扩散与离子注入

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,*,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,第十七章,扩散和,离子注入,1,17.1,引 言,本章主要内容：,扩散工艺和离子注入工艺,扩散和离子注入,工艺的应用,扩散和离子注入,设备,本章知识要点：,掌握掺杂的目的和应用；,掌握扩散和离子注入的原理及其应用；,掌握退火效应和沟道效应,了解离子注入设备。,2,掺杂原因：,本征硅导电能力很差。,在硅中加入一定数量和种类的,杂质,，改变其电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。,17.1,引 言,3,半导体常用杂质,17.1,引 言,4,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。,Oxide,Oxide,P Silicon substrate,Diffused,region,N,Dopant gas,束扫描,Mask,Mask,Silicon substrate,x,j,离子注入机,17.1,引 言,5,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,。,17.1,引 言,6,具有掺杂区的,CMOS,结构,17.1,引 言,7,17.1,引 言,8,亚微米,CMOS IC,制造厂典型的硅片流程模型,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,17.1,引 言,9,17.2,扩散,10,扩散原理,固溶度,扩散机构,扩散方式,扩散工艺,扩散效应,17.2,扩 散,11,17.2.1,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,12,1100,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,。,17.2.2,固溶度,13,在间隙位置被转移的硅原子,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,c),机械的间隙转移,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,a),硅晶格结构,b),替位扩散,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Vacancy,Dopant,d),间隙扩散,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,间隙式杂质,(,杂质原子半径较小,),17.2.3,杂质扩散机构,14,杂质原子在半导体中扩散的方式有两种：,间隙式扩散：间隙式杂质原子在晶格的间隙位置间运动。,替位式扩散：替位式杂质原子依靠周围空的格点（即空位）来进行扩散。,如对硅而言，,Au,、,Ag,、,Cu,、,Fe,、,Ni,等半径较小的杂质原子按间隙式扩散；,P,、,As,、,Sb,、,B,、,Al,、,Ga,、,In,等半径较大的杂质原子按替位式扩散。,17.2.3,杂质扩散机构,15,间隙式扩散：,必须要越过一个高度为,E,i,为,0.61.2eV,的势垒,越过势垒的几率：,扩散系数：,17.2.3,杂质扩散机构,16,替位式扩散：,只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位（势垒高度,E,v,），同时还需大于势垒高度,E,s,的能量，替位杂质才能运动到近邻空位上。,越过势垒的几率：,扩散系数：,由于（,E,v+,E,s,）比,E,i,大（其差值远大于,kT,），因而,替位杂质扩散远比间隙杂质的扩散慢,17.2.3,杂质扩散机构,17,17.2.3,杂质扩散机构,扩散系数与温度有关,D,0,：,扩散率,E,：扩散工艺激活能,k,0,：,玻耳兹曼常数,T,：绝对温度。,18,扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度,保持不变,表面杂质浓度由,该杂质在此温度下的,固溶度,决定：,边界条件,1,：,N,(0,t)=,N,s,假定杂质在硅片内扩散的深度远小于硅片的厚度：,边界条件,2,：,N,(,t)=0,在扩散开始时，硅片内没有杂质扩进，初始条件为：,N,(x,0)=,0 x 0,一、恒定表面浓度的扩散,17.2.4,杂质扩散方式,19,x,是由表面算起的垂直距离,(cm),，,t,代表扩散时间,(s),恒定表面源扩散，杂质为余误差分布,17.2.4,杂质扩散方式,20,在一定扩散温度下，表面杂质浓度,N,s为由扩散温度下的,固溶度,决定。,扩散时间越长，扩散温度越高，扩散进硅片内的杂质数量,就越多。对单位面积的半导体而言，在,t 时间内扩散到体内的杂质总量可求出：,恒定表面源扩散的主要特点,:,扩散时间越长，温度越高，扩散深度越大。结深的位置由,N,(x,j,t)=,N,B,和,上面公式可得：,17.2.4,杂质扩散方式,21,扩散开始时，半导体表面,杂质源总量一定,，此种扩散称为有限源扩散。,假定扩散开始时硅表面单位面积的杂质总量为Q，且均匀地在一极薄的一层内（厚度h）,，杂质在硅片内要扩散的深度远大于,h。