電信學院微電子學系PPT課件

1、概概 述述 本征硅的導電性能很差，是不能直接用于芯片制造的，只有在硅中加入一定的雜質，使電導率發(fā)生明顯變化時，硅才可以用于半導體制造。在硅中加入雜質的過程稱為摻雜。 摻雜是制造半導體器件的基礎，摻雜的摻雜的方式有熱擴散和離子注入。常用的雜質是方式有熱擴散和離子注入。常用的雜質是族族和和族元素中的硼（族元素中的硼（B）和磷（和磷（P）。）。 芯片特征尺寸的不斷減小和集成度的不斷增加，迫使各種器件尺寸不斷縮小。特別是MOS器件溝道長度的減小要求源漏結的摻雜區(qū)更淺，現在最小的結深是30nm。第1頁/共79頁本章重點本章重點1.解釋摻雜在芯片制造過程中的目的和應用；2.討論雜質擴散的原理和過程；3.了

2、解離子注入相對于熱擴散的優(yōu)缺點；4.討論劑量和射程在離子注入中的重要性；5.列舉并描述離子注入機的5各主要子系統(tǒng)；6.解釋離子注入中的退火效應和溝道效應；7.描述離子注入的各種應用。第2頁/共79頁表表17.1 17.1 半導體制造常用雜質半導體制造常用雜質受主雜質受主雜質 IIIA (P-Type) 半導體半導體 IVA 施主雜質施主雜質 VA (N-Type) 元素元素 原子序原子序數數 元素元素 原子序數原子序數 元素元素 原子序數原子序數 Boron (B) 5 Carbon(C) 6 Nitrogen(N) 7 Aluminum(Al) 13 Silicon (Si) 14 Phos

3、phorus (P) 15 Gallium(Ga) 31 Germanium 32 Arsenic (As) 33 Indium(In) 49 Tin(Sn) 50 Antimony(Sb) 51 第3頁/共79頁 摻雜在芯片制造中的應用摻雜在芯片制造中的應用N-溝道晶體管P-溝道晶體管 LI oxidep 外延層p+ 硅襯底STISTISTIn+p+p-welln-wellp+pp+pp+n+nn+nn+ABCEFDGHKLIJMNOn+nn+p+pp+Figure 17.1 具有摻雜區(qū)的CMOS結構 第4頁/共79頁表表17.2 CMOS 17.2 CMOS 制作中的一般摻雜工藝制作中的一

4、般摻雜工藝第5頁/共79頁摻摻 雜雜 區(qū)區(qū) 硅片的摻雜是在單晶硅生長過程中完成的，可以形成p型或者n型硅。在芯片制造過程中有選擇地引入雜質是為了實現各種器件結構。雜質是通過硅片上的掩膜窗口有選擇性地進入硅的晶體結構中，形成摻雜區(qū)(見圖17.3)。描述摻雜區(qū)的描述摻雜區(qū)的特性參數有摻雜量特性參數有摻雜量( (包括雜質的分布形式包括雜質的分布形式) )和結深。和結深。 摻雜區(qū)雜質的類型可以與硅片的類型相反，也可以與硅片的類型相同。摻雜區(qū)的類型由p型轉變?yōu)閚型或者相反的情況，就形成了pn結。 硅片在整個制造過程中要經歷多次高溫工藝，而每次的高溫工藝都會造成雜質在硅中的擴散，從而改變摻雜區(qū)的原始參數并

5、影響器件性能。第6頁/共79頁氧化硅氧化硅p+ 硅襯底摻雜氣體N擴散區(qū)Figure 17.3 硅片中的摻雜區(qū) 第7頁/共79頁擴擴 散散 擴散原理 三個步驟 預淀積 推進 激活 摻雜劑移動 固溶度 橫向擴散 擴散工藝 硅片清洗 雜質源第8頁/共79頁擴散的概念擴散的概念 擴散是一種自然的物理過程，擴散的發(fā)生需要兩個必要的條件：濃度差及過程所必須的能量。 摻雜區(qū)和擴散結的形成含有雜質的氣流擴散爐管+ 表示P型雜質原子- 表示N型雜質原子第9頁/共79頁在間隙位置被轉移的硅原子SiSiSiSiSiSiSiSiSic) 機械的間隙轉移SiSiSiSiSiSiSiSiSia) 硅晶體結構b) 替位擴散

