半导体制作工艺-掺杂

半导体制作工艺----掺杂第一页，共118页。主要内容5.1概述5.2扩散5.3离子注入掺杂5.4掺杂质量评价5.5实训扩散工艺规程第二页，共118页。为了在硅片内部指定区域得到选择性掺杂，核心步骤为：（1）在硅片表面生长一层二氧化硅层。该二氧化硅层除了保护硅片表面和绝缘外，其关键是作为掺杂杂质的阻挡层。二氧化硅层将阻挡掺杂原子进入硅表面。（2）在硅片表面的二氧化硅层上确定“窗口”（window）。该窗口的大小和形状对应于需要的掺杂区域。（3）用腐蚀剂去掉窗口内的二氧化硅，但不除去硅，使窗口的硅表面暴露在外。（4）把整个硅片置于掺杂源下，通过扩散或离子注入使掺杂原子进入二氧化硅未覆盖的区域中，从而改变硅的杂质性质。第三页，共118页。5.1概述掺杂是指将需要的杂质原子掺入到特定的半导体区域中，用于对衬底基片进行局部掺杂。以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触的目的。扩散和离子注入第四页，共118页。ⅢA族受主掺质(P型)ⅣA族半导体ⅤA族施体掺质(N型)元素原子量元素原子量元素原子量硼5碳6氮7铝13硅14磷15镓31锗32砷33铟49锡50锑51第五页，共118页。5.2扩散扩散是微电子工艺中最基本的工艺之一，是在约1000℃的高温、p型或n型杂质气氛中，使杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一种工艺方法，也称为热扩散。在集成电路发展初期是半导体器件生产的主要技术之一。但随着离子注入的出现，扩散工艺在制备浅结、低浓度掺杂和控制精度等方面的巨大劣势日益突出，在制造技术中的使用已大大降低。第六页，共118页。扩散机理掺杂剂在半导体中的扩散可以看成是：

杂质原子在晶格中以空位或间隙原子形式进行的原子运动。杂质原子的扩散方式有以下几种：①交换式：两相邻原子由于有足够高的能量，互相交换位置。②空位式：由于有晶格空位，相邻原子能移动过来。③填隙式：在空隙中的原子挤开晶格原子后占据其位，被挤出的原子再去挤出其他原子。④在空隙中的原子在晶体的原子间隙中快速移动一段距离后，最终或占据空位，或挤出晶格上原子占据其位。

以上几种形式主要分成两大类：①替位式扩散。②间隙式扩散。第七页，共118页。P在硅中的扩散曲线B在硅中的扩散曲线第八页，共118页。多晶硅中的杂质扩散在多晶硅薄膜中进行杂质扩散的扩散方式与单晶硅中的方式是不同的，因为多晶硅中有晶粒间界存在，所以杂质原子主要沿着晶粒间界进行扩散。主要有三种扩散模式：①晶粒尺寸较小或晶粒内的扩散较快，以至从两边晶粒间界向晶粒内的扩散相互重叠，形成如图A类分布。②晶粒粒较大或晶粒内的扩散较慢，所以离晶粒间界较远处杂质原子很少，形成如图B类分布。③与晶粒间界扩散相比，晶粒内的扩散可以忽略不计，因此形成如图C类分布。所以多晶扩散要比单晶扩散快得多，其扩散速度一般要大两个数量级。第九页，共118页。5.2.1间隙扩散原子半径比硅小的杂质原子在硅片中不占据格点位置，只是从一个位置移动到另一个位置第十页，共118页。间隙式扩散间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质。以间隙形式存在于硅中的杂质，主要是那些半径较小、不容易和硅原子键合的原子。间隙式扩散：间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置的运动称为间隙式扩散。间隙式杂质在硅晶体中的扩散运动主要是间隙式扩散。第十一页，共118页。对间隙杂质来说，间隙位置是势能极小位置，相邻的两个间隙之间是势能极大位置。间隙杂质要从一个间隙位置运动到相邻的间隙位置上，必须要越过一个势垒，势垒高度Wi一般为0.6~1.2eV。间隙杂质一般情况下只能在势能极小位置附近做热振动，振动频率约为1013~1014/s,室温下平均振动能只有0.026eV，也就是在1200度的高温下也只有0.13eV。间隙杂质只能依靠热涨落才能获得大于Wi的能量，越过势垒跳到近邻的间隙位置。第十二页，共118页。温度越高，间隙杂质的跳跃率越高，间隙式扩散越容易。间隙杂质的热振动频率为0，根据玻尔兹曼统计分布，热涨落获得能量大于Wi的几率正比于exp(-Wi/kT)，则得到间隙杂质的跳跃率（每秒的跳跃次数）为室温下，约每分钟一次。第十三页，共118页。5.2.2替位（空位）扩散

