第四章掺杂

第四章掺杂4.1.1扩散扩散是物质的一个基本性质，描述了一种物质在另一种物质中运动的情况。扩散是浓度高的地方的原子、分子或离子向浓度低的地方运动造成的。扩散的粒子流密度（J）和扩散系数（D）及扩散粒子的浓度梯度有关。J＝－D∂N（x,t)/∂x在半导体制造中，利用高温扩散驱动杂质穿过硅晶格。扩散分为三种，即气态、液态和固态。扩散现象4.1.2杂质在晶体硅中的固溶度溶质进入到溶剂晶体中，晶体结构保持不变，这样的晶体叫固溶体。溶质元素在晶体中的最大浓度叫固溶度，最大固溶度给杂质在硅中的扩散设置了表面浓度的上限。含施主或受主杂质的半导体（硅）是替位式固溶体替位式固溶体必要条件：溶质，溶剂原子大小接近；（硅原子半径1.17，硼0.89，磷1.10A0）4.1.3杂质扩散的机制：杂质扩散分为替位式扩散和间隙式扩散两种。占据晶格位置的外来原子称为替位杂质原子。替位杂质要运动到近邻的晶格位置，必须通过互换位置才能实现。（见图）间隙式杂质（半径较小的原子）在晶格中的扩散运动是以间隙方式进行的。间隙式杂质原子只在势能极小值的位置附近作热振动，平均震动能量≈KT(室温＝0.026ev）.而要在两个原子间穿过，就要越过一个势垒（势Wｉ一般为0.6－1.2ev）1200℃高温下KT＝0.13ev，因此只有靠热涨落间隙式杂质原子才能跨过势垒，跳到临近的间隙位置。替位杂质原子的运动间隙式杂质在晶格中的扩散运动互换位置一般很难实现，如有空位存在就较易发生；但当掺杂浓度较高时，施主或受主杂质诱导出大量的荷电空位，从而增大了扩散系数。具有高扩散率的杂质，如金（Au）、铜（Cu）和镍（Ni），容易利用间隙运动在硅的晶格空隙中移动。移动速度较慢的杂质，如半导体搀杂常用的砷（Ar）和磷（P），通常利用替代运动填充晶格中的空位。4.1.4杂质分布恒定表面源：在扩散过程中硅片表面的杂质浓度始终保持不变Ns(x,t)=Nserfc(x/2(Dt)1/2)Ns表示表面杂质恒定浓度（原子/cm3),Erfc-余误差函数，D-扩散系数（cm2/s）,x表示距表面的垂直距离,t表示扩散时间。结深：Xj＝A(Dt)1/2A和NB/ＮＳ有关的常数，。有限表面源：在进行扩散工艺时，先在硅片表面淀积一层杂质，然后以这层杂质作为扩散的杂质源进行扩散。Ns(x,t)=(Q/(πDt)1/2)e-x2/4Dte-x2/4Dt称为高斯函数结深：Xj＝A(Dt)1/2A是和NB/ＮＳ有关的常数，但两种扩散类型的A值不同。硅中固态杂质的热扩散需要三个步骤：预淀积、推进、激活。在预淀积过程中，硅片被送入高温扩散炉，杂质原子从源转移到扩散炉内。炉温通常设为800到1100℃，持续10到30分钟。杂质仅进入了硅片中很薄的一层，且其表面浓度是恒定的。在硅表面上应生长一薄层氧化物（capoxide）以防止杂质原子从硅中扩散出去。预淀积为整个扩散过程建立了浓度梯度。表面的杂质浓度最高，并随着深度的加大而减小4.1.5热扩散工艺再分布---热扩散的第二步推进高温过程（1000到1250℃），使淀积的杂质穿过硅晶体，在硅片中形成期望的结深。这个过程并不向硅片中增加杂质，但是高温环境下形成的氧化物会影响推进过程中杂质的扩散：一些杂质（如硼）趋向于进入生长的氧化物层；而另一些杂质（如磷）会被推离SiO2。这种由硅表面氧化引起的杂质在Si－SiO2浓度的改变被称为杂质分凝。热扩散的第三步是激活。这个过程杂质原子与晶格中的硅原子键合，激活了杂质原子，改变了硅的电导率。硼扩散硼的杂质源虽有多种，但固体三氧化二硼和硅的反应是最基本的：2B2O3+3Si→4B+3SiO2三氧化二硼（B2O3）性质：无色透明固体粉末,能溶于水，过量会带来表面粘污，可通入少量氧气，避免B2O3堆积。氮化硼：氮化硼源是稳定的片状硼源，扩散之前先要在高温氧环境下预处理，使表面形成一定厚度的B2O3。4BN＋3O3＝2B2O3＋2N2氮化硼源有不同浓度的产品，使用方便。