3.4扩散与离子注入资料

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,3.4,扩散与离子注入,扩散,:,利用原子在,高温,下（,900-1200,）,的扩散运动，杂质原子从浓度很高,的杂质源向低浓度区扩散并形成一,定的分布。,离子注入 ：,电离的杂质离子经几十至几百千伏的电压下进行加速，在获得较高速度后注入半导体内。,掺杂工艺,材料,A,材料,B,材料,A,材料,B,材料,A,材料,B,3.4.1,扩散（,70,年代初期）,1.,扩散机理,恒定的表面浓度：杂质为气相源,杂质蒸汽（,800,925,）,硅表面,扩散到硅片内,恒定的总掺杂剂量：,首先在硅表面形成薄杂质层,扩散到硅片内,（,1,）掺杂浓度不能超过半导体的,固浓度,。,（,2,）,较难得到,轻微的杂质,分布,（,3,）,横向扩散,大约达到结深度,80,的距离。使得最后的扩,散区尺寸超过窗口尺寸。,（,4,）,900-1200,高温,下进行,横向扩散,扩散应用于,n-sub p-sub,掺杂,扩散特点：,PSUB,n+Substrate,扩散,2.,扩散设备与扩散源,扩散设备：扩散炉,扩散源： 气态、液态,运输方便，纯度高,固态,立式扩散炉,液态源,液态源：磷扩散掺杂,4POCl,3,+ 3O,2,2P,2,O,5,+6Cl,P,2,O,5,+ Si4P+5SiO,2,(,还原反应,),N,2,POCl,3,液瓶,POCl,3,气泡,O,2,石英管内反应,固态源,气态源,易挥发的固态源,加工材料,气态源,液态源,固态源（,易挥发的,氧化物或其他化合物）,As,AsH,3,、,AsF,3,砷玻璃,AlAsO,4,P,PH,3,、,PF,3,POCl,3,B,B,2,H,6,、,BF,3,、,BCl,3,BBr,3,BN,Sb,SbH,3,SbCl,3,Sb,2,O,3,扩散浓度,一方面决定于源的情况，当源足量时则决定于温度，因为杂质的固溶度决定杂质在半导体表面的浓度,。,3.,准确控制浓度和深度,扩散深度,取决于扩散系数,D,和扩散时间,t,D=D,o,e,-E/kT,对于一定杂质在特定固体中激活能,E,和,D,o,是一定的，所以,D,与,T,是指数上升关系。,为了精确控制深度,精确控制温度,(,0.5),十分重要。,4.,扩散的测量技术,扩散结果,扩散层的结深：化学染色后磨斜角（,HF,）,条纹干涉,方块电阻：探针技术,杂质分布：,C-V,法,3.4.2,离子注入（,70,年代后）,低温,没有横向扩散,掺杂剂量可以控制,注入的深度可以控制,（,1,）高温,（,2,）不能超过杂质的固浓度,（,3,）,较难得到轻微的杂质分布,（,4,）横向扩散,扩散,离子注入：,电离的杂质离子经静电场（,5 - 200 keV),加速注入半导体内。,使扩散,1.,离子注入过程,Ion,E,atoms,如果入射离子的速度方向与固体表面的夹角大于某一临界角，它将能够进入固体表面层，与固体中的原子发生一系列的弹性和非弹性碰撞，并不断地损失其能量。当入射离子的能量损失到某一定的值（ 约为,20eV,左右,),时，将停止在固体中不再运动。上述过程被称为,离子注入过程,。,a,离子碰撞,反弹,注入,溅射原子,二次电子发射,离子注入到晶圆内,离子,原子,溅射,二次,电子,反弹,轻离子反弹,经加速的离子碰撞晶圆靶面,足够的重离子进入靶内，,与,原子和电子,发生碰撞,原子从晶格中脱离产生,溅射现象,晶格热振动使靶温度,电子被激发到高能级，一段时间后回到基态,弹性碰撞,非弹性碰撞,能量以光波形式释放,二次电子发射,注入离子能量减弱，一定深度后停止运动,原子,电子,溅射现象,当运动的原子运动到固体表面时，如果其能量大于表面的势垒，它将克服表面的束缚而飞出表面层，这就是溅射现象。溅射出来的粒子除了是原子外，也可以是原子团。溅射出来的原子进入鞘层后，与鞘层内的离子碰撞后将发生电离，形成新的离子。溅射原子或原子团也可以穿过鞘层进入等离子体，并捕获等离子体中的电子，形成带负电的粒子或粒子团，通常称为“尘埃粒子”。,尘埃粒子的存在将造成对等离子体的污染，这对采用等离子体技术制备高质量的薄膜材料是非常有害的,。