高温下，晶格处原子在平衡格点作热振动，它有一定几率获得足够的能量，离开格点，形成空位，即空格点。临近的杂质原子移动到空位上，而逃逸出来的原子进入间隙或跑到晶片表面第十四页，共118页。对替位杂质来说，在晶格位置上势能相对最低，而间隙处是势能最高位置。与间隙杂质相同，替位杂质要从一个格点位置运动到近邻格点上，必须要越过一个势垒。势垒高度为Ws。替位杂质的运动比间隙杂质更为困难，首先要在近邻出现空位，同时还要依靠热涨落获得大于势垒高度Ws的能量才能实现替位运动。第十五页，共118页。平衡时单位体积的空位数为：N是单位体积内所含的晶格数，Wv代表形成一个空位所需要的能量。则每个格点上出现空位的几率为：根据玻尔兹曼统计规律，替位杂质依靠热涨落跳过势垒Ws的几率为：替位杂质的跳跃率为出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，即：对硅中的替位杂质来说，Wv+Ws约为3~4eV第十六页，共118页。(a)间隙式扩散（interstitial）(b)替位式扩散（substitutional）间隙扩散杂质：O，Fe，Cu，Zn，Mg替位扩散杂质：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前提B，P，一般作为替代式扩散杂质，实际情况更复杂，包含了硅自间隙原子的作用，称填隙式或推填式扩散第十七页，共118页。5.2.3扩散系数与扩散方程1、菲克第一定律1855年，菲克(Fick)，提出描述物质扩散的第一定律。菲克第一定律：如果在一个有限的基体中杂质浓度C(x,t)存在梯度分布，则杂质将会产生扩散运动，杂质的扩散流密度J正比于杂质浓度梯度C/x，比例系数D定义为杂质在基体中的扩散系数。扩散流密度的一维表达式为：

第十八页，共118页。扩散流密度J定义为单位时间通过单位面积的杂质(粒子)数。D是扩散系数，D的单位为cm2/s。杂质的扩散方向是使杂质浓度梯度变小。如果扩散时间足够长，则杂质分布逐渐变得均匀。当浓度梯度变小时，扩散减缓。D依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等。第十九页，共118页。首先在替位原子的势能曲线和一维扩散模型的基础上，来推导扩散粒子流密度J(x,t)的表达式。晶格常数为a，t时刻在(x-a/2)和(x+a/2)位置处，单位面积上替位原子数分别为C(x-a/2,t)*a和C(x+a/2,t)*a。单位时间内，替位原子由(x-a/2)处跳到(x+a/2处)的粒子数目为由(x+a/2)处单位面积上跳到(x-a/2)处的粒子数目为2、

扩散系数扩散系数的推导：第二十页，共118页。则t时刻通过x处单位面积的净粒子数（粒子流密度）为：则有：D0为表观扩散系数，ΔE为激活能。扩散系数由D0、ΔE及温度T决定。第二十一页，共118页。3、菲克第二定律（扩散方程）如图，沿扩散方向，从x到x+Δx，面积为Δs的一个小体积元内的杂质数量随时间的变化情况。假设在小体积元Δv=ΔxΔs内的杂质分布是均匀的。在t时刻，体积元内的杂质浓度为C(x,t)，在t+Δt时刻杂质浓度为C(x,t+Δt)。经过Δt时间，该体积元内杂质变化量为扩散方程的推导（一维扩散）设杂质在x和x+Δx处的扩散流密度分别为J(x,t)和J(x+Δx,t)，则在Δt时间内，通过x处和x+Δx处的杂质流量差为第二十二页，共118页。假设体积元内的杂质不产生也不消失，可得

把菲克第一定律代入上式．则得一维扩散方程

此方程就是菲克第二定律的最普遍表达式。如果假设扩散系数D为常数，这种假设在低杂质浓度情况下是正确的，则得

第二十三页，共118页。5.2.4、扩散杂质的分布1、恒定表面源扩散恒定表面源扩散：整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终不变。在恒定表面源扩散过程中，表面浓度Cs始终保持恒定，边界条件：假定杂质在硅内的扩散深度远小于硅片的厚度，则另一个边界条件为

根据实际情况下的边界条件和初始条件，求解扩散方程，就可以得到扩散杂质的分布C(x,t)。第二十四页，共118页。在扩散开始时，初始条件应为

根据上述的边界条件和初始条件，可求出恒定表面源扩散的杂质分布情况：erfc为余误差函数。第二十五页，共118页。恒定表面源扩散的杂质分布形式如图所示。在表面浓度Cs一定的情况下，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。如果扩散时间为t，那么通过单位表面积扩散到Si片内部的杂质数量Q(t)为：恒定源扩散，其表面杂质浓度Cs基本上由该杂质在扩散温度(900-1200℃)下的固溶度所决定，在900-1200℃范围内，固溶度随温度变化不大，很难通过改变温度来达到控制表面浓度Cs的目的，这是该扩散方法的不足之处。①杂质分布形式恒定表面源扩散的主要特点第二十六页，共118页。②结深如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的导电类型不同，在两种杂质浓度相等处会形成p-n结。若CB为硅衬底原有的背景杂质浓度，根据C(xj,t)=CB，得到结的位置xj：

其中A是常数。xj与扩散系数D和扩散时间t的平方根成正比。D与温度T是指数关系，所以在扩散过程中，温度对扩散深度和杂质分布的影响较大。第二十七页，共118页。③杂质浓度梯度如果杂质按余误差函数分布，可求得杂质浓度梯度为

