微电子工艺-chapter04of第4章掺杂原理与技术

第4Dr.DaoliOffice:Room409WestBuilding7: Textbookand至少列出三种最常使用的掺辨认出至少三种掺杂掌握扩散掺杂的原理及描述离子注入的描述离子注入机的主要解释沟道离子种类和离子能量的解释后注入辨认离子注入的安BBECpp pp基本概念：xj(JunctionDepth 温的扩散方式来完成，杂质原子通相源或掺杂过的深结(deepjunction)，如CMOS中的双阱(twinwell)；而离子注入可用于形成浅结(shallowjunction)，如 结深掺结深掺杂物的背景浓掺杂物浓xj:在xxj处，Cx(器件等比例缩小k

)到晶圆表面的距薄层电阻 薄层电阻定义为：RS x

RRRSxjwlt单位为/RS：正方形边长无 Rl l S

1 q载流子迁移率，n假定杂质全部电离，载流子浓度n=杂质浓度 则 Sx xj S杂质固溶度(dopantsolid构和器件得以实现。掺杂的最高极限约1021atoms/cm3，最低1013atoms/cm3硅Sb,区B,B,P,As,P-As,开关管及高速Au,B:P,MISIC，结型场效应H,O,Zn,Be:S,Si,锗pnpIn-Ga,扩现的，这些跳跃在整个三维方向进行，有多种方式，遮蔽氧化 遮蔽氧化NNN

替位扩散杂质：AsAl，Ga，interstitialassistedkick-out)或推填式扩散间隙式扩Au,AgCu,FeNiEiEi约为0.61.2eVPvexp kT T：绝对温度 ,

Evac在温度T，单位晶体体积中的 PexpEkTEvvexp0PexpEkTEvvexp0kTsvexpEEs0

kTDiD0

Ea：本征扩散激活a D0和温度弱相关，主要取 表观扩散系D00

小D，大固溶扩散的宏观机制：(diffusionfromamacroscopic扩扩散动扩散方 第一

FDFx,t

Cx,t

t2深C(n/cm3)，Dcm2/s深第二C(x,t)

F(x,

由Fx,tDCx,t Cx,tFx,t DCx,t x D

Cx,t 2Cx,t

特定边界条件下，扩散方程1、稳态时，浓度不随时有 边界条件：C(x,0)=0,x0，C(0,t)=Cs Cx,tC Dt

C(x,t)为某处t时的杂质浓度erfc余误差函数(complementaryerror 余误差erfc(x)=1-

2 2

2 2erf

exp-0

duerfc

erf

x

对于x<<1erfx)2

erfc(x)dx 对于x>>1erf

1expx 掺杂 QCs dx s Dt Dt：称为特征扩散

x 扩散结深为x，

CB

xj

D与温度T是指数关系Cs

T对结深的影响要较t大许 杂质

Cx,t

4Dt梯度受到Cs、t和D(即T)的影响。改变其中的某个量，在p-nCx,t xxj

2 experfc1 Berfc1 Bx CB和Cs一定时，xj越深，结处的 杂质浓度Cs基本由杂质在扩散温度(900－1200C)下的

微 与新器件集Cx,0 x

x

Delta Cx,tdx 0Q

得

Cx,t

exp

4Dt

C0,t

Cx,txCx,t 在p－nCs

Cx,t

Csxj Dtln

ln B

x B Dt

浓度梯度随着扩散深深)增加而下

扩散时间越长，扩散越深，推进(drive-in)退火

DteffDt1t2...tn

D2

恒定剂量推进DteffD1t1D2t2...

