擴(kuò)散與離子注入資料

擴(kuò)散與離子注入資料第1頁/共32頁擴(kuò)散:利用原子在高溫下（900-1200℃）的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，雜質(zhì)原子從濃度很高的雜質(zhì)源向低濃度區(qū)擴(kuò)散并形成一定的分布。離子注入：電離的雜質(zhì)離子經(jīng)幾十至幾百千伏的電壓下進(jìn)行加速，在獲得較高速度后注入半導(dǎo)體內(nèi)。摻雜工藝第2頁/共32頁材料A材料B材料A材料B材料A材料B3.4.1擴(kuò)散（70年代初期）1.擴(kuò)散機(jī)理恒定的表面濃度：雜質(zhì)為氣相源

雜質(zhì)蒸汽（800℃～925℃）→硅表面→擴(kuò)散到硅片內(nèi)恒定的總摻雜劑量：首先在硅表面形成薄雜質(zhì)層→擴(kuò)散到硅片內(nèi)第3頁/共32頁（1）摻雜濃度不能超過半導(dǎo)體的固濃度。（2）較難得到輕微的雜質(zhì)分布（3）橫向擴(kuò)散大約達(dá)到結(jié)深度80％的距離。使得最后的擴(kuò)散區(qū)尺寸超過窗口尺寸。（4）900-1200℃高溫下進(jìn)行橫向擴(kuò)散擴(kuò)散應(yīng)用于n-subp-sub摻雜擴(kuò)散特點(diǎn)：第4頁/共32頁P(yáng)SUBn+Substrate擴(kuò)散第5頁/共32頁2.擴(kuò)散設(shè)備與擴(kuò)散源擴(kuò)散設(shè)備：擴(kuò)散爐擴(kuò)散源：氣態(tài)、液態(tài)——運(yùn)輸方便，純度高固態(tài)第6頁/共32頁立式擴(kuò)散爐第7頁/共32頁液態(tài)源液態(tài)源：磷擴(kuò)散摻雜4POCl3+3O2→2P2O5+6ClP2O5+Si→4P+5SiO2

(還原反應(yīng))N2→POCl3液瓶→

POCl3氣泡

O2石英管內(nèi)反應(yīng)第8頁/共32頁固態(tài)源氣態(tài)源易揮發(fā)的固態(tài)源

第9頁/共32頁加工材料氣態(tài)源液態(tài)源固態(tài)源（易揮發(fā)的氧化物或其他化合物）AsAsH3、AsF3砷玻璃AlAsO4PPH3、PF3POCl3BB2H6、BF3、BCl3BBr3BNSbSbH3SbCl3Sb2O3第10頁/共32頁

擴(kuò)散濃度一方面決定于源的情況，當(dāng)源足量時(shí)則決定于溫度，因?yàn)殡s質(zhì)的固溶度決定雜質(zhì)在半導(dǎo)體表面的濃度。

3.準(zhǔn)確控制濃度和深度擴(kuò)散深度取決于擴(kuò)散系數(shù)D和擴(kuò)散時(shí)間tD=Doe-E/kT對(duì)于一定雜質(zhì)在特定固體中激活能E和Do是一定的，所以D與T是指數(shù)上升關(guān)系。為了精確控制深度,精確控制溫度(＜±0.5℃)十分重要。第11頁/共32頁4.擴(kuò)散的測(cè)量技術(shù)擴(kuò)散結(jié)果擴(kuò)散層的結(jié)深：化學(xué)染色后磨斜角（HF）

條紋干涉方塊電阻：探針技術(shù)雜質(zhì)分布：C-V法第12頁/共32頁3.4.2離子注入（70年代后）低溫沒有橫向擴(kuò)散摻雜劑量可以控制注入的深度可以控制（1）高溫（2）不能超過雜質(zhì)的固濃度（3）較難得到輕微的雜質(zhì)分布（4）橫向擴(kuò)散擴(kuò)散離子注入：電離的雜質(zhì)離子經(jīng)靜電場（5-200keV)加速注入半導(dǎo)體內(nèi)。使擴(kuò)散第13頁/共32頁1.離子注入過程IonEatoms如果入射離子的速度方向與固體表面的夾角大于某一臨界角，它將能夠進(jìn)入固體表面層，與固體中的原子發(fā)生一系列的彈性和非彈性碰撞，并不斷地?fù)p失其能量。當(dāng)入射離子的能量損失到某一定的值（約為20eV左右)時(shí)，將停止在固體中不再運(yùn)動(dòng)。上述過程被稱為離子注入過程。

a離子碰撞第14頁/共32頁反彈注入濺射原子二次電子發(fā)射離子注入到晶圓內(nèi)離子原子濺射二次電子反彈第15頁/共32頁輕離子反彈經(jīng)加速的離子碰撞晶圓靶面足夠的重離子進(jìn)入靶內(nèi)，與原子和電子發(fā)生碰撞原子從晶格中脫離產(chǎn)生濺射現(xiàn)象晶格熱振動(dòng)使靶溫度↑電子被激發(fā)到高能級(jí)，一段時(shí)間后回到基態(tài)彈性碰撞非彈性碰撞能量以光波形式釋放二次電子發(fā)射注入離子能量減弱，一定深度后停止運(yùn)動(dòng)原子電子第16頁/共32頁濺射現(xiàn)象

