哈工大微電子工藝3摻雜工藝

微電子工藝（3）

--定域摻雜工藝田麗1第3章擴散擴散是微電子工藝中最基本的平面工藝，在900-1200℃的高溫，雜質(zhì)（非雜質(zhì)）氣氛中，雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴散，又稱熱擴散。目的是通過定域、定量擴散摻雜改變半導體導電類型，電阻率，或形成PN結(jié)。2內(nèi)容3.1雜質(zhì)擴散機構(gòu)3.2擴散系數(shù)與擴散方程3.3擴散雜質(zhì)的分布3.4影響雜質(zhì)分布的其他因素3.5設備與工藝3.6擴散工藝的發(fā)展33.1雜質(zhì)擴散機構(gòu)擴散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點運動的基本方式，當溫度高于絕對零度時，任何物系內(nèi)的質(zhì)點都在作熱運動。當物質(zhì)內(nèi)有梯度(化學位、濃度、應力梯度等)存在時，由于熱運動而觸發(fā)(導致)的質(zhì)點定向遷移即所謂的擴散。因此，擴散是一種傳質(zhì)過程，宏觀上表現(xiàn)出物質(zhì)的定向遷移。擴散是一種自然現(xiàn)象，是微觀粒子熱運動的形式，結(jié)果使其濃度趨于均勻。4擴散的微觀機制(a)間隙式擴散（interstitial）(b)替位式擴散（substitutional）間隙擴散雜質(zhì)：O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg替位擴散雜質(zhì)：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的運動一般是以近鄰處有空位為前題B，P，一般作為替代式擴散雜質(zhì)，實際情況更復雜，包含了硅自間隙原子的作用，稱填隙式或推填式擴散5固相擴散工藝微電子工藝中的擴散，是雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴散，是固相擴散工藝。固相擴散是通過微觀粒子一系列隨機跳躍來實現(xiàn)的，這些跳躍在整個三維方向進行，主要有三種方式

間隙式擴散

替位式擴散

間隙—替位式擴散6間隙式擴散間隙原子擴散勢場示意圖Wi=0.6-1.2eV7按照玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律，獲得大于能過Wi的幾率正比于exp(-Wi／kT)k：玻爾茲曼常數(shù)

kT:平均振動能，0.026eV

υ0：振動頻率，1013-1014/s跳躍率室溫下，約每分鐘一次。8替位式擴散

產(chǎn)生替位式擴散必需存在空位。晶體中空位平衡濃度相當?shù)停覝叵?，替位式擴散跳躍率約每1045年一次。Ws空位濃度α9間隙-替位式擴散許多雜質(zhì)即可以是替位式也可以是間隙式溶于晶體的晶格中，并以間隙-替位式擴散。這類擴散雜質(zhì)的跳躍率隨空位和自間隙等缺陷的濃度增加而迅速增加。

10間隙-替位式擴散雜質(zhì)原子被從晶格位置“踢出”(Kick-out)AVA+IAi113.2擴散系數(shù)與擴散方程晶體襯底中雜質(zhì)擴散流密度與雜質(zhì)濃度梯度成正比。比例系數(shù)D定義為雜質(zhì)在襯底中的擴散系數(shù)。Fick第一擴散定律12一、Fick第一定律

穩(wěn)定擴散：擴散質(zhì)點濃度不隨時間變化推動力：濃度梯度描述：在擴散過程中，體系內(nèi)部各處擴散質(zhì)點的濃度不隨時間變化，在x方向各處擴散流量相等。定律含義：單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位面積上擴散的物質(zhì)數(shù)量和濃度梯度成正比。13擴散過程中溶質(zhì)原子的分布14J

擴散通量，單位時間通過單位截面的質(zhì)點數(shù)(質(zhì)點數(shù)/s.cm2)D

擴散系數(shù)，單位濃度梯度的擴散通量(m2/s或cm2/s)C

質(zhì)點數(shù)/cm3“－”

表示粒子從高濃度向低濃度擴散，即逆濃度梯度方向擴散表達式：15此式表明：(1)擴散速率取決于外界條件

C/

x

擴散體系的性質(zhì)D(2)擴散系數(shù)D可作為表征擴散的一個參量。它不僅與擴散機構(gòu)，也與擴散介質(zhì)和外部條件(單位濃度梯度、單位截面、單位時間通過的質(zhì)點數(shù))有關。