D1 Pre-deposition)Q

2

2121

因

exp

Cx,t

4D2t2Qt Cx,tdx

当D1t1

时，最后的杂质浓度分布D

x Cx,t1,t2

11exp D2t2

4D2t2二步扩散的两 情 D1t1

x扩散深度增

结深增 Cs=cm-3，结深=mm。已知衬底浓度为CB11cm3。设计该工艺过程。 解：1)假设离

x x Cexp

Cx,t

4Dt

4DtDt

41017

3.71094Cs

4

B 1.51.510133.71096.8

Dt41017 3.71094.31013假如采用950C热扩散预淀积而非离子注入则则

22.51020

4.2

5.5QQs即Dtpredep2.31014Dtdrivein3.7109但是预淀积时间过短，工艺无法实现。应改为离 热积D=D0expS/D注 热积

T

2

1

0.51

0.25

数据源ChangandSze,ULSI

104/T 基本扩AsCl3、POCl3)；气体源(B2H6、AsH3、PH3)，其中液态

225 4P B:III族元素，受主杂质11502.4×1020原子

D0=1 Ea=3.46DD0D

expEa1.0exp

3.46eV

cm2/

kTp

EpDD0D

D0exp

a kT DDh 0epii inh

i

i 磷Ⅴ族元素，施主原子，有吸收铜、金等

温度为1000快扩散杂质的性质(这些杂质在缺陷处淀积会产生漏电),固溶度达5×1021原子/㎝3

D4.70

3.68eVcm2/i i n n2ii hD0D D ii i i Ⅴ族元素，施主杂质，半径与硅相同2×1021㎝-D9.17

3.99eV

cm2/i i n

hD0D

ni 扩散掺旋涂源扩散(spin-on- B2H6+2O2B2O3+3 2B2O3+3Si3SiO2+42H2O+SiSiO2+2 4POCl3+3O22P2O5+覆盖氧化反应：2P2O55Si5SiO2 1、气气态杂质源(剧毒气体):磷烷(PH4)、砷烷(AsH3)、氢化 2、液态源扩舟 液态 B[(CH3)O]3B2O3+CO2+H2O＋...2B2O3+3Si3SiO2+4B例：预淀积:950oC 通源10－20分钟，N2再分布:1100－1200oC干氧＋湿氧＋干氧 液态 三氯氧磷>6005POCl3 P2O5+2P2O55Si5SiO24P向硅中扩4PCl5+5O2 2P2O5+10Cl2例：预淀积:1050 N2和再分布:950 磷扩散系

硅衬硅衬硅衬硅衬二氧化掺杂分区

光刻二氧化硅衬 光刻二氧化硅衬二光刻二氧化硅衬二氧化硅衬二氧化硅衬 二氧化硅衬掺杂物氧化

掺杂氧化硅衬二氧化硅衬二氧化二氧化硅衬 五氧化二磷氧化沉积和覆盖氧 温 掺杂沉 温N2POCl3升稳氧氮下降定化反应气置二氧二氧化硅衬二氧二氧化硅衬 非晶硅驱推稳推定氮流晶圆位

温 温 升 稳 驱 3、固态源扩散：2O32O5BN舟 活化处理4BN+3O22B2O3+2N2900C 1h. 通O2扩 2B2O3+3Si3SiO2+锑的箱法扩 硅片与扩散源同放一箱内在N2气保护下源：Sb2O3SiO21:4(粉末重量比)2Sb2O3+3Si=4Sb+3SiO2 4、旋涂掺杂法(spin-on-源：As 200C15分钟去处溶特点：掺杂元素多浓度范围广 扩散的应用: 阱区注入和光刻光刻N阱PPP型外 N阱 利用硼的扩散在超浅结形成的 表侧壁空间

金属硅化

侧壁空间浅沟

硅衬

浅沟 硼硅玻璃化学气相沉浅沟

金属硅化 硅衬

浅沟 快速加热步骤掺杂物多晶

金属硅化浅沟

栅极氧化硅衬

硼硅玻

浅沟 剥离硼硅栅极氧化

多晶

金属硅化浅沟

硅衬

浅沟 扩散层质量

VIlnR Vj ln2 j

t 结深测磨角染色法(beveland xj 掺杂分C－V测量Voltage

NW

2d1由下式给出

A2qs0

C2CV

qs02

2kT s硅的介电常数;N衬底掺杂浓度Vb结的内建势;V反偏电RVR Spectroscopy,SIMS)MassMass 定律解析解的应 电场效应(Fieldeffect)——非本 DCEC 以n以n型掺杂

q

kTlnn

n

ni

nFDxDCxlnnDCxlnCn i i NpN i由npiCNA

并假定杂质全部离FhDh1 FhDh1 C2ii：2：场助扩：其中h为扩散系数的电场增：当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时，h接近2 电场效应对于低 扩散系数与杂质C