當(dāng)運(yùn)動(dòng)的原子運(yùn)動(dòng)到固體表面時(shí)，如果其能量大于表面的勢(shì)壘，它將克服表面的束縛而飛出表面層，這就是濺射現(xiàn)象。濺射出來的粒子除了是原子外，也可以是原子團(tuán)。濺射出來的原子進(jìn)入鞘層后，與鞘層內(nèi)的離子碰撞后將發(fā)生電離，形成新的離子。濺射原子或原子團(tuán)也可以穿過鞘層進(jìn)入等離子體，并捕獲等離子體中的電子，形成帶負(fù)電的粒子或粒子團(tuán)，通常稱為“塵埃粒子”。塵埃粒子的存在將造成對(duì)等離子體的污染，這對(duì)采用等離子體技術(shù)制備高質(zhì)量的薄膜材料是非常有害的。第17頁/共32頁二次電子發(fā)射

當(dāng)固體表面受到載能粒子轟擊時(shí)，產(chǎn)生電子從表面發(fā)射出來的現(xiàn)象被稱為二次電子發(fā)射。每入射一個(gè)載能粒子所發(fā)射出來的電子數(shù)稱為二次電子發(fā)射系數(shù)。一般地，離子、電子、中性原子或分子與固體表面碰撞時(shí)，均可以產(chǎn)生二次電子發(fā)射。在PSII技術(shù)中，由于對(duì)基體施加較高的負(fù)偏高壓，將有大量的二次電子從基體表面上發(fā)射出來。這些二次電子的出現(xiàn)，一方面改變了鞘層電位的大小和分布，另一方面它們經(jīng)鞘層電場加速后，以較高的速度撞擊到器壁表面，產(chǎn)生較強(qiáng)的X射線，這對(duì)人體的健康是非常有害的。離子靶原子二次電子第18頁/共32頁通過控制電學(xué)條件（電流、電壓），離子注入可精確控制濃度和深度；不受材料固溶度限制；橫向擴(kuò)散小；選用一種離子注入，不免混入雜質(zhì)。離子注入可進(jìn)行MOS源、漏區(qū)摻雜第19頁/共32頁

b通道效應(yīng)AB注入離子→有周期性排列固定晶體結(jié)構(gòu)的Si中，如果注入路徑在不受Si原子阻擋的方向→碰撞不會(huì)發(fā)生，注入離子長驅(qū)直入到硅晶圓很深的地方→通道效應(yīng)通道效應(yīng)的結(jié)果使離子注入深度難控制第20頁/共32頁離子注入通道效應(yīng)第21頁/共32頁抑制通道效應(yīng)的方法：a.

把晶片對(duì)離子注入的方向傾斜一個(gè)角度（0-15°)b.

在結(jié)晶硅的表面鋪一層非結(jié)晶系材質(zhì)SiO2，使注入離子在進(jìn)入硅晶片之前先與無固定排列方向的SiO2碰撞。c.

先在硅內(nèi)進(jìn)行一次輕微的離子注入，使硅的規(guī)則排列破壞然后再進(jìn)行離子進(jìn)入。abc第22頁/共32頁

目的：由于離子注入所造成的損傷，使得半導(dǎo)體的遷移率和壽命等參數(shù)受到嚴(yán)重；此外，大部分注入離子并不處于置換位置，未被激活。通過退火可以解決或改善以上問題。

C退火離子注入后要退火處理第23頁/共32頁第24頁/共32頁2.離子注入機(jī)第25頁/共32頁離子注入系統(tǒng)的原理示意圖注入的離子是在離子源中產(chǎn)生的(原料氣BF3,AsH3,PH3進(jìn)入離化室產(chǎn)生正離子所產(chǎn)生的正離子，被強(qiáng)電場引入質(zhì)量分析器，選出所需要的離子，這些離子通過加速器被加速，通常還聚焦成束，經(jīng)偏束板將中性粒子除去，光柵掃描后，離子打在圓片襯底上。真空系統(tǒng)第26頁/共32頁①離子源通過電子和摻雜氣體的碰撞產(chǎn)生離子的裝置磁鐵磁鐵W絲，通過加熱產(chǎn)生熱離子化電子弧光室

摻雜氣體P、B或As的硫化物、氟化物或氫化物作為離子源利用電磁力使電子運(yùn)動(dòng)正離子第27頁/共32頁②分離磁場利用不同離子在磁場中所受洛侖茲力不同，因而運(yùn)動(dòng)軌跡不同來分離出單一離子。③

加速器將摻雜離子加速達(dá)到足夠的速度能夠穿入硅晶片離子源（BF3）正離子B3+B+BF2+B3+分離磁場第28頁/共32頁④

聚焦離子加速后，由于相同電荷的排斥作用而發(fā)散，這將導(dǎo)致離子密度不均和摻雜層不均，通過聚焦鏡將離子聚焦成細(xì)束。⑤中性粒子偏束器離子束和一些氣體分子可能碰撞產(chǎn)生中性原子，為了消除中性原子的影響，用偏束器將離子束偏離7°，而中性原子沿原方向射出。第29頁/共32頁（1）注入的離子是通過質(zhì)量分析器選取出來的，被選取的離子純度高，能量單一，從而保證了摻雜純度不受雜質(zhì)源純度的影響。（2）注入劑量在1011-1017離子／cm2的較寬范圍內(nèi)，同一平面內(nèi)的雜質(zhì)均勻度可保證在±1％的精度。

（3）離子注入時(shí)，襯底一般是保持在室溫或低于400℃。避免高溫?cái)U(kuò)散所引起的熱缺陷，同時(shí)橫向效應(yīng)比熱擴(kuò)散小得多。另外像二氧化硅、氮化硅、鋁和光刻膠等都可以用來作為選擇摻雜的掩蔽膜。對(duì)器件制造中的自對(duì)準(zhǔn)掩蔽技術(shù)給予更大的靈活性，這是熱擴(kuò)散方法根本做不到的。

3.離子注入優(yōu)點(diǎn)第30頁/共32頁（4）注入雜質(zhì)按掩模版圖形近于垂直入射，有利于器件按征尺寸的縮