电子科大《集成电路工艺》第十七章

第十七章

扩散和离子注入微固学院张金平jinpingzhang@117.1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。OxideOxidePSiliconsubstrateDiffusedregionNDopantgas束扫描MaskMaskSiliconsubstratexj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717.1引言8亚微米CMOSIC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917.2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1117.2.1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121100℃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SiSiSiSiSiSiSiSiSic)机械的间隙转移SiSiSiSiSiSiSiSiSia)硅晶格结构b)替位扩散SiSiSiSiSiSiSiSiVacancyDopantd)间隙扩散SiSiSiSiSiSiSiSiSi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Ei为0.6~1.2eV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Ev），同时还需大于势垒高度Es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（Ev+Es）比Ei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1717.2.3杂质扩散机构扩散系数与温度有关D0：扩散率△E：扩散工艺激活能k0：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)=Ns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)=0x>0一、恒定表面浓度的扩散17.2.4杂质扩散方式19x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Ns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(xj,t)=NB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>hN(x,0)=Ns=Q/h，0<x≤hN(∞,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Ns与扩散深度成反比，扩散越深，则表面浓度越低；NB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(PH4)、砷烷(AsH3)、氢化锑(SbH3)、乙硼烷(H2B6)等(剧毒气体)三氯氧磷(POCl3)、硼酸三甲脂B[(CH3)O]3（B2O3，P2O5，BN等）27磷的液态源扩散三氯氧磷（POCl3）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：

POCl3→PCl5＋

P2O5

PCl5＋

O2→P2O5＋

Cl2POCl3＋

O2→P2O5＋

Cl2

P2O5＋

Si→P＋SiO217.2.6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：

B2O3＋

Si→B＋SiO217.2.6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01％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VItSSS14323017.2.7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SiO2－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SiO2，杂质在SiO2－Si界面发生分凝效应，使杂质在SiO2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SiO2吸硼排磷。17.2.7扩散效应3217.2.8扩散常用杂质源3317.3离子注入34a) 低掺杂浓度(n–,p–)浅结(xj)MaskMaskSiliconsubstratexj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(xj)束扫描高能大剂量慢速扫描MaskMaskSiliconsubstratexj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）3617.3.1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/cm2；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100KeV17.3.2离子注入参数40SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-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发生碰撞，造成硅原子的移位。17.3.2离子注入参数4117.3.2离子注入参数核阻止本领在低能量下起主要作用电子阻止本领在高能量下起主要作用核阻止和电子阻止相等的能量注入离子在靶内分布理论，简称LSS理论42射程R:指的是离子注入过程中，离子穿入硅片所走过的总距离。投影射程Rpi:射程在入射方向上的投影。投影射程也是停止点与靶表面直距的垂离。决定于离子质量和能量、靶的质量和离子束相对于硅片晶体结构的方向。平均投影射程RP:投影射程的平均标准偏差△Rp：表示注入杂质在RP附近的分布17.3.2离子注入参数入射离子束Siliconsubstrate对单个离子停止点RpiDRp

杂质分布43注入能量增加，投影射程增加，杂质浓度的峰值会因偏差的增加而降低。投影射程图能够预测一定注入能量下的投影射程投影射程图17.3.2离子注入参数4417.3.3离子注入浓度分布

Φ为样品表面单位面积注入的离子总数（注入剂量，单位:cm-2)。

RP

是平均投影射程，离子注入深度的平均值。注入离子在无定形靶中的浓度分布为高斯分布:45注入离子浓度分布的特点：

(1)最大浓度位置在样品内的平均投影射程处：

(2)注入离子的剂量φ越大，浓度峰值越高；

(3)注入离子的能量E（20~200KeV）越大，RP、ΔRP相应越大，浓度峰值越低。

(4)在x=RP处的两边，注入离子浓度对称地下降，且下降速度越来越快。

17.3.3离子注入浓度分布4617.3.3离子注入浓度分布离子注入结深Xj其中:NB为衬底浓度4717.3.3离子注入浓度分布真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射,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。注入离子的真实分布48

