哈工大微电子工艺03定域掺杂工艺

1、1微电子工艺（微电子工艺（3 3） -定域掺杂工艺定域掺杂工艺田丽田丽2第第3章章 扩散扩散n扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在在900-1200的高温，杂质（非杂质）气的高温，杂质（非杂质）气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，又称热扩散。又称热扩散。n目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型，电阻率，或形成体导电类型，电阻率，或形成PN结。结。3内容内容n3.1 杂质扩散机构杂质扩散机构n3.2 扩散系数与扩散方程扩散系数与扩散方程n3.3 扩散杂质的分布扩散杂质的分布

2、n3.4 影响杂质分布的其他因素影响杂质分布的其他因素n3.5 设备与工艺设备与工艺n3.6 扩散工艺的发展扩散工艺的发展43.1 杂质扩散机构杂质扩散机构n扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。零度时，任何物系内的质点都在作热运动。n当物质内有梯度当物质内有梯度(化学位、浓度、应力梯度等化学位、浓度、应力梯度等)存在时，存在时，由于热运动而触发由于热运动而触发(导致导致)的质点定向迁移即所谓的扩的质点定向迁移即所谓的扩散。散。因此，扩散是一种因此，扩散是一种传质传质过程，宏观上表现出物质过程，宏观上表

3、现出物质的定向迁移。的定向迁移。n扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式，结扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式，结果使其浓度趋于均匀。果使其浓度趋于均匀。5扩散的微观机制扩散的微观机制(a) 间隙式扩散（间隙式扩散（interstitial） (b) 替位式扩散（替位式扩散（substitutional）间隙扩散间隙扩散杂质：杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg替位扩散替位扩散杂质杂质：As， Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的运动一般是以近邻替位原子的运动一般是以近邻处有处有空位空位为前题为前题B，P，一般作为替代式扩，一般作为替代式扩散杂质，实际情况更复杂，散杂质，实际

4、情况更复杂，包含了硅自间隙原子的作包含了硅自间隙原子的作用，称填隙式或推填式扩用，称填隙式或推填式扩散散6固相扩散工艺固相扩散工艺n微电子工艺中的扩散，是杂质在晶体内的扩散，微电子工艺中的扩散，是杂质在晶体内的扩散，是固相扩散工艺。是固相扩散工艺。n固相扩散是通过微观粒子一系列随机跳跃来实固相扩散是通过微观粒子一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，主要有现的，这些跳跃在整个三维方向进行，主要有三种方式三种方式 间隙式扩散间隙式扩散 替位式扩散替位式扩散 间隙间隙替位式扩散替位式扩散7间隙式扩散间隙式扩散间隙原子扩散势场示意图间隙原子扩散势场示意图Wi=0.6-1.2eV8 按照玻

5、尔兹曼统计规律，获得大于能过按照玻尔兹曼统计规律，获得大于能过Wi的几率正比的几率正比于于exp(-WikT) k：玻尔兹曼常数：玻尔兹曼常数 kT:平均振动能，平均振动能，0.026eV 0：振动频率，振动频率，1013-1014/skTWievP/0i跳跃率跳跃率iP室温下，室温下， 约每分钟一次。约每分钟一次。iP9替位式扩散替位式扩散 产生替位式扩散必需存在空位。产生替位式扩散必需存在空位。 晶体中空位平衡浓度相当低，晶体中空位平衡浓度相当低，室温下，替位式扩散跳跃率约每室温下，替位式扩散跳跃率约每1045年一次。年一次。eV430sv)/kTW(WvWWevPsWs空位浓度空位浓度k

6、TWvNen/10间隙间隙-替位式扩散替位式扩散n许多杂质即可以是替位式也可以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，并是间隙式溶于晶体的晶格中，并以间隙以间隙-替位式扩散。替位式扩散。n这类扩散杂质的跳跃率随这类扩散杂质的跳跃率随空位空位和和自间隙自间隙等缺陷的浓度增加而迅速等缺陷的浓度增加而迅速增加。增加。 11间隙间隙-替位式扩散替位式扩散杂质原子被从晶杂质原子被从晶格位置格位置“踢出踢出”(Kick-out)AVA+I Ai 123.2 扩散系数与扩散方程扩散系数与扩散方程n晶体衬底中杂质扩散流密度与杂质浓度晶体衬底中杂质扩散流密度与杂质浓度梯度成正比。比例系数梯度成正比

7、。比例系数D定义为杂质在衬定义为杂质在衬底中的扩散系数。底中的扩散系数。xxDJ) t ,(CFick第一扩散定律第一扩散定律13一、一、 Fick第一定律第一定律 稳定扩散：稳定扩散： 扩散质点浓度不随时间变化扩散质点浓度不随时间变化 推动力：推动力： 浓度梯度浓度梯度xJxC 、00 xJtC、描述：描述： 在扩散过程中，体系内部各处扩散质点的在扩散过程中，体系内部各处扩散质点的浓度浓度不随时间变化不随时间变化，在，在x方向各处方向各处扩散流量相等扩散流量相等。定律含义：定律含义： 单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积上扩散的物质数量和浓度梯度成正比。

