因此会先在N型Si上先有Cu析出，这样就把P-N结明显的显露出来。染色液：CuSO4·5H2O：48%HF：H2O=5g：2mL：50mLXj=Lsin

47四探针法测电阻率、方块电阻四探针法是目前广泛采用的标准册电阻率方法，它具有操作方便，精度较高，对样品的几何形状无严格要求等优点。II123448I-V曲线测量由不良的pn结反向特性I-V曲线了解工艺情况493.6扩散工艺的发展快速气相掺杂(rapidvapor-phasedopingRVD)气体浸没激光掺杂(gasimmersionlaserdopingGILD)

50快速气相掺杂RVD利用快速热处理过程将处在掺杂气氛中的硅片快速均匀地加热，同时掺杂剂发生反应产生杂质原子，杂质原子直接从气态转变为被硅表面吸附的固态，固相扩散，能形成超浅结。杂质分布是非理想的指数形式，类似固态扩散，峰值在表面51气体浸没激光掺杂GILD是高能激光照射处于气态源(PF5或BF3)中的硅表面，使其表面熔融，源由于热解或光解产生杂质原子，通过液相扩散（比在固相快约8个数量级），杂质快速并均匀地扩散到整个熔化层中。激光照射停止，熔体固相外延转变为晶体。由熔体变为晶体的速度非常快(＞3m／s)。同时杂质进入晶格激活，掺杂只发生在表面的一薄层内。52第4章离子注入53什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54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55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。56内容4.1核碰撞和电子碰撞4.2注入离子在无定形靶中的分布4.3注入损伤4.4热退火4.5离子注入设备与工艺4.6离子注入用途，和扩散的比较57LSS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4.1核碰撞和电子碰撞（LSS理论）

58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。59-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-3forSiLSS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60核阻止离子注入与靶原子核碰撞，离子能量转移到原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。核阻止本领能量为E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。61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-mm2m——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：62核阻止两球体弹性碰撞托马斯•费米屏蔽函数核阻止本领曲线最简屏蔽函数碰撞参数p≤r1+r2离子与靶间势函数考虑电子屏蔽时离子与靶核之间相互作用63电子阻止注入离子与靶中的束缚电子或自由电子碰撞，能量转移到电子上。离子质量远大于电子，离子方向不变，能量稍减，而束缚电子被激发或电离，自由电子发生移动。电子阻滞本领64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。离子速度65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）电子阻止本领66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核阻止和电子阻止相等的能量67表面处晶格损伤较小射程终点（EOR）处晶格损伤大68EORdamageCourtesyAnn-ChatrinLindberg(March2002).69R：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4.2注入离子在无定形靶中的分布70射（行）程：R投影射程：RPRRp注入离子散射过程M1>M2;b=1/3入射离子质量靶原子质量71As,P,B在硅中核、电子阻止本领与能量关系计算值能量损失与射程R72射程粗略估计低能区中能区高能区核阻止本领和电子阻止本领曲线73射程粗略估计不同靶和不同注入离子，其Ec值不同。硅靶注入轻离子硼，

Ec约为15keV，重离子磷，Ec大约为150keV。

注入离子的初使能量比Ec大很多，在靶内主要电子阻止损失能量，核阻止可忽略：R≈k1E01/2E<<Ec

，电子阻止可忽略，入射离子主要以核阻止形式损失能量：R≈k2E0核阻止本领和电子阻止本领的比较74高斯分布函数注入离子在靶内受到的碰撞是随机的，所以杂质分布也是按几率分布的。离子进入非晶层（穿入距离）的分布接近高斯分布。ΔRp：投影射程的标准偏差ΔR⊥：横向离散75投影射程Rp:RpDRpDR

RpDRpDR

RpDRpDR

76纵向分布离子注入的实际分布在峰值附近和高斯分布符合较好77注入离子的真实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（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。78纵向分布硼比硅原子质量轻得多，硼离子注入就会有较多的大角度散射。被反向散射的硼离子数量也会增多，因而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，不服从严格的高斯分布。砷等重离子和硼轻离子的分布正好相反。79横向分布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由LSS理论计算得到的硼、磷和砷入射到无定形硅靶中ΔR┴与入射能量的关系如图所示80横向分布8135keVAs注入120keVAs注入横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。82离子注入的沟道效应沟道效应（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。83110111100倾斜旋转硅片后的无序方向84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，其纵向分布峰值与高斯分布不同。一部分离子穿过较大距离。这就是沟道（渗透）效应。1.8Å85注入离子剂量

理论上可以由离子电流大小来量度:

（ion/cm2）

其中：I为电流；t为时间；A为注入面积。 实际上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，未进入衬底，这叫背散射现象.86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<100>的沟道效应87表面非晶层对于沟道效应的作用BoronimplantintoSiO2BoronimplantintoSi88减少沟道效应的措施

对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离7－10o用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层（Pre-amorphization）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SiO2层掩膜89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-190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。4.3注入损伤(Si)SiSiI

+SiV91高能离子在靶内与晶格多次碰撞，从而导致靶的晶格损伤。碰撞有弹性碰撞和非弹性碰撞。注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程，称为能量淀积过程。92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)碰撞中，当转移能量E>Ed移位阈能时，靶原子位移；若移位原子能量>2Ed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。93移位原子的估算入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量Ed<E<2Ed时，只能使一个原子移位。只有当能量>2Ed时，才能增加移位原子的数目。估算一个以起始能量E0入射的离子，在碰撞过程中可以使靶内原子移位的数目N(E)为94损伤特点损伤有三种：简单损伤；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。损伤峰值非常接近投影射程的75%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。

