哈工大微電子工藝03定域摻雜工藝

1、1微電子工藝（微電子工藝（3 3） -定域摻雜工藝定域摻雜工藝田麗田麗2第第3章章 擴(kuò)散擴(kuò)散n擴(kuò)散是微電子工藝中最基本的平面工藝，擴(kuò)散是微電子工藝中最基本的平面工藝，在在900-1200的高溫，雜質(zhì)（非雜質(zhì)）氣的高溫，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(kuò)散，氛中，雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，又稱熱擴(kuò)散。又稱熱擴(kuò)散。n目的是通過定域、定量擴(kuò)散摻雜改變半導(dǎo)目的是通過定域、定量擴(kuò)散摻雜改變半導(dǎo)體導(dǎo)電類型，電阻率，或形成體導(dǎo)電類型，電阻率，或形成PN結(jié)。結(jié)。3內(nèi)容內(nèi)容n3.1 雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)n3.2 擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程n3.3 擴(kuò)散雜質(zhì)的分布擴(kuò)散雜質(zhì)的分布

2、n3.4 影響雜質(zhì)分布的其他因素影響雜質(zhì)分布的其他因素n3.5 設(shè)備與工藝設(shè)備與工藝n3.6 擴(kuò)散工藝的發(fā)展擴(kuò)散工藝的發(fā)展43.1 雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)n擴(kuò)散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的基本方式，當(dāng)溫度高于絕對(duì)擴(kuò)散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的基本方式，當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，任何物系內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)都在作熱運(yùn)動(dòng)。零度時(shí)，任何物系內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)都在作熱運(yùn)動(dòng)。n當(dāng)物質(zhì)內(nèi)有梯度當(dāng)物質(zhì)內(nèi)有梯度(化學(xué)位、濃度、應(yīng)力梯度等化學(xué)位、濃度、應(yīng)力梯度等)存在時(shí)，存在時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)而觸發(fā)由于熱運(yùn)動(dòng)而觸發(fā)(導(dǎo)致導(dǎo)致)的質(zhì)點(diǎn)定向遷移即所謂的擴(kuò)的質(zhì)點(diǎn)定向遷移即所謂的擴(kuò)散。散。因此，擴(kuò)散是一種因此，擴(kuò)散是一種傳質(zhì)傳質(zhì)過程，宏觀上表現(xiàn)出物質(zhì)過程，宏觀上表

3、現(xiàn)出物質(zhì)的定向遷移。的定向遷移。n擴(kuò)散是一種自然現(xiàn)象，是微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的形式，結(jié)擴(kuò)散是一種自然現(xiàn)象，是微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的形式，結(jié)果使其濃度趨于均勻。果使其濃度趨于均勻。5擴(kuò)散的微觀機(jī)制擴(kuò)散的微觀機(jī)制(a) 間隙式擴(kuò)散（間隙式擴(kuò)散（interstitial） (b) 替位式擴(kuò)散（替位式擴(kuò)散（substitutional）間隙擴(kuò)散間隙擴(kuò)散雜質(zhì)：雜質(zhì)：O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg替位擴(kuò)散替位擴(kuò)散雜質(zhì)雜質(zhì)：As， Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的運(yùn)動(dòng)一般是以近鄰替位原子的運(yùn)動(dòng)一般是以近鄰處有處有空位空位為前題為前題B，P，一般作為替代式擴(kuò)，一般作為替代式擴(kuò)散雜質(zhì)，實(shí)際情況更復(fù)雜，散雜質(zhì)，實(shí)際

4、情況更復(fù)雜，包含了硅自間隙原子的作包含了硅自間隙原子的作用，稱填隙式或推填式擴(kuò)用，稱填隙式或推填式擴(kuò)散散6固相擴(kuò)散工藝固相擴(kuò)散工藝n微電子工藝中的擴(kuò)散，是雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴(kuò)散，微電子工藝中的擴(kuò)散，是雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴(kuò)散，是固相擴(kuò)散工藝。是固相擴(kuò)散工藝。n固相擴(kuò)散是通過微觀粒子一系列隨機(jī)跳躍來實(shí)固相擴(kuò)散是通過微觀粒子一系列隨機(jī)跳躍來實(shí)現(xiàn)的，這些跳躍在整個(gè)三維方向進(jìn)行，主要有現(xiàn)的，這些跳躍在整個(gè)三維方向進(jìn)行，主要有三種方式三種方式 間隙式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散 替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散 間隙間隙替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散7間隙式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散間隙原子擴(kuò)散勢(shì)場(chǎng)示意圖間隙原子擴(kuò)散勢(shì)場(chǎng)示意圖Wi=0.6-1.2eV8 按照玻