6、SiSiSiSiSiSiSiSi空位雜質d) 間隙擴散SiSiSiSiSiSiSiSiSi在間隙位置的雜質Figure 17.4 硅中的雜質擴散 第10頁/共79頁固態(tài)擴散的目的固態(tài)擴散的目的 在晶園表面薄層產生一定數量的摻雜原子 在晶園表面下的特定位置處形成np(或pn)結 在晶園表面薄層形成特定的摻雜原子分布結的圖形顯示結的圖形顯示 理想的 橫向擴散Figure 17.5第11頁/共79頁Table 17.3 1100C 下硅中的固溶度極下硅中的固溶度極限限Table 17.3 固溶度：某種雜質在特定溫度下能溶入到固體中的 最大雜質數量。第12頁/共79頁擴擴 散散 工工 藝藝完成擴散過程

7、所需的步驟：1.進行質量測試以保證工具滿足生產質量標準；2.使用批控制系統(tǒng)，驗證硅片特性；.3.下載包含所需的擴散參數的工藝菜單；4.開啟擴散爐，包括溫度分布；5.清洗硅片并浸泡氫氟酸，去除自然氧化層；6.預淀積：把硅片裝入擴散爐，擴散雜質；7.推進：升高爐溫，推進并激活雜質，然后撤除硅片；8.測量、評價、記錄結深和電阻。 第13頁/共79頁表表17.4 17.4 擴散常用雜質源擴散常用雜質源SEMATECH “Diffusion Processes,” Furnace Processes and Related Topics, (Austin, TX: SEMATECH, 1994), P.

8、 7.第14頁/共79頁典型的雜質(或載流子)在硅片內的深度分布第15頁/共79頁擴散層中雜質原子的濃度分布擴散層中雜質原子的濃度分布 實際上由于擴散層的結深相對于平面尺寸來講要小的多，所形成的pn結基本上可看作平行于表面的。這樣，菲克第二定律就可寫成： 其物理意義為：存在濃度梯度的情況下，隨著時間的變化某處濃度的變化（增加或減少）是擴散粒子在該點的積累或流失的結果。 求解上述擴散方程，就可以得到濃度隨時間和位置的函數關系。不過隨著邊界條件和初始條件的不同，其解的形式就有所不同。 22xNDtN第16頁/共79頁預淀積（恒定表面源擴散）預淀積（恒定表面源擴散） 恒定表面源擴散是指擴散過程中硅片

9、始終處于含源的氣氛中，即硅片表面濃度始終保持不變，只是隨時間的變化擴散層中的雜質數在增多，預淀積后的雜質分布可由以下初始和邊界條件解得DtNNerfcxNpnDtxerfcNtxNtNxNtNxxNtSBjBSS)(2 )()2(),( 0),(, )(), 0(, 00)0 ,( , 01可解得襯底濃度結的定義，令上式利用散層的雜質分布：代入擴散方程可解的擴表面濃度邊界條件：初始條件：第17頁/共79頁影響擴散層參數（結深、濃度等）的幾個因素： 雜質的擴散系數 雜質在晶園中的最大固溶度1010101010101010表面濃度結深雜質濃度晶圓體內摻雜水平深度（層）12345Qttt預淀積后的雜

10、質分布第18頁/共79頁再分布（有限源擴散）再分布（有限源擴散） 有限源擴散是指在擴散過程中，雜質源限定于擴散前淀積在硅片表面薄層內的雜質總數不變，依靠這些有限的雜質向硅中擴散，隨著時間得增加，結深增加，表面濃度下降。DtNNxDtxDtQtxNtNxxNtxNxtQNQxNxtBSjxS2/120)(ln2 )4exp(),( 0),(, , 0)( 0, x, 00)0 ,( , 0) ()0 ,()(0 , 0邊界條件：的區(qū)域內均勻分布在薄層為了簡化，假定的厚度預淀積在硅片表面薄層初始條件：第19頁/共79頁水汽氧化物雜質淀積后的誤差函數分布推進氧化后的高斯分布晶圓雜質濃度雜質濃度晶圓縱