8、积上扩散的物质数量和浓度梯度成正比。14扩散过程中溶质原子的分布15xCD JJ 扩散通量，单位时间通过单位截面的质点数扩散通量，单位时间通过单位截面的质点数(质点数质点数/s.cm2)D 扩散系数，单位浓度梯度的扩散通量扩散系数，单位浓度梯度的扩散通量 (m2/s 或或 cm2/s)C 质点数质点数/cm3“” 表示粒子从高浓度向低浓度扩散，即逆浓度梯度方向扩散表示粒子从高浓度向低浓度扩散，即逆浓度梯度方向扩散)(矢矢量量浓浓度度梯梯度度xC 表达式：表达式：16xCD J此式表明：此式表明：(1) 扩散速率取决于扩散速率取决于 外界条件外界条件 C/ x 扩散体系的性质扩散体系的性质 D(

9、2)扩散系数扩散系数D可作为表征扩散的一个参量。它不仅与扩散机构，也与扩散介可作为表征扩散的一个参量。它不仅与扩散机构，也与扩散介质和外部条件质和外部条件(单位浓度梯度、单位截面、单位时间通过的质点数单位浓度梯度、单位截面、单位时间通过的质点数)有关。有关。 D取决于取决于 质点本身的性质：质点本身的性质： 半径、电荷、极化性能等半径、电荷、极化性能等 基质：基质： 结构紧密程度，结构紧密程度， 缺陷的多少缺陷的多少 扩散系数是物质的一个物性指标扩散系数是物质的一个物性指标17扩散系数扩散系数（以替位式推导）（以替位式推导）nD0为表观扩散系数为表观扩散系数nE为扩散激活能为扩散激活能vP,t

10、axaC2vP,taxaC2(cm2/s)E/kT)(D)/kTw(wvaDPaDxC(x,t)PaP,taxaCP,taxaCJvsvvvvexpexp220022218Si中杂质类型中杂质类型n间隙式杂质间隙式杂质 主要是主要是A和和A族元素，有：族元素，有：Na、K、Li、H等，它们通常无电活性，在硅中以间等，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率快。隙方式扩散，扩散速率快。n替位式杂质替位式杂质 主要是主要是A和和A族元素，具有电族元素，具有电活性，在硅中有较高的固浓度。以替位方式扩散活性，在硅中有较高的固浓度。以替位方式扩散为主，也存在间隙为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散

11、速率慢，替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。称为慢扩散杂质。n间隙间隙替位式杂质替位式杂质 大多数过渡元素：大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以间隙等。都以间隙-替位方式扩散，替位方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。于替位的杂质具有电活性。19根据杂质在晶体中的扩散系数分n快扩散杂质：H，Li, Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, n慢扩散杂质：Al,P,B,Ga, Tl, Sb，Asn

12、在高温工艺中，如扩散、外延，掺杂元素的扩散系数小些好20扩散系数扩散系数21菲克第二定律菲克第二定律当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改变时，利用第一定律不容易求出。 通常的扩散过程大都是非稳态扩散，为便于求出，还要从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。 讨论晶体中杂质浓度与扩散时讨论晶体中杂质浓度与扩散时间的关系，又称第二间的关系，又称第二Fick定律。定律。22第二扩散定律第二扩散定律sdJJsJtsdx CxxDxJtCC22CCxDtdxJJ+dJSx x+dx233.3 扩散杂质的分布扩散杂质的分布n扩散工艺是要将具有电活性的杂质，在一定温度，以一定扩散工艺是要将具有电活性

13、的杂质，在一定温度，以一定速率扩散到衬底硅的特定位置形成速率扩散到衬底硅的特定位置形成pn结，或者得到所需的结，或者得到所需的掺杂浓度。掺杂浓度。n扩散工艺重要的工艺参数包括：扩散工艺重要的工艺参数包括： 杂质的分布杂质的分布 表面浓度表面浓度 结深结深 掺入杂质总量掺入杂质总量24恒定表面源扩散恒定表面源扩散n指硅一直处于杂质氛围中，硅片指硅一直处于杂质氛围中，硅片表面达到了该扩散温度的固溶度表面达到了该扩散温度的固溶度Cs。解扩散方程：。解扩散方程：n边界条件为：边界条件为：C(0，t)=Cs C(，t)= 0n初始条件为：初始条件为：C(x，0)=0，x0 n恒定表面源扩散杂质分布情况恒

14、定表面源扩散杂质分布情况2sxC x,tC erfcDt22CCxDtxCBCsxj1 xj2 xj3C(x,t)t1t2t302sxC x,tC erfcDt22CCxDt25恒定表面源扩散恒定表面源扩散nerfc称为余误差函数。恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布，延称为余误差函数。恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布，延长扩散时间：长扩散时间： 表面杂质浓度不变；表面杂质浓度不变； 结深增加；结深增加； 扩入杂质扩入杂质总量增加；总量增加； 杂质浓度梯度减小。杂质浓度梯度减小。DtADtsCCerfc2jxB14DtxeDtsCx,txC(x,t)Dts1.13C0Dts2Cdxx,tCQ2结深