D取決于質(zhì)點本身的性質(zhì)：半徑、電荷、極化性能等基質(zhì)：結(jié)構(gòu)緊密程度，缺陷的多少

擴散系數(shù)是物質(zhì)的一個物性指標16擴散系數(shù)（以替位式推導）D0為表觀擴散系數(shù)ΔE為擴散激活能(cm2/s)ΔE/kT)(D)/kT]w(w[vaDPaDxC(x,t)PaP,taxaCP,taxaCJvsvvvv-=+-==??-=÷???è?+-÷???è?-=expexp220022217Si中雜質(zhì)類型間隙式雜質(zhì)

主要是ⅠA和ⅧA族元素，有：Na、K、Li、H等，它們通常無電活性，在硅中以間隙方式擴散，擴散速率快。替位式雜質(zhì)

主要是ⅢA和ⅤA族元素，具有電活性，在硅中有較高的固濃度。以替位方式擴散為主，也存在間隙-替位式擴散，擴散速率慢，稱為慢擴散雜質(zhì)。間隙—替位式雜質(zhì)

大多數(shù)過渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以間隙-替位方式擴散，約比替位擴散快五六個數(shù)量級，最終位于間隙和替位這兩種位置，位于間隙的雜質(zhì)無電活性，位于替位的雜質(zhì)具有電活性。18根據(jù)雜質(zhì)在晶體中的擴散系數(shù)分

快擴散雜質(zhì)：H，Li,Na,Cu,Fe,K,Au,He,Ag,

慢擴散雜質(zhì)：Al,P,B,Ga,Tl,Sb，As在高溫工藝中，如擴散、外延，摻雜元素的擴散系數(shù)小些好19菲克第二定律

當擴散處于非穩(wěn)態(tài)，即各點的濃度隨時間而改變時，利用第一定律不容易求出。

通常的擴散過程大都是非穩(wěn)態(tài)擴散，為便于求出，還要從物質(zhì)的平衡關系著手，建立第二個微分方程式。

討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴散時間的關系，又稱第二Fick定律。203.3擴散雜質(zhì)的分布擴散工藝是要將具有電活性的雜質(zhì)，在一定溫度，以一定速率擴散到襯底硅的特定位置形成pn結(jié)，或者得到所需的摻雜濃度。擴散工藝重要的工藝參數(shù)包括：

①雜質(zhì)的分布②表面濃度③結(jié)深

④摻入雜質(zhì)總量21恒定表面源擴散指硅一直處于雜質(zhì)氛圍中，硅片表面達到了該擴散溫度的固溶度Cs。解擴散方程：邊界條件為：C(0，t)=Cs

C(∞，t)=0初始條件為：C(x，0)=0，x>0

恒定表面源擴散雜質(zhì)分布情況xCBCsxj1xj2xj3C(x,t)t1t2t3022有限表面源擴散

指雜質(zhì)源在擴散前積累于硅片表面薄層h內(nèi)，Q為單位面積雜質(zhì)總量，解擴散方程：邊界條件:C(x,0)=Q/h,0<x<h

C(∞,t)=0初始條件：C(x,0)=0,x>hXXj1Xj2Xj3CsCs’Cs”t1t2t3C(x,t)CB0h有限表面源擴散雜質(zhì)分布情況23有限表面源擴散有限源擴散雜質(zhì)濃度是一種高斯函數(shù)分布。延長擴散時間：①雜質(zhì)表面濃度迅速減??；②雜質(zhì)總量不變；③結(jié)深增加；④雜質(zhì)濃度梯度減小。雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)表面濃度結(jié)深24兩步擴散預淀積（預擴散）低溫，短時，恒定表面源擴散—雜質(zhì)擴散很淺，雜質(zhì)數(shù)量可控主擴散（再分布）高溫，擴散同時伴隨氧化—控制表面濃度和擴散深度253.4影響雜質(zhì)分布的其他因素實驗發(fā)現(xiàn)硅中摻雜原子的分布，有Fick定律不能解釋地方：在npn窄基區(qū)晶體管基區(qū)和發(fā)射區(qū)分別擴B和擴P，在發(fā)射區(qū)正下方的基區(qū)要比不在發(fā)射區(qū)正下方的基區(qū)深，即發(fā)射區(qū)推進效應；在熱氧化過程中原存在Si內(nèi)的某些摻雜原子顯現(xiàn)更高擴散性，即氧化增強擴散。26雜質(zhì)原子與點缺陷的結(jié)合自間隙與雜質(zhì)的結(jié)合可以促進擴散運動。如氧化時產(chǎn)生大量自間隙原子，AI團增大，導致擴散能力增加。27擴散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關系擴散系數(shù)和空位成正比：D∝V實際空位：V=V0+V++V-+V2-+…EcEvE2-E-E+0.11eV0.44eV0.06-0.16eV硅中空位的能帶圖28擴散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關系硅襯底的摻雜濃度對雜質(zhì)的擴散系數(shù)有影響，襯底摻雜濃度Ce比擴散溫度下本征載流子濃度Ci高時(Ce>Ci

