微電子工藝-chapter04of第4章?lián)诫s原理與技術(shù)

第4Dr.DaoliOffice:Room409WestBuilding7: Textbookand至少列出三種最常使用的摻辨認(rèn)出至少三種摻雜掌握擴(kuò)散摻雜的原理及描述離子注入的描述離子注入機(jī)的主要解釋溝道離子種類和離子能量的解釋后注入辨認(rèn)離子注入的安BBECpp pp基本概念：xj(JunctionDepth 溫的擴(kuò)散方式來(lái)完成，雜質(zhì)原子通相源或摻雜過(guò)的深結(jié)(deepjunction)，如CMOS中的雙阱(twinwell)；而離子注入可用于形成淺結(jié)(shallowjunction)，如 結(jié)深摻結(jié)深摻雜物的背景濃摻雜物濃xj:在xxj處，Cx(器件等比例縮小k

)到晶圓表面的距薄層電阻 薄層電阻定義為：RS x

RRRSxjwlt單位為/RS：正方形邊長(zhǎng)無(wú) Rl l S

1 q載流子遷移率，n假定雜質(zhì)全部電離，載流子濃度n=雜質(zhì)濃度 則 Sx xj S雜質(zhì)固溶度(dopantsolid構(gòu)和器件得以實(shí)現(xiàn)。摻雜的最高極限約1021atoms/cm3，最低1013atoms/cm3硅Sb,區(qū)B,B,P,As,P-As,開(kāi)關(guān)管及高速Au,B:P,MISIC，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)H,O,Zn,Be:S,Si,鍺pnpIn-Ga,擴(kuò)現(xiàn)的，這些跳躍在整個(gè)三維方向進(jìn)行，有多種方式，遮蔽氧化 遮蔽氧化NNN

替位擴(kuò)散雜質(zhì)：AsAl，Ga，interstitialassistedkick-out)或推填式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)Au,AgCu,FeNiEiEi約為0.61.2eVPvexp kT T：絕對(duì)溫度 ,

Evac在溫度T，單位晶體體積中的 PexpEkTEvvexp0PexpEkTEvvexp0kTsvexpEEs0

kTDiD0

Ea：本征擴(kuò)散激活a D0和溫度弱相關(guān)，主要取 表觀擴(kuò)散系D00

小D，大固溶擴(kuò)散的宏觀機(jī)制：(diffusionfromamacroscopic擴(kuò)擴(kuò)散動(dòng)擴(kuò)散方 第一

FDFx,t

Cx,t

t2深C(n/cm3)，Dcm2/s深第二C(x,t)

F(x,

由Fx,tDCx,t Cx,tFx,t DCx,t x D

Cx,t 2Cx,t

特定邊界條件下，擴(kuò)散方程1、穩(wěn)態(tài)時(shí)，濃度不隨時(shí)有 邊界條件：C(x,0)=0,x0，C(0,t)=Cs Cx,tC Dt

C(x,t)為某處t時(shí)的雜質(zhì)濃度erfc余誤差函數(shù)(complementaryerror 余誤差erfc(x)=1-

2 2

2 2erf

exp-0

duerfc

erf

x

對(duì)于x<<1erfx)2

erfc(x)dx 對(duì)于x>>1erf

1expx 摻雜 QCs dx s Dt Dt：稱為特征擴(kuò)散

x 擴(kuò)散結(jié)深為x，

CB

xj

D與溫度T是指數(shù)關(guān)系Cs

T對(duì)結(jié)深的影響要較t大許 雜質(zhì)

Cx,t

4Dt梯度受到Cs、t和D(即T)的影響。改變其中的某個(gè)量，在p-nCx,t xxj

2 experfc1 Berfc1 Bx CB和Cs一定時(shí)，xj越深，結(jié)處的 雜質(zhì)濃度Cs基本由雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度(900－1200C)下的

微 與新器件集Cx,0 x

x

Delta Cx,tdx 0Q

得

Cx,t

exp

4Dt

C0,t

Cx,txCx,t 在p－nCs

Cx,t

Csxj Dtln

ln B

x B Dt

濃度梯度隨著擴(kuò)散深深)增加而下

擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)散越深，推進(jìn)(drive-in)退火

DteffDt1t2...tn

D2

恒定劑量推進(jìn)DteffD1t1D2t2...

