3.4扩散与离子注入

3.4扩散与离子注入扩散:利用原子在高温下（900-1200℃）的扩散运动，杂质原子从浓度很高的杂质源向低浓度区扩散并形成一定的分布。离子注入：电离的杂质离子经几十至几百千伏的电压下进行加速，在获得较高速度后注入半导体内。掺杂工艺材料A材料B材料A材料B材料A材料B3.4.1扩散（70年代初期）1.扩散机理恒定的表面浓度：杂质为气相源杂质蒸汽（800℃～925℃）→硅表面→扩散到硅片内恒定的总掺杂剂量：首先在硅表面形成薄杂质层→扩散到硅片内（1）掺杂浓度不能超过半导体的固浓度。（2）较难得到轻微的杂质分布（3）横向扩散大约达到结深度80％的距离。使得最后的扩散区尺寸超过窗口尺寸。（4）900-1200℃高温下进行横向扩散扩散应用于n-subp-sub掺杂扩散特点：PSUBn+Substrate扩散2.扩散设备与扩散源扩散设备：扩散炉扩散源：气态、液态——运输方便，纯度高固态立式扩散炉液态源液态源：磷扩散掺杂4POCl3+3O2→2P2O5+6ClP2O5+Si→4P+5SiO2(还原反应)N2→POCl3液瓶→POCl3气泡O2石英管内反应固态源气态源易挥发的固态源加工材料气态源液态源固态源（易挥发的氧化物或其他化合物）AsAsH3、AsF3砷玻璃AlAsO4PPH3、PF3POCl3BB2H6、BF3、BCl3BBr3BNSbSbH3SbCl3Sb2O3扩散浓度一方面决定于源的情况，当源足量时则决定于温度，因为杂质的固溶度决定杂质在半导体表面的浓度。3.准确控制浓度和深度扩散深度取决于扩散系数D和扩散时间tD=Doe-E/kT对于一定杂质在特定固体中激活能E和Do是一定的，所以D与T是指数上升关系。为了精确控制深度,精确控制温度(＜±0.5℃)十分重要。Dt4.扩散的测量技术扩散结果扩散层的结深：化学染色后磨斜角（HF）条纹干涉方块电阻：探针技术杂质分布：C-V法3.4.2离子注入（70年代后）低温没有横向扩散掺杂剂量可以控制注入的深度可以控制（1）高温（2）不能超过杂质的固浓度（3）较难得到轻微的杂质分布（4）横向扩散扩散离子注入：电离的杂质离子经静电场（5-200keV)加速注入半导体内。使扩散1.离子注入过程IonEatoms如果入射离子的速度方向与固体表面的夹角大于某一临界角，它将能够进入固体表面层，与固体中的原子发生一系列的弹性和非弹性碰撞，并不断地损失其能量。当入射离子的能量损失到某一定的值（约为20eV左右)时，将停止在固体中不再运动。上述过程被称为离子注入过程。a离子碰撞反弹注入溅射原子二次电子发射离子注入到晶圆内离子原子溅射二次电子反弹轻离子反弹经加速的离子碰撞晶圆靶面足够的重离子进入靶内，与原子和电子发生碰撞原子从晶格中脱离产生溅射现象晶格热振动使靶温度↑电子被激发到高能级，一段时间后回到基态弹性碰撞非弹性碰撞能量以光波形式释放二次电子发射注入离子能量减弱，一定深度后停止运动原子电子溅射现象当运动的原子运动到固体表面时，如果其能量大于表面的势垒，它将克服表面的束缚而飞出表面层，这就是溅射现象。溅射出来的粒子除了是原子外，也可以是原子团。溅射出来的原子进入鞘层后，与鞘层内的离子碰撞后将发生电离，形成新的离子。溅射原子或原子团也可以穿过鞘层进入等离子体，并捕获等离子体中的电子，形成带负电的粒子或粒子团，通常称为“尘埃粒子”。尘埃粒子的存在将造成对等离子体的污染，这对采用等离子体技术制备高质量的薄膜材料是非常有害的。二次电子发射当固体表面受到载能粒子轰击时，产生电子从表面发射出来的现象被称为二次电子发射。每入射一个载能粒子所发射出来的电子数称为二次电子发射系数。