扩散离子注入

第三章扩散/离子注入本章主要内容§3.1引言§3.2扩散原理§3.3扩散工艺§3.4扩散设备§3.5离子注入§3.6离子注入工艺原理§3.7离子注入效应§3.8离子注入退火§3.9离子注入的应用§3.10离子注入设备3.1引言本征硅电阻率：金属铝电阻率：掺杂本质：改变硅的电阻率，使其成为有用的半导体。掺杂目的：主要是形成P－N结例子a简单的二极管结构3.1引言例子b简单的三极管结构3.1引言掺杂手段：3.1引言扩散离子注入扩散是微观粒子（原子、分子等）普遍的热运动形式，运动的结果是使浓度分布趋于均匀。半导体工艺中，扩散是指将一定数量和一定种类的杂质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工艺过程。扩散分为三种即气态、液态和固态。扩散是硅基集成电路的重要工艺之一。3.2扩散原理1.扩散的概念在间隙位置的杂质杂质空位（a）间隙式扩散（b）替位式扩散2.固态杂质扩散机制3.2扩散原理杂质在硅中的扩散3.2扩散原理非克（Fick）第一定律：J为扩散粒子流密度，定义为单位时间通过单位面积的粒子数，D为扩散系数，是表征杂质扩散快慢的系数，N是扩散粒子的浓度。非克第一定律表达了扩散的本质即温度越高，浓度差越大，扩散就越快。3.2扩散原理3.杂质扩散方程非克（Fick）第二定律：非克第二定律与非克第一定律描述的物理概念相同，通常使用非克第二定律求解杂质浓度分布函数N(z,t)。3.2扩散原理对杂质扩散方程进行求解，首先需要引入两组边界条件，分别是：1).恒定表面源条件（表面杂质浓度固定）2).有限表面源条件（杂质总量固定）3.2扩散原理4.杂质浓度分布函数其扩散方程的解：式中的erfc代表余误差函数1)、余误差函数分布（恒定表面源扩散条件）3.2扩散原理余误差函数分布曲线：3.2扩散原理余误差函数分布的特点：a、当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变。杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。b、扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散进入硅片内的杂质总量就越多；c、扩散时间越长，扩散温度越高，杂质扩散得越深；3.2扩散原理其扩散方程的解：式中的QT为杂质总量2)、高斯函数分布（有限表面源扩散条件）3.2扩散原理高斯函数分布曲线：3.2扩散原理高斯函数分布的特点：a、在整个扩散过程中，杂质总量QT保持不变；b、扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深，表面浓度越低；c、表面杂质浓度可控；3.2扩散原理1)、方块电阻2)、结深3.2扩散原理5.杂质扩散后的参数表征1)、方块电阻方块电阻就是长宽相等的扩散电阻，它与长宽大小无关。方块电阻通常用R□表示，单位为Ω/□。3.2扩散原理扩散电阻与方块电阻的关系：,当L=W时，其中ρ为扩散层的平均电阻率方块电阻是杂质扩散的一个重要表征参数，因为它间接的表征了在半导体中掺入的杂质总量。方块电阻可以通过四探针测试仪进行测量。3.2扩散原理2)、结深定义：杂质扩散浓度分布曲线与衬底掺杂浓度曲线的交点的位置称为杂质扩散的结深。结深的获得：a、公式计算（令扩散方程的解N（xj,t）=NB）b、实验测量余误差分布高斯分布3.2扩散原理a、结深公式余误差分布高斯分布3.2扩散原理b、结深的测量结深可以通过磨角法、滚槽法测量Xj＝L×sinθ3.2扩散原理方块电阻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。3.2扩散原理①硅中的常规扩散杂质：●形成P型硅的杂质：B、Al、Ga（ⅢA族元素）●形成N型硅的杂质：P、As、Sb（ⅤA族元素）●IC制造中常用杂质：B、P、As、Sb注：B：硼，Al：铝，Ga：镓，P：磷，As：砷，Sb：锑3.2扩散原理6.