D1 Pre-deposition)Q

2

2121

因

exp

Cx,t

4D2t2Qt Cx,tdx

當(dāng)D1t1

時(shí)，最后的雜質(zhì)濃度分布D

x Cx,t1,t2

11exp D2t2

4D2t2二步擴(kuò)散的兩 情 D1t1

x擴(kuò)散深度增

結(jié)深增 Cs=cm-3，結(jié)深=mm。已知襯底濃度為CB11cm3。設(shè)計(jì)該工藝過(guò)程。 解：1)假設(shè)離

x x Cexp

Cx,t

4Dt

4DtDt

41017

3.71094Cs

4

B 1.51.510133.71096.8

Dt41017 3.71094.31013假如采用950C熱擴(kuò)散預(yù)淀積而非離子注入則則

22.51020

4.2

5.5QQs即Dtpredep2.31014Dtdrivein3.7109但是預(yù)淀積時(shí)間過(guò)短，工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)。應(yīng)改為離 熱積D=D0expS/D注 熱積

T

2

1

0.51

0.25

數(shù)據(jù)源ChangandSze,ULSI

104/T 基本擴(kuò)AsCl3、POCl3)；氣體源(B2H6、AsH3、PH3)，其中液態(tài)

225 4P B:III族元素，受主雜質(zhì)11502.4×1020原子

D0=1 Ea=3.46DD0D

expEa1.0exp

3.46eV

cm2/

kTp

EpDD0D

D0exp

a kT DDh 0epii inh

i

i 磷Ⅴ族元素，施主原子，有吸收銅、金等

溫度為1000快擴(kuò)散雜質(zhì)的性質(zhì)(這些雜質(zhì)在缺陷處淀積會(huì)產(chǎn)生漏電),固溶度達(dá)5×1021原子/㎝3

D4.70

3.68eVcm2/i i n n2ii hD0D D ii i i Ⅴ族元素，施主雜質(zhì)，半徑與硅相同2×1021㎝-D9.17

3.99eV

cm2/i i n

hD0D

ni 擴(kuò)散摻旋涂源擴(kuò)散(spin-on- B2H6+2O2B2O3+3 2B2O3+3Si3SiO2+42H2O+SiSiO2+2 4POCl3+3O22P2O5+覆蓋氧化反應(yīng)：2P2O55Si5SiO2 1、氣氣態(tài)雜質(zhì)源(劇毒氣體):磷烷(PH4)、砷烷(AsH3)、氫化 2、液態(tài)源擴(kuò)舟 液態(tài) B[(CH3)O]3B2O3+CO2+H2O＋...2B2O3+3Si3SiO2+4B例：預(yù)淀積:950oC 通源10－20分鐘，N2再分布:1100－1200oC干氧＋濕氧＋干氧 液態(tài) 三氯氧磷>6005POCl3 P2O5+2P2O55Si5SiO24P向硅中擴(kuò)4PCl5+5O2 2P2O5+10Cl2例：預(yù)淀積:1050 N2和再分布:950 磷擴(kuò)散系

硅襯硅襯硅襯硅襯二氧化摻雜分區(qū)

光刻二氧化硅襯 光刻二氧化硅襯二光刻二氧化硅襯二氧化硅襯二氧化硅襯 二氧化硅襯摻雜物氧化

摻雜氧化硅襯二氧化硅襯二氧化二氧化硅襯 五氧化二磷氧化沉積和覆蓋氧 溫 摻雜沉 溫N2POCl3升穩(wěn)氧氮下降定化反應(yīng)氣置二氧二氧化硅襯二氧二氧化硅襯 非晶硅驅(qū)推穩(wěn)推定氮流晶圓位