11、深方向O(b)(a)通常情況下，再分布和氧化同時進行。在此過程中雜質的推進使結深、表面濃度、擴散層薄層電阻達到設計要求的同時，在擴散層表面同時形成一定厚度的氧化層。第20頁/共79頁薄層（方塊）電阻薄層（方塊）電阻 標志擴散層質量的一個重要參數，是器件生產過程中著重控制和檢驗的參數之一，因為電阻本身的物理意義是反應了被測物體電導率的大?。ɑ蜉d流子濃度的多少）。 對如圖所示的正方形擴散 層，若在圖示方向加上電流， 可測得薄層的電阻值為： Rs=L/LXj=/Xj (/方塊) 為電阻率，由此可見薄層電阻只與電阻率和薄層的厚度（Xj）有關，而與邊長無關。由于薄層電阻測量簡單，工藝過程中常用測量它來判

12、斷擴散層的質量是否符合工藝設計要求。 LLxjI第21頁/共79頁四探針測量薄層電阻四探針測量薄層電阻 在工藝線上，廣泛使用測量方塊電阻的方法是四探針法。 要求兩探針間的距離應小于膜層的厚度。 S：探針之間的距離 常量4.53是在探針間距很小且薄層尺寸無限大的假設下的修正系數。WaferRVoltmeterConstant current sourceVIrs = VIx 2s (ohms-cm)/(53. 4方塊IVRS第22頁/共79頁用于測量樣品電阻率的方法四探針測量法范德堡測量法第23頁/共79頁練習題： 制造一個NPN晶體管，首先在1100下進行硼(B)預淀積擴散，擴散時間20分鐘，

13、然后在1100下做推進(再分布)擴散。假若推進擴散的時間是30分鐘，試求推進后的結深應為多少？推進后表面濃度是多少？假設襯底濃度為1015cm-3，(已知1100時硼在硅中的最大固溶度是51020/cm3，擴散系數D=510-12cm2/S)第24頁/共79頁離離 子子 注注 入入 離子注入是先進半導體制造過程中廣泛使用的一種摻雜技術。其特點是能夠重復控制摻雜的濃度和深度（如圖17.5所示），因而在幾乎所有的應用中都優(yōu)于擴散。它已經成為滿足 0.25 m 特征尺寸和大直徑硅片制作要求的標準工藝。 離子注入工藝在離子注入機內進行，它是半導體工藝中最復雜的設備之一 。離子注入的優(yōu)點：離子注入的優(yōu)點

14、： 1. 精確控制雜質含量；2. 很好的雜質均勻性；3. 對雜質穿透深度有很好的控制； 第25頁/共79頁控制雜質濃度和深度控制雜質濃度和深度a)低摻雜濃度 (n, p) 和淺結深 (xj)Mask掩蔽層Silicon substratexj低能低劑量快速掃描束掃描摻雜離子離子注入機b)高摻雜濃度 (n+, p+) 和深結深 (xj)Beam scan高能大劑量慢速掃描MaskMaskSilicon substratexjIon implanterFigure 17.5 第26頁/共79頁4. 產生單一粒子束；5. 低溫工藝；6. 注入的離子能穿過掩蔽膜；7. 無固溶度極限。 缺點是高能雜質離

15、子轟擊硅原子將對晶體結構產生損傷。所幸的是大多數甚至所有的晶體損傷都能用高溫退火進行修復。另一個缺點是注入設備的復查性，然而，這一缺點被注入機對劑量和深度的控制能力及整體工藝的靈活性所彌補。第27頁/共79頁離子注入參數離子注入參數劑量：劑量：表示注入硅片表面單位面積的離子數， 通常用 Q 表示： Q=It/enA其中，Q=劑量，單位：原子數/每平方厘米 I=速流，單位：庫侖/每秒( 安培) t=注入時間，單位：秒 e=電子電荷， n=離子電荷, A=注入面積 當正雜質離子形成粒子束，它的流量被稱為粒子束電流。粒子束電流的量級是定義劑量的一個關鍵變量。如果電流增大，單位時間內注入的雜質原子數量

16、也增大。第28頁/共79頁射程：射程：是指離子注入過程中，離子穿入硅片內總的距離。射程與注入離子的能量有關。而離子的能量又是從加速電勢差中獲得的。離子注入中的能量一般用電子電荷與電勢差的乘積，即電子伏特（ev）來表示。 例如，如果一個帶正電荷的離子在電勢差為100KV的電場中運動，它的能量就是： KE=nv=1*100KV=100keV 注入離子的能量越高，意味著雜質原子穿入硅片的深度越大，即射程就越大。而射程和結深相關，所以控制射程就意味著控制結深。高能注入機的能量可達到 23MeV，低能量注入機的能量目前已經下降到約200eV，能夠摻雜非常淺的源漏區(qū)。第29頁/共79頁人射粒子束硅襯底對單