一般地，离子、电子、中性原子或分子与固体表面碰撞时，均可以产生二次电子发射。在PSII技术中，由于对基体施加较高的负偏高压，将有大量的二次电子从基体表面上发射出来。这些二次电子的出现，一方面改变了鞘层电位的大小和分布，另一方面它们经鞘层电场加速后，以较高的速度撞击到器壁表面，产生较强的X射线，这对人体的健康是非常有害的。离子靶原子二次电子通过控制电学条件（电流、电压），离子注入可精确控制浓度和深度；不受材料固溶度限制；横向扩散小；选用一种离子注入，不免混入杂质。离子注入可进行MOS源、漏区掺杂b通道效应AB注入离子→有周期性排列固定晶体结构的Si中，如果注入路径在不受Si原子阻挡的方向→碰撞不会发生，注入离子长驱直入到硅晶圆很深的地方→通道效应通道效应的结果使离子注入深度难控制离子注入通道效应抑制通道效应的方法：a.把晶片对离子注入的方向倾斜一个角度（0-15°)b.在结晶硅的表面铺一层非结晶系材质SiO2，使注入离子在进入硅晶片之前先与无固定排列方向的SiO2碰撞。c.先在硅内进行一次轻微的离子注入，使硅的规则排列破坏然后再进行离子进入。abc目的：由于离子注入所造成的损伤，使得半导体的迁移率和寿命等参数受到严重；此外，大部分注入离子并不处于置换位置，未被激活。通过退火可以解决或改善以上问题。C退火离子注入后要退火处理2.离子注入机离子注入系统的原理示意图注入的离子是在离子源中产生的(原料气BF3,AsH3,PH3进入离化室产生正离子所产生的正离子，被强电场引入质量分析器，选出所需要的离子，这些离子通过加速器被加速，通常还聚焦成束，经偏束板将中性粒子除去，光栅扫描后，离子打在圆片衬底上。真空系统①离子源通过电子和掺杂气体的碰撞产生离子的装置磁铁磁铁W丝，通过加热产生热离子化电子弧光室掺杂气体P、B或As的硫化物、氟化物或氢化物作为离子源利用电磁力使电子运动正离子②分离磁场利用不同离子在磁场中所受洛仑兹力不同，因而运动轨迹不同来分离出单一离子。③加速器将掺杂离子加速达到足够的速度能够穿入硅晶片离子源（BF3）qBmvR正离子B3+B+BF2+B3+分离磁场④聚焦离子加速后，由于相同电荷的排斥作用而发散，这将导致离子密度不均和掺杂层不均，通过聚焦镜将离子聚焦成细束。⑤中性粒子偏束器离子束和一些气体分子可能碰撞产生中性原子，为了消除中性原子的影响，用偏束器将离子束偏离7°，而中性原子沿原方向射出。（1）注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。（2）注入剂量在1011-1017离子／cm2的较宽范围内，同一平面内的杂质均匀度可保证在±1％的精度。（3）离子注入时，衬底一般是保持在室温或低于400℃。避免高温扩散所引起的热缺陷，同时横向效应比热扩散小得多。另外像二氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。对器件制造中的自对准掩蔽技术给予更大的灵活性，这是热扩散方法根本做不到的。3.离子注入优点（4）注入杂质按掩模版图形近于垂直入射，有利于器件按征尺寸的缩小。（5）离子注入深度是随离子能量的增加而增加。（5）离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底材料中溶解度的限制，原则上对各种元素均可掺杂，这就使掺杂工艺灵活多样，适应性强。根据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或P型杂质进行掺杂。（7）容易实现化合物半导体的掺杂。