5、爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，獲得大于能過按照玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，獲得大于能過Wi的幾率正比的幾率正比于于exp(-WikT) k：玻爾茲曼常數(shù)：玻爾茲曼常數(shù) kT:平均振動(dòng)能，平均振動(dòng)能，0.026eV 0：振動(dòng)頻率，振動(dòng)頻率，1013-1014/skTWievP/0i跳躍率跳躍率iP室溫下，室溫下， 約每分鐘一次。約每分鐘一次。iP9替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散 產(chǎn)生替位式擴(kuò)散必需存在空位。產(chǎn)生替位式擴(kuò)散必需存在空位。 晶體中空位平衡濃度相當(dāng)?shù)停w中空位平衡濃度相當(dāng)?shù)?，室溫下，替位式擴(kuò)散跳躍率約每室溫下，替位式擴(kuò)散跳躍率約每1045年一次。年一次。eV430sv)/kTW(WvWWevPsWs空位濃度空位濃度k

6、TWvNen/10間隙間隙-替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散n許多雜質(zhì)即可以是替位式也可以許多雜質(zhì)即可以是替位式也可以是間隙式溶于晶體的晶格中，并是間隙式溶于晶體的晶格中，并以間隙以間隙-替位式擴(kuò)散。替位式擴(kuò)散。n這類擴(kuò)散雜質(zhì)的跳躍率隨這類擴(kuò)散雜質(zhì)的跳躍率隨空位空位和和自間隙自間隙等缺陷的濃度增加而迅速等缺陷的濃度增加而迅速增加。增加。 11間隙間隙-替位式擴(kuò)散替位式擴(kuò)散雜質(zhì)原子被從晶雜質(zhì)原子被從晶格位置格位置“踢出踢出”(Kick-out)AVA+I Ai 123.2 擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程n晶體襯底中雜質(zhì)擴(kuò)散流密度與雜質(zhì)濃度晶體襯底中雜質(zhì)擴(kuò)散流密度與雜質(zhì)濃度梯度成正比。比例系數(shù)梯度成正比

7、。比例系數(shù)D定義為雜質(zhì)在襯定義為雜質(zhì)在襯底中的擴(kuò)散系數(shù)。底中的擴(kuò)散系數(shù)。xxDJ) t ,(CFick第一擴(kuò)散定律第一擴(kuò)散定律13一、一、 Fick第一定律第一定律 穩(wěn)定擴(kuò)散：穩(wěn)定擴(kuò)散： 擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)濃度不隨時(shí)間變化擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)濃度不隨時(shí)間變化 推動(dòng)力：推動(dòng)力： 濃度梯度濃度梯度xJxC 、00 xJtC、描述：描述： 在擴(kuò)散過程中，體系內(nèi)部各處擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)的在擴(kuò)散過程中，體系內(nèi)部各處擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)的濃度濃度不隨時(shí)間變化不隨時(shí)間變化，在，在x方向各處方向各處擴(kuò)散流量相等擴(kuò)散流量相等。定律含義：定律含義： 單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位面單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位面積上擴(kuò)散的物質(zhì)數(shù)量和濃度梯度成正比。