,初始条件和边界条件为：,N,(,x,0,),=0，x h,N,(,x,0,),=Ns=Q/h，0 x h,N(,t)=0,二、有限源扩散,:,17.2.4,杂质扩散方式,22,有限源扩散，杂质分布为高斯分布,17.2.4,杂质扩散方式,23,扩散时间越长，杂质扩散越深，表面浓度越低；扩散温度越高，杂质扩散得也越深，表面浓度下降得越多；,在整个扩散过程中，杂质总量Q,保持不变,。,表面杂质浓度可控，任何,t,时刻的表面浓度为：,因此有限源扩散的杂质分布也可表示为：,有限源扩散,的主要特点,:,17.2.4,杂质扩散方式,24,结深为：,表面浓度,N,s,与扩散深度成反比，扩散越深，则表面浓度越低；,N,B,越大，结深将越浅。,17.2.4,杂质扩散方式,25,为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求，实际生产中常采用两步扩散工艺：,第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表面源扩散方式，其分布为余误差函数，目的在于控制扩散杂质总量；,第二步称为主扩散或再分布，将表面已沉积杂质的硅片在较高温度下扩散，以控制扩散深度和表面浓度。,激活：,杂质原子与衬底原子形成共价键，成为替位式杂质,。,17.2.4,杂质扩散方式,在引入扩散源后作推进扩散时，常常会在硅片上表面有一氧化层或其它覆盖层保护硅片，使硅片中的杂质不会挥发到大气中去。,26,17.2.6,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,(PH,4,),、砷烷,(AsH,3,),、氢化锑,(SbH,3,),、乙硼烷,(H,2,B,6,),等,(,剧毒气体,),三氯氧磷,(POCl3),、,硼酸三甲脂,B(CH3)O3,（,B2O3,，,P2O5,，,BN,等）,27,磷的液态源扩散,三氯氧磷（,POCl,3,）是普遍选用的液态源，无色透明液体，有毒，在室温下具有较高的蒸气压。磷的液态源扩散做为预扩散，其化学反应式：,POCl,3,PCl,5,P,2,O,5,PCl,5,O,2,P,2,O,5,Cl,2,POCl,3,O,2,P,2,O,5,Cl,2,P,2,O,5,Si P,SiO,2,17.2.6,扩散工艺,28,硼的涂源扩散,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：,B,2,O,3,Si B,SiO,2,17.2.6,扩散工艺,29,方块电阻,(Rs:,单位为,/,),和结深是扩散的重要工艺参数，两个参数已知则扩散分布曲线也可确定下来。,结深测量,:,磨角染色法,HF,与,0,1,HNO3,的混合液，使,p,区的显示的颜色比,n,区深,方块电阻,(Rs:,单位为,/,):,17.2.6,扩散工艺,V,I,t,S S S,1,4,3,2,30,17.2.7,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%,一,85,。,横向扩散导致沟道长度的减小，影响器件的集成度和性能。,31,硼、磷杂质在,SiO,2,Si,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,SiO,2,，杂质在,SiO,2,Si,界面发生分凝效应，使杂质在,SiO,2,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,SiO,2,吸硼排磷。,17.2.7,扩散效应,32,17.2.8,扩散常用杂质源,33,17.3,离子注入,34,a),低掺杂浓度,(n,p,),浅结,(x,j,),Mask,Mask,Silicon substrate,x,j,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,(x,j,),束扫描,高能,大剂量,慢速扫描,Mask,Mask,Silicon substrate,x,j,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,。,17.3,离子注入,35,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,离子注入机示意图,17.3,离子注入,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,）,36,17.3.1,离子注入特点,离子注入的优点：,精确地控制掺杂浓度和掺杂深度,可以获得任意的杂质浓度分布,杂质浓度均匀性、重复性很好,掺杂温度低,沾污少,无固溶度极限,37,离子注入的缺点：,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,17.3.1,离子注入特点,38,剂量：,剂量是单位面积硅片表面注入的离子数，单位是原子每平方厘米。,Q,：剂量，原子数,/cm,2,；,I,：束流，库伦,/,秒；,n,：每个离子的电荷数；,A,：注入面积；,t,：时间。,离子注入是硅片制造的重要技术，主要原因之一是它能够,重复,向硅片中,注入相同剂量的杂质,。,17.3.2,离子注入参数,39,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,的电场运动，它的能量为,100KeV,17.3.2,离子注入参数,40,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,X-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,与靶材料的,电子,发生碰撞；,核阻止是,杂质原子,与,硅原子