15、结深杂质数量杂质数量杂质浓度梯度杂质浓度梯度26有限表面源扩散有限表面源扩散 n指杂质源在扩散前积累于硅片指杂质源在扩散前积累于硅片表面薄层表面薄层h内，内， Q为为单位面积单位面积杂质总量，解扩散方程：杂质总量，解扩散方程：边界条件边界条件:C(x,0)=Q/h, 0 xhXXj1 Xj2 Xj3CsCsCs”t1t2t3C(x,t)00 ,CQdxxDtxeDtQtxC42,CB0 hn有限表面源扩散杂质分布情况有限表面源扩散杂质分布情况27有限表面源扩散有限表面源扩散n有限源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。延长扩散时间：有限源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。延长扩散时间： 杂质表面浓度迅

16、速减小；杂质表面浓度迅速减小；杂质总量不变；杂质总量不变； 结深增加；结深增加； 杂质浓度梯度减小杂质浓度梯度减小。 DtQCsC(x,t)2Dtx(x,t)xC(x,t)DtADtxBsj21CCln2杂质浓度梯度杂质浓度梯度杂质表面浓度杂质表面浓度结深结深28两步扩散n预淀积（预扩散）低温，短时，恒定表面源扩散杂质扩散很浅，杂质数量可控n主扩散（再分布） 高温，扩散同时伴随氧化控制表面浓度和扩散深度293.4 影响杂质分布的其他因素影响杂质分布的其他因素 实验发现硅中掺杂原子的分布，有实验发现硅中掺杂原子的分布，有Fick定定律不能解释地方：律不能解释地方：n在在npn窄基区晶体管基区和发

17、射区分别扩窄基区晶体管基区和发射区分别扩B和和扩扩P，在发射区正下方的基区要比不在发射，在发射区正下方的基区要比不在发射区正下方的基区深，即区正下方的基区深，即发射区推进效应发射区推进效应；n在热氧化过程中原存在在热氧化过程中原存在Si内的某些掺杂原子内的某些掺杂原子显现更高扩散性，即显现更高扩散性，即氧化增强扩散氧化增强扩散。30硅中点缺陷硅中点缺陷n空位空位 V0 、V+、 V- 、 V2-n自间隙自间隙 I、n替位杂质替位杂质 A，间隙杂质间隙杂质Ain间隙原子团间隙原子团 AI；AV；(AI)-31杂质原子与点缺陷的结合杂质原子与点缺陷的结合n自间隙与杂质的结合自间隙与杂质的结合可以促

18、进扩散运动。可以促进扩散运动。n如氧化时产生大量自如氧化时产生大量自间隙原子，间隙原子，AI团增大，团增大，导致扩散能力增加。导致扩散能力增加。32扩散系数与杂质浓度的关系扩散系数与杂质浓度的关系n扩散系数和空位成正比：扩散系数和空位成正比：DVn实际空位：实际空位：V=V0+V+V-+V2-+kTEEiviennNN/ )(00EcEvE2-E-E+0.11eV0.44eV0.06-0.16eV硅中空位的能带图硅中空位的能带图kTEaeNN/00)/kTE(EivicenpNN0033扩散系数与杂质浓度的关系扩散系数与杂质浓度的关系n硅衬底的掺杂浓度对杂质的扩散系数有影响，硅衬底的掺杂浓度对

19、杂质的扩散系数有影响，衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度Ce比扩散温度下本征载流子浓比扩散温度下本征载流子浓度度Ci高时高时(CeCi 1019/cm3) ，将使扩散系数，将使扩散系数显著提高，称之为显著提高，称之为场助扩散效应场助扩散效应。本征扩散系数：本征扩散系数：非本征扩散系数：非本征扩散系数：220020iiiiiiieiiiiiinnDnnDnpDDDDDDDDD34发射区推进效应发射区推进效应n也称为也称为发射区陷落效应发射区陷落效应。B扩散的增强是扩散的增强是由于磷与空位相互作用形成的由于磷与空位相互作用形成的PV对，发对，发生分解所带来的复合效应。生分解所带来的复合效应。xbcebnpn

20、掺掺BP扩散扩散掺掺P35氧化增强扩散氧化增强扩散(OED)n硼在氧化气氛中的扩散存在明显增强现象，磷、砷也有此现象。硼在氧化气氛中的扩散存在明显增强现象，磷、砷也有此现象。n原因是氧化诱生堆垛层错产生大量自填隙原因是氧化诱生堆垛层错产生大量自填隙Si，间隙，间隙-替位式扩散中的替位式扩散中的“踢出踢出”机制提高了扩散系数。机制提高了扩散系数。氧化层氧化层B有限源扩散有限源扩散氮化物氮化物p-Sin-Si氮化物氮化物n-Si氧化层氧化层掺掺BCB1019O2I+B IB36氧化阻滞扩散氧化阻滞扩散n锑扩散是以替位方式进行，氧化堆垛层错带来的自填隙硅填充锑扩散是以替位方式进行，氧化堆垛层错带来的

21、自填隙硅填充了空位，减少了空位浓度。了空位，减少了空位浓度。锑在氧化气氛中的扩散却被阻滞。锑在氧化气氛中的扩散却被阻滞。氮化物氮化物n-Sip-Si氧化层氧化层氮化物氮化物p-Si氧化层氧化层Sb有限源扩散有限源扩散CBD（111）n晶格缺欠越多，扩散速率也越大。晶格缺欠越多，扩散速率也越大。393.5 扩散设备与工艺扩散设备与工艺n扩散设备扩散设备多是炉丝加热的热壁式扩散炉。多是炉丝加热的热壁式扩散炉。和氧化炉相类似。和氧化炉相类似。n根据扩散源的不同有三种根据扩散源的不同有三种扩散工艺扩散工艺：固态：固态源扩散，液态源扩散，气态源扩散。源扩散，液态源扩散，气态源扩散。n选择源选择源必需满足