溫 溫 升 穩(wěn) 驅(qū) 3、固態(tài)源擴(kuò)散：2O32O5BN舟 活化處理4BN+3O22B2O3+2N2900C 1h. 通O2擴(kuò) 2B2O3+3Si3SiO2+銻的箱法擴(kuò) 硅片與擴(kuò)散源同放一箱內(nèi)在N2氣保護(hù)下源：Sb2O3SiO21:4(粉末重量比)2Sb2O3+3Si=4Sb+3SiO2 4、旋涂摻雜法(spin-on-源：As 200C15分鐘去處溶特點(diǎn)：摻雜元素多濃度范圍廣 擴(kuò)散的應(yīng)用: 阱區(qū)注入和光刻光刻N(yùn)阱PPP型外 N阱 利用硼的擴(kuò)散在超淺結(jié)形成的 表側(cè)壁空間

金屬硅化

側(cè)壁空間淺溝

硅襯

淺溝 硼硅玻璃化學(xué)氣相沉淺溝

金屬硅化 硅襯

淺溝 快速加熱步驟摻雜物多晶

金屬硅化淺溝

柵極氧化硅襯

硼硅玻

淺溝 剝離硼硅柵極氧化

多晶

金屬硅化淺溝

硅襯

淺溝 擴(kuò)散層質(zhì)量

VIlnR Vj ln2 j

t 結(jié)深測(cè)磨角染色法(beveland xj 摻雜分C－V測(cè)量Voltage

NW

2d1由下式給出

A2qs0

C2CV

qs02

2kT s硅的介電常數(shù);N襯底摻雜濃度Vb結(jié)的內(nèi)建勢(shì);V反偏電RVR Spectroscopy,SIMS)MassMass 定律解析解的應(yīng) 電場(chǎng)效應(yīng)(Fieldeffect)——非本 DCEC 以n以n型摻雜

q

kTlnn

n

ni

nFDxDCxlnnDCxlnCn i i NpN i由npiCNA

并假定雜質(zhì)全部離FhDh1 FhDh1 C2ii：2：場(chǎng)助擴(kuò)：其中h為擴(kuò)散系數(shù)的電場(chǎng)增：當(dāng)摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征載流子濃度時(shí)，h接近2 電場(chǎng)效應(yīng)對(duì)于低 擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)C

C x

x eff

n

n

nDA

Dn

D n i

i

pAD0DpnDpini 1000C下，非本征擴(kuò)

1.661014cm2/ 箱雜擴(kuò)散系數(shù)高一個(gè)數(shù)量微納與新器件集成氧化增強(qiáng)/抑制擴(kuò)散(oxidationenhancedretarded對(duì)于B，P對(duì)Sb雙擴(kuò)散機(jī)制 雜質(zhì)可以通過(guò)空位和間隙兩種方式擴(kuò) 發(fā)射極推進(jìn)效應(yīng)(EmitterPush 濃度n時(shí)(例如，T=1000℃n18n=51m-3 Cexp(

Ei sDD(CsCF(DC xj Dst,當(dāng)D~x Dt,當(dāng)D~2 xj Dst,當(dāng)D~3 P，與V2－有關(guān)，D隨(b e 12cm2／s，此值比1000℃本征擴(kuò)散系數(shù) 在砷化鎵中的鋅鋅是砷化鎵中最廣為使用的擴(kuò)散劑 ，當(dāng)濃度低于表面濃度達(dá)三個(gè)或的， 離子注 控制。雜質(zhì)劑量可由注入時(shí)離子電流來(lái)控制。主要副續(xù)的處理用來(lái)去除這些損傷。 離子注各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度可通過(guò)精確控制摻雜劑量(1011-平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻(1variationacrossan散 QQ1IAqBF3：B++，B+，BF2 般采用氣體源，如BF3，BCl3，PH3，AsH3等。如用離子源(IonSource)：燈絲(filament)發(fā)出的自由電子離子源：B，As，Ga，Ge，Sb，P，... 金屬柵