≈1019/cm3)，將使擴散系數(shù)顯著提高，稱之為場助擴散效應。本征擴散系數(shù)：非本征擴散系數(shù)：29發(fā)射區(qū)推進效應也稱為發(fā)射區(qū)陷落效應。B擴散的增強是由于磷與空位相互作用形成的PV對，發(fā)生分解所帶來的復合效應。xbcδebnpn摻BP擴散摻P30氧化增強擴散(OED)硼在氧化氣氛中的擴散存在明顯增強現(xiàn)象，磷、砷也有此現(xiàn)象。原因是氧化誘生堆垛層錯產(chǎn)生大量自填隙Si，間隙-替位式擴散中的“踢出”機制提高了擴散系數(shù)。氧化層B有限源擴散氮化物p-Sin-Si氮化物n-Si氧化層摻BCB<1019O2I+B

IB31氧化阻滯擴散銻擴散是以替位方式進行，氧化堆垛層錯帶來的自填隙硅填充了空位，減少了空位濃度。銻在氧化氣氛中的擴散卻被阻滯。氮化物n-Sip-Si氧化層氮化物p-Si氧化層Sb有限源擴散CB<1019摻SbO232橫向擴散橫向擴散的線度是縱向擴散的0.75-0.85倍，濃度高時是縱向的0.65-0.7倍33襯底其它影響因素

與襯底材料、晶向及晶格完整性有關，有D（100）>D（111）晶格缺欠越多，擴散速率也越大。343.5擴散設備與工藝擴散設備多是爐絲加熱的熱壁式擴散爐。和氧化爐相類似。根據(jù)擴散源的不同有三種擴散工藝：固態(tài)源擴散，液態(tài)源擴散，氣態(tài)源擴散。選擇源必需滿足固溶度、擴散系數(shù)要求。選擇好掩蔽膜。35固態(tài)源擴散擴散方式開管擴散箱式擴散涂源擴散固態(tài)源陶瓷片或粉體：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等石英管接排風閥和流量計載氣鉑源舟石英舟和硅片開管固態(tài)源擴散系統(tǒng)36液態(tài)源擴散液態(tài)源POCl3、BBr3、B(CH3O)3

（TMB）接排風閥和流量計載氣石英舟和硅片石英管溫度控制池源瓶和液相源液相源擴散系統(tǒng)37氣態(tài)源擴散氣態(tài)源BCl3、B2H6、PH3、AsH3

石英管接排風閥和質(zhì)量流量計氣源石英舟和硅片氣態(tài)源擴散系統(tǒng)38一步工藝是惰性氣氛下的恒定源擴散，雜質(zhì)分布服從余誤差函數(shù)；兩步工藝分為預淀積（預擴散）、再分布（主擴散）兩步。預淀積是惰性氣氛下的恒定源擴散，目的是在擴散窗口硅表層擴入總量Q一定的雜質(zhì)。再分布是氧氣氛或惰性氣氛下的有限源擴散，將窗口雜質(zhì)再進一步向片內(nèi)擴散，目的是使雜質(zhì)在硅中具有一定的表面濃度Cs、分布C（x）、且達到一定的結(jié)深xj，有時還需生長氧化層。實際擴散工藝39NPN管的硼擴散原理

2B2O3+3Si→4B+3SiO2

選源固態(tài)BN源使用最多，必須活化

活化：4BN+3O22B2O3+2N2特點

B與Si原子半徑相差較大，有伴生應力缺陷，能造成晶格損傷。硼在硅中的最大固溶度達4*1020/cm3，但濃度在1020/cm3以上有結(jié)團現(xiàn)象。工藝兩部工藝，預淀積為恒定源擴散，用氮氣保護，再分布有限源擴散，生長氧化層（干氧-濕氧-干氧）900-1100℃40B擴散工藝流程預淀積，一般預淀積溫度較低，時間也較短。氮氣保護。漂硼硅玻璃，予淀積后的窗口表面有薄薄的一層硼硅玻璃，用HF漂去。再分布，溫度較高，時間也較長。通氧氣，直接生長氧化層。測方塊電阻，方塊電阻是指表面為正方形的薄膜，在電流方向的電阻值。

41方塊電阻R□一個重要的工藝參數(shù)，又稱薄膜電阻RsllXjIn-SiP-Si42NPN管的磷擴散原理2P2O5+5Si→4P+5SiO2選源固態(tài)P2O5陶瓷片源使用最多，無須活化。特點磷是n形替位雜質(zhì)，B與Si原子半徑接近，雜質(zhì)濃度可達1021/Cm3，該濃度即為電活性濃度。工藝與硼擴相近兩步工藝，不漂磷硅玻璃。43NPN管Nx5*102010183*1016N+PNN型erfc分布P型高斯分布N型襯底0Xebj