22、必需满足固溶度固溶度、扩散系数扩散系数要求。要求。n选择好选择好掩蔽膜掩蔽膜。40固态源扩散固态源扩散n扩散方式扩散方式n开管扩散开管扩散n箱式扩散箱式扩散n涂源扩散涂源扩散n固态源固态源 n陶瓷片或粉体：陶瓷片或粉体：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等等石英管石英管接排风接排风阀和流量计阀和流量计载载气气铂源舟铂源舟石英舟和硅片石英舟和硅片开管固态源扩散开管固态源扩散系统系统41液态源扩散液态源扩散n液态源液态源 POCl3、BBr3、B(CH3O)3 （TMB）接排风接排风阀和流量计阀和流量计载载气气石英舟和硅片石英舟和硅片石英管石英管温度控温度控制池制池源瓶和源瓶和液相源液相源液相源

23、扩散系统液相源扩散系统42气态源扩散气态源扩散n气态源气态源 BCl3、B2H6、PH3、AsH3石英管石英管接排风接排风阀和质量阀和质量流量计流量计气气源源石英舟和硅片石英舟和硅片气态源扩散系统气态源扩散系统43n一步工艺一步工艺 是惰性气氛下的恒定源扩散，杂质分是惰性气氛下的恒定源扩散，杂质分布服从余误差函数；布服从余误差函数；n两步工艺两步工艺 分为预淀积（预扩散）、再分布（主分为预淀积（预扩散）、再分布（主扩散）两步。扩散）两步。n预淀积预淀积是惰性气氛下的是惰性气氛下的恒定源扩散恒定源扩散，目的是在扩散窗，目的是在扩散窗口硅表层扩入总量口硅表层扩入总量Q一定的杂质。一定的杂质。n再分

24、布再分布是氧气氛或惰性气氛下的是氧气氛或惰性气氛下的有限源扩散有限源扩散，将窗口，将窗口杂质再进一步向片内扩散，目的是使杂质在硅中具有杂质再进一步向片内扩散，目的是使杂质在硅中具有一定的表面浓度一定的表面浓度Cs、分布、分布C（x）、且达到一定的结深）、且达到一定的结深xj，有时还需生长氧化层。有时还需生长氧化层。实际扩散工艺实际扩散工艺44NPN管的硼扩散管的硼扩散n原理原理 2 B2O3 + 3Si 4B +3SiO2 n选源选源 固态固态BN源使用最多，必须活化源使用最多，必须活化 活化：活化： 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2n特点特点 B与与Si原子半径相差较大，有伴生应力

25、缺陷，原子半径相差较大，有伴生应力缺陷，能造成晶格损伤。硼在硅中的最大固溶度达能造成晶格损伤。硼在硅中的最大固溶度达4*1020/cm3，但浓度在，但浓度在1020/cm3以上有结团现象。以上有结团现象。n工艺工艺 两部工艺，预淀积为恒定源扩散，用氮气保两部工艺，预淀积为恒定源扩散，用氮气保护，再分布有限源扩散，生长氧化层（干氧护，再分布有限源扩散，生长氧化层（干氧-湿氧湿氧-干氧）干氧）900-1100 45B扩散工艺流程扩散工艺流程n预淀积，一般预淀积温度较低，时间也较短。氮预淀积，一般预淀积温度较低，时间也较短。氮气保护。气保护。n漂硼硅玻璃，予淀积后的窗口表面有薄薄的一层漂硼硅玻璃，予

26、淀积后的窗口表面有薄薄的一层硼硅玻璃，用硼硅玻璃，用HF漂去。漂去。n再分布，温度较高，时间也较长。通氧气，直接再分布，温度较高，时间也较长。通氧气，直接生长氧化层。生长氧化层。n测方块电阻测方块电阻，方块电阻是指表面为正方形的薄膜，方块电阻是指表面为正方形的薄膜，在电流方向的电阻值。在电流方向的电阻值。 46方块电阻方块电阻Rn一个重要的工艺参数，一个重要的工艺参数，又称薄膜电阻又称薄膜电阻RsQjXpqjXjlXlsR11llXjIn-SiP-Si47NPN管的磷扩散管的磷扩散n原理原理 2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2n选源选源 固态固态P2O5陶瓷片源使用最多，无须活化。陶

27、瓷片源使用最多，无须活化。 n特点特点 磷是磷是n形替位杂质，形替位杂质， B与与Si原子半径接近，原子半径接近，杂质浓度可达杂质浓度可达1021/Cm3，该浓度即为电活性浓，该浓度即为电活性浓度。度。n工艺工艺 与硼扩相近两步工艺，不漂磷硅玻璃。与硼扩相近两步工艺，不漂磷硅玻璃。48NPN管管Nx5*102010183*1016N+PNN型型erfc分布分布P型高斯分布型高斯分布N型衬底型衬底0 Xebj XbcjNx发射区发射区基区基区集电区集电区B扩：扩：D1t1D2t249工艺条件的确定与质量检测工艺条件的确定与质量检测n工艺指标工艺指标n杂质表面浓度杂质表面浓度Csn结深结深xjn薄