由上式可知，杂质浓度梯度大小与Cs，t和D(即温度T)有关，可以改变其中某个量使杂质浓度分布的梯度满足要求。在pn结处的梯度为

由上式可以看出，在Cs和CB一定的情况下，pn结越深，在结处的杂质浓度梯度就越小。第二十八页，共118页。2、有限表面源扩散有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先沉积一层杂质，在整个扩散过程中这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充，这种扩散方式称为有限表面源扩散。假设扩散之前在硅片表面沉积的杂质均匀地分布在薄层h内，每单位面积上的杂质数量为Q。如果杂质在硅内要扩散的深度远大于h，则预先淀积的杂质分布可按δ函数考虑。初始条件为：第二十九页，共118页。假设杂质不蒸发，硅片厚度远大于杂质要扩散的深度。则边界条件为：在上面的初始条件和边界条件下，求解扩散方程，得到有限表面源扩散的杂质分布情况：式中，exp(-x2/4Dt)为高斯函数。第三十页，共118页。①杂质分布形式有限表面源扩散的主要特点扩散温度相同时，扩散时间越长，杂质扩散的越深，表面浓度越低。扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散的越深，表面浓度下降越多。温度相同时，杂质的分布情况随扩散时间的变化如图所示，有限表面源扩散在整个扩散过程中杂质数量保持不变，各条分析曲线下面所包围的面积相等。

有限源扩散的表面杂质浓度是可以控制的，任意时刻t的表面浓度：杂质分布为：第三十一页，共118页。②结深如果衬底中原有杂质与扩散的杂质具有不同的导电类型，则在两种杂质浓度相等处形成p-n结，结深可由下式求出：

则结深为A与比值Cs/CB有关，但因为杂质浓度Cs(t)随时间变化，所以A也随时间变化，这与恒定源扩散情况（A是常数）不同。对于有限源扩散来说，扩散时间较短时，结深xj将随(Dt)1/2的增加而增加。在杂质分布形式相同的情况下，CB越大，结深越浅。第三十二页，共118页。③杂质浓度梯度任意位置x处的杂质浓度梯度在p-n结处的杂质梯度为杂质浓度梯度将随扩散结深的增加而减小。第三十三页，共118页。3、两步扩散实际的扩散温度一般为900-1200℃，在这个温度范围内，杂质在硅中的固溶度随温度变化不大，采用恒定表面源扩散很难通过改变温度来控制表面浓度，而且很难得到低表面浓度的杂质分布形式。两步扩散：采用两种扩散结合的方式。第一步称为预扩散或者预淀积：在较低温度下，采用恒定表面源扩散方式。在硅片表面扩散一层数量一定，按余误差函数形式分布的杂质。由于温度较低，且时间较短，杂质扩散的很浅，可认为杂质是均匀分布在一薄层内，目的足为了控制扩散杂质的数量。第二步称为主扩散或者再分布：将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在较高温度下进行扩散。扩散的同时也往往进行氧化。主扩散的目的是为了控制表面浓度和扩散深度。两步扩散后的杂质最终分布形式：当D预t预>>D主t主时，预扩散起决定作用，杂质基本为余误差分布；当D预t预<<D主t主时，主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函数分布。第三十四页，共118页。5.2.5、影响杂质分布的其他因素

前面求解扩散方程时，作了一些理想化的假设，而且影响杂质扩散的某些因素没有考虑，实际扩散杂质的分布与理论计算的结果有一定的差异，随着集成度的提高，器件尺寸越来越小，杂质扩散深度越来越浅，需要考虑影响杂质分布的其它因素。硅中的点缺陷杂质浓度对扩散系数的影响氧化增强扩散发射区推进效应第三十五页，共118页。1、硅中的点缺陷实验发现硅中杂质原子的扩散，除了与空位有关外，还与硅中其他类型的点缺陷有着密切的关系。硅中的点缺陷分为三类：替位缺陷：是指位于晶格位置上的杂质原子，用A表示。空位缺陷：是指晶格位置上缺失一个硅原子，用V表示。间隙类缺陷：包括自间隙缺陷和间隙原子团。自间隙缺陷：硅晶格间隙位置上的硅原子，用I表示。间隙原子团：是由两个或两个以上的间隙原子形成。组成间隙原子团的两个原子可以都是硅原子(I缺陷)；或者是一个硅原子和一个掺杂原子(AI缺陷)。第三十六页，共118页。杂质与空位的反应：替位型杂质扩散机制：杂质原子运动到近邻的空位上