17、個離子停止點RpDRp雜質分布Figure 17.7 雜質離子的射程和投影射程第30頁/共79頁2/1221212121)( , ,PPPPPPPPPPPnnRxRRxRRxxRRxxRRlllRlllDD表示，則的分散情況。用影射程差表示投值附近。且引入標準偏則分散地分布在其平均程均值，各入射粒子的射為投影射程的的統(tǒng)計平顯然”表示。均投影射程，并用“影射程的平均值稱為平的投因此把所有入射粒子子因為射粒子的投影射程。就是入”表示，顯然用“在入射方向的投影長度為入射粒子的射程。稱距離為停止所通過路程的總則粒子從進入硅片起到為程依次每兩次碰撞所經歷的路設入射粒子進入硅片后第31頁/共79頁注入能量

18、 (keV)投影射程 Rp (mm)101001,0000.010.11.0BPAsSb注入到硅中Figure 17.8 注入能量對應射程圖 第32頁/共79頁投影射程(實線和左軸)及標準偏差(虛線和右軸)第33頁/共79頁投影射程(實線和左軸)及標準偏差(虛線和右軸)第34頁/共79頁 入射離子的能量損失模型入射離子的能量損失模型 在入射離子進入靶時，每個離子的射程是無規(guī)則的，但對大量以相同能量入射的離子來說，仍然存在一定的統(tǒng)計規(guī)律性。在一定條件下，其射程和投影射程都具有確定的統(tǒng)計平均值。為了確定入射離子的濃度(或射程)分布，首先應考慮入射離子如何與靶中原子核和電子發(fā)生碰撞而損失能量的過程。

19、因原子核和電子的質量差別很大(幾個數量級)，所以這兩種碰撞機構的情況是不同的。 因此，可以把入射離子能量的損失分為兩個彼此獨立的過程，即入射離子和原子核的碰撞及入射離子和電子的碰撞兩個過程來處理。第35頁/共79頁SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-射線電子碰撞原子碰撞被移動的硅原子攜能雜質離子硅晶格Figure 17.9 注入雜質原子能量損失模型 第36頁/共79頁輕離子沖擊重離子沖擊Figure 17.10 輕離子和重離子引起的晶格損傷第37頁/共79頁入射粒子在硅片中的分布入射粒子在硅片中的分布 入射粒子在硅片中的分布，一般

20、取如下形式的高斯分布函數，即22 )(21exp)( )()(2)(exp)( 00222MaxPPPPPMaxPSSPMaxPPpppMaxpNRdxRRxNdxxNNNxNxxNRRxNxNDDD表示，則有量。若用子總數，稱其為注入劑的注入粒積分，則可得單位面積峰值濃度。將上式對為處的注入濃度，表示距離表面深度為式中第38頁/共79頁由此解得峰值濃度2/1)ln2( ,)( 011. 0)(,3;135. 0)(,24 . 02BMaxPPjBPPPMaxPPPPMaxPPPPPSPSMaxNNZRRZxNxNRxNxNRRxNxNRRxRNRNNDDDDD其中為可求得粒子注入的結深由粒子

21、濃度下降就越大。的偏差越大，入射與投影射程平均值即隨著投影射程由此看到，在NMaxN(x)RPxpRP第39頁/共79頁離子注入機離子注入機離子注入機包括以下5個部分： 離子源離子源 引出電極引出電極(吸極吸極)和離子分析器和離子分析器 加速管加速管 掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng) 工藝腔工藝腔 第40頁/共79頁離子注入機示意圖離子注入機示意圖離子源分析磁體 加速管離子束等離子體 工藝腔吸出組件掃描盤第41頁/共79頁離子源離子源 離子源和引出裝置通常放置在同一真空腔 (圖17.11)，用于從氣態(tài)或固態(tài)雜質中產生正離子。 帶正電的離子由雜質氣態(tài)源或固態(tài)源的蒸汽產生。通常用到的B+,P+,As+，Sb+都是