与扩散相关的几个知识●Si中慢扩散杂质（扩散系数小）：B、As、Sb●Si中快扩散杂质（扩散系数大）：P、Al、Ga●在SiO2中扩散系数非常小的杂质：B、P、As、Sb●在SiO2中扩散系数大的杂质：Al、Ga3.2扩散原理②扩散杂质在Si和SiO2中的不同扩散特性：③固溶度：固溶度就是在一定的温度下，掺入杂质在硅晶体中的最大浓度。杂质固溶度（atoms/cm3）硼（B）2.2×1020磷（P）1.1×1021砷（As）1.7×1021锑（Sb）5.0×1019铝（Al）1.8×10191100℃下硅中的杂质固溶度3.2扩散原理④横向扩散（扩散问题）：Xj横＝（0.75～0.85）Xj纵3.2扩散原理3.3扩散工艺1.扩散方法1)、固态源扩散2)、液态源扩散3)、气态源扩散根据杂质源的不同进行分类：扩散常用杂质源杂质杂质源化学名称砷（As）AsH3砷烷（气体）磷（P）PH3磷烷（气体）磷（P）POCl3三氯氧磷（液体）硼（B）B2H6乙硼烷（气体）硼（B）BF3三氟化硼（气体）硼（B）BBr3三溴化硼（液体）锑（Sb）SbCl5五氯化锑（固体）3.3扩散工艺1)、固态源扩散优点：重复性、稳定性较好缺点：源处理不方便（如B2O3易受潮，需活化处理）依据扩散系统的不同分类为：开管扩散、箱法扩散、涂源法扩散和薄膜扩散。开管扩散：杂质源是片状或粉状，且杂质源与硅片平行分开，不接触；箱法扩散：杂质源与硅片放在有盖的石英箱里；涂源法扩散：将掺有杂质的乳胶源旋涂在硅片上；薄膜法扩散：用CVD办法先在硅片上淀积一层含扩散杂质的薄膜，如氧化硅、氮化硅。3.3扩散工艺举例：硼的涂源扩散（固态源扩散）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＋SiO23.3扩散工艺2)、液态源扩散方法：携带气体经过液态杂质源，将杂质源蒸汽（杂质化合物）带入扩散炉管内与硅反应，或分解后与硅反应。优点：系统简单、操作方便、成本低、效率高缺点：腐蚀性高，起泡器加压（易炸），对温度敏感3.3扩散工艺举例：磷的液态源扩散三氯氧磷（POCl3）是普遍选用的液态源，POCl3是无色透明液体，其熔点是2℃，沸点是105.3℃，具有窒息性气味，在室温下具有较高的蒸气压，有毒。磷的液态源扩散属于预扩散。化学反应式：POCl3→PCl5＋P2O5PCl5＋O2→P2O5＋Cl2POCl3＋O2→P2O5＋Cl2P2O5＋Si→P＋SiO23.3扩散工艺液态源扩散系统3.3扩散工艺3)、气态源扩散气态杂质源一般先在硅片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预扩散。以B掺杂为例：B2H6+2O2→B2O3+3H2O2H2O+Si→SiO2+2H22B2O3+3Si→4B+3SiO2优点：操作很方便缺点：安全问题，气态源均易爆3.3扩散工艺半导体工艺中，常规结深（Xj≥２μｍ）扩散均采用两步扩散工艺：●第一步：预扩散或预沉积——温度一般较低（980℃以下）、时间短（小于60分钟）。此步扩散为恒定表面源扩散，余误差函数分布；●第二步：再扩散或结推进——温度一般较高（1200℃左右）、时间长（大于120分钟），同时生长SiO2。此步扩散为有限表面源扩散，高斯函数分布。3.3扩散工艺2.两步扩散工艺第一步：掺入一定总量的杂质，特征是浅结；第二步：一是形成工艺要求的结深，二是激活杂质，三是形成后道工序所需的阻挡层氧化硅。3.3扩散工艺采用两步扩散工艺方法的目的及意义：SiO2对Si表面杂质再分布的影响——硼、磷杂质在SiO2－Si中的分凝效应在硼、磷杂质的再扩散过程中，总是要生长一定厚度的SiO2，那么氧化硅对硅表面杂质浓度分布会产生什么影响呢？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杂质总量损失得多，其现象是SiO2吸硼排磷。3.3扩散工艺3.