XbcjNx發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)B擴：D1t1<<D2t2P擴：D1t1>>D2t244工藝條件的確定與質(zhì)量檢測工藝指標雜質(zhì)表面濃度Cs結(jié)深xj薄層電阻Rs分布曲線C(x)工藝條件(T,t)的確定解析擴散方程獲得工藝條件，目前用計算機模擬獲得工藝參數(shù)。45擴散質(zhì)量檢測工藝參數(shù)：結(jié)深、雜質(zhì)分布方塊電阻、電阻率染色法測結(jié)深陽極氧化測分布函數(shù)四探針法測電阻率、方塊電阻電參數(shù)測量I-V曲線46染色法測結(jié)深原理：Si的電極電位低于Cu，Si能從硫酸銅染色液中把Cu置換出來，而且在Si表面上形成紅色Cu鍍層，又由于N型Si的標準電極電位低于P型Si的標準電極電位，因此會先在N型Si上先有Cu析出，這樣就把P-N結(jié)明顯的顯露出來。染色液：CuSO4?5H2O：48%HF：H2O=5g：2mL：50mLXj=Lsin

47四探針法測電阻率、方塊電阻四探針法是目前廣泛采用的標準冊電阻率方法，它具有操作方便，精度較高，對樣品的幾何形狀無嚴格要求等優(yōu)點。II123448I-V曲線測量由不良的pn結(jié)反向特性I-V曲線了解工藝情況493.6擴散工藝的發(fā)展快速氣相摻雜(rapidvapor-phasedopingRVD)氣體浸沒激光摻雜(gasimmersionlaserdopingGILD)

50快速氣相摻雜RVD利用快速熱處理過程將處在摻雜氣氛中的硅片快速均勻地加熱，同時摻雜劑發(fā)生反應產(chǎn)生雜質(zhì)原子，雜質(zhì)原子直接從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸还璞砻嫖降墓虘B(tài)，固相擴散，能形成超淺結(jié)。雜質(zhì)分布是非理想的指數(shù)形式，類似固態(tài)擴散，峰值在表面51氣體浸沒激光摻雜GILD是高能激光照射處于氣態(tài)源(PF5或BF3)中的硅表面，使其表面熔融，源由于熱解或光解產(chǎn)生雜質(zhì)原子，通過液相擴散（比在固相快約8個數(shù)量級），雜質(zhì)快速并均勻地擴散到整個熔化層中。激光照射停止，熔體固相外延轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。由熔體變?yōu)榫w的速度非?？?＞3m／s)。同時雜質(zhì)進入晶格激活，摻雜只發(fā)生在表面的一薄層內(nèi)。52第4章離子注入53什么是離子注入離化后的原子在強電場的加速作用下，注射進入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學性質(zhì)

離子注入的基本過程將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電的離子在強電場中加速，獲得較高的動能后，射入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學性質(zhì)54離子注入特點各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度可通過精確控制摻雜劑量（1011-1018cm-2）和能量（1-400keV）來達到平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（1%variationacrossan8’’wafer）表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度或深結(jié)高濃度注入元素可以非常純，雜質(zhì)單一性可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻膠、介質(zhì)；可防止玷污，自由度大低溫過程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高溫過程引起的熱擴散橫向效應比氣固相擴散小得多，有利于器件尺寸的縮小會產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進設備相對復雜、相對昂貴（尤其是超低能量離子注入機）有不安全因素，如高壓、有毒氣體55離子注入過程是一個非平衡過程，高能離子進入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失能量，最后停下來。停下來的位置是隨機的，大部分不在晶格上，因而沒有電活性。56內(nèi)容4.1核碰撞和電子碰撞4.2注入離子在無定形靶中的分布4.3注入損傷4.4熱退火4.5離子注入設備與工藝4.6離子注入用途，和擴散的比較57LSS理論——對在非晶靶中注入離子的射程分布的研究1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論，簡稱LSS理論。該理論認為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個彼此獨立的過程

(1)核阻止（nuclearstopping）

(2)電子阻止（electronicstopping）總能量損失為兩者的和4.1核碰撞和電子碰撞（LSS理論）

58核阻止本領與電子阻止本領-LSS理論阻止本領（stoppingpower）：材料中注入離子的能量損失大小單位路程上注入離子由于核阻止和電子阻止所損失的能量(Sn(E),Se(E))。核阻止本領：來自靶原子核的阻止，經(jīng)典兩體碰撞理論。電子阻止本領：來自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。59-dE/dx：能量隨距離損失的平均速率E：注入離子在其運動路程上任一點x處的能量Sn(E)：核阻止本領/截面(eVcm2)Se(E)：電子阻止本領/截面（eVcm2)N:靶原子密度～5

