7扩散与离子注入

扩散与离子注入

DiffusionandIonImplantation典型MOS工艺回顾NMOS结构NMOS典型工艺热氧化薄膜沉积光刻刻蚀注入扩散互连封装CMOS工艺光刻技术正胶负胶热氧化一、扩散向硅中引入杂质的重要方法之一，用于控制主要载流子类型、浓度，进而控制导电率。主要介绍：扩散的基本原理、扩散层的片电阻、扩散层深度的测量，以及物理扩散系统。1、扩散过程替位扩散：杂质沿着晶格运动必须有空位存在间隙扩散：杂质通过晶格位之间的间隙运动扩散速度快于替位扩散扩散过程难以控制2、扩散的数学描述Fick第一定律D为扩散系数描述扩散粒子的空间分布Fick第二定律描述扩散粒子的时间分布3、两种扩散方式恒定源扩散有限源扩散4、扩散系数扩散系数的对数与温度的倒数成正比，即满足Arrhenius关系左图为替位扩散粒子的扩散系数右图为间隙扩散粒子的扩散系数常见杂质的扩散系数例：计算硼在1100oC下的扩散系数：D=10.5exp[-(3.69/8.61410-51373)]=2.9610-13cm2/sec5、固溶极限在一定温度下，硅能够容纳的杂质有一个上限，被称为固溶极限。只有一小部分杂质对电子和空穴有贡献，被称为“电活性”杂质。如图中虚线所示6、PN结的形成与特征纵向扩散与结的形成大多数的扩散过程，是为了将p型材料转变成为n型从而形成pn结扩散杂质浓度与背景浓度相等的点称为“冶金结深”，此处净杂质浓度为零。杂质浓度与电阻率横向扩散在纵向扩散的同时，会发生横向扩散纵、横向扩散比效应耦合器件扩散掩模的设计扩散结深的测量Groove-and-stain法沟槽与着色法扩散结深的测量Angle-lap斜角研磨法角度介于1~5o7、片电阻由于电阻是扩散深度的函数，为了描述方便，引入一个新的参数：片电阻，来描述扩散层的电阻特性：电阻率与厚度的比（W/□）-方阻。各种图形的方阻方阻的测量四点探针法四点探针法的矫正系数曲线a用于校正硅片厚度较大的情形曲线b用于校正硅片直径较小的情形8、扩散系统常用旋涂方法将液态源施加在硅片表面，但是均匀性差固态扩散源液态扩散源气态扩散源9、硼、磷、砷、锑的扩散硼元素硼的扩散系数极低，所以常用氧化硼与硅的反应来提供硼扩散源：三甲基硼（(CH3O)3B）、氮化硼为常用的固态源溴化硼为常用的液态源二硼烷B2H6为常用的气态源除了氧化硼外，其它硼源均先与氧反应形成氧化硼，再于硅反应扩散磷的扩散磷的扩散也是通过氧化磷与硅的反应实现的：固态源单磷酸铵(NH4H2PO4)二磷酸铵((NH4)2H2PO4)液态源氧氯酸磷(POCl3)气态源磷烷PH3除了氧化磷外，其它磷源均先与氧反应形成氧化磷，再于硅反应扩散砷、锑的扩散As砷在硅中具有最高的溶解度，但是其高挥发性造成其扩散控制困难，故通常用离子注入法。Sb锑在硅中的扩散系数较低可以使用液态的五氯化锑作为扩散源气体扩散源的毒性二、离子注入离子注入已经成为向硅片中引入杂质的主要方法。离子注入机是一个高压粒子加速器，利用高能粒子向硅片内部的穿透对硅片进行掺杂。1、离子注入机离子源：25kV，可以利用气态源，或者利用固态源溅射产生所需要的离子；质谱仪：利用磁场选择所需要的离子，使其通过光栏进入主加速器；高压加速器：可以高达175keV；扫描系统：控制注入的位置、均匀性以及剂量，略微偏转可以避免中性束的入射；靶室：处于低电位端及真空环境。2、选择性注入使用掩模：氮化硅、氧化硅、光刻胶等右图为杂质在掩模中的分布3、PN结的形成4、注入时的隧道效应5、晶格损伤与热处理如果注入剂量足够大，则离子可能将硅原子从晶格位置上打出去，使得注入区变为非晶结构。因此存在一个临界注入剂量，高于此值，硅将非晶化：快速热处理恢复硅的损伤、激活掺入的杂质扩散与离子注入的简要对比扩散设备简单快速掺杂浓度高扩散浓度分布控制困难扩散掩模少难以实现选择性扩散扩散温度高表