Ai：间隙位置上的一个杂质原子AV：空位附近的一个杂质原子AI：间隙原子团中的一个杂质原子

在扩散的过程中，晶体上的杂质原子（A）与缺陷之间的结合方式为：AV，AI，Ai，可用以下反应来描述。第三十七页，共118页。一个间隙硅原子把一个处在晶格位置上的替位杂质“踢出”，使这个杂质处在晶体间隙位置上，而这个硅原子却占据了晶格位置。硅原子“踢出”处在晶格位置上杂质的示意图替位杂质与间隙的反应：第三十八页，共118页。被“踢出”的杂质以间隙方式进行扩散运动。当它遇到空位时可被俘获，成为替位杂质；也可能在运动过程中“踢出”晶格位置上的硅原子进入晶格位置，成为替位杂质，被“踢出”硅原子变为间隙原子。原来认为B和P是只能靠空位机制才能运动的杂质，实际上是靠空位扩散和间隙扩散两种机制进行扩散运动的。“踢出”与间隙机制扩散示意图第三十九页，共118页。2、扩散系数与杂质浓度的关系

前面的求解扩散方程时，都假定扩散系数是与杂质浓度无关的常数，但实验发现扩散系数与杂质浓度是有关的。

只有当杂质浓度比扩散温度下的本征载流子浓度低时，才可认为扩散系数与掺杂浓度无关，这种情况的扩散系数叫做本征扩散系数，用Di表示。把依赖于掺杂(包括衬底杂质和扩散杂质)浓度的扩散系数称为非本征扩散系数，用De表示。第四十页，共118页。Ⅲ、Ⅴ族元素在硅中扩散运动的理论是建立在杂质与空位相互作用的基础上，即杂质原子通过跳入邻近的空位实现扩散，因此，扩散系数和空位浓度成比例。扩散系数依赖于杂质浓度的一种可能的解释是：掺入的施主或受主杂质诱导出大量荷电态空位，由于空位浓度的增加，因而扩散系数增大。硅中的荷电态空位主要有四种：V0，V+，V-，V2-。其中V0浓度不依赖于杂质浓度，而V+、V-和V2-与掺杂浓度有关，如高掺杂施主可使V-和V2-的浓度增加。空位的能带图如右图。扩散系数与杂质浓度有关的原因第四十一页，共118页。在低掺杂情况下，硅中各种空位的实际浓度是非常低的，可认为各种荷电空位之间不发生相互作用，总的扩散系数就是各跳跃过程单独贡献的扩散系数之和。