8、積上擴(kuò)散的物質(zhì)數(shù)量和濃度梯度成正比。14擴(kuò)散過程中溶質(zhì)原子的分布15xCD JJ 擴(kuò)散通量，單位時(shí)間通過單位截面的質(zhì)點(diǎn)數(shù)擴(kuò)散通量，單位時(shí)間通過單位截面的質(zhì)點(diǎn)數(shù)(質(zhì)點(diǎn)數(shù)質(zhì)點(diǎn)數(shù)/s.cm2)D 擴(kuò)散系數(shù)，單位濃度梯度的擴(kuò)散通量擴(kuò)散系數(shù)，單位濃度梯度的擴(kuò)散通量 (m2/s 或或 cm2/s)C 質(zhì)點(diǎn)數(shù)質(zhì)點(diǎn)數(shù)/cm3“” 表示粒子從高濃度向低濃度擴(kuò)散，即逆濃度梯度方向擴(kuò)散表示粒子從高濃度向低濃度擴(kuò)散，即逆濃度梯度方向擴(kuò)散)(矢矢量量濃濃度度梯梯度度xC 表達(dá)式：表達(dá)式：16xCD J此式表明：此式表明：(1) 擴(kuò)散速率取決于擴(kuò)散速率取決于 外界條件外界條件 C/ x 擴(kuò)散體系的性質(zhì)擴(kuò)散體系的性質(zhì) D(

9、2)擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)D可作為表征擴(kuò)散的一個(gè)參量。它不僅與擴(kuò)散機(jī)構(gòu)，也與擴(kuò)散介可作為表征擴(kuò)散的一個(gè)參量。它不僅與擴(kuò)散機(jī)構(gòu)，也與擴(kuò)散介質(zhì)和外部條件質(zhì)和外部條件(單位濃度梯度、單位截面、單位時(shí)間通過的質(zhì)點(diǎn)數(shù)單位濃度梯度、單位截面、單位時(shí)間通過的質(zhì)點(diǎn)數(shù))有關(guān)。有關(guān)。 D取決于取決于 質(zhì)點(diǎn)本身的性質(zhì)：質(zhì)點(diǎn)本身的性質(zhì)： 半徑、電荷、極化性能等半徑、電荷、極化性能等 基質(zhì)：基質(zhì)： 結(jié)構(gòu)緊密程度，結(jié)構(gòu)緊密程度， 缺陷的多少缺陷的多少 擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的一個(gè)物性指標(biāo)擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的一個(gè)物性指標(biāo)17擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)（以替位式推導(dǎo)）（以替位式推導(dǎo)）nD0為表觀擴(kuò)散系數(shù)為表觀擴(kuò)散系數(shù)nE為擴(kuò)散激活能為擴(kuò)散激活能vP,t

10、axaC2vP,taxaC2(cm2/s)E/kT)(D)/kTw(wvaDPaDxC(x,t)PaP,taxaCP,taxaCJvsvvvvexpexp220022218Si中雜質(zhì)類型中雜質(zhì)類型n間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì) 主要是主要是A和和A族元素，有：族元素，有：Na、K、Li、H等，它們通常無電活性，在硅中以間等，它們通常無電活性，在硅中以間隙方式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率快。隙方式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率快。n替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì) 主要是主要是A和和A族元素，具有電族元素，具有電活性，在硅中有較高的固濃度。以替位方式擴(kuò)散活性，在硅中有較高的固濃度。以替位方式擴(kuò)散為主，也存在間隙為主，也存在間隙-替位式擴(kuò)散，擴(kuò)散

11、速率慢，替位式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率慢，稱為慢擴(kuò)散雜質(zhì)。稱為慢擴(kuò)散雜質(zhì)。n間隙間隙替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì) 大多數(shù)過渡元素：大多數(shù)過渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以間隙等。都以間隙-替位方式擴(kuò)散，替位方式擴(kuò)散，約比替位擴(kuò)散快五六個(gè)數(shù)量級(jí)，最終位于間隙和約比替位擴(kuò)散快五六個(gè)數(shù)量級(jí)，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。于替位的雜質(zhì)具有電活性。19根據(jù)雜質(zhì)在晶體中的擴(kuò)散系數(shù)分n快擴(kuò)散雜質(zhì)：H，Li, Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, n慢擴(kuò)散雜質(zhì)：Al,P,B,Ga, Tl, Sb，Asn

