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1、1,第十七章 扩散和离子注入,微固学院 张金平,2,17.1 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。,3,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,4,半导体常用杂质,17.1 引 言,5,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
2、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。,17.1 引 言,6,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,7,具有掺杂区的CMOS结构,17.1 引 言,8,17.1 引 言,9,亚微米CMOS IC 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
3、引 言,10,17.2 扩散,11,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,12,17.2.1 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,13,1100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,14,17.2.3 杂质扩散机构,15,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
4、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,16,间隙式扩散：必须要越过一个高度为Ei为0.61.2eV的势垒越过势垒的几率：扩散系数：,17.2.3 杂质扩散机构,17,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.
5、2.3 杂质扩散机构,18,17.2.3 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。,19,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)=0 x 0,一、恒定表面浓度的扩散,17.2.4 杂质扩散方式,20,x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,21,在
6、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,22,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(
7、,t)=0,二、有限源扩散:,17.2.4 杂质扩散方式,23,有限源扩散，杂质分布为高斯分布,17.2.4 杂质扩散方式,24,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,25,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,26,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
8、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。,27,17.2.6 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
9、酸三甲脂 B(CH3)O3,（B2O3，P2O5，BN等）,28,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 Cl2 POCl3 O2 P2O5 Cl2 P2O5 Si P SiO2,17.2.6 扩散工艺,29,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 SiO2,17.2.6 扩散工艺,30,方块电阻(Rs:单位为/)和结深
10、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01HNO3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,V,I,t,S S S,1,4,3,2,31,17.2.7 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。,32,硼、磷杂质在SiO2Si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SiO2Si界面发生分凝
11、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,33,17.2.8 扩散常用杂质源,34,17.3 离子注入,35,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,36,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）,37,17.3.1 离子注入
12、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,38,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,39,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,40,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
13、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100KeV,17.3.2 离子注入参数,41,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,42,17.3.2 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,注入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论,43,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
14、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,44,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,45,17.3.3 离子注入浓度分布,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:,46,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)注入离子的剂量越大，浓度峰值越高；(3)注入离子
15、的能量E（20200 KeV）越大，RP、RP 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,47,17.3.3 离子注入浓度分布,离子注入结深 Xj,其中:NB为衬底浓度,48,17.3.3 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,各种离子在Si中的Rp和Rp 值(),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(),17.3.
16、3 离子注入浓度分布,各种离子在SiO2中的Rp和Rp 值(),17.3.3 离子注入浓度分布,各种离子在Si3N4中的Rp和Rp 值(),17.3.3 离子注入浓度分布,53,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,54,硅单晶的退火,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,55,沿 轴的硅晶格视图,沟道效应：离子沿某
17、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的晶向为开沟方向，是注入最深的方向,17.3.4 离子注入效应,56,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,57,倾斜硅片,（100）硅片：偏离垂直方向7度；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,58,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
18、用非常有效 4.使用质量较大的原子,17.3.4 离子注入效应,59,17.4 离子注入的应用,60,17.4 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),61,17.4.1 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。,62,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,63,穿通：漏耗尽区向轻掺杂沟道区
19、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,64,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,65,17.5.5 LDD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。,66,17.5.6 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。,67,17.4.7 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
20、减小电阻。,68,17.4.8 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。,69,17.4.9 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0.18m工艺，超浅结深约为54 18nm；0.1m工艺为30 10nm。,70,17.4.10 绝缘层上硅SIMOX,普通的CMOS硅片结构,具有SIMOX埋氧化层的CMOS硅片,71,17.5 离子注入机,72,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,73,离子源 引出电极（吸极）和离子分
21、析器 加速管 扫描系统 工艺室,17.5.1 离子注入机结构,74,17.5.2 离子源,75,17.5.3 引出电极（吸极）和离子分析器,76,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,77,17.5.3 引出电极（吸极）和离子分析器,78,17.5.4 加速管,79,邻近吸收,Present applications,Evolving applications,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,Energy(keV),Dose(atoms/cm2),剂量与能量图,17.5.4 加速管,80,S
22、ource,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,81,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,82,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,83,17.5.5 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
23、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,84,+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。,17.5.5 扫描系统,85,静电扫描优点：硅片固定，降低颗粒沾污；电子和中性离子不发生偏转，能够从束流中消除。静电扫描缺点：离子束不能垂直轰击硅片，会导致光刻材料的阴影
24、效应，阻碍离子束的注入。,17.5.5 扫描系统,86,机械扫描,机械扫描：离子束固定，硅片机械移动。一般用于大电流注入机。优点：每次注入一批硅片，有效地平均了离子束能量，减弱了硅片由于吸收离子能量而加热。缺点：产生较多的颗粒。,17.5.5 扫描系统,87,混合扫描：硅片放置在轮盘上旋转，并沿y轴方向扫描。离子束在静电(或电磁)的作用下沿x轴方向扫描。用于中低电流注入，每次注入一个硅片。平行扫描：静电扫描的离子束与硅片表面不垂直，容易导致阴影效应。平行扫描的离子束与硅片表面的角度小于0.5度，因而能够减小阴影效应和沟道效应。平行扫描中，离子束先静电扫描，然后通过一组磁铁，调整它的角度，使其垂
25、直注入硅片表面。,17.5.5 扫描系统,88,硅片充电：在注入过程中，离子束撞击硅片导致正离子在掩蔽层上的积累。改变离子束中的电荷平衡，使束斑扩大，剂量分布不均匀。损害表面氧化层，如栅氧化层导致器件出现可靠性问题。解决办法：电子喷淋-向硅片表面喷发低能电子。等离子喷淋。,17.5.6 控制硅片充电的电子喷淋,89,17.5.6 控制硅片充电的电子喷淋,90,等离子体电子喷淋,优点：不产生高能电子，即只利用了低能电子，有效减少了硅片形成的电荷和损害。,17.5.6 控制硅片充电的电子喷淋,91,17.5.7 注入工艺腔的硅片传送器,92,17.5.8 法拉第杯电流测量,93,17.5.9 离子注入机的种类,