柵極氧化

金屬柵n-型硅p+n-型硅p+p+n對(duì)準(zhǔn) 對(duì) P型P型多晶 摻雜區(qū)二氧硅光二氧硅

光刻硅結(jié) 擴(kuò)散離子注入高溫,硬掩模版低溫,光阻掩模版等向性摻雜物濃度非等向性摻雜物分布不能單獨(dú)控制離子濃度和結(jié)深能單獨(dú)控制離子濃度和結(jié)深批量工藝批量和單晶圓工藝 注入離子如何在LSS理論——LSS理論——對(duì)在非晶靶中注入離子的射程分布的1963年，LindhardScharffandSchiott首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論，簡(jiǎn)稱LSS理論。此獨(dú)立的過(guò)程：(1)核 (nuclearstop (electronicstop 造成晶體結(jié)構(gòu) 和損 離 隨機(jī)碰撞

+S 溝道背散射 dENSES SE1

dE

,SE1

dE

能量為En Ndx Ndxne

密度為N-dE/dx：能量隨距離損失的平均速E：注入離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x

Sn(E)： 本領(lǐng)/截面Se(E)：電 N～51022cm-3for

能量E的函 ETran

4m1m 2(m m 2

如：磷離子Z1m131SE2.810

Z1Z2

14m228 Z23Z2 m

可得：Sn~

摘自J.FGibbonsProcIEEE,Vol.563March,1968,p 磷、硼離子的Sn(E)計(jì)算值的 原子原子II電電 子不改變?nèi)肷潆x子運(yùn)動(dòng)方 Stotal=Sn+Se ,Se：電子 n en 17en 150As,Sb>500n 射程終點(diǎn)(EOR)處晶格損傷 表面處晶格損傷較 真離子

基 碰離子的軌投影射至表面的距 ln濃)ln濃)基片表 從表面算起的深 PBPB

的總路線長(zhǎng) rangeR在入射方向上的投

非晶靶中注入離子的濃Rp：標(biāo)準(zhǔn)偏差(Straggling)，投影射程的平均偏 (xR n(x) exp[ 22

子子 是的式。沿x軸移動(dòng)了一個(gè)Rp維 維布 p處，離子濃度比其峰值降低布圖402p處則降為10％；在±3p處降為1％；在±4.8p圖 Rp

0

1N0SnESe1N0 注入離子的濃度分 Cx

1x 2 p

200keV注入B B 由QCxdx

CP

x 2 C(x)

exp p 2Rp Q可以精確

A為注入面積，I為硅片背面搜集到的

QAq

I＝0.01例如：當(dāng)A＝20×20cm2，I＝0.1mAQI1.56109 而對(duì)于一般NMOS的V

1-溶度1020cm-3

Q

每秒劑量達(dá) 常用注入離子在不同注入能量下的特 問(wèn)題：140keV的B+離子注入到直徑為150mm的硅靶中。注入劑量Q=5×1014/cm2(襯底濃度2×1016 【解】1Rp=4289?=0.43Rp=855?=0.0860.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019cm-3襯底濃度CB＝2×1016cm- 1xjRp2Cx exp2 2

xj=0.734＝5×1014×[(15/2)2]=8.8×1016＝[(1.6×10－19C)(8.8×1016)]/60sec=0.23 注入離子的真實(shí)分 RR

1

C(x,y)

exp

2R 35keVAs注入 120keVAs注入 注入掩蔽層——掩蔽層應(yīng)該多 R*2C*( )C*exp

P

2R* P 解出所需的掩膜層厚 C* xmRP 2 PRP穿過(guò)掩膜層的劑量

CB1xR*

R*QP

Pdx

erfc P* 2 Rp *

2R*p

p ))

硅(Si)