28、层电阻薄层电阻Rsn分布曲线分布曲线C(x)n工艺条件工艺条件(T, t)的确定的确定n解析扩散方程获得工艺条件，目前用计算机解析扩散方程获得工艺条件，目前用计算机模拟获得工艺参数。模拟获得工艺参数。50扩散质量检测扩散质量检测n工艺参数：结深、杂质分布方块电阻、工艺参数：结深、杂质分布方块电阻、电阻率电阻率 n染色法测结深染色法测结深n阳极氧化测分布函数阳极氧化测分布函数n四探针法测电阻率、方块电阻四探针法测电阻率、方块电阻 n电参数测量电参数测量 nI-V曲线曲线51染色法测结深染色法测结深原理原理：Si的电极电位低于的电极电位低于Cu，Si能从硫酸铜染色液中能从硫酸铜染色液中把把Cu置换

29、出来，而且在置换出来，而且在Si表面上形成红色表面上形成红色Cu镀层，又镀层，又由于由于N型型Si的标准电极电位低于的标准电极电位低于P型型Si的标准电极电位，的标准电极电位，因此会先在因此会先在N型型Si上先有上先有Cu析出，这样就把析出，这样就把P-N结明结明显的显露出来。显的显露出来。染色液染色液：CuSO45H2O：48% HF：H2O=5g：2mL：50mLXj=Lsin 52四探针法测电阻率、方块电阻四探针法测电阻率、方块电阻n四探针法是四探针法是目前广泛采目前广泛采用的标准册用的标准册电阻率方法，电阻率方法，它具有操作它具有操作方便，精度方便，精度较高，对样较高，对样品的几何形品

30、的几何形状无严格要状无严格要求等优点。求等优点。 IIIVCrrrrIV2313413241223111121 2 3 453I-V曲线测量曲线测量n由不良的由不良的pn结反向特性结反向特性I-V曲线了解工曲线了解工艺情况艺情况543.6 扩散工艺的发展扩散工艺的发展n快速气相掺杂快速气相掺杂(rapid vapor-phase doping RVD)n气体浸没激光掺杂气体浸没激光掺杂(gas immersion laser doping GILD) 55快速气相掺杂快速气相掺杂nRVD利用快速热处理过程将处在掺杂气利用快速热处理过程将处在掺杂气氛中的硅片快速均匀地加热，同时掺杂氛中的硅片快速

31、均匀地加热，同时掺杂剂发生反应产生杂质原子，杂质原子直剂发生反应产生杂质原子，杂质原子直接从气态转变为被硅表面吸附的固态，接从气态转变为被硅表面吸附的固态，固相扩散，能形成固相扩散，能形成超浅结超浅结。n杂质分布是非理想的指数形式，类似固杂质分布是非理想的指数形式，类似固态扩散，峰值在表面态扩散，峰值在表面56气体浸没激光掺杂气体浸没激光掺杂nGILD是是高能激光照射处于气高能激光照射处于气态源态源(PF5或或BF3)中的硅表面，中的硅表面，使其表面熔融，源由于热解或使其表面熔融，源由于热解或光解产生杂质原子，通过液相光解产生杂质原子，通过液相扩散（比在固相快约扩散（比在固相快约8个数量个数量

32、级），杂质快速并均匀地扩散级），杂质快速并均匀地扩散到整个熔化层中。激光照射停到整个熔化层中。激光照射停止，熔体固相外延转变为晶体。止，熔体固相外延转变为晶体。由熔体变为晶体的速度非常快由熔体变为晶体的速度非常快(3ms)。同时杂质进入晶。同时杂质进入晶格激活，掺杂只发生在表面的格激活，掺杂只发生在表面的一薄层内。一薄层内。57本章重点本章重点n扩散机理：三种扩散机构扩散机理：三种扩散机构n扩散方程：扩散方程：Fick定律，恒定源扩散（余误定律，恒定源扩散（余误差分布），有限元扩散（高斯分布）差分布），有限元扩散（高斯分布）n扩散系数：主要影响因素扩散系数：主要影响因素n扩散工艺：源、方法，工

33、艺参数扩散工艺：源、方法，工艺参数T，t；测；测量参数量参数R、Xj、Cs、Q参数参数58n第第4章章 离子注入离子注入59什么是离子注入什么是离子注入离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的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表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质 离子注入的基本过程离子注入的基本过程v将某种元素的原子或携将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化带该元素的分子经离化变成带电的离子变成带电的离子v在强电场中加速，获得在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材较高的动能后，射入材料表层（靶）料表层（靶）v以改变这种材

34、料表层的以改变这种材料表层的物理或化学性质物理或化学性质60离子注入特点离子注入特点各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量（各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量（1011-1018 cm-2）和能量（）和能量（1-400 keV）来达到）来达到平面上杂质掺杂分布非常均匀（平面上杂质掺杂分布非常均匀（1% variation across an 8 wafer）表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度或深结高浓度注入元素可以非常纯，杂质单一性注入元素可以非常纯，杂质单一性可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷