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP66213021903246529943496397444324872RP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279RP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005RP5999136172207241275308341各种离子在Si中的Rp和△Rp值(Å)17.3.3离子注入浓度分布各种离子在光刻胶中的Rp和△Rp值(Å)

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007RP475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675RP19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015RP12620728634941548054360666717.3.3离子注入浓度分布各种离子在SiO2中的Rp和△Rp值(Å)

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172RP252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859RP84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823RP43729912515117620122625117.3.3离子注入浓度分布各种离子在Si3N4中的Rp和△Rp值(Å)

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994RP196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437RP65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637RP3356779711813715717619517.3.3离子注入浓度分布轻离子冲击重离子冲击轻离子和重离子引起的损伤轻离子注入损伤密度小，但区域较大；重离子注入损伤密度大，但区域很小。17.3.4离子注入效应53硅单晶的退火a)注入过程中损伤的硅晶格离子束修复硅晶格结构并激活杂质一硅键b)退火后的硅晶格高温退火：激活杂质(950℃)，修复晶格损伤(500℃)。退火方法：高温炉退火：800-1000度退火30分钟，导致杂质的再扩散快速热退火：1000℃下短暂时间退火，减小瞬时增强扩散。17.3.4离子注入效应54沿<110>轴的硅晶格视图沟道效应：离子沿某些方向渗入的速度比其它方向大，使离子峰值在Si片更深处或呈现双峰值的杂质分布。★

Si的<110>晶向为开沟方向，是注入最深的方向17.3.4离子注入效应55控制沟道效应的方法：注入时，倾斜硅片；掩蔽氧化层；硅预非晶化；使用质量较大的原子。有、无沟道效应时的杂质浓度分布17.3.4离子注入效应56倾斜硅片<111><100><110>

（100）硅片：偏离垂直方向7度；

<110>晶向：旋转硅片15到35度；

超浅结低能注入：倾斜硅片几乎不起什么作用。17.3.4离子注入效应57

控制沟道效应的方法

1.倾斜硅片：常用方法

2.缓冲氧化层：离子通过氧化层后，方向随机。

3.硅预非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）浅注入应用非常有效

4.使用质量较大的原子17.3.4离子注入效应5817.4离子注入的应用5917.4离子注入的应用深埋层倒掺杂阱穿通阻挡层阈值电压调整轻掺杂漏极(LDD)源/漏注入多晶硅栅沟槽电容超浅结绝缘体上硅(SOI)6017.4.1深埋层深埋层：用高能离子注入(大于200keV)实现。

三阱结构有一个埋层在掺杂阱下面的注入阱，改进器件性能和封装密度。应用埋层的一个重要原因是控制CMOS电路的闩锁效应。61

倒掺杂阱：注入杂质浓度峰值在硅片表面下一定深度处，改进晶体管抵抗闩锁效应和穿通的能力17.4.2倒掺杂阱62

穿通：漏耗尽区向轻掺杂沟道区扩展，与源耗尽区连通的现象。防穿通注入的杂质位于临近源漏区的有源沟道下。17.4.3穿通阻挡层63

阈值调整：在沟道区硅层下注入杂质，调整到所需浓度。17.4.4阈值电压调整6417.5.5LDD注入

LDD：LDD注入在沟道边缘的界面区域产生复杂的横向和纵向杂质剖面。减小了结和沟道区间的电场，把结中的最大电场位置与沟道中的最大电流路径分离，以防止产生热载流子。6517.5.6源漏注入

S/D注入：形成重掺杂区。As注入通常用来形成nMOS的源漏区；B或BF2注入用来形成pMOS的源漏区。6617.4.7多晶硅栅

多晶硅栅掺杂：在源漏区注入时，对多晶硅栅进行掺杂，以减小电阻。67n+dopantn+p+倾斜注入形成电容器的沟槽17.4.8沟槽电容器

沟槽电容器：在硅中用干法刻蚀沟槽形成。为了获得足够的电容，在电容器侧墙很薄一层中的杂质浓度应达到约1019/cm3。68180nm20Ågateoxide54nmarsenicimplantedlayerPolygate17.4.9超浅结

