扩散与离子注入.ppt

1、2003年10月8日,扩散与离子注入,1,扩散与离子注入Diffusion and Ion Implantation,（第二讲）,扩散与离子注入,2,2003年10月8日,典型MOS工艺回顾,NMOS结构,扩散与离子注入,3,2003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,扩散与离子注入,4,2003年10月8日,CMOS工艺,扩散与离子注入,5,2003年10月8日,光刻技术,正胶 负胶,扩散与离子注入,6,2003年10月8日,热氧化,扩散与离子注入,7,2003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、

2、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。,扩散与离子注入,8,2003年10月8日,1、扩散过程,替位扩散： 杂质沿着晶格运动 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,扩散与离子注入,9,2003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,扩散与离子注入,10,2003年10月8日,3、两种扩散方式,恒定源扩散 有限源扩散,扩散与离子注入,11,2003年10月8日,4、扩散系数,扩散系数

3、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,扩散与离子注入,12,2003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=10.5exp-(3.69/8.61410-5 1373) =2.96 10-13cm2/sec,扩散与离子注入,13,2003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,扩散与离子注入,14,2003年10月8日,6、PN结的形成与特征,纵向扩散与结的形成

4、 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。,扩散与离子注入,15,2003年10月8日,杂质浓度与电阻率,扩散与离子注入,16,2003年10月8日,横向扩散,在纵向扩散的同时，会发生横向扩散 纵、横向扩散比 效应耦合器件 扩散掩模的设计,扩散与离子注入,17,2003年10月8日,扩散结深的测量,Groove-and-stain法 沟槽与着色法,扩散与离子注入,18,2003年10月8日,扩散结深的测量,Angle-lap 斜角研磨法 角度介于15o,扩散与离子注入,19,2003年10月8日,7、片电

5、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。,扩散与离子注入,20,2003年10月8日,各种图形的方阻,扩散与离子注入,21,2003年10月8日,方阻的测量,四点探针法,扩散与离子注入,22,2003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,扩散与离子注入,23,2003年10月8日,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：,扩散与离子注入,24,2003年10月8日,8、扩散系统,常用旋涂方法将液态

6、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,扩散与离子注入,25,2003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,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,扩散与离子注入,26,2003年10月8日,磷的扩散,磷的扩散也是通过氧化磷与硅的反应实现的： 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PH3,除了氧

7、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,扩散与离子注入,27,2003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,扩散与离子注入,28,2003年10月8日,气体扩散源的毒性,扩散与离子注入,29,2003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。,扩散与离子注入,30,2003年10月8日,1、离子注入机,离子源：25kV，可以利用气态

8、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。,扩散与离子注入,31,2003年10月8日,2、杂质分布,扩散与离子注入,32,2003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,扩散与离子注入,33,2003年10月8日,4、PN结的形成,扩散与离子注入,34,2003年10月8日,5、注入时的隧道效应,扩散与离子注入,35,2003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：,扩散与离子注入,36,2003年10月8日,快速热处理,恢复硅的损伤、激活掺入的杂质,扩散与离子注入,37,2003年10月8日,扩散与离子注入的简要对比,扩散 设备简单 快