1022cm-3forSiLSS理論能量E的函數(shù)能量為E的入射粒子在密度為N的靶內(nèi)走過x距離后損失的能量60核阻止離子注入與靶原子核碰撞，離子能量轉(zhuǎn)移到原子核上，結(jié)果將使離子改變運動方向，而靶原子核可能離開原位，成為間隙原子核，或只是能量增加。核阻止本領能量為E的注入離子在單位密度靶內(nèi)運動單位長度時，損失給靶原子核的能量。61核阻止本領注入離子與靶內(nèi)原子核之間兩體碰撞兩粒子之間的相互作用力是電荷作用摘自J.F.Gibbons,Proc.IEEE,Vol.56(3),March,1968,p.295核阻止能力的一階近似為：例如：磷離子Z1=15,m1=31注入硅Z2=14,m2=28,計算可得：Sn~550keV-mm2m——質(zhì)量，Z——原子序數(shù)下標1——離子，下標2——靶對心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移：62核阻止兩球體彈性碰撞托馬斯?費米屏蔽函數(shù)核阻止本領曲線最簡屏蔽函數(shù)碰撞參數(shù)p≤r1+r2離子與靶間勢函數(shù)考慮電子屏蔽時離子與靶核之間相互作用63電子阻止注入離子與靶中的束縛電子或自由電子碰撞，能量轉(zhuǎn)移到電子上。離子質(zhì)量遠大于電子，離子方向不變，能量稍減，而束縛電子被激發(fā)或電離，自由電子發(fā)生移動。電子阻滯本領64電子阻止本領把固體中的電子看成自由電子氣，電子的阻止就類似于粘滯氣體的阻力（一階近似）。電子阻止本領和注入離子的能量的平方根成正比。離子速度65非局部電子阻止局部電子阻止不改變?nèi)肷潆x子運動方向電荷/動量交換導致入射離子運動方向的改變（<核間作用）電子阻止本領66總阻止本領（Totalstoppingpower）核阻止本領在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）電子阻止本領在高能量下起主要作用核阻止和電子阻止相等的能量67表面處晶格損傷較小射程終點（EOR）處晶格損傷大68EORdamageCourtesyAnn-ChatrinLindberg(March2002).69R：射程（range）離子在靶內(nèi)的總路線長度

Rp：投影射程（projectedrange）

R在入射方向上的投影

Rp：標準偏差（Straggling），投影射程的平均偏差

R

：橫向標準偏差（Traversestraggling）,垂直于入射方向平面上的標準偏差。射程分布：平均投影射程Rp，標準偏差

Rp，橫向標準偏差

R

非晶靶中注入離子的濃度分布4.2注入離子在無定形靶中的分布70射（行）程：R投影射程：RPRRp注入離子散射過程M1>M2;b=1/3入射離子質(zhì)量靶原子質(zhì)量71As,P,B在硅中核、電子阻止本領與能量關系計算值能量損失與射程R72射程粗略估計低能區(qū)中能區(qū)高能區(qū)核阻止本領和電子阻止本領曲線73射程粗略估計不同靶和不同注入離子，其Ec值不同。硅靶注入輕離子硼，

Ec約為15keV，重離子磷，Ec大約為150keV。

注入離子的初使能量比Ec大很多，在靶內(nèi)主要電子阻止損失能量，核阻止可忽略：R≈k1E01/2E<<Ec

，電子阻止可忽略，入射離子主要以核阻止形式損失能量：R≈k2E0核阻止本領和電子阻止本領的比較74高斯分布函數(shù)注入離子在靶內(nèi)受到的碰撞是隨機的，所以雜質(zhì)分布也是按幾率分布的。離子進入非晶層（穿入距離）的分布接近高斯分布。ΔRp：投影射程的標準偏差ΔR⊥：橫向離散75投影射程Rp:RpDRpDR