35、污，自由可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由度大度大低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的热扩散热扩散横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小n会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进n设备相对复杂、相对昂贵（设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机尤其是超低能量离子注入机）n有不安全因素，如高压、有毒气体有不安全因素，如高压、有毒气体61离子注入过程是一个离子注入过程是一个非平衡

36、非平衡过程，高能离子进入过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。部分不在晶格上，因而没有电活性。62内容内容n4.1 核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞n4.2 注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布n4.3 注入损伤注入损伤n4.4 热退火热退火n4.5 离子注入设备与工艺离子注入设备与工艺n4.6 离子注入用途，和扩散的比较离子注入用途，和扩散的比较63LSS理论理论对在对在非晶靶非晶靶中注入离子的射程

37、分布的研究中注入离子的射程分布的研究n1963年，年，Lindhard, Scharff and Schiott首先确立了注首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论。理论。n该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程立的过程 (1) 核阻止（核阻止（nuclear stopping） (2) 电子阻止电子阻止 （electronic stopping）n总能量损失为两者的和总能量损失为两者的和4.1 核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞（LSS理论）理论） 64 核阻止本领与电子阻止本领核阻止本领

38、与电子阻止本领-LSS理论理论阻止本领（阻止本领（stopping power）：材料中注入离子的能量损失大小：材料中注入离子的能量损失大小单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量 (Sn(E), Se(E) )。q核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。q电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。65 ESESNdxdEen-dE/dx：能量随距离损失的平均速率：能量随距离损失的平均速率E：注入离子在其运动路程上任一点：

39、注入离子在其运动路程上任一点x处的能量处的能量Sn(E)：核阻止本领：核阻止本领/截面截面 (eVcm2)Se(E)：电子阻止本领：电子阻止本领/截面（截面（eVcm2)N: 靶原子密度靶原子密度 5 1022 cm-3 for Si eenndxdENESdxdENES1,1LSS理论理论能量能量E的函数的函数能量为能量为E的的入射粒子在入射粒子在密度为密度为N的的靶内走过靶内走过x距离后损失距离后损失的能量的能量66n核阻止核阻止 离子注入与靶离子注入与靶原子核碰撞，离子能量原子核碰撞，离子能量转移到原子核上，结果转移到原子核上，结果将使离子改变运动方向，将使离子改变运动方向，而靶原子核可

40、能离开原而靶原子核可能离开原位，成为间隙原子核，位，成为间隙原子核，或只是能量增加。或只是能量增加。 nndxdEES核阻止本领核阻止本领能量为能量为E的注入离的注入离子在单位密度靶子在单位密度靶内运动单位长度内运动单位长度时，损失给靶原时，损失给靶原子核的能量。子核的能量。67核阻止本领核阻止本领注入离子与靶内原子核之间注入离子与靶内原子核之间两体碰撞两体碰撞两粒子之间的相互作用力是两粒子之间的相互作用力是电荷作用电荷作用摘自摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295核阻止能力的一阶近似为：核阻止能力的一阶近似为：

41、例如：磷离子例如：磷离子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅注入硅Z2 = 14, m2 = 28,计算可得：计算可得：Sn 550 keV-m mm2m质量，质量， Z原子序数原子序数下标下标1离子，下标离子，下标2靶靶 22113223212115cmeV108 . 2mmmZZZZESn对心碰撞，最大能量转移：对心碰撞，最大能量转移： E)m(mmmETrans221214 68核阻止核阻止两球体弹性碰撞两球体弹性碰撞rfrqrp212022121222MZZ)(V ,E)MM(M4MUM21T 0,托马斯托马斯费米费米屏蔽函数屏蔽函数rrf核阻止本领曲线核阻止本领曲线最简屏蔽函数最

42、简屏蔽函数碰撞参数碰撞参数pr1+r2离子与靶离子与靶间势函数间势函数考虑电子屏蔽时离子与靶核考虑电子屏蔽时离子与靶核之间相互作用之间相互作用69电子阻止电子阻止n注入离子与靶中的束缚电注入离子与靶中的束缚电子或自由电子碰撞，能量子或自由电子碰撞，能量转移到电子上。离子质量转移到电子上。离子质量远大于电子，离子方向不远大于电子，离子方向不变，能量稍减，而束缚电变，能量稍减，而束缚电子被激发或电离，自由电子被激发或电离，自由电子发生移动。子发生移动。 eedxdEES电子阻滞本领电子阻滞本领70电子阻止本领电子阻止本领把固体中的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气把固体中的电子看成自由电

43、子气，电子的阻止就类似于粘滞气体的阻力（一阶近似）。体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正比。电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正比。 22/1152/1cmeV102 . 0,kkECvESione离子离子速度速度71非局部电子阻止非局部电子阻止局部电子阻止局部电子阻止不改变入射离子运动方向不改变入射离子运动方向电荷电荷/动量交换导致入射离子运动量交换导致入射离子运动方向的改变（动方向的改变（M2; b=1/3入射离入射离子质量子质量靶原子靶原子质量质量77 0E0ESESdERESESdxdEenenAs,P,B在硅中核、电子阻止本领在硅中核、电子阻止本领与能量