其中分别表示杂质通过与V0，V+，V-，V2-空位作用的扩散系数。在高掺杂情况下，非本征扩散系数可以看成是杂质与各种荷电空位相互作用所贡献的扩散系数的总和，差别仅在于各种荷电空位对扩散系数的相对贡献发生了变化。在高掺杂情况下的扩散系数为：第四十二页，共118页。3、氧化增强扩散杂质在氧化气氛中的扩散，与中性气氛相比，存在明显的增强，这种现象称为氧化增强扩散(OED)。杂质硼和磷的增强现象最为明显，杂质砷也有一定程度的增强，而锑在氧化气氛中的扩散却被阻滞。对于硼扩散，从图可以看到，在氧化区下方，硼的扩散结深大于保护区下方的结深，这说明在氧化过程中，硼的扩散被增强。第四十三页，共118页。4、发射区推进效应在npn窄基区晶体管制造中，如果基区和发射区分别扩硼和扩磷，则发现在发射区正下方(内基区)硼的扩散深度，大于不在发射区正下方(外基区)硼的扩散深度。称为发射区推进效应，或发射区下陷效应。发射区正下方硼扩散的增强是由于磷与空位相互作用形成的PV对发生分解所带来的复合效应。硼附近PV对的分解会增加空位的浓度，因而加快了硼的扩散速度。另一方面，在磷的扩散区的正下方，由于PV的分解，存在过剩的间隙Si原子，这些间隙Si原子与B相互作用增强了B的扩散。第四十四页，共118页。5.2.6、扩散工艺扩散的目的：向晶体中掺入一定数量的某种杂质，并且希望杂质按要求分布。扩散工艺分类：按原始杂质源在室温下的相态分类，可分为固态源扩散，液态源扩散和气态源扩散。本节讨论不同相态源的扩散系统和特点。第四十五页，共118页。1、固态源扩散杂质源放在坩埚内，硅片插在石英舟中。坩埚与石英舟相距一定距离放在扩散炉管内，通过惰性气体把杂质源蒸气输运到硅片表面。在扩散温度杂质化合物与硅反应，生成单质杂质原子并向硅内扩散。温度对杂质浓度有着直接影响。(1)开管扩散第四十六页，共118页。优点：开管扩散的重复性和稳定性都很好。两段炉温法：如果杂质源的蒸气压很高，一般采用两段炉温法，杂质源放在低温区，而杂质向硅内扩散是在高温区完成。片状杂质源：如果把固态源做成片状，其尺寸可与硅片相等或略大于硅片，源片和硅片相间并均匀的放在石英舟上，在扩散温度下，杂质源蒸气包围硅片并发生化学反应释放出杂质并向硅内扩散，这种方法本身并不需要携带气体，但为了防止逆扩散相污染，扩散过程中以一定流速通入氮气或氩气作为保护气体。第四十七页，共118页。(2)箱法扩散把杂质源和硅片装在由石英或者硅做成的箱内，在氮气或氩气保护下进行扩散。杂质源可以焙烧在箱盖的内壁，或者放在箱内，其源多为杂质的氧化物。为了保持箱内杂质源蒸气压的恒定和防止杂质源大量外泄，要求箱子具有一定密封性。在高温下，杂质源的蒸气充满整个箱内空间，与硅表面反应，形成一层含有杂质的薄氧化层，杂质由氧化层直接向硅内扩散。箱法扩散的硅表面浓度基本由扩散温度下杂质在硅中的固溶度决定，均匀性较好。第四十八页，共118页。(3)涂源法扩散涂源法扩散：是把溶于溶剂中的杂质源直接涂在待扩散的硅片表面，在高温下由情性气体保护进行扩散。溶剂一般是聚乙烯醇，杂质源一般是杂质的氧化物或者是杂质的氧化物与惰性氧化物的混合物。当溶剂挥发之后就在硅表面形成一层杂质源。缺点：这种扩散方法的表面浓度很难控制，而且又不均匀。旋转涂源工艺：把硅片放在旋转盘上，再把溶于溶剂中的杂质源涂在待扩散的硅片表面上，旋转盘以每分2500-5000转的速度旋转，在离心力的作用下，杂质源在硅表面形成几千埃厚的薄层，可得到比较均匀的掺杂层。这种方法只适合于对杂质浓度控制要求不高的器件制造。硅片表面上的杂质源也可以采用化学气相淀积法淀积，这种方法的均匀性、重复性都很好，还可以把片子排列很密，从而提高生产效率，其缺点是多了一道工序。第四十九页，共118页。2、液态源扩散携带气体(通常是氮气)通过源瓶，把杂质源蒸气带入扩散炉管内。载气除了通过携带杂质气体进入扩散炉内之外，还有一部分直接进入炉内，起稀释和控制浓度的作用。在液态源扩散中，为了保证稳定性和重复性，扩散时源温通常控制在0℃。液态源扩散优点：系统简单，操作方便，成本低，效率高，重复性和均匀性都很好。扩散过程中应准确控制炉温、扩散时间、气体流量和源温等。源瓶的密封性要好，扩散系统不能漏气。第五十页，共118页。3、气态源扩散进入扩散炉管内的气体，除气态杂质源外，有时还需通入稀释气体，或者是气态杂质源进行化学反应所需要的气体。气态杂质源多为杂质的氢化物或者卤化物，这些气体的毒性很大，且易燃易爆，操作上要十分小心。气态杂质源一般先在硅表面进行化学反应生成掺杂氧化层，杂质再由氧化层向硅中扩散。第五十一页，共118页。5.2.7、扩散工艺的发展快速气相掺杂:是一种掺杂剂从气相直接向硅中扩散、并能形成超浅结的快速掺杂工艺。利用快速热处理过程(RTP)将处在掺杂气氛中的硅片快速均匀地加热至所需要的温度，同时掺杂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，然后进行固相扩散，完成掺杂目的。同普通扩散炉中的掺杂不同，快速气相掺杂在硅片表面上并未形成含有杂质的玻璃层。1、快速气相掺杂(RVD,RapidVapor-phaseDoping)第五十二页，共118页。同离子注入相比(特别是在浅结的应用上)，RVD技术的潜在优势是：它并不受注入所带来的一些效应的影响，如：沟道效应、晶格损伤或使硅片带电。快速气相掺杂在ULSI工艺中得到广泛地应用，例如对DRAM中电容的掺杂，深沟侧墙的掺杂，甚至在CMOS浅源漏结的制造中也采用快速气相掺杂技术。对于选择扩散来说，采用快速气相掺杂工艺仍需要掩膜。另外，快速气相掺杂仍然要在较高的温度下完成。杂质分布是非理想的指数形式，类似固态扩散，其峰值处于表面处。第五十三页，共118页。2、气体浸没激光掺杂(GILD:GasImmersionLaserDoping)气体浸没激光掺杂：用准分子激光器(308nm)产生高能量密度(0.5—2.0J/cm2)的短脉冲(20-100ns)激光，照射处于气态源中的硅表面硅表面因吸收能量而变为液体层同时气态掺杂源由于热解或光解作用产生杂质原子通过液相扩散，杂质原子进入这个很薄的液体层，溶解在液体层中的杂质扩散速度比在固体中高八个数量级以上，因而杂质快速并均匀地扩散到整个溶化层中。当激光照射停止后，已经掺有杂质的液体层通过固相外延转变为固态结晶体。由液体变为固态结晶体的速度非常快(＞3m／s)。在结晶的同时，杂质也进入激活的晶格位置，不需要近一步退火过程，而且掺杂只发生在表面的一薄层内。第五十四页，共118页。由于键表面受高能激光照射的时间很短，而且能量又几乎都被表面吸收，硅体内仍处于低温状态，不会发生扩散现象，体内的杂质分布没有受到任何扰动。硅表面溶化层的深度由激光束的能量和脉冲时间所决定。因此，可根据需要控制激光能量密度和脉冲时间达到控制掺杂深度的目的。第五十五页，共118页。如图所示，在液体中杂质扩散速度非常快，杂质的分布也就非常均匀，因此可以形成陡峭的杂质分布形式。采用这种方法可以得到突变型杂质分布、超浅深度和极低的串联电阻。气体浸没激光掺杂技术对工艺作出了极大的简化，成功地应用于MOS和双极器件的制造中。第五十六页，共118页。1.薄层电阻的测量薄层电阻(方块电阻)测量广泛采用四探针方法测试。电流经过外面两根探针测量，中间两根探针测量电压，由如下公式计算出电阻率：R=cV/I式中，c是修正因子。在待测样品远远大于探针间距时，c为固定值4.53。而样品较小时，则要查得相应的c值代入公式计算。4.3.7、与扩散有关的测量第五十七页，共118页。2.电阻率R与P和B的杂质浓度关系第五十八页，共118页。3.扩散结深的测量扩散结深常用磨角染色法和磨槽染色法测量。如图所示。

