3.4扩散与离子注入资料.ppt

3.4 扩散与离子注入扩散与离子注入 扩散扩散:利用原子在利用原子在高温高温下（下（900-1200900-1200）的扩散运动，杂质原子从浓度很高的扩散运动，杂质原子从浓度很高 的杂质源向低浓度区扩散并形成一的杂质源向低浓度区扩散并形成一 定的分布。定的分布。离子注入离子注入：电离的杂质离子经几十至几百千伏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的电压下进行加速，在获得较高速度后注入半导体内。半导体内。掺杂工艺掺杂工艺材料 A材料 B材料 A材料 B材料 A材料 B3.4.1 扩散（扩散（70年代初期）年代初期）1.扩散机理扩散机理恒定的表面浓度：杂质为气相源恒定的表面浓度：杂质为气相源 杂质蒸汽（杂质蒸汽（800800925925）硅表面硅表面扩散到硅片内扩散到硅片内恒定的总掺杂剂量：恒定的总掺杂剂量：首先在硅表面形成薄杂质层首先在硅表面形成薄杂质层扩散到硅片内扩散到硅片内（1 1）掺杂浓度不能超过半导体的）掺杂浓度不能超过半导体的固浓度固浓度。（2 2）较难得到较难得到轻微的杂质轻微的杂质分布分布（3 3）横向扩散横向扩散大约达到结深度大约达到结深度8080的距离。使得最后的扩的距离。使得最后的扩 散区尺寸超过窗口尺寸。散区尺寸超过窗口尺寸。（4 4）900-1200高温高温下进行下进行横向扩散横向扩散扩散应用于扩散应用于 n-sub p-sub 掺杂掺杂扩散特点：扩散特点：PSUBn+Substrate扩散扩散2.扩散设备与扩散源扩散设备与扩散源扩散设备：扩散炉扩散设备：扩散炉扩散源：扩散源：气态、液态气态、液态运输方便，纯度高运输方便，纯度高 固态固态立式扩散炉立式扩散炉液态源液态源液态源：磷扩散掺杂液态源：磷扩散掺杂4POCl3+3O22P2O5+6ClP2O5+Si4P+5SiO2(还原反应还原反应)N2POCl3液瓶液瓶 POCl3气泡气泡 O2石英管内反应石英管内反应固态源固态源气态源气态源易挥发的固态源 加工材料加工材料气气态态源源液液态态源源固固态态源（源（易挥发易挥发的的氧化物或其他氧化物或其他化合物）化合物）AsAsH3、AsF3砷玻璃砷玻璃AlAsO4PPH3、PF3POCl3BB2H6、BF3、BCl3BBr3 BNSbSbH3SbCl3Sb2O3 扩散浓度扩散浓度一方面决定于源的情况，当源足量时则决定于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准确控制浓度和深度扩散深度扩散深度取决于扩散系数取决于扩散系数D D和扩散时间和扩散时间t tD=Doe-E/kT对对于于一一定定杂杂质质在在特特定定固固体体中中激激活活能能E E和和D Do o是是一一定定的的，所所以以D D与与T T是指数上升关系。是指数上升关系。为了精确控制深度为了精确控制深度,精确控制温度精确控制温度(0.5)0.5)十分重要。十分重要。4.扩散的测量技术扩散的测量技术扩散结果扩散结果扩散层的结深：化学染色后磨斜角（扩散层的结深：化学染色后磨斜角（HFHF）条纹干涉条纹干涉方块电阻：探针技术方块电阻：探针技术杂质分布：杂质分布：C-VC-V法法3.4.2 离子注入（离子注入（70年代后）年代后）低温低温没有横向扩散没有横向扩散掺杂剂量可以控制掺杂剂量可以控制注入的深度可以控制注入的深度可以控制（1 1）高温）高温（2 2）不能超过杂质的固浓度）不能超过杂质的固浓度（3 3）较难得到轻微的杂质分布较难得到轻微的杂质分布（4 4）横向扩散）横向扩散扩散扩散离子注入：离子注入：电离的杂质离子经静电场（电离的杂质离子经静电场（5-200 keV)加速注入半导体内。加速注入半导体内。使扩散使扩散 1.离子注入过程离子注入过程IonEatoms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，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（到某一定的值（约为约为20eV20eV左右左右 )时，将停止在固体中不再运时，将停止在固体中不再运动。上述过程被称为动。上述过程被称为离子注入过程离子注入过程。n a a 离子碰撞离子碰撞反弹反弹注入注入溅射原子溅射原子 二次电子发射二次电子发射离子注入到晶圆内离子注入到晶圆内离离子子原原子子溅溅射射二次二次电子电子反反弹弹轻离子反弹轻离子反弹经加速的离子碰撞晶圆靶面经加速的离子碰撞晶圆靶面足够的重离子进入靶内，足够的重离子进入靶内，与与原子和电子原子和电子发生碰撞发生碰撞原原子子从从晶晶格格中中脱脱离离产生产生溅射现象溅射现象晶格热振动使靶温度晶格热振动使靶温度电电子子被被激激发发到到高高能能级级，一一段时间后回到基态段时间后回到基态弹性碰撞弹性碰撞非弹性碰撞非弹性碰撞能量以光波形式释放能量以光波形式释放二次电子发射二次电子发射 注入离子能量减弱，一定深度后停止运动注入离子能量减弱，一定深度后停止运动原子原子电子电子溅射现象溅射现象 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，通常称为粒子团，通常称为“尘埃粒子尘埃粒子”。尘埃粒子的存在将造成对等离子体的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。二次电子发射二次电子发射 当当固固体体表表面面受受到到载载能能粒粒子子轰轰击击时时，产产生生电电子子从从表表面面发发射射出出来来的的现现象象被被称称为为二二次次电电子子发发射射。每每入入射射一一个个载载能能粒粒子子所所发发射射出出来来的的电电子子数数称称为为二二次次电电子子发发射射系系数数。一一般般地地，离离子子、电电子子、中中性性原原子子或或分分子子与与固固体体表表面面碰碰撞撞时时，均均可可以以产产生生二二次次电电子子发发射射。在在PSIIPSII技技术术中中，由由于于对对基基体体施施加加较较高高的的负负偏偏高高压压，将将有有大大量量的的二二次次电电子子从从基基体体表表面面上上发发射射出出来来。这这些些二二次次电电子子的的出出现现，一一方方面面改改变变了了鞘鞘层层电电位位的的大大小小和和分分布布，另另一一方方面面它它们们经经鞘鞘层层电电场场加加速速后后，以以较较高高的的速速度度撞撞击击到到器器壁壁表表面面，产产生生较较强强的的X X射射线线，这这对对人人体体的健康是非常有害的。