分凝效应硼、磷杂质在SiO2－Si的分凝效应2SiSiOm杂质在中的平衡浓度分凝系数杂质在中的平衡浓度3.3扩散工艺促使杂质在SiO2－Si界面再分布的因素1)、杂质的分凝效应，杂质在Si、SiO2中平衡浓度不同2)、杂质在Si、SiO2中扩散速度不同3)、氧化速率的快慢3.3扩散工艺杂质源浓度（浓度越高，同样时间内扩散越深）扩散温度（温度升高，扩散原子获得能量超越势垒几率增大且空位浓度增大，扩散增强）扩散时间（时间越长扩散进入硅片的杂质总量越大，结深越深）扩散介质结构（介质结构越紧密，越不易扩散）结构缺陷（原子沿缺陷扩散速率快）杂质材料本身固有特性3.3扩散工艺4.影响杂质扩散的因素注：菲克定律3.4扩散设备1.卧式炉2.立式炉与氧化工艺设备基本相同3.5离子注入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，再将其打到硅片靶中进行掺杂的工艺过程。1.离子注入的概念离子注入是继扩散之后的第二种掺杂技术，是现代先进的集成电路制造工艺非常重要的技术。有些特殊的掺杂（如小剂量浅结掺杂、深浓度峰分布掺杂等）扩散是无法实现的，而离子注入却能胜任。3.5离子注入1).精确地控制掺杂深度和掺杂浓度离子注入层的深度依赖于离子能量，而杂质浓度依赖于离子剂量。可以独立地调整能量和剂量，精确地控制掺杂层的深度和浓度，工艺自由度大。2).可以获得任意的杂质浓度分布由于离子注入的浓度峰在体内，所以基于第1点采用多次叠加注入可以获得任意形状的杂质分布，增大了设计的灵活性。2.离子注入的优点3.5离子注入3).杂质浓度均匀性、重复性很好用扫描的方法控制杂质浓度的均匀性，在1010～1017ions/cm2的范围内，均匀性可达±2％，而扩散的均匀性在±10％，并且1013ions/cm2以下的小剂量，扩散无法实现。4).掺杂温度低注入可在125℃以下的温度进行，允许使用不同的注入阻挡层（如光刻胶、氧化硅），增加了工艺的灵活性。3.5离子注入5).沾污少质量分离技术产生没有沾污的纯离子束，减少了由于杂质源纯度低带来的沾污，另外低温工艺也减少了掺杂沾污。6).无固溶度极限注入杂质浓度不受硅片固溶度限制。3.5离子注入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3.5离子注入3.离子注入的缺点3.6离子注入工艺原理1)注入剂量φ注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数。单位：离子/cm2。I为束流，单位是库仑每秒（安培）t为注入时间，单位是秒q为电子电荷，等于1.6×10－19库仑n为每个离子的电荷数A为注入面积，单位为cm21.离子注入参数2)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的电场中运动，它的能量为100KEV。3.6离子注入工艺原理3)射程、投影射程具有一定能量的离子入射靶中，与靶原子和电子发生一系列碰撞（即受到了核阻止和电子阻止）进行能量的交换，最后损失了全部能量停止在相应的位置，离子由进入到停止所走过的总距离，称为射程，用R表示。这一距离在入射方向上的投影称为投影射程Rp。投影射程也是停止点与靶表面的垂直距离。3.6离子注入工艺原理投影射程示意图第i个离子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi3.6离子注入工艺原理4)平均投影射程离子束中的各个离子虽然能量相等，但每个离子与靶原子和电子的碰撞次数和损失能量都是随机的，使得能量完全相同的同种离子在靶中的投影射程不等，存在一个统计分布。离子的平均投影射程RP为其中N为入射离子总数，RPi为第i个离子的投影射程3.6离子注入工艺原理5)离子的投影射程的标准偏差△RP为其中N为入射离子总数Rp为平均投影射程Rpi为第i个离子的投影射程3.6离子注入工艺原理LSS理论描述了注入离子在无定形靶中的浓度分布为高斯分布：2.离子注入浓度分布3.6离子注入工艺原理从上式可知，注入离子的剂量越大，投影射程的标准偏差越小，浓度峰值越高从浓度分布图看出，最大浓度位置在样品内的平均投影射程处3.离子注入浓度分布的最大浓度3.6离子注入工艺原理4.离子注入结深Xj其中NB为衬底浓度3.6离子注入工艺原理RP和△RP的计算很复杂，有表