22、電離原子或 分 子 得 到 ， 最 常 用 的 雜 質 物 質 有B2H6,BF3,PH3,AsH3等氣體。由于離子本身帶電，因此能夠被電磁場控制和加速。 另一種供應雜質材料的方法是加熱并氣化固態(tài)材料，這種方法有時被用于從固態(tài)小球中獲得砷As+和磷P+。固態(tài)源的缺點是氣化時間較長(約40180分鐘)。然而，從環(huán)境和安全角度出發(fā)，大多數IC制造商更愿意使用固態(tài)離子源。第42頁/共79頁Figure 17.11 離子源和吸極裝配圖吸出組件源室渦輪泵離子源絕緣體起弧室吸極吸出組件粒子束第43頁/共79頁前板狹縫起弧室燈絲電子反射器氣體入口5 V電子反射器陽極 +100 V起弧室氣化噴嘴電爐氣體導入管

23、DI 冷卻水入口摻雜劑氣體入口Figure 17.12 Bernas 離子源裝配圖第44頁/共79頁吸極和離子分析器吸極和離子分析器 吸極的作用是收集離子源中產生的所有正離子，并使他們形成粒子束。離子通過離子源上的一個窄縫得到吸引。 吸極由吸引裝置的電狐室(陽極)的正排斥，以及吸引裝置負壓(陰極)的吸引(見圖17.13)。由于正離子每個都帶有正電荷，因此被吸向負電場。電場強渡越大，離子運動的就越快，動能也就越大，在硅片中穿行的距離就越長。 吸極的負電壓偏置還能阻止等離子體中的電子，使正離子形成粒子束。負壓偏置的印制電極可以把離子束聚束成一個平行束流，使其通過注入機。第45頁/共79頁+-NS

24、N S120 V起弧吸出組件離子源60 kV吸引2.5 kV抑制源磁鐵5V燈絲To PA+粒子束參考端(PA電壓)抑制電極接地電極Figure 17.13 離子源和吸極交互作用裝配圖 第46頁/共79頁質量分析器磁鐵質量分析器磁鐵石磨離子源分析磁體粒子束吸出組件較輕離子重離子中性離子Figure 17.14 分析磁體第47頁/共79頁 從離子源引出的離子可能包含許多不同種類的離子，他們在吸極電壓的加速下，以很高的速度運動，因為不同離子有著不同的原子質量單位，而磁性離子分析器能將所需要的離子從混合的粒子束中分離出來，如圖17.14所示。 分析器磁體形成的90度角能使離子的軌跡偏轉成弧形。對于一定

25、的磁場強渡，重離子不能偏轉到合適的角度，而輕離子的偏轉過大。只有一種離子能夠發(fā)生恰當的偏轉，順利地通過分析器磁鐵的中心，這就是最終注入到硅片中的雜質。 離子弧形軌跡半徑由離子的質量、速度、磁場強渡和離子所帶的電荷共同決定。通過將磁場強渡調整到與雜質離子的軌跡匹配，期望得到的雜質就能通過分析器末端的窄縫，而其它離子則被阻擋。第48頁/共79頁加速管加速管 為了獲得更高的速度(能量)，除了分析器磁鐵，正離子還要在加速管中的電場作用下進行加速(見圖17.15)。加速管由一系列被介質隔離的電極組成，電極上的負電壓依次增大。 當正離子進入加速管時，它們就在電場的作用下加速，加速的大小與電場有關，總的電壓

26、越高，離子的速度就越大(能量越大)。高能量意味著雜質離子能夠被注入到硅片的深度就越大。而低能量可以被用于超淺結注入。圖17.16表示了粒子束能量與劑量的關系。 劑量與能量的關系圖強調了能量(射程)和劑量(濃度)在離子注入中的重要性。第49頁/共79頁100 M100 M100 M100 M100 M0 kV+100 kV +80 kV+20 kV+40 kV+60 kV+100 kV粒子束粒子束至工藝腔電極來自分析磁體Figure 17.15 加 速 管第50頁/共79頁臨近吸收現在應用擴展應用多晶摻雜源/漏損傷工程Buried layers倒摻雜阱三阱Vt 調整溝道和漏工程0.1110100