44、关系计算值与能量关系计算值能量损失与射程能量损失与射程R78射程粗略估计射程粗略估计低能低能区区中能中能区区高能高能区区核阻止本领和电子阻止本领曲线核阻止本领和电子阻止本领曲线79射程粗略估计射程粗略估计n不同靶和不同不同靶和不同 注入离子，其注入离子，其Ec值不值不 同。硅靶注入轻离子硼，同。硅靶注入轻离子硼， Ec约为约为15keV，重离，重离 子磷，子磷，Ec大约为大约为150keV。n 注入离子的初使能量比注入离子的初使能量比Ec大很多，在靶内主大很多，在靶内主要电子阻止损失能量，核阻止可忽略：要电子阻止损失能量，核阻止可忽略： Rk1E01/2nEEc ，电子阻止可忽略，入射离子主要

45、以，电子阻止可忽略，入射离子主要以核阻止形式损失能量：核阻止形式损失能量：Rk2E0核阻止本领和电子阻止本领的比较核阻止本领和电子阻止本领的比较80高斯分布函数高斯分布函数n注入离子在靶内注入离子在靶内受到的碰撞是随受到的碰撞是随机的，所以杂质机的，所以杂质分布也是按几率分布也是按几率分布的。离子进分布的。离子进入非晶层（穿入入非晶层（穿入距离）的分布接距离）的分布接近近高斯分布高斯分布。RRp p：投影射程的标准偏差：投影射程的标准偏差RR：横向离散：横向离散81 0001EenRpESESdENdxRp投影射程投影射程Rp:Rp Rp R Rp Rp R Rp Rp R 82纵向分布纵向分

46、布 n离子注入的实际分布在峰值附近和高斯分布符合离子注入的实际分布在峰值附近和高斯分布符合较好较好pppTpTppppTRMMMMRRNQRQNRnRRxRQxn2121maxmax23222)(21exp2)(83注入离子的真实分布注入离子的真实分布v真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布v当轻离子硼（当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。较多的离子堆积；重离子散射得更深。8

47、4纵向分布纵向分布n硼比硅原子质量轻得硼比硅原子质量轻得多，硼离子注入就会多，硼离子注入就会有较多的大角度散射。有较多的大角度散射。被反向散射的硼离子被反向散射的硼离子数量也会增多，因而数量也会增多，因而分布在峰值位置与表分布在峰值位置与表面一侧的离子数量大面一侧的离子数量大于峰值位置的另一侧，于峰值位置的另一侧，不服从严格的高斯分不服从严格的高斯分布。布。n砷等重离子和硼轻离砷等重离子和硼轻离子的分布正好相反。子的分布正好相反。85横向分布横向分布 横向效应指的横向效应指的是注入离子在是注入离子在垂直于入射方垂直于入射方向平面向平面内的分内的分布情况布情况n由由LSS理论计理论计算得到的硼、

48、算得到的硼、磷和砷入射到磷和砷入射到无定形硅靶中无定形硅靶中R与入射能与入射能量的关系如图量的关系如图所示所示86横向分布横向分布2222222321exp)2(1),(pppRRxZzYyZYRzyxf8735 keV As注入注入120 keV As注入注入横向效应影响横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。晶体管的有效沟道长度。88离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应沟道效应（沟道效应（Channeling effect）当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基道运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变，

49、可以走得很远。本不变，可以走得很远。89110111100倾斜旋转硅片后的无序方向倾斜旋转硅片后的无序方向90沟道效应沟道效应衬底为单晶材料，离子束衬底为单晶材料，离子束准确的沿着晶格方向注入，准确的沿着晶格方向注入，其纵向分布峰值与高斯分其纵向分布峰值与高斯分布不同。一部分离子穿过布不同。一部分离子穿过较大距离。这就是沟道较大距离。这就是沟道（渗透）效应。（渗透）效应。1.8 91注入离子剂量注入离子剂量理论上可以由离子电流大小来量度理论上可以由离子电流大小来量度: （ ion/cm2） 其中：其中：I为电流；为电流；t为时间；为时间；A为注入面积。为注入面积。实际上高能离子入射到衬底时，一

50、小部分与表面实际上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，未进晶核原子弹性散射，而从衬底表面反射回来，未进入衬底，这叫入衬底，这叫背散射现象背散射现象. AItQT181025. 692浓度分布浓度分布 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离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相当长的“尾巴尾巴”产生非晶化的剂量产生非晶化的剂量沿沿的沟道效应的沟道效应93表面非晶层对于沟道效应的作用表面非晶层对于沟道效应的作用Boron implantinto SiO2B

51、oron implantinto Si94减少沟道效应的措施减少沟道效应的措施v 对大的离子，沿沟道轴向对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离偏离710ov用用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层形成非晶层（Pre-amorphization）v增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）沟道离子减少）v表面用表面用SiO2层掩膜层掩膜95典型离子注入参数典型离子注入参数离子：离子：P，As，Sb，B，In，O剂量：剂量：10111018 cm-2能量：能量：1 400 keV 可重复性和均匀性可重复

52、性和均匀性: 1%温度：室温温度：室温流量：流量：1012-1014 cm-2s-196晶格损伤：晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰碰撞撞，可能使靶原子发生，可能使靶原子发生位移位移，被位移原子还可能把能量依，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的次传给其它原子，结果产生一系列的空位间隙原子对空位间隙原子对及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。单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。4.3 注入损伤注入损伤(Si)SiSiI + SiV97n