95注入损伤形成非晶层的临界剂量与温度的关系靶温一个B，E0≈80KeV，Rp

≈250nm，480个Si移位，损伤原子约0.4％一个As，E0≈80KeV，Rp≈250nm，4000个Si移位，损伤原子约8％96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。97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98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。退火效果(q/NA,μ,τ)，与温度，时间有关。一般温度越高、时间越长退火效果越好。退火后出现靶的杂质再分布。4.4热退火99退火条件、方法退火条件：依据损伤情况定，目的是激活杂质，恢复电学特性注入杂质的质量，剂量、剂量率，能量靶温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100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

0101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102损伤恢复机制

（DamageRecoveryMechanism）Annihilation:recombinationSiI+SiV

(Si)SiMonteCarlo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-Vpairs103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。TED漏电流大104一定温度下，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*杂质再分布退火

105剂量对退火的影响QT低，简单损伤，在较低温度下退火就可以消除。Sb，QT=1013／cm2，T≈300℃退火，缺陷基本上消除；QT增大，形成非晶区，T≈400℃退火，Si中无序群才开始分解，Sb激活率只有20-30％，非晶区的重新结晶要在550-600℃。在此温度Si也随着结晶形成而进入晶格，被电激活。重结晶常伴有位错环产生，低于800℃位借环的产生随温度升高而增加。非晶区在重新结晶时，在新结晶区与原晶体区的交界面可能发生失配现象。106B、P的退火BP逆退火现象107高温退火引起的杂质再分布退火时间为35分钟108快速热处理（Rapidthermalprocessing,RTP）是将晶片快速加热到设定温度，进行短时间快速热处理的方法，热处理时间10-3-102s。过去几年间，RTP已逐渐成为微电子产品生产中必不可少的一项工艺，用于氧化（RTO）、离子注入后的退火、金属硅化物的形成和快速热化学薄膜淀积。

109RTP特点RTP系统采用辐射热源对单片加热，温度测控由高温计完成；RTP工艺使用范围很广，控温在200~1300℃之间，升、降温速度为20~250℃/秒，还可以控制工艺气体，可完成复杂的多阶段热处理工艺。用RTP取代常规热处理工艺避免了Si中杂质再分布，还缩短工艺周期。110硅及杂质稳态和瞬态激活能杂质稳态扩散eV瞬态扩散eVSi5.5B3.51.8As3.41.8P6.32.2111。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）112113RTP系统利用多排卤化钨灯对Si片进行加热，Si片旋转；自动载片控制和精确的温度控制；工艺的全程控制，实时图形曲线显示，实时工艺参数采集、显示和分析。AG41001144.5离子注入设备与工艺115离子注入是将含所需杂质的化合物分子（如BCl3、BF3）电离为杂质离子后，聚集成束用强电场(5-500KeV)加速，使其成为高能离子束，直接轰击半导体材料（靶），当离子进入靶时，受靶原子阻挡，而停留在其中，经退火后杂质进入替位、电离成为具有电活性的杂质。116磁分析器离子源加速管聚焦扫描系统靶rBF3：B++，B+，BF2+，F+,BF+，BF++B10B11117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：As，Ga，Ge，Sb，P，...118离子注入设备中科院沈阳科仪真空室尺寸：Φ1000×1200漏率：<3.75×10-7Pa·L/S真空室极限真空度：3.75×10-5Pa

119离子注入工艺掩膜选取：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99.99%。防止沟道效应方法：硅片偏转一定角度；隔介质膜注入浅结工艺：分子注入BF2；降低诸如能量E0；非晶化，先注入Si+、Ge、Sb120沟道效应的防止方法（111）硅一般采取偏离晶向7°，平行偏转15°的注入方法

121注入方法直接注入 离子在光刻窗口直接注入Si衬底。射程大、杂质重时采用。间接注入；通过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。间接注入沾污少，可以获得精确的表面浓度。多次注入 通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近；也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中，使杂质分布为设计形状。

1224.6离子注入用途，和扩散的比较Xj0.8Xj难熔栅SiO2Si源漏Xj难熔栅SiO2Si源漏浅注入层扩散形成寄生电容大自对准金属栅结构123对阈值电压VT的控制对MOS管来说，栅电极可控范围是它下面极薄的沟道区，注入杂质可看作全包含在耗尽层内。Rp在SiO2/Si界面附近，

Rp很小，适当控制QT，就能得到希望的VT。源栅漏P-Si离子注入区SiO2SiO2/Si界面态面密度沟道区强反型体电荷124离子注入在集成电路中的应用一、CMOS制造9-10differentI/Iidentified!125二、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126三、其它应用硅衬底背面损伤形成吸杂区

BacksideDamageLayerFormationforGettering形成SOI结构Silicon-On-InsulatorUsingOxygenorHydrogenImplantation127128129离子注入在2μmN阱CMOS中的应用N阱注入：P+，QT=3×1012cm2,E=80keV阱外场注入：B+,QT=1×1013cm2,E=120keV注P+31：防止寄生沟道调解开启电压：B+,QT=6×10