C x

x eff

n

n

nDA

Dn

D n i

i

pAD0DpnDpini 1000C下，非本征扩

1.661014cm2/ 箱杂扩散系数高一个数量微纳与新器件集成氧化增强/抑制扩散(oxidationenhancedretarded对于B，P对Sb双扩散机制 杂质可以通过空位和间隙两种方式扩 发射极推进效应(EmitterPush 浓度n时(例如，T=1000℃n18n=51m-3 Cexp(

Ei sDD(CsCF(DC xj Dst,当D~x Dt,当D~2 xj Dst,当D~3 P，与V2－有关，D随(b e 12cm2／s，此值比1000℃本征扩散系数 在砷化镓中的锌锌是砷化镓中最广为使用的扩散剂 ，当浓度低于表面浓度达三个或的， 离子注 控制。杂质剂量可由注入时离子电流来控制。主要副续的处理用来去除这些损伤。 离子注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-平面上杂质掺杂分布非常均匀(1variationacrossan散 QQ1IAqBF3：B++，B+，BF2 般采用气体源，如BF3，BCl3，PH3，AsH3等。如用离子源(IonSource)：灯丝(filament)发出的自由电子离子源：B，As，Ga，Ge，Sb，P，... 金属栅

栅极氧化

金属栅n-型硅p+n-型硅p+p+n对准 对 P型P型多晶 掺杂区二氧硅光二氧硅

光刻硅结 扩散离子注入高温,硬掩模版低温,光阻掩模版等向性掺杂物浓度非等向性掺杂物分布不能单独控制离子浓度和结深能单独控制离子浓度和结深批量工艺批量和单晶圆工艺 注入离子如何在LSS理论——LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的1963年，LindhardScharffandSchiott首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称LSS理论。此独立的过程：(1)核 (nuclearstop (electronicstop 造成晶体结构 和损 离 随机碰撞

+S 沟道背散射 dENSES SE1

dE

,SE1

dE

能量为En Ndx Ndxne

密度为N-dE/dx：能量随距离损失的平均速E：注入离子在其运动路程上任一点x

Sn(E)： 本领/截面Se(E)：电 N～51022cm-3for

能量E的函 ETran

4m1m 2(m m 2

如：磷离子Z1m131SE2.810

Z1Z2

14m228 Z23Z2 m

可得：Sn~

摘自J.FGibbonsProcIEEE,Vol.563March,1968,p 磷、硼离子的Sn(E)计算值的 原子原子II电电 子不改变入射离子运动方 Stotal=Sn+Se ,Se：电子 n en 17en 150As,Sb>500n 射程终点(EOR)处晶格损伤 表面处晶格损伤较 真离子

基 碰离子的轨投影射至表面的距 ln浓)ln浓)基片表 从表面算起的深 PBPB

的总路线长 rangeR在入射方向上的投

非晶靶中注入离子的浓Rp：标准偏差(Straggling)，投影射程的平均偏 (xR n(x) exp[ 22

子子 是的式。沿x轴移动了一个Rp维 维布 p处，离子浓度比其峰值降低布图402p处则降为10％；在±3p处降为1％；在±4.8p图 Rp

0

1N0SnESe1N0 注入离子的浓度分 Cx

1x 2 p

200keV注入B B 由QCxdx

CP

x 2 C(x)

exp p 2Rp Q可以精确

A为注入面积，I为硅片背面搜集到的

QAq

I＝0.01例如：当A＝20×20cm2，I＝0.1mAQI1.56109 而对于一般NMOS的V

1-溶度1020cm-3

Q

每秒剂量达 常用注入离子在不同注入能量下的特 问题：140keV的B+离子注入到直径为150mm的硅靶中。注入剂量Q=5×1014/cm2(衬底浓度2×1016 【解】1Rp=4289Å=0.43Rp=855Å=0.0860.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019cm-3衬底浓度CB＝2×1016cm- 1xjRp2Cx exp2 2

xj=0.734＝5×1014×[(15/2)2]=8.8×1016＝[(1.6×10－19C)(8.8×1016)]/60sec=0.23 注入离子的真实分 RR