P

離子注入退火后的Cx,t

4Dt

x x

2 ((

D

) 2C) 2

xRP 2P 2P

PP

2Dt

2Dt

子，因此溝道離子的 溝道效應(yīng)(Channelingeffect)：當(dāng)離子沿晶軸方向注 引起一個(gè)不是想

離子進(jìn)入的角度 理 Boroninto

Boroninto

被成常態(tài)的分布。 典型離子注入?yún)┝浚?011~1018cm-2能量：1400可重復(fù)性和均勻性:±1%流量：1012-1014cm-2s- 溫度越高,退火越快 什么是(Si)(Si)SiSiI+ EORCourtesyAnn-ChatrinLindberg(March 損傷的的最小能量.(對(duì)于硅原子,Ed15eV) 由單一離子造成的損 損傷區(qū) ，。，。 基片的注入?yún)^(qū)變 離子注入損傷估100KeVB面能量損失:30eV/nm×0.25nm=7.5eV<Ed(15eV)。當(dāng)能量降:150nm。位移原子數(shù)為:150/0.25=600，如果移位距離2.5nm(2.5)2×150=3×10-18cm3。損傷密度:2X1020cm-3，大約是原子密度0.4%。100KeVAs平均核能量損失：1320eV/nm51021cm-3，大約是 非晶 離子注入晶格原 離子注入之晶格原 摻雜原 晶體缺晶格原 摻雜原 晶格原 摻雜原 損傷退火(Damage 熱退火后：nn=ND(p=NA) ，能夠有效的提供電子(donor,N-type)或是空穴(acceptor,P-type) 損傷退 損傷恢復(fù)機(jī)制(DamageRecoverySS+S(S) FrenkelI-Vpairs

MonteCarlo模擬的I-V復(fù)合結(jié)果：短時(shí)間內(nèi)(10-2秒)800C下，體內(nèi)的V在表面復(fù)合迅速完成，產(chǎn)生剩余的I，其表面復(fù)合相對(duì)較緩慢。在400C以上，這些I可接合入{311}面形 該{311}缺陷帶在較高溫度下(800～1000C 晶格原

摻雜原 晶格原 摻雜原 晶格原

摻雜原 晶格原

摻雜原 晶格原

摻雜原 晶格原 摻雜原 晶格原

摻雜原 晶格原

摻雜原 退火 退火 。高功率激光束輻。布大大降低，對(duì)淺結(jié)器在高溫下，退火的速RTA非常快速(小于一分鐘),較好的晶圓對(duì)晶圓的均勻性,較佳的熱積存控制,和摻雜物擴(kuò)散的最 100150C/sec15RTCVD40? 晶 外端反應(yīng)氣鎢—鹵素?zé)?/p>

紅外線高溫

底部燈

頂部燈晶 快速加熱工藝(RTP)提供：AppliedMaterials,Inc微納與新器件集成RTP

柵硅柵硅

硅硅高溫爐退 ? 當(dāng)溫度>1100C，退火速率較擴(kuò)散為快 退火速 擴(kuò)擴(kuò)散速溫 柵快速加熱退

高溫爐退 升溫速率較快(75150C/sec)溫度較高(可到1200°C) 。。低高高低高低是高低高低

卸除晶圓N2 NH3+TiTiN+3/2 鈦二氧化 氮化二氧化 超薄的柵極氧化層<30?微納與新器件集成RTPRTO 晶 及升2

HClO2HCl

晶 RTCVD燈 加熱燈反應(yīng)

晶

石英

IR高溫 高溫室 RTO/RTP反應(yīng)

RTCVD-Si反應(yīng)

轉(zhuǎn)換

冷卻反應(yīng)裝載

卸除

氣體和蒸PBBF3PH3注入下一注入B,PAs子能 氣體 離子

電機(jī)系

磁鐵分析

真空泵等離子體泛注系

平均自由路徑>>射束線的長(zhǎng)度10-510-7不同的控制板會(huì)收集來(lái)自注入機(jī)內(nèi)各系統(tǒng)的信號(hào)，并送到電路板處CPU傳送指令回到注入機(jī) 抑制電