RpDRpDR

RpDRpDR

76縱向分布離子注入的實際分布在峰值附近和高斯分布符合較好77注入離子的真實分布真實分布非常復雜，不服從嚴格的高斯分布當輕離子硼（B）注入到硅中，會有較多的硼離子受到大角度的散射（背散射），會引起在峰值位置與表面一側(cè)有較多的離子堆積；重離子散射得更深。78縱向分布硼比硅原子質(zhì)量輕得多，硼離子注入就會有較多的大角度散射。被反向散射的硼離子數(shù)量也會增多，因而分布在峰值位置與表面一側(cè)的離子數(shù)量大于峰值位置的另一側(cè)，不服從嚴格的高斯分布。砷等重離子和硼輕離子的分布正好相反。79橫向分布橫向效應指的是注入離子在垂直于入射方向平面內(nèi)的分布情況由LSS理論計算得到的硼、磷和砷入射到無定形硅靶中ΔR┴與入射能量的關系如圖所示80橫向分布8135keVAs注入120keVAs注入橫向效應影響MOS晶體管的有效溝道長度。82離子注入的溝道效應溝道效應（Channelingeffect）當離子沿晶軸方向注入時，大部分離子將沿溝道運動，幾乎不會受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠。83110111100傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向84溝道效應襯底為單晶材料，離子束準確的沿著晶格方向注入，其縱向分布峰值與高斯分布不同。一部分離子穿過較大距離。這就是溝道（滲透）效應。1.8?85注入離子劑量

理論上可以由離子電流大小來量度:

（ion/cm2）

其中：I為電流；t為時間；A為注入面積。 實際上高能離子入射到襯底時，一小部分與表面晶核原子彈性散射，而從襯底表面反射回來，未進入襯底，這叫背散射現(xiàn)象.86濃度分布由于溝道效應的存在，在晶體中注入將偏離LSS理論在非晶體中的高斯分布，濃度分布中出現(xiàn)一個相當長的“尾巴”產(chǎn)生非晶化的劑量沿<100>的溝道效應87表面非晶層對于溝道效應的作用BoronimplantintoSiO2BoronimplantintoSi88減少溝道效應的措施

對大的離子，沿溝道軸向(110)偏離7－10o用Si，Ge，F(xiàn)，Ar等離子注入使表面預非晶化，形成非晶層（Pre-amorphization）增加注入劑量（晶格損失增加，非晶層形成，溝道離子減少）表面用SiO2層掩膜89典型離子注入?yún)?shù)離子：P，As，Sb，B，In，O劑量：1011~1018cm-2能量：1–400keV

可重復性和均勻性:±1%溫度：室溫流量：1012-1014cm-2s-190晶格損傷：高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列碰撞，可能使靶原子發(fā)生位移，被位移原子還可能把能量依次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的空位－間隙原子對及其它類型晶格無序的分布。這種因為離子注入所引起的簡單或復雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。4.3注入損傷(Si)SiSiI

+SiV91高能離子在靶內(nèi)與晶格多次碰撞，從而導致靶的晶格損傷。碰撞有彈性碰撞和非彈性碰撞。注入離子通過碰撞把能量傳遞給靶原子核及其電子的過程，稱為能量淀積過程。92損傷的產(chǎn)生移位原子：因碰撞而離開晶格位置的原子。移位閾能Ed：使一個處于平衡位置的原子發(fā)生移位，所需的最小能量.(對于硅原子,Ed

15eV)碰撞中，當轉(zhuǎn)移能量E>Ed移位閾能時，靶原子位移；若移位原子能量>2Ed時，移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，這種現(xiàn)象稱級聯(lián)碰撞。93移位原子的估算入射離子在碰撞過程中傳遞給靶原子的能量Ed<E<2Ed時，只能使一個原子移位。只有當能量>2Ed時，才能增加移位原子的數(shù)目。估算一個以起始能量E0入射的離子，在碰撞過程中可以使靶內(nèi)原子移位的數(shù)目N(E)為94損傷特點損傷有三種：簡單損傷；非晶區(qū)；非晶層。損傷主要與注入離子質(zhì)量、能量、劑量、劑量率有關；與靶溫有關。損傷峰值非常接近投影射程的75%損傷造成半導體電學特性衰退：載流子遷移率下降；少子壽命變短；pn結(jié)反向漏電。