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；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；不受材料固溶度限制；横向扩散小；横向扩散小；选用一种离子注入，不免混入杂质。选用一种离子注入，不免混入杂质。离子注入可进行离子注入可进行MOS 源、漏区掺杂源、漏区掺杂n b b 通道效应通道效应AB注入离子注入离子有有周期性排列周期性排列固定晶体结构的固定晶体结构的SiSi中，中，如果注入路径在不受如果注入路径在不受SiSi原子阻挡的方向原子阻挡的方向碰撞不会发生，碰撞不会发生，注入离子长驱直入到硅晶圆很深的地方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通道效应的结果使离子注入深度难控制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离子注入通道效应抑制通道效应的方法：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（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在结晶硅的表面铺一层非结晶系材质SiO2，使注入离，使注入离 子在进入硅晶片之前先与无固定排列方向的子在进入硅晶片之前先与无固定排列方向的SiO2碰撞。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。破坏然后再进行离子进入。abc 目目的：的：由于离子注入所造成的损伤，使得半导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外，大部分注入离子并不处于置换位 置，未被激活。置，未被激活。通过退火可以解决或改通过退火可以解决或改 善以上问题。善以上问题。n C C 退退 火火离子注入后要退火处理离子注入后要退火处理 2.离子注入机离子注入机离子注入系统的原理示意图离子注入系统的原理示意图注注入入的的离离子子是是在在离离子子源源中中产产生生 的的 (原原料料气气BF3,BF3,AsH3,AsH3,PH3 PH3 进进入入离离化化室室产产生生正正离离子子所所产产生生的的正正离离子子，被被强强电电场场引引入入质质量量分分析析器器，选选出出所所需需要要的的离离子子，这这些些离离子子通通过过加加速速器器被被加加速速，通通常常还还聚聚焦焦成成束束，经经偏偏束束板板将中性粒子除去，将中性粒子除去，光栅扫描光栅扫描后，离子打在后，离子打在圆片圆片衬底衬底上。上。真空系统真空系统 离子源离子源通通过过电电子子和和掺掺杂杂气气体体的的碰碰撞撞产生离子的装置产生离子的装置磁铁磁铁W丝丝，通过加热产生，通过加热产生热离子化电子热离子化电子弧光室 掺杂气体掺杂气体P P、B B或或AsAs的硫化物、的硫化物、氟化物或氢化物作为氟化物或氢化物作为离子源离子源利用电磁力利用电磁力使电子运动使电子运动正离子正离子 分离磁场分离磁场利用不同离子在磁场中所受洛仑兹力不同，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。因而运动轨迹不同来分离出单一离子。加速器加速器将掺杂离子加速达到足够的速度能够穿入硅晶片将掺杂离子加速达到足够的速度能够穿入硅晶片离子源离子源（BF3）正正 离离 子子B3+B+BF2+B3+分离磁场分离磁场 聚焦聚焦离子加速后，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。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，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，用为了消除中性原子的影响，用偏束器将离子束偏束器将离子束偏离偏离7，而中性原子沿原方向射出。，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，从而的离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。杂质源纯度的影响。（2 2）注入剂量在）注入剂量在10101111-10-101717离子离子cmcm2 2的较宽范围内，同一的较宽范围内，同一平面内的平面内的杂质均匀度可保证杂质均匀度可保证在在1 1的精度。的精度。（3 3）离子注入时，衬底一般是保持在室温或低于）离子注入时，衬底一般是保持在室温或低于400400。避免高温扩散所引起的热缺陷避免高温扩散所引起的热缺陷，同时横向效应比热扩，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。都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。对器件制造中的对器件制造中的自对准掩蔽技术给予更大的灵活性自对准掩蔽技术给予更大的灵活性，这是热扩散方法，这是热扩散方法根本做不到的。根本做不到的。3.离子注入优点离子注入优点（4 4）注入杂质按掩模版图形近于垂直入射，）注入杂质按掩模版图形近于垂直入射，有利于器件按征有利于器件按征 尺寸的缩小。尺寸的缩小。（5 5）离子注入深度离子注入深度是随离子能量的增加而增加。是随离子能量的增加而增加。（5 5）离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底材料中溶）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，这就使解度的限制，原则上对各种元素均可掺杂，这就使掺杂掺杂 工艺灵活多样，适应性强。工艺灵活多样，适应性强。根据需要可从几十种元素中根据需要可从几十种元素中 挑选合适的挑选合适的N N型或型或P P型杂质进行掺杂。型杂质进行掺杂。（7 7）容易实现化合物半导体的掺杂容易实现化合物半导体的掺杂。