显结液如下：对PN结显示P区，用HF:HNO3:H2O=500:1:500，红外灯照射1min后，P区变暗；

对PN结显示N区，用CuSO45H2O:HF:H2O=5g:2ml:50ml，红外线照10s，N区染上铜。实际上扩散处理除在Si表面的垂直方向进行外，还将进行横向扩散，横向扩散的宽度大约为0.8xj。这也是小尺寸器件不能采用扩散工艺的原因。第五十九页，共118页。4.杂质浓度分布的测量杂质浓度分布可以用C-V法测量，它的原理是利用测得的电容与耗尽层的厚度有关，从而可以算出杂质浓度，如图示出了几种测量结构。第六十页，共118页。5.3离子注入离子注入技术是用一定能量的杂质离子束轰击要掺杂的材料（称为靶，可以是晶体，也可以是非晶体），一部分杂质离子会进入靶内，实现掺杂的目的。离子注入是集成电路制造中常用的一种掺杂工艺，尤其是浅结主要是靠离子注入技术实现掺杂。第六十一页，共118页。1952年，美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善半导体的特性。1954年前后，shockley提出来用离子注入技术能够制造半导体器件，并且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。1955年，英国的W.D.Cussins发现硼离子轰击锗晶片时，可在n型材料上形成p型层。1960年，对离子射程的计算和测量、辐射损伤效应以及沟道效应等方面的重要研究己基本完成，离子注入技术开始在半导体器件生产中得到广泛应用。1968年报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分布的变容二极管以及铝栅自对准MOS晶体管。1972年以后对离子注入现象有了更深入的了解，目前离子注入技术已经成为甚大规模集成电路制造中最主要的掺杂工艺。离子注入的发展历史第六十二页，共118页。5.3.1、核碰撞和电子碰撞5.3.2、注入离子在无定形靶中的分布5.3.3、注入损伤5.3.4、热退火5.3.5、离子注入系统及工艺简介第六十三页，共118页。5.3.1、核碰撞和电子碰撞1963年，林华德(Lindhard)，沙夫(Scharff)和希奥特(Schiott)。LSS理论：（注入离子在靶内的分布理论）注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程：①核碰撞(核阻止)②电子碰撞(电子阻止)总能量损失为它们的和。

第六十四页，共118页。核碰撞：是注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。

因注入离子与靶原子的质量一般为同一数量级，每次碰撞之后，注入离子都可能发生大角度的散射，并失去一定的能量。靶原子核也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离开原来所在晶格进入间隙，并留下一个空位，形成缺陷。第六十五页，共118页。由于两者的质量相差非常大(104)，每次碰撞中，注入离子的能量损失很小，而且散射角度也非常小，也就是说每次碰撞都不会改变注入离子的动量，虽然经过多次散射，注入离子运动方向基本不变。电子碰撞：是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬时地形成电子-空穴对。第六十六页，共118页。5.3.2、注入离子在无定形靶中的分布

注入离子在靶内分布是与注入方向有关系，一般来说，离子束的注入方向与垂直靶表面方向的夹角比较小，假设离子束的注入方向是垂直靶表面的。任何一个注入离子，在靶内所受到的碰撞是一个随机过程。即使是能量相等的同种离子，在靶内发生每次碰撞的偏转角和损失能量、相邻两次碰撞之间的行程、离子在靶内所运动的路程总长度、以及总长度在入射方向上的投影射程(注入深度)都是不相同的。如果注入的离子数量很小，它们在靶内分布是很分散的，但是，如果注入大量的离子，那么这些离子在靶内将按一定统计规律分布。第六十七页，共118页。1、纵向分布n(x)：距离靶表面为x处的离子浓度(离子数/cm3)Nmax：峰值浓度,Rp：平均投影射程，离子注入深度的平均值ΔRp为Rp标准偏差Rp和R之间的一般关系式为式中b是E和R的缓慢变化函数。一级近似下，无定形靶内的纵向浓度分布可用高斯函数表示：第六十八页，共118页。注入离子分布在Rp的两边，具体分布情况由Rp决定，Rp与Rp的近似关系为注入剂量:则有则离子浓度可表示为注入离子二维分布示意图第六十九页，共118页。B：峰值靠近表面一侧的离子数量高于另一侧（轻，大角度散射）As：x>Rp一侧有较多的离子分布（重，散射角小）与注入离子与靶原子的相对质量有关尽管如此，实践中通常仍利用理想高斯分布来快速估算注入离子在非晶靶以及单晶靶材料中的分布。一级近似得到的高斯分布，在峰值附近与实际分布符合较好，距峰值较远时有一定偏离。第七十页，共118页。在能量一定的情况下，轻离子比重离子的射程要深。B，P，As在无定型硅和热氧化SiO2中的投影射程和能量的关系第七十一页，共118页。2、横向分布横向效应：注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。离子束沿x方向入射，注入离子的空间分布函数f(x,y,z)：