95注入損傷形成非晶層的臨界劑量與溫度的關系靶溫一個B，E0≈80KeV，Rp

≈250nm，480個Si移位，損傷原子約0.4％一個As，E0≈80KeV，Rp≈250nm，4000個Si移位，損傷原子約8％96損傷區(qū)的分布重離子每次碰撞傳輸給靶的能量較大，散射角小，獲得大能量的位移原子還可使許多原子移位。注入離子的能量損失以核碰撞為主。同時，射程較短，在小體積內(nèi)有較大損傷。重離子注入所造成的損傷區(qū)域小，損傷密度大。質(zhì)量較靶原子輕的離子傳給靶原子能量較小，被散射角度較大，只能產(chǎn)生數(shù)量較少的位移靶原子，因此，注入離子運動方向的變化大，產(chǎn)生的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較大。呈鋸齒狀。97非晶化（Amorphization）注入離子引起的晶格損傷有可能使晶體結(jié)構(gòu)完全破壞變?yōu)闊o序的非晶區(qū)。與注入劑量的關系注入劑量越大，晶格損傷越嚴重。臨界劑量：使晶格完全無序的劑量。臨界劑量和注入離子的質(zhì)量有關98在某一高溫下保持一段時間，使雜質(zhì)通過擴散進入替位，有電活性；并使晶體損傷區(qū)域“外延生長”為晶體，恢復或部分恢復硅的遷移率，少子壽命。退火效果(q/NA,μ,τ)，與溫度，時間有關。一般溫度越高、時間越長退火效果越好。退火后出現(xiàn)靶的雜質(zhì)再分布。4.4熱退火99退火條件、方法退火條件：依據(jù)損傷情況定，目的是激活雜質(zhì)，恢復電學特性注入雜質(zhì)的質(zhì)量，劑量、劑量率，能量靶溫退火方法高溫退火快速退火：激光、寬帶非相關光、電子束退火100損傷退火（DamageAnnealing）被注入離子往往處于半導體晶格的間隙位置，對載流子的輸運沒有貢獻；而且也造成大量損傷。注入后的半導體材料：雜質(zhì)處于間隙n<<ND；p<<NA

晶格損傷，遷移率下降；少子壽命下降熱退火后：n

n=ND(p=NA)

bulk

0101損傷退火的目的去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復其原有完美晶體結(jié)構(gòu)讓雜質(zhì)進入電活性（electricallyactive）位置－替位位置?；謴碗娮雍涂昭ㄟw移率注意：退火過程中應避免大幅度的雜質(zhì)再分布102損傷恢復機制

（DamageRecoveryMechanism）Annihilation:recombinationSiI+SiV

(Si)SiMonteCarlo模擬的I-V復合結(jié)果：短時間內(nèi)（10-2秒）800

C下，體內(nèi)的V在表面復合迅速完成，產(chǎn)生剩余的I，其表面復合相對較緩慢。在400

C以上，這些I可接合入{311}面形成棒/帶狀缺陷，并可以穩(wěn)定較長時間。FrenkelI-Vpairs103該{311}缺陷帶在較高溫度下（800～1000

C）即可退火修復，但是釋放出大量填隙原子I。損傷小于臨界值，這些{311}缺陷可以完全分解，回復完美晶體。損傷高于臨界值，則{311}缺陷可能變成穩(wěn)定的位錯環(huán)，該位錯環(huán)位于EOR，并難以去除。TED漏電流大104一定溫度下，通常在Ar、N2或真空條件下退火溫度取決于注入劑量及非晶層的消除。修復晶格：退火溫度600oC以上，時間最長可達數(shù)小時雜質(zhì)激活：退火溫度650－900oC，時間10－30分鐘

*方法簡單*不能全部消除缺陷*對高劑量注入激活率不夠高*雜質(zhì)再分布退火

105劑量對退火的影響QT低，簡單損傷，在較低溫度下退火就可以消除。Sb，QT=1013／cm2，T≈300℃退火，缺陷基本上消除；QT增大，形成非晶區(qū)，T≈400℃退火，Si中無序群才開始分解，Sb激活率只有20-30％，非晶區(qū)的重新結(jié)晶要在550-600℃。在此溫度Si也隨著結(jié)晶形成而進入晶格，被電激活。重結(jié)晶常伴有位錯環(huán)產(chǎn)生，低于800℃位借環(huán)的產(chǎn)生隨溫度升高而增加。非晶區(qū)在重新結(jié)晶時，在新結(jié)晶區(qū)與原晶體區(qū)的交界面可能發(fā)生失配現(xiàn)象。106B、P的退火B(yǎng)P逆退火現(xiàn)象107高溫退火引起的雜質(zhì)再分布退火時間為35分鐘108快速熱處理（Rapidthermalprocessing,RTP）是將晶片快速加熱到設定溫度，進行短時間快速熱處理的方法，熱處理時間10-3-102s。過去幾年間，RTP已逐漸成為微電子產(chǎn)品生產(chǎn)中必不可少的一項工藝，用于氧化（RTO）、離子注入后的退火、金屬硅化物的形成和快速熱化學薄膜淀積。