27、100010,0001016101110121013101410151017能量 (keV)劑量 (atoms/cm2)Figure 17.16 劑量與能量圖第51頁/共79頁源原子質量分析磁體線形加速器最終能量分析磁體掃描盤硅片Figure 17.17 高能注入機的線形加速器第52頁/共79頁掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng) 從離子源吸出的離子束雖然經過磁分析器、加速裝置，但聚束粒子束仍然很小(中等電流的注入機束斑約1cm2，大電流注入束斑約為3cm2)。 為了在硅片上所有地方均勻注入，必須通過掃描系統(tǒng)將離子束流覆蓋整個硅片。 掃描方式有兩種：固定硅片，移動束斑；固定束斑，移動硅片。注入機的掃描系統(tǒng)有以下幾

28、種不同類型：l 靜電掃描l 機械掃描l 混合掃描l 平行掃描 第53頁/共79頁+ Ion beamY-軸偏轉X-軸偏轉硅片旋轉 傾斜高頻 X-軸偏轉低頻 Y-軸偏移Figure 17.20 硅片的靜電粒子束掃描第54頁/共79頁 由于在靜電掃描過程中硅片是固定的，顆粒污染的機會會明顯降低。這種掃描的另一優(yōu)點是電子和中性離子不會發(fā)生偏轉，能夠從束流中消除。主要缺點是粒子束不能垂直轟擊硅片，會導致光刻材料的陰影效應，阻礙粒子束的注入，如圖17.21所示。 光刻膠a) 無傾斜的機械掃描粒子束b) 正常傾斜的靜電掃描光刻膠粒子束Figure 17.21 第55頁/共79頁掃描外半徑掃描內半徑注入面積

29、(計算的)溢出杯旋轉粒子束Figure 17.22 離子注入硅片的機械掃描第56頁/共79頁工藝腔工藝腔 工藝腔包括掃描系統(tǒng)、具有真空鎖的裝卸硅片的終端臺、硅片傳送系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)，另外還有一些檢測劑量和控制溝道效應的裝置，是離子注入機的重要組成部分。 工藝腔的高真空可以用多級機械泵、渦輪泵、冷卻泵聯合來實現(通常是10-6托)。 離子注入機中的實時劑量監(jiān)控系統(tǒng)通過測量到達硅片的粒子束完成。通常用一種稱為法拉第杯的傳感器測量粒子束電流。第57頁/共79頁VIISion終端臺工藝腔終端子系統(tǒng)原子系統(tǒng)注入子系統(tǒng)操作界面片架真空鎖硅片傳送器掃描盤監(jiān)視器WallFigure 17.25 注入工藝腔

30、的硅片傳送器第58頁/共79頁帶硅片的掃描盤掃描方向法拉第杯抑制柵孔徑電流積分儀在盤上的取樣狹縫粒子束Figure 17.26 法拉第杯電流測量第59頁/共79頁離子注入機的分類離子注入機的分類注入機分類注入機分類 描述和應用描述和應用 中低電流 高純粒子束，電流大于 10mA。 束流能量一般 10 mA 大劑量注入最大能到 25 mA。 粒子束能量通常 120 keV。 大多數情況下粒子束固定，硅片掃描。 超淺源漏區(qū)注入的超低能束流 (200eV到4keV) 。 高能 束流能量超過 200 keV最高達到幾個 MeV。 向溝道或厚氧化層下面注入雜質。 能形成倒摻雜阱和埋層。 氧注入機 大電流

31、系統(tǒng)用于半導體上硅 (SOI)的氧注入。 第60頁/共79頁退退 火火 由于注入離子進入硅中和硅原子的碰撞作用，使硅晶體結構發(fā)生變化，嚴重時注入層變成非晶層。另外，被注入離子基本不占據硅的格點，而是停留在晶格的間隙位置。這些間隙雜質只有經過高溫退火過程才能被激活而占據晶格格點。退火還能加熱硅片，修復注入層的晶格缺陷。 修復晶格缺陷大約需要500，激活雜質原子需要950， 除了和溫度的有關以外還與時間有關，時間越長溫度越高，雜質被激活的越充分。硅片的退火有兩種基本方法：高溫退火和快速熱處理退火(RTP) 。第61頁/共79頁修復硅晶格結構并激活雜質硅鍵b) 退火后的硅晶格a) 注入過程中損傷的硅