53、高能离子在靶内与晶格多次碰撞，从而导高能离子在靶内与晶格多次碰撞，从而导致靶的致靶的晶格损伤晶格损伤。n碰撞有碰撞有弹性碰撞弹性碰撞和非弹性碰撞。和非弹性碰撞。n注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程，称为及其电子的过程，称为能量淀积过程能量淀积过程。98损伤的产生n移位原子移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。：因碰撞而离开晶格位置的原子。n移位阈能移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量移位，所需的最小能量. (对于硅原子对于硅原子, Ed 15eV)n碰撞碰撞中，当转移能量中，当转移能量E

54、Ed移位阈能移位阈能时，靶原时，靶原子位移；若子位移；若移位原子移位原子能量能量2Ed时，移位原子再时，移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，这种现象碰撞其它原子，使其它原子再位移，这种现象称称级联碰撞级联碰撞。99移位原子的估算v入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量 Ed E 2Ed时，才能增加移位原子的数目。时，才能增加移位原子的数目。v估算一个以起始能量估算一个以起始能量E0入射的离子，在碰撞过入射的离子，在碰撞过程中可以使靶内原子移位的数目程中可以使靶内原子移位的数目N(E)为为 dEEEN2)(0100损伤特点损伤特点 n损伤有三种：简单损

55、伤；非晶区；非晶层。损伤有三种：简单损伤；非晶区；非晶层。n损伤主要与注入离子质量、能量、剂量、剂损伤主要与注入离子质量、能量、剂量、剂量率有关；与量率有关；与靶温靶温有关。有关。n损伤峰值非常接近投影射程的损伤峰值非常接近投影射程的75%n损伤造成半导体电学特性衰退：载流子迁移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；率下降；少子寿命变短；pn结反向漏电。结反向漏电。 101注入损伤注入损伤形成非晶层的临界剂量与温度的关系形成非晶层的临界剂量与温度的关系靶温一个一个B，E080KeV，Rp 250nm，480个个Si移位，移位，损伤原子约损伤原子约0.4一个一个As，E08

56、0KeV，Rp 250nm，4000个个Si移位，损伤原子约移位，损伤原子约8102损伤区的分布损伤区的分布重离子每次碰撞传输给靶的能量较重离子每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，获得大能量的位移大，散射角小，获得大能量的位移原子还可使许多原子移位。注入离原子还可使许多原子移位。注入离子的能量损失以核碰撞为主。同时，子的能量损失以核碰撞为主。同时，射程较短，在小体积内有较大损伤。射程较短，在小体积内有较大损伤。重离子注入所造成的损伤区域小，重离子注入所造成的损伤区域小，损伤密度大。损伤密度大。质量较靶原子轻的离子传给靶原子质量较靶原子轻的离子传给靶原子能量较小，被散射角度较大，只能能量较小，

57、被散射角度较大，只能产生数量较少的位移靶原子，因此，产生数量较少的位移靶原子，因此，注入离子运动方向的变化大，产生注入离子运动方向的变化大，产生的损伤密度小，不重叠，但区域较的损伤密度小，不重叠，但区域较大。呈锯齿状。大。呈锯齿状。103非晶化（非晶化（Amorphization）q注入离子引起的晶格损伤注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完全破有可能使晶体结构完全破坏变为无序的非晶区。坏变为无序的非晶区。q与注入剂量的关系与注入剂量的关系n注入剂量越大，晶格损注入剂量越大，晶格损伤越严重。伤越严重。n临界剂量：使晶格完全临界剂量：使晶格完全无序的剂量。无序的剂量。n临界剂量和注入离子的临界

58、剂量和注入离子的质量有关质量有关104n在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩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；并使晶体损伤区域散进入替位，有电活性；并使晶体损伤区域“外延生长外延生长”为晶体，恢复或部分恢复硅的为晶体，恢复或部分恢复硅的迁移率，少子寿命。迁移率，少子寿命。n退火效果退火效果(q/NA,)，与温度，时间有关。一与温度，时间有关。一般温度越高、时间越长退火效果越好。般温度越高、时间越长退火效果越好。n退火后出现靶的杂质再分布。退火后出现靶的杂质再分布。4.4 热退火热退火105退火条件、方法退火条件、方法n退火条件：依据损伤情况定，目的是激退火条件：依据

59、损伤情况定，目的是激活杂质，恢复电学特性活杂质，恢复电学特性n注入杂质的质量，剂量、剂量率，能量注入杂质的质量，剂量、剂量率，能量n靶温靶温n退火方法退火方法n高温退火高温退火n快速退火：激光、宽带非相关光、电子束快速退火：激光、宽带非相关光、电子束退火退火106损伤退火损伤退火 （Damage Annealing）q被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。q注入后的半导体材料：注入后的半导体材料： 杂质处于间隙杂质处于间隙 nND；pNA 晶格损伤，迁移率下降；少子

60、寿命下降晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降 热退火后：热退火后：n n=ND (p=NA) m m m mbulk 0107损伤退火的目的损伤退火的目的q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q让杂质进入电活性（让杂质进入电活性（electrically active） 位置位置替位位置替位位置。q恢复电子和空穴迁移率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注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布108损伤恢复机制损伤恢复机制（Damage Recovery Mechanism）Annihilation: r