1、掺杂工艺小结, 扩散与离子注入,微电子工艺,1.概述,掺杂工艺要实现在衬底上的定域、定量的掺杂 包括扩散和离子注入 两种掺杂工艺各有优缺点 在掺杂前先通过氧化和光刻在衬底表面制备氧化层掩膜,2.对比,扩散为准热力学平衡过程，所以受固溶度的限制 离子注入为非热力学平衡过程，不受固溶度的限制 扩散工艺温度高，为900-1200 离子注入温度低，在室温或400以下，但退火时所需温度较高，一般在800以上 扩散工艺对杂质的控制能力低 离子注入对掺杂浓度和分布的控制力较好，适合浅结掺杂及对浓度及分布要求较高的场合,2.对比,扩散工艺的横向效应严重，相对而言，离子注入要好得多 离子注入会导致晶格损伤 离子
2、注入可实现对化合物半导体的掺杂 两种工艺各有千秋，通常将两者混合使用，即采用离子注入将定量杂质射入衬底表面，再通过扩散将杂质推入内部，形成所需分布（和扩散工艺中先恒定表面源扩散，再限定表面源扩散有异曲同工之妙）,3.扩散,概念 目的：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 形成：浓度梯度 扩散机构（三种）：间隙式扩散替位式扩散间隙替位式扩散,3.扩散,替位式扩散：以近邻处有空位为前题 替位扩散杂质：As， Al，Ga，Sb，Ge 对替位扩散杂质而言，在晶格位置上势能相对较低，在间隙处势能较高（和间隙式杂质正好相反，对比图5-2和图5-3） 替位式扩散速率比填隙式扩散低得多
3、 填隙扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg 两种扩散速率与温度均成指数关系,3.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。 B，P一般作为间隙替位式扩散杂质 注：填隙式杂质没有占据晶格格点位置，无电活性，讨论意义不大 替位式杂质扩散速率慢，称慢扩散杂质，间隙替位式扩散杂质称为快扩散杂质,3.扩散,固体中的扩散基本特点 （1）固体中明显的质点扩散常开始于较高的温度，但实际上又往往低于固体的熔点。 （2）晶体结构将以一定的对称性和周期性限制着质点每一步迁移的方向和自由行程。 扩散方程
4、：菲克第二定律 扩散系数：D =D0exp(-Ea/kT) 扩散系数主要受温度的影响，当然也受杂质浓度等的影响,3.扩散,两种方式：恒定表面源扩散和限定表面源扩散 扩散工艺重要的工艺参数包括：杂质的分布表面浓度 结深掺入杂质总量 通过求解一维扩散方程，带入不同初始条件和边界条件可以得出两种方式的分布函数,3.扩散,恒定表面源扩散杂质分布情况（余误差分布）特点：延长扩散时间： 表面杂质浓度不变； 结深增加； 扩入杂质总量增加； 杂质浓度梯度减小。 表面浓度一般为杂质在半导体的固溶度 限定表面源扩散杂质分布情况（高斯分布) 这里的高斯分布和离子注入的高斯分布有所区别,3.扩散,特点：延长扩散时间(
5、提高扩散温度T )： 杂质表面浓度迅速减小；杂质总量不变； 结深增加； 杂质浓度梯度减小。 实际扩散工艺： 两步工艺 分为预淀积（预扩散）、再分布（主扩散）两步。,3.扩散,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，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 D1t1D2t2预扩散起决定作用，杂质按余误差函数形式分布 D1t1 D2t2主扩散起决定作用，杂质按高斯函数形式分布,3.扩散,四个效应：氧化增强、发射区推进、横向扩散、场助扩散 硼在氧化气氛中的扩散存在明显增强现象，磷、砷也有
6、此现象；锑在氧化气氛中的扩散却被阻滞。（原因自己看书） 采用离子注入可以减小横向扩散效应 场助扩散效应在硅片内形成一内建电场E，起加速扩散的作用,3.扩散,NPN管,千呼万唤始出来 离子注入 在取代热扩散技术的道路上越走越远,4.离子注入,概念： 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 特点 可精确控制掺杂浓度和分布 非平衡过程，不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度 注入元素通过质量分析器选取，纯度高，能量单一 低温过程（因此可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质）；避免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂； 横向
7、效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小 可防止玷污（通过硅表面的薄膜注入硅中），自由度大,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）,相关概念： R：射程（range） 离子在靶内的总路线长度 Xp：投影射程（projected range） R在入射方向上的投影 Rp：平均投影射程 所有入射离子投影射程的平均值 Rp：标准偏差 投影射程的平均偏差 R：横向标准偏差垂直于入射方向平面上的标准偏差,4.离子注入,LSS理论对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究 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核碰撞 和电子碰撞
8、 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。,托马斯费米 屏蔽函数,能量损失率与离子能量的关系,低能量时核阻止本领随能量增加呈线性关系，在高能量时，因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换，所以核阻止本领较小,4.离子注入,电子碰撞：注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞 电子阻止本领和注入离子能量的平方根成正比,(1)低能区：Sn(E)占主要地位，Se(E)可忽略 (2)中能区：Sn(E)和Se(E)同等重要 (3)高能区：Se(E) 占主要地位， Sn(E) 可忽略,4.离子注入,用以上理论解释下面两幅图：注入离子在靶中的分布：
9、接近高斯分布 三个效应：横向效应、沟道效应、背散射效应,4.离子注入,横向效应：注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况 相对与热扩散，离子注入的横向扩展要小得多 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，几乎不会受到原子核的散射，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。 临界角:决定一个入射离子能否进入沟道,4.离子注入,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” 减少沟道效应的措施： 对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离710o 用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层 增加注入剂量
10、（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少） 表面用SiO2层掩膜,4.离子注入,背散射现象：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，未进入衬底的现象 两种情况 当轻离子注入到较重原子的靶中，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 重离子注入较轻原子的靶中，情况则相反,4.离子注入,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。 高能离子在靶内与
11、晶格多次碰撞，从而导致靶的晶格损伤 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,4.离子注入,碰撞中，当转移能量EEd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。 损伤有三种：点缺陷非晶区非晶层 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,4.离子注入,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1. 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
12、和注入离子的质量有关 2.与靶温关系 -自退火 3.与注入离子能量关系 4.与注入离子剂量率之间关系 5.与晶体取向的关系 6.与注入速度的关系,4.离子注入,退火：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。 两个目的：使杂质具有电活性；减小点缺陷密度 退火效果与温度，时间有关 退火后出现靶的杂质再分布 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,4.离子注入,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（electrically active）
13、 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 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,4.离子注入,B、P的退火,4.离子注入,退火后往往会留下所谓二次缺陷。 二次缺陷可以影响载流子的迁移率、少数载流子寿命及退火后注入原子在晶体中的位置等，因而直接影响半导体器件的特性。 源的问题： 源：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 离子源：灯丝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,4.离子注入,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；降低注入能量E0；预非晶化，先注入Si+、Ge、Sb浅结目的：抑制MOS晶体管的穿通电流，减小器 件的短沟效应-因此要求减小CMOS源/漏结的结深,结束,