其中ΔY和ΔZ分别为在Y方向和Z方向上的标准偏差。ΔY=ΔZ=ΔR┴，ΔR┴为横向离散。第七十二页，共118页。

在掩膜边缘(即-a和+a处)的浓度是窗口中心处浓度的50％。而距离大于+a和小于-a各处的浓度按余误差下降。通过一狭窄掩膜窗口注入的离子，掩膜窗口的宽度为2a，原点选在窗口的中心，y和z方向如图所示。第七十三页，共118页。

在数学中，误差函数（也称之为高斯误差函数）是一个非基本函数（即不是初等函数），其在概率论、统计学以及偏微分方程中都有广泛的应用。自变量为x的误差函数定义为：误差函数

余误差函数erfc(x)定义为：第七十四页，共118页。(a)杂质B、P通过lμ宽掩膜窗口注入到硅靶中的等浓度曲线(b)杂质P以不同能量注入硅靶中的等浓度曲线横向效应与注入离子的种类和入射离子的能量有关第七十五页，共118页。3、沟道效应沟道效应：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶面平行时，将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。由于沟道效应，使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾。第七十六页，共118页。为了避免沟道效应，可使晶体的主轴方向偏离注入方向，使之呈现无定形状态，会发生大量碰撞。偏离的典型值为7°。第七十七页，共118页。部分沟道效应，在两次碰撞之间有沟道效应存在。第七十八页，共118页。4、浅结的形成对于轻杂质，形成浅结非常困难。降低注入离子能量：注入离子能量几个keV但是在低能情况下，沟道效应变得非常明显。增大偏离角度。在低能注入时，离子束的稳定性是一个问题，由于空间电荷效应，离子束发散。解决办法是采用宽束流，降低束流密度。预先非晶化：注B前，先以重离子高剂量注入，使Si形成非晶表面层。使沟道效应减小。完全非晶化层在退火后结晶质量好。第七十九页，共118页。5.3.3、注入损伤离子注入技术的最大优点，就是可以精确地控制掺杂杂质的数量及深度。但是，在离子注入的过程中，衬底的晶体结构受到损伤是不可避免的。离子注入前后，衬底的晶体结构发生变化。第八十页，共118页。5.3.4、热退火注入离子所造成的晶格损伤，对材料的电学性质将产生重要的影响。如载流子迁移率下降、少子的寿命减少等。另外，离子注入的掺杂机理与热扩散不同，在离子注入中，是把杂质离子强行射入晶体内，被射入的杂质原子大多数都存在于晶格间隙位置，起不到施主或受主的作用。所以，采用离子注入技术进行掺杂的硅片，必须消除晶格损伤，并使注入的杂质进入晶格位置以实现电激活。热退火：在一定温度下，将注有杂质离子的硅片经过适当时间的热处理，使硅片中的损伤部分或绝大部分消除，少子寿命和迁移率得到恢复，掺入的杂质被激活，这样的处理过程称为热退火。第八十一页，共118页。1、硅材料的热退火特性退火的温度和时间，退火方式等都要根据实际情况而定。低剂量所造成的损伤，一般在较低温度下退火就可以消除。

第八十二页，共118页。热退火的重结晶过程第八十三页，共118页。第八十四页，共118页。第八十五页，共118页。第八十六页，共118页。第八十七页，共118页。第八十八页，共118页。第八十九页，共118页。第九十页，共118页。第九十一页，共118页。2、硼的热退火特性电激活比例:自由载流子数p和注入剂量Ns的比