超浅结：器件等比例地减小的要求，用大束流低能注入实现。对0.18μm工艺，超浅结深约为54±18nm；0.1μm工艺为30±

10nm。6917.4.10绝缘层上硅SIMOXSiliconSubstrateP+SiliconEpiLayerP-P-WellN-WellN+SourceN+DrainP+SourceP+DrainSiliconSubstrateP+SiliconSubstrateP-WellN-WellN+SourceN+DrainP+SourceP+DrainImplantedsilicondioxideSiliconSubstrateP+普通的CMOS硅片结构具有SIMOX埋氧化层的CMOS硅片7017.5离子注入机71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17.5.1离子注入机结构72离子源引出电极（吸极）和离子分析器加速管扫描系统工艺室

17.5.1离子注入机结构73前板狭缝起弧室灯丝电子反射器气体入口5V电子反射器Anode+100V起弧室气化喷嘴电炉气体导入管DI冷却水入口掺杂剂气体入口17.5.2离子源74吸出组件源室涡轮泵离子源绝缘体离子源和吸极装配图起弧室吸极吸出组件离子束17.5.3引出电极（吸极）和离子分析器75参考端(PA电压)抑制电极接地电极++++++++++-

-

----------NS

NS120V起弧吸出组件离子源源磁铁5V灯丝ToPA+离子束2.5kV抑制60kV吸引吸极系统：收集离子源中产生的所有正离子，形成离子束。17.5.3引出电极（吸极）和离子分析器76石墨离子源分析磁体离子束吸出组件较轻离子重离子中性离子17.5.3引出电极（吸极）和离子分析器77100MW100MW100MW100MW100MW0kV+100kV+80kV+20kV+40kV+60kV+100kV离子束Ionbeam到工艺腔Electrode来自分析磁体17.5.4加速管78邻近吸收PresentapplicationsEvolvingapplications多晶掺杂源/漏损伤工程埋层倒掺杂阱三阱Vt调整沟道和漏工程0.1110100100010,0001017101110121013101410151016Energy(keV)Dose(atoms/cm2)剂量与能量图17.5.4加速管79Source原子质量分析磁体线性加速器最终能量分析磁体扫描盘Wafer

大电流高能离子束：用于注入掩埋杂质层，如倒掺杂阱和三阱。减少注入时间，提高产量。17.5.4加速管80+++++++++++++++++++++++++离子束膨胀剖面掺杂离子+++++++++++++++++++++++++具有空间电荷中和的离子束剖面二次电子空间电荷中和正电荷间相互排斥，造成离子束膨胀，导致注入不均匀。空间电菏中和：二次电子中和正离子的方法。17.5.4加速管81源分析磁体加速管中性束流陷阱聚焦阳极Y-axis偏转X-axis偏转中性束流路径Wafer离子束接地的收集板中性束流陷阱杂质离子与残留气体分子碰撞，获得一个电子，形成中性离子。中性束流陷阱：利用偏转电极，使离子束发生偏转。中性离子不能偏转，它们将继续直行，撞击到接地的收集板上。17.5.4加速管8217.5.5扫描系统

聚束离子束通过扫描覆盖整个硅片：中等电流的注入机束斑约1cm2

，大电流的约为3cm2。

扫描方式：固定硅片，移动束斑---中低电流注入机；固定束斑，移动硅片---大电流注入机。注入机中的扫描系统：静电扫描；机械扫描混合扫描平行扫描83+离子束Y-axis偏转X-axis偏转Wafer旋转倾斜高频X-axis偏转低频Y-axis偏转静电离子束扫描

静电扫描：在X-Y电极上加特定电压，使离子束发生偏转，注入到固定的硅片上。用电磁场能够获得与静电相同的效果。17.5.