硼的液态源扩散：1.硼酸三甲酯（TMB）－B(OCH3)3无色透明液体，室温挥发，沸点67.8℃，500℃以上可分解B(OCH3)3——B2O3＋CO2＋H2O＋C＋－－（注意碳具有很强的还原性，对二氧化硅和石英管有腐蚀作用，过量会使管道变黑，可通少量氧气解决）2.三溴化硼：无色液体，蒸汽压高2BBr3——2B＋3Br24BBr3＋3O2——2B2O3＋6Br2硼的气态源扩散：乙硼烷（B2H6）易爆剧毒；三氯化硼（BCL3)有腐蚀性磷扩散三氯氧磷（POCL3）无色透明液体，室温有较高的蒸汽压，沸点105.3℃，600℃以上可分解，蒸汽有毒.POCL3——3PCL5＋P2O54PCL5＋5O2＝2P2O5＋10CL2三氯氧磷（POCL3）在潮气中易水解，扩散系统要注意干燥2POCL3＋3H2OP2O5＋6HCl砷扩散三氧化二砷（As2O3）:俗名砒霜，白色粉末，剧毒。早期箱法扩散源。砷烷（AsH3）:无色剧毒气体，一般和硅烷（SiH4），氧气按一定比例在低温下淀积掺杂氧化层AsH3＋SiH4＋O2——As2O3＋SiO2＋H2O三氧化二砷在和硅反应生成As。砷的液态源涂层扩散也经常采用锑扩散：五氧化二锑（Sb2O5）Sb2O5＋Si——Sb＋SiO2锑的液态源主要是Sb2CL34.2离子注入—集成电路工艺中重要的一环4.2.1离子注入原理杂质原子被电离后，经过高压电场获得一定的能量，均匀地入射到硅片上。入射离子在晶体中受到电子和原子的阻挡,最终停留在一定的位置.离子注入杂质的浓度分布浓度分布：N(x)=Nmaxexp{-1/2[(x-ＲＰ)/ΔＲＰ]2}N(x)离表面距离x处的注入离子浓度Nmax为峰值浓度（ＲＰ）平均投影射程（ΔＲＰ）标准偏差Nmax=NS/（2π）1/2ΔＲＰNmax≈0.4NS/ΔＲＰ（NS单位面积注入离子数－剂量）N(x)/Nmax0.50.10.010.001X-RＰ1.18ΔＲP2.14ΔＲP3.04ΔＲP3.72ΔＲPN离子浓度RＰΔＲP离子束xyNmax离子浓度分布4.2.2横向效应和横向杂质扩散一样，离子注入在垂直入射方向的平面内也会有扩展。掩膜窗口宽度为2A（原点在窗口中心），在掩膜边缘±Ａ处的浓度是中心浓度的50％，在距离大于＋A和小于－Ａ处的浓度按余误差下降。4.2.3晶格损伤入射离子通过碰撞把能量传递给靶原子，被碰原子离开晶格位置进入间隙，成为间隙原子并留下一个空位——形成“间隙-空位”缺陷对。移位原子的“级联碰撞”引起一系列的位移，产生大量的空位和间隙原子，形成晶格损伤。晶格损伤与入射离子的能量、质量、剂量率、靶温及靶材料有关。4.2.4热退火机理:注入技术掺杂的晶片，必须消除晶格损伤，并使注入的杂质进入替代位置以实现电激活。在一定的温度和时间进行热处理可以消除损伤、激活杂质、少子寿命和迁移率恢复。高温加大了原子的热运动能量，可化解复杂的损伤,使空位-间隙原子产生复合进而缺陷消失；对于非晶形式的损伤，界面发生重新结晶，即由单晶区向非晶区通过固相外延再生长而使整个非晶区得到恢复。激活杂质所需的温度比起少子寿命和迁移率恢复所需的温度低。（杂质激活能3.5eV，硅本身扩散激活能一般5.5eV)注入离子在硅片上的分布近似为高斯型的，经过热退火杂质分布会展宽，尤其是尾巴会拖长。尽管热退火的温度很低，在常规扩散看来，杂质扩散很微弱。但是，在注入情形，杂质扩散很显著（瞬时增强扩散）。这是由于晶格损伤增大了扩散系数的缘故。如何最大发挥离子注入的优势就要采用以下的工艺技术－－－RTA4.2.5快速热退火（ＲＴＡ）常规热退火不能满足IC发展（高浓度和浅结）的要求。而快速热退火是用极快的升温和在目标温度（一般是1000℃）短暂的持续时间（一般是几十秒）对硅片进行处理。注入硅片的退火通常在通入Ar或N2的快速热处理机（RTP）中进行。快速的升温过程和短暂的持续时间能够在修复晶格缺陷、激活杂质和最小化杂质扩散三者之间取得优化。RTA还能够减小所谓的瞬时增强扩散。