对于低剂量的情况，随退火温度上升，电激活比例增大。能量为150keV的硼离子以三个不同剂量注入硅中的等时退火特性第九十二页，共118页。对于高剂量情况，可以把退火温度分为三个区域：在区域I中，随退火温度上升，点缺陷的移动能力增强，因此间隙硼和硅原子与空位的复合几率增加，使点缺陷消失，替位硼的浓度上升，电激活比例增加，自由载流子浓度增大。当退火温度在500-600℃的范围内。点缺陷通过重新组合或结团，降低其能量。因为硼原子非常小，和缺陷团有很强的作用，很容易迁移或被结合到缺陷团中，处于非激活位置，因而出现随温度的升高而替位硼的浓度下降的现象，也就是自由载流子浓度随温度上升而下降的现象（逆退火特性）。在区域Ⅲ中，硼的替位浓度以接近于5eV的激活能随温度上升而增加，这个激活能与升温时Si自身空位的产生和移动的能量一致。产生的空位向间隙硼处运动，因而间隙硼就可以进入空位而处于替代位置，硼的电激活比例也随温度上升而增加。第九十三页，共118页。3、热退火过程中的扩散效应注入离子在靶内的分布近似认为是高斯型的。但是热退火过程使高斯分布有明显的展宽，偏离了注入时的分布，尤其是尾部出现了较长的按指数衰减的拖尾。实际上，热退火温度比热扩散时的温度要低得多。在退火温度下，对于完美晶体中的杂质来说，扩散系数是很小的，甚至可以忽略。但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度下，杂质扩散效果也是非常显著的。这是因为离子注入所造成的晶格损伤：硅内的空位数比完美晶体中多得多晶体内存在大量的间隙原子其它各种缺陷使扩散系数增大，扩散效应增强。退火温度不同时注入杂质B分布（注入条件和退火时间相同）第九十四页，共118页。4、快速退火快速退火：降低退火温度，或者缩短退火时间。快速退火技术：脉冲激光、脉冲电子束与离子束、扫描电子束、连续波激光以及非相干宽带光源(卤灯、电弧灯、石墨加热器)等。特点：瞬时使硅片的某个区域加热到所需要温度，退火时间短(10-3-102秒)。脉冲激光退火：利用高能量密度的激光束辐射退火材料表面，引起被照区域的温度突然升高，达到退火效果。激光退火的主要特点：退火区域受热时间非常短，因而损伤区中杂质几乎不扩散；衬底材料中的少数载流子寿命及其他电学参数基本不受影响。利用聚焦得到细微的激光束，可对样品进行局部选择退火，通过选择激光的波长和改变能量密度，可在深度上和表面上进行不同的退火过程，因而可以在同一硅片上制造出不同结深或者不同击穿电压的器件。第九十五页，共118页。第九十六页，共118页。连续波激光退火：是固-固外延再结晶过程。使用的能量密度为1-100J/cm2，照射时间约100s。由于样品不发生溶化，而且时间又短，因此注入杂质的分布几乎不受任何影响。电子束退火：退火机理与激光退火一样，只是用电子束照射损伤区，使损伤区在极短时间内升到较高温度，通过固相或液相外延过程，使非晶区转化为结晶区，达到退火目的。电子束退火的束斑均匀性比激光好，能量转换率可达50％左右，但电子束能在氧化层中产生中性缺陷。宽带非相干光源：主要是卤灯和高频加热方式，是一种很有前途的退火技术，目前用得较多。其设备简单、生产效率高，没有光干涉效应，而又能保持快速退火技术的所有优点，退火时间一般为10-100秒。第九十七页，共118页。注入离子是通过质量分析器选取，纯度高，能量单一，保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。可以精确控制掺杂原子数目，注入剂量的范围较宽(1011-1017/cm2)，同一平面内的杂质均匀性和重复性可精确控制在±1％以内。（即使是高浓度扩散也只能控制在5-10%）离子注入时，衬底一般是保持在室温或低于400℃，可选掩蔽膜很多，如光刻胶、SiO2、SiN和Al等。而扩散必须是能耐高温的材料。离子注入时的衬底温度低，避免了高温扩散所引起的热缺陷。离子注入深度通过控制离子束能量来控制，而掺杂浓度的控制可通过控制注入离子剂量来实现。是两个独立控制过程。由于离子注入的直进性，注入杂质是按掩膜的图形近于垂直入射，横向效应比热扩散小很多，这一特点有利于器件特征尺寸的缩小。离子注入的主要特点第九十八页，共118页。第九十九页，共118页。扩散离子注入高温，硬掩膜低温，光刻胶掩膜各向同性的杂质分布各向异性的杂质分布不能够独立控制掺杂浓度和结深能够独立控制掺杂浓度和结深（离子束流和注入时间控制掺杂浓度；离子能量控制结深）批量化的工艺可批量，也可单片工艺离子注入与扩散的主要区别第一百页，共118页。♣气体系统♣电控系统♣真空系统♣离子束线控制1、离子注入系统5.3.5、离子注入系统及工艺简介第一百零一页，共118页。♣气体系统特殊的传送系统来操作危险气体；用氩气来净化系统及校准离子束。♣电控系统高压系统（离子能量，从而控制结深）；射频系统（一些离子源需要用射频电源来产生离子）。♣真空系统需要高真空来加速离子以及减少碰撞；真空度为10-5-10-7torr；使用分子泵和低温泵；排空系统。♣离子束线控制离子源；提取电极；磁分析器；后加速器；等离子体溢注系统；底部分析器。第一百零二页，共118页。离子束线控制——离子源热钨丝发射热电子；热电子与源气分子碰撞使之分解并离子化；离子被从源舱提取并加速进入离子束管线。射频离子源微波离子源第一百零三页，共118页。离子束线控制——提取电极加速电极将提取离子的能量加速到50keV。磁分析器需要如此高的离子能量，来选择合适的离子样品。第一百零四页，共118页。离子束线控制——磁分析器磁场中的带电颗粒的回旋半径与与磁场和荷质比相关。只有合适的荷质比