109RTP特點RTP系統(tǒng)采用輻射熱源對單片加熱，溫度測控由高溫計完成；RTP工藝使用范圍很廣，控溫在200~1300℃之間，升、降溫速度為20~250℃/秒，還可以控制工藝氣體，可完成復雜的多階段熱處理工藝。用RTP取代常規(guī)熱處理工藝避免了Si中雜質(zhì)再分布，還縮短工藝周期。110硅及雜質(zhì)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)激活能雜質(zhì)穩(wěn)態(tài)擴散eV瞬態(tài)擴散eVSi5.5B3.51.8As3.41.8P6.32.2111。高功率激光束輻照。電子束

。高強度的光照

。其它輻射

RTP主要優(yōu)點是摻雜的再分布大大降低，對制備淺結(jié)器件特別有利b）快速熱退火，RapidThermalProcessing（RTP）112113RTP系統(tǒng)利用多排鹵化鎢燈對Si片進行加熱，Si片旋轉(zhuǎn)；自動載片控制和精確的溫度控制；工藝的全程控制，實時圖形曲線顯示，實時工藝參數(shù)采集、顯示和分析。AG41001144.5離子注入設備與工藝115離子注入是將含所需雜質(zhì)的化合物分子（如BCl3、BF3）電離為雜質(zhì)離子后，聚集成束用強電場(5-500KeV)加速，使其成為高能離子束，直接轟擊半導體材料（靶），當離子進入靶時，受靶原子阻擋，而停留在其中，經(jīng)退火后雜質(zhì)進入替位、電離成為具有電活性的雜質(zhì)。116磁分析器離子源加速管聚焦掃描系統(tǒng)靶rBF3：B++，B+，BF2+，F(xiàn)+,BF+，BF++B10B11117源（Source）：在半導體應用中，為了操作方便，一般采用氣體源，如BF3，BCl3，PH3，ASH3等。如用固體或液體做源材料，一般先加熱，得到它們的蒸汽，再導入放電區(qū)。b)離子源（IonSource）：燈絲（filament）發(fā)出的自由電子在電磁場作用下，獲得足夠能量后撞擊源分子或原子，使它們電離成離子，再經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器氣體源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，...離子源：As，Ga，Ge，Sb，P，...118離子注入設備中科院沈陽科儀真空室尺寸：Φ1000×1200漏率：<3.75×10-7Pa·L/S真空室極限真空度：3.75×10-5Pa

119離子注入工藝掩膜選?。弘x子注入在常溫進行，所以光刻膠、二氧化硅薄膜、金屬薄膜等多種材料都可以作為掩膜使用。要求掩蔽效果達到99.99%。防止溝道效應方法：硅片偏轉(zhuǎn)一定角度；隔介質(zhì)膜注入淺結(jié)工藝：分子注入BF2；降低諸如能量E0；非晶化，先注入Si+、Ge、Sb120溝道效應的防止方法（111）硅一般采取偏離晶向7°，平行偏轉(zhuǎn)15°的注入方法

121注入方法直接注入 離子在光刻窗口直接注入Si襯底。射程大、雜質(zhì)重時采用。間接注入；通過介質(zhì)薄膜或光刻膠注入襯底晶體。間接注入沾污少，可以獲得精確的表面濃度。多次注入 通過多次注入使雜質(zhì)縱向分布精確可控，與高斯分布接近；也可以將不同能量、劑量的雜質(zhì)多次注入到襯底硅中，使雜質(zhì)分布為設計形狀。

1224.6離子注入用途，和擴散的比較Xj0.8Xj難熔柵SiO2Si源漏Xj難熔柵SiO2Si源漏淺注入層擴散形成寄生電容大自對準金屬柵結(jié)構(gòu)123對閾值電壓VT的控制對MOS管來說，柵電極可控范圍是它下面極薄的溝道區(qū)，注入雜質(zhì)可看作全包含在耗盡層內(nèi)。Rp在SiO2/Si界面附近，

Rp很小，適當控制QT，就能得到希望的VT。源柵漏P-Si離子注入?yún)^(qū)SiO2SiO2/Si界面態(tài)面密度溝道區(qū)強反型體電荷124離子注入在集成電路中的應用一、CMOS制造9-10differentI/Iidentified!125二、雙極型制造（Bipolarfabrication）。高能注入形成埋層。LOCOS下方的p-n結(jié)隔離。形成基區(qū)注入。砷注入多晶硅發(fā)射區(qū)。多晶電阻126三、其它應用硅襯底背面損傷形成吸雜區(qū)

BacksideDamageLayerFormationforGettering形成SOI結(jié)構(gòu)Silicon-On-InsulatorUsingOxygenorHydrogenImplantation127128129離子注入在2μmN阱CMOS中的應用N阱注入：P+，QT=3×1012cm2,E=80keV阱外場注入：B+,QT=1×1013cm2,E=120keV注P+31：防止寄生溝道調(diào)解開啟電壓：B+,QT=6×10