ＲＴＡ分类激光退火时间极短（10－3－10－2秒）电子束白光（卤灯）加热高频加热4.3离子注入机离子注入设备包含以下五个部分：◆离子源:产生杂质离子的装置◆吸引电极：将产生的离子引出◆质量分析器：引出的离子中含有各种不同的成分，通过质量分析器可将所需的离子找出来◆加速管：离子通过一直流高压电场被加速，获得所需的能量。◆扫描系统：离子束在X，Y两个方向来回扫描◆终端靶室电荷积分：记录硅片接受的注入离子数量。4.4注入参数及测试掺杂元素（离子）：B、P、As、BF2能量：XXKev剂量（Q）：剂量是单位面积硅片表面注入的离子数，单位是atoms/cm2（或是ions/cm2）。Q能够由下面的公式计算：Q＝Iｔ／ｅｎＡI＝束流，单位是库仑/秒（安培）；t＝注入时间（秒），e＝电子电荷，等于1.6×10-19库仑；n＝离子电荷（比如B＋等于1）；A＝注入面积，单位是cm2杂质分布测试：4.5离子注入应用深埋层：深埋层用高能离子注入(200KEV)实现。应用埋层的一个重要原因是控制CMOS电路的闩锁效应。闩锁效应通常是在硅片制造阶段用硅片表面外延的方法进行控制的。低阻外延层有效地切断了流向地的电流。外延层还能作为杂质的捕获陷阱。由于外延硅片的成本较高，以大剂量离子注入形成埋层来替代外延层越来越受到关注。倒掺杂阱MOS器件的一个重要设计选择是倒掺杂阱，它的注入杂质浓度峰值在硅片表面下一定深度处（如几个微米）。高能离子注入使倒掺杂阱中较深处的杂质浓度较大，改进了晶体管抵抗闩锁效应和穿通的能力。阈值电压调整阈值电压VTH是能够使源漏间导通的电压,VTH对沟道区的杂质浓度非常敏感。为了得到合适的器件性能，需要向硅层下注入杂质，把沟道区杂质调整到所需浓度。这就是MOS栅阈值电压调整注入p型杂质浓度的增加将导致VTH的提高（如VTH从0.9V增加到1.0V）。由于注入能形成一致的、可重复的杂质浓度，所以离子注入在硅片制作中的第一个广泛应用就是阈值调整。轻掺杂漏区LDD通常被称为轻掺杂源漏扩展区。注入使LDD杂质位于栅下紧贴沟道区边缘，为源漏区提供杂质浓度梯度。LDD降低的杂质浓度减小了结和沟道区间的电场。LDD在这项技术把结中的最大电场位置与沟道中的最大电流路径分离，能够防止产生热载流子。LDD结构用栅作掩膜，由中低剂量注入形成（n-或p-），如果没有形成LDD，电子在从源区向漏区移动的过程中（对n沟道器件）将受高电场加速成为高能电子，它碰撞产生电子-空穴对（称为热载流子或热电子）。热电子从电场获得能量，，可能被栅氧化层陷阱捕获，影响器件的阈值电压；长期的效果会造成栅绝缘性能上的问题，影响器件的寿命。源漏注入源漏注入形成的重掺杂区（1020到1021ions/cm3）在轻掺杂有源沟道区和阱区（1016到1017ions/cm3）之间。源漏区的导电类型与周围的阱相反。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。注入对杂质位置能够精确控制，源漏区杂质离子向沟道区的横向扩散可以达到最小。穿通阻挡层穿通是沟道被短路，会发生不希望的漏电，导致器件失效。当沟道长度减小、漏端电场增大时，就会发生穿通。在n沟道器件中，从源移向漏的电子在高电场下加速，通过碰撞产生自由电子-空穴对。这种现象使漏耗尽区向轻掺杂沟道区严重扩展，最终与源耗尽区连通，就发生了穿通。防穿通注入的杂质位于临近源漏区的有源沟道下，能够改变阱掺杂，防止在偏压下器件的漏耗尽区向沟道扩展（见图）。精确控制防穿通注入的位置和剂量是非常必要的。一般n型器件用硼注入，p型器件用磷注入。沟槽电容器沟槽电容器能够减小DRAM存储单元的尺寸，已经取代了平面存储电容器。沟槽电容器是在硅中用干法刻蚀沟槽形成的三维器件。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1019atoms/cm3。侧墙的掺杂用具有一定角度的离子注