1

C(x,y)

exp

2R 35keVAs注入 120keVAs注入 注入掩蔽层——掩蔽层应该多 R*2C*( )C*exp

P

2R* P 解出所需的掩膜层厚 C* xmRP 2 PRP穿过掩膜层的剂量

CB1xR*

R*QP

Pdx

erfc P* 2 Rp *

2R*p

p ))

硅(Si)

P

离子注入退火后的Cx,t

4Dt

x x

2 ((

D

) 2C) 2

xRP 2P 2P

PP

2Dt

2Dt

子，因此沟道离子的 沟道效应(Channelingeffect)：当离子沿晶轴方向注 引起一个不是想

离子进入的角度 理 Boroninto

Boroninto

被成常态的分布。 典型离子注入参剂量：1011~1018cm-2能量：1400可重复性和均匀性:±1%流量：1012-1014cm-2s- 温度越高,退火越快 什么是(Si)(Si)SiSiI+ EORCourtesyAnn-ChatrinLindberg(March 损伤的的最小能量.(对于硅原子,Ed15eV) 由单一离子造成的损 损伤区 ，。，。 基片的注入区变 离子注入损伤估100KeVB面能量损失:30eV/nm×0.25nm=7.5eV<Ed(15eV)。当能量降:150nm。位移原子数为:150/0.25=600，如果移位距离2.5nm(2.5)2×150=3×10-18cm3。损伤密度:2X1020cm-3，大约是原子密度0.4%。100KeVAs平均核能量损失：1320eV/nm51021cm-3，大约是 非晶 离子注入晶格原 离子注入之晶格原 掺杂原 晶体缺晶格原 掺杂原 晶格原 掺杂原 损伤退火(Damage 热退火后：nn=ND(p=NA) ，能够有效的提供电子(donor,N-type)或是空穴(acceptor,P-type) 损伤退 损伤恢复机制(DamageRecoverySS+S(S) FrenkelI-Vpairs

MonteCarlo模拟的I-V复合结果：短时间内(10-2秒)800C下，体内的V在表面复合迅速完成，产生剩余的I，其表面复合相对较缓慢。在400C以上，这些I可接合入{311}面形 该{311}缺陷带在较高温度下(800～1000C 晶格原

掺杂原 晶格原 掺杂原 晶格原

掺杂原 晶格原

掺杂原 晶格原

掺杂原 晶格原 掺杂原 晶格原

掺杂原 晶格原

掺杂原 退火 退火 。高功率激光束辐。布大大降低，对浅结器在高温下，退火的速RTA非常快速(小于一分钟),较好的晶圆对晶圆的均匀性,较佳的热积存控制,和掺杂物扩散的最 100150C/sec15RTCVD40Å 晶 外端反应气钨—卤素灯