質(zhì)譜離子

真空泵

離子束萃取電

真空泵等離子體泛注系晶終端分析 應(yīng)~120V-

氣體源或蒸氣抗陰極電極鎢燈+燈絲電力,0-5V,

磁鐵 射頻離

摻雜氣

射頻線萃取電離子 微波離磁場(chǎng)線磁力

微萃取電

抑制電 萃取電I離子等子 離子

俯視++10–萃取電60終端底

萃取狹 用來(lái)作同位素分離以產(chǎn)生豐富的U235 離子飛行管太小m/q

太大的m/q

+僅20%的硼原子是10B+離子濃度僅11B+的10B+離子束電流約11B+的將要耗費(fèi)四倍的時(shí)間注入，生產(chǎn)量較

抑制電

加速電離子 ++高達(dá)60kV達(dá)10kV終端底 固定的界定孔離子可調(diào)式垂直葉 中性原子軌偏壓電

離子軌 晶

離子軌晶 +++ 直流直流電+燈絲燈絲電

離子離子電晶

二次電子電

二次電電子

熱燈晶 離子束直徑:~25mm(~1”),200mm(8”) 晶旋轉(zhuǎn)速最高2400搖擺周~10

離子注入帶 晶

離子 離子

掃描離子掃描電

晶圓移 石 俯視離子磁

晶圓冷卻平

離子注入在集成CMOS制CMOS制9-10differentidentified CMOS離子注入0.35m,640.25m,2560.18m,1阱--Halo45--阱--Halo45 BacksideDamageLayerFormationfor形成SOI結(jié)構(gòu)Silicon-On-InsulatorUsingOxygenHydrogen 情況下，的非晶體層是

注入時(shí)需要一層合適的掩蔽層。此層要一定比例的 (xRn(x) 2p

22

Sddexp xp2p p TT 1erfcdRpS2p 系數(shù) 。。

隨后被去掉，如圖(b)所示，接著利用另一次高劑量砷注入來(lái)形 注入工藝：阱注高能MeV光刻光刻P型晶P型外延N型 臨界電壓(VT低能劑N溝道VT調(diào) P溝道VT調(diào)光刻 P型P型晶P型P型晶

N型 離子注入：低摻雜漏極(LDD)注低能10keV

光刻P型層P型晶P型層P型晶

N型 離子注入：源極/漏極低能20keV劑量t光刻

P型

N型P型晶P型外P型晶 離子注入阱高低低高低低低低 工藝問(wèn) 晶圓帶~10100?柵極氧化層 電壓是103035?0.18μm的組件 晶圓帶電天線比例(antennaratio) 天線比

多晶場(chǎng)區(qū)氧化硅基

柵極氧化 粒子污 粒子污染物的氧化

離子粒部分注入的 元素污例如：94Mo++94Mo++

相同的質(zhì)荷比(m/q 工藝評(píng)熱波(ThermalwaveOpticalMeasurementSystem, 四探

IV 基摻雜區(qū)S1S2基摻雜區(qū)假如電流應(yīng)用在P1P4Rs4.53假如電流應(yīng)用在P1P3Rs5.75 熱波系成的直流反射系數(shù)(R)和反射系數(shù)的調(diào)制量 激熱波激熱波信號(hào)偵熱波信號(hào)偵測(cè)R 探測(cè)探測(cè)激R/R:熱波信

晶 熱波系 光學(xué)測(cè)量系 光學(xué)測(cè)量系石英鹵素?zé)?00nm光傳感 離子注入的安 離子注入的化學(xué)高毒性與易爆性:AsH3,PH3,B2H6PBAs, 離子注入的電磁208V50 離子注入的輻射正常完全 離子注入的副產(chǎn)品的BF3做為摻雜氣體 離子注入的機(jī)械技術(shù)(Ultrashallowjunction(Silicononinsulator等離子體浸泡離子注入(Plasmaimmersionionimplantation，PIII) 超淺結(jié)USJxj0.05μm(0.1μm SOI 電子—空穴+電子—空穴++++++硅基++a-粒 SOI基片上的CMOSn+

柵極氧化多