32、晶格粒子束Figure 17.27 硅單晶的退火第62頁/共79頁 溝道效應溝道效應 在非晶靶中，原子的排列是無規(guī)則的，入射在非晶靶中，原子的排列是無規(guī)則的，入射離子在靶中受到的碰撞過程是隨機的。而對于單離子在靶中受到的碰撞過程是隨機的。而對于單晶靶，因為靶中原子是按一定規(guī)律周期性地重復晶靶，因為靶中原子是按一定規(guī)律周期性地重復排列而成為晶格點陣，具有一定的對稱性和各向排列而成為晶格點陣，具有一定的對稱性和各向異性。因此，靶對入射離子的阻止作用將不是各異性。因此，靶對入射離子的阻止作用將不是各向同性，而是與靶晶體的取向有關。向同性，而是與靶晶體的取向有關。 以硅為例，若從以硅為例，若從 晶向看

33、去，可以看晶向看去，可以看到由原子包圍成的一系列平行管道（見圖到由原子包圍成的一系列平行管道（見圖17.28)。因此當入射離子沿此方向進入溝道時，就會在溝因此當入射離子沿此方向進入溝道時，就會在溝道中前進成為一種有規(guī)則的運動，這種運動稱為道中前進成為一種有規(guī)則的運動，這種運動稱為溝道運動。顯然，在這種情況下，來自靶原子的溝道運動。顯然，在這種情況下，來自靶原子的阻止作用是很小的，因而其射程就很大。我們把阻止作用是很小的，因而其射程就很大。我們把這種效應稱為溝道效應。這種效應稱為溝道效應。第63頁/共79頁Figure 17.28 沿 軸的硅晶格視圖第64頁/共79頁 溝道效應是我們不希望的。注

34、入過程中溝道效應是我們不希望的。注入過程中有有 4種方法控制溝道效應種方法控制溝道效應（1）傾斜硅片；）傾斜硅片；（2）掩蔽氧化層；（）掩蔽氧化層；（3）硅預非晶化；（）硅預非晶化；（4）使用質量較大的原子。使用質量較大的原子。 傾斜硅是減小溝道效應最常用的方法，傾斜硅是減小溝道效應最常用的方法，是把硅片相對與粒子束運動方向傾斜一個角是把硅片相對與粒子束運動方向傾斜一個角度。（度。（100）晶向常用角度是偏離垂直方向）晶向常用角度是偏離垂直方向7，保證雜質離子進入硅中很短距離內就會，保證雜質離子進入硅中很短距離內就會發(fā)生碰撞。從而能獲得對注入離子投影射程發(fā)生碰撞。從而能獲得對注入離子投影射程更

35、好的控制（見圖更好的控制（見圖17.29）。值得注意的是，）。值得注意的是，超淺結低能注入的溝道效應有所不同，傾斜超淺結低能注入的溝道效應有所不同，傾斜硅片幾乎不起什么作用。另外，傾斜硅片會硅片幾乎不起什么作用。另外，傾斜硅片會增加陰影效應，可能導致器件性能的不對稱。增加陰影效應，可能導致器件性能的不對稱。第65頁/共79頁離子入射角與溝道離子入射角與溝道Figure 17.29 離子入射角與溝道 第66頁/共79頁MaskMaskSilicon Substrate粒子束掃描離子注入機顆粒在被注入區(qū)產生空洞Figure 17.30 來自顆粒沾污的注入損傷第67頁/共79頁離子注入在工藝集成中的

36、發(fā)展趨勢離子注入在工藝集成中的發(fā)展趨勢不同注入工藝的實例 深埋層 倒摻雜阱 穿通阻擋層 閾值電壓調整 輕摻雜漏區(qū) (LDD) 源漏注入 多晶硅柵 溝槽電容器 超淺結 絕緣體上硅 (SOI) 第68頁/共79頁Figure 17.31 注入埋層 n-wellp-wellp Epi layerp+ Silicon substratep+ Buried layer倒摻雜阱第69頁/共79頁n-wellp-wellp+ 埋層p+ Silicon substrateN雜質p-type dopantp+n+Figure 17.32 倒摻雜阱 第70頁/共79頁n-wellp-wellp+ Buried l

37、ayerp+ Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+p+n+n+Figure 17.33 防止穿通 第71頁/共79頁n-wellp-wellp+ Buried layerp+ Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+p+pn+n+nFigure 17.34 閾值電壓調整的注入 第72頁/共79頁+ + + + + + +- - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - n-wellp-wellp+ Buried layerp+ Silicon substratep+ S/D implantn+ S/D implant側墻氧化硅DrainSourceDrainSourceb) p+ 和n+ 源漏注入(分兩步進行)+ + + + +