,二次电子发射,当固体表面受到载能粒子轰击时，产生电子从表面发射出来的现象被称为二次电子发射。每入射一个载能粒子所发射出来的电子数称为二次电子发射系数。一般地，离子、电子、中性原子或分子与固体表面碰撞时，均可以产生二次电子发射。在,PSII,技术中，由于对基体施加较高的负偏高压，将有大量的二次电子从基体表面上发射出来。这些,二次电子的出现，一方面改变了鞘层电位的大小和分布，另一方面它们经鞘层电场加速后，以较高的速度撞击到器壁表面，产生较强的,X,射线，这对人体的健康是非常有害的。,离子,靶原子,二次电子,通过控制电学条件（电流、电压），离子注入可精确控制浓度和深度；,不受材料固溶度限制；,横向扩散小；,选用一种离子注入，不免混入杂质。,离子注入可进行,MOS,源、漏区掺杂,b,通道效应,A,B,注入离子,有,周期性排列,固定晶体结构的,Si,中，,如果注入路径在不受,Si,原子阻挡的方向,碰撞不会发生，,注入离子长驱直入到硅晶圆很深的地方,通道效应,通道效应的结果使离子注入深度难控制,离子注入通道效应,抑制通道效应的方法：,a.,把晶片对离子注入的方向倾斜一个角度（,0-15,),b.,在结晶硅的表面铺一层非结晶系材质,SiO,2,，使注入离,子在进入硅晶片之前先与无固定排列方向的,SiO,2,碰撞。,c.,先在硅内进行一次轻微的离子注入，使硅的规则排列,破坏然后再进行离子进入。,a,b,c,目,的：,由于离子注入所造成的损伤，使得半导,体的迁移率和寿命等参数受到严重；此,外，大部分注入离子并不处于置换位,置，未被激活。,通过退火可以解决或改,善以上问题。,C,退 火,离子注入后要退火处理,2.,离子注入机,离子注入系统的原理示意图,注入的离子是在,离子源,中产生 的,(,原料气,BF3, AsH3, PH3,进入离化室产生正离子所产生的正离子，被强电场引入,质量分析器,，,选出所需要的离子，这些离子通过,加速器,被加速， 通常还,聚焦,成束，经,偏束板,将中性粒子除去，,光栅扫描,后，离子打在,圆片衬底,上。,真空系统, 离子源,通过,电子,和,掺杂气体,的碰撞产生离子的装置,磁铁,磁铁,W,丝,，通过加热产生,热离子化电子,弧光室,掺杂气体,P,、,B,或,As,的硫化物、,氟化物或氢化物作为,离子源,利用电磁力,使电子运动,正离子,分离磁场,利用不同离子在磁场中所受洛仑兹力不同，,因而运动轨迹不同来分离出单一离子。,加速器,将掺杂离子加速达到足够的速度能够穿入硅晶片,离子源,（,BF,3,）,正,离,子,B,3+,B,+,BF,2,+,B,3+,分离磁场,聚焦,离子加速后，由于相同电荷的排斥作用而发散，这将导致离子,密度不均和掺杂层不均，通过聚焦镜将离子聚焦成细束。, 中性粒子偏束器,离子束和一些气体分子可能碰撞产生中性原子，,为了消除中性原子的影响，用,偏束器将离子束,偏离,7,，而中性原子沿原方向射出。,（,1,）,注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的离子纯度高，能量单一，从而,保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。,（,2,）注入剂量在,10,11,-10,17,离子,cm,2,的较宽范围内，同一平面内的,杂质均匀度可保证在,1,的精度。,（,3,）离子注入时，衬底一般是保持在室温或低于,400,。,避免高温扩散所引起的热缺陷,，同时横向效应比热扩散小得多。另外像二氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。,对器件制造中的自对准掩蔽技术给予更大的灵活性,，这是热扩散方法根本做不到的。,3.,离子注入优点,（,4,）注入杂质按掩模版图形近于垂直入射，,有利于器件按征,尺寸的缩小。,（,5,）,离子注入深度,是随离子能量的增加而增加。,（,5,）离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底材料中溶,解度的限制，原则上对各种元素均可掺杂，这就使,掺杂,工艺灵活多样，适应性强。,根据需要可从几十种元素中,挑选合适的,N,型或,P,型杂质进行掺杂。,（,7,）,容易实现化合物半导体的掺杂,。,