红外线高温

底部灯

顶部灯晶 快速加热工艺(RTP)提供：AppliedMaterials,Inc微纳与新器件集成RTP

栅硅栅硅

硅硅高温炉退 ? 当温度>1100C，退火速率较扩散为快 退火速 扩扩散速温 栅快速加热退

高温炉退 升温速率较快(75150C/sec)温度较高(可到1200°C) 。。低高高低高低是高低高低

卸除晶圆N2 NH3+TiTiN+3/2 钛二氧化 氮化二氧化 超薄的栅极氧化层<30Å微纳与新器件集成RTPRTO 晶 及升2

HClO2HCl

晶 RTCVD灯 加热灯反应

晶

石英

IR高温 高温室 RTO/RTP反应

RTCVD-Si反应

转换

冷却反应装载

卸除

气体和蒸PBBF3PH3注入下一注入B,PAs子能 气体 离子

电机系

磁铁分析

真空泵等离子体泛注系

平均自由路径>>射束线的长度10-510-7不同的控制板会收集来自注入机内各系统的信号，并送到电路板处CPU传送指令回到注入机 抑制电

质谱离子

真空泵

离子束萃取电

真空泵等离子体泛注系晶终端分析 应~120V-

气体源或蒸气抗阴极电极钨灯+灯丝电力,0-5V,

磁铁 射频离

掺杂气

射频线萃取电离子 微波离磁场线磁力

微萃取电

抑制电 萃取电I离子等子 离子

俯视++10–萃取电60终端底

萃取狭 用来作同位素分离以产生丰富的U235 离子飞行管太小m/q

太大的m/q

+仅20%的硼原子是10B+离子浓度仅11B+的10B+离子束电流约11B+的将要耗费四倍的时间注入，生产量较

抑制电

加速电离子 ++高达60kV达10kV终端底 固定的界定孔离子可调式垂直叶 中性原子轨偏压电

离子轨 晶

离子轨晶 +++ 直流直流电+灯丝灯丝电

离子离子电晶

二次电子电

二次电电子

热灯晶 离子束直径:~25mm(~1”),200mm(8”) 晶旋转速最高2400摇摆周~10

离子注入带 晶

离子 离子

扫描离子扫描电

晶圆移 石 俯视离子磁

晶圆冷却平

离子注入在集成CMOS制CMOS制9-10differentidentified CMOS离子注入0.35m,640.25m,2560.18m,1阱--Halo45--阱--Halo45 BacksideDamageLayerFormationfor形成SOI结构Silicon-On-InsulatorUsingOxygenHydrogen 情况下，的非晶体层是

注入时需要一层合适的掩蔽层。此层要一定比例的 (xRn(x) 2p

22

Sddexp xp2p p TT 1erfcdRpS2p 系数 。。

随后被去掉，如图(b)所示，接着利用另一次高剂量砷注入来形 注入工艺：阱注高能MeV光刻光刻P型晶P型外延N型 临界电压(VT低能剂N沟道VT调 P沟道VT调光刻 P型P型晶P型P型晶

N型 离子注入：低掺杂漏极(LDD)注低能10keV

光刻P型层P型晶P型层P型晶

N型 离子注入：源极/漏极低能20keV剂量t光刻

P型

N型P型晶P型外P型晶 离子注入阱高低低高低低低低 工艺问 晶圆带~10100Å栅极氧化层 电压是103035Å0.18μm的组件 晶圆带电天线比例(antennaratio) 天线比

多晶场区氧化硅基

栅极氧化 粒子污 粒子污染物的氧化

离子粒部分注入的 元素污例如：94Mo++94Mo++

相同的质荷比(m/q 工艺评热波(ThermalwaveOpticalMeasurementSystem, 四探

IV 基掺杂区S1S2基掺杂区假如电流应用在P1P4Rs4.53假如电流应用在P1P3Rs5.75 热波系成的直流反射系数(R)和反射系数的调制量 激热波激热波信号侦热波信号侦测R 探测探测激R/R:热波信

晶 热波系 光学测量系 光学测量系石英卤素灯600nm光传感 离子注入的安 离子注入的化学高毒性与易爆性:AsH3,PH3,B2H6PBAs, 离子注入的电磁208V50 离子注入的辐射正常完全 离子注入的副产品的BF3做为掺杂气体 离子注入的机械技术(Ultrashallowjunction(Silicononinsulator等离子体浸泡离子注入(Plasmaimmersionionimplantation，PIII) 超浅结USJxj0.05μm(0.1μm SOI 电子—空穴+电子—空穴++++++硅基++a-粒 SOI基片上的CMOSn+

栅极氧化多