12、在高溫工藝中，如擴(kuò)散、外延，摻雜元素的擴(kuò)散系數(shù)小些好20擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)21菲克第二定律菲克第二定律當(dāng)擴(kuò)散處于非穩(wěn)態(tài)，即各點(diǎn)的濃度隨時(shí)間而改變時(shí)，利用第一定律不容易求出。 通常的擴(kuò)散過程大都是非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，為便于求出，還要從物質(zhì)的平衡關(guān)系著手，建立第二個(gè)微分方程式。 討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴(kuò)散時(shí)討論晶體中雜質(zhì)濃度與擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系，又稱第二間的關(guān)系，又稱第二Fick定律。定律。22第二擴(kuò)散定律第二擴(kuò)散定律sdJJsJtsdx CxxDxJtCC22CCxDtdxJJ+dJSx x+dx233.3 擴(kuò)散雜質(zhì)的分布擴(kuò)散雜質(zhì)的分布n擴(kuò)散工藝是要將具有電活性的雜質(zhì)，在一定溫度，以一定擴(kuò)散工藝是要將具有電活性

13、的雜質(zhì)，在一定溫度，以一定速率擴(kuò)散到襯底硅的特定位置形成速率擴(kuò)散到襯底硅的特定位置形成pn結(jié)，或者得到所需的結(jié)，或者得到所需的摻雜濃度。摻雜濃度。n擴(kuò)散工藝重要的工藝參數(shù)包括：擴(kuò)散工藝重要的工藝參數(shù)包括： 雜質(zhì)的分布雜質(zhì)的分布 表面濃度表面濃度 結(jié)深結(jié)深 摻入雜質(zhì)總量摻入雜質(zhì)總量24恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散n指硅一直處于雜質(zhì)氛圍中，硅片指硅一直處于雜質(zhì)氛圍中，硅片表面達(dá)到了該擴(kuò)散溫度的固溶度表面達(dá)到了該擴(kuò)散溫度的固溶度Cs。解擴(kuò)散方程：。解擴(kuò)散方程：n邊界條件為：邊界條件為：C(0，t)=Cs C(，t)= 0n初始條件為：初始條件為：C(x，0)=0，x0 n恒定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布情況恒

14、定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布情況2sxC x,tC erfcDt22CCxDtxCBCsxj1 xj2 xj3C(x,t)t1t2t302sxC x,tC erfcDt22CCxDt25恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散nerfc稱為余誤差函數(shù)。恒定源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度服從余誤差分布，延稱為余誤差函數(shù)。恒定源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度服從余誤差分布，延長擴(kuò)散時(shí)間：長擴(kuò)散時(shí)間： 表面雜質(zhì)濃度不變；表面雜質(zhì)濃度不變； 結(jié)深增加；結(jié)深增加； 擴(kuò)入雜質(zhì)擴(kuò)入雜質(zhì)總量增加；總量增加； 雜質(zhì)濃度梯度減小。雜質(zhì)濃度梯度減小。DtADtsCCerfc2jxB14DtxeDtsCx,txC(x,t)Dts1.13C0Dts2Cdxx,tCQ2結(jié)深

15、結(jié)深雜質(zhì)數(shù)量雜質(zhì)數(shù)量雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度26有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散 n指雜質(zhì)源在擴(kuò)散前積累于硅片指雜質(zhì)源在擴(kuò)散前積累于硅片表面薄層表面薄層h內(nèi)，內(nèi)， Q為為單位面積單位面積雜質(zhì)總量，解擴(kuò)散方程：雜質(zhì)總量，解擴(kuò)散方程：邊界條件邊界條件:C(x,0)=Q/h, 0 xhXXj1 Xj2 Xj3CsCsCs”t1t2t3C(x,t)00 ,CQdxxDtxeDtQtxC42,CB0 hn有限表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布情況有限表面源擴(kuò)散雜質(zhì)分布情況27有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散n有限源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度是一種高斯函數(shù)分布。延長擴(kuò)散時(shí)間：有限源擴(kuò)散雜質(zhì)濃度是一種高斯函數(shù)分布。延長擴(kuò)散時(shí)間： 雜質(zhì)表面濃度迅

16、速減??；雜質(zhì)表面濃度迅速減?。浑s質(zhì)總量不變；雜質(zhì)總量不變； 結(jié)深增加；結(jié)深增加； 雜質(zhì)濃度梯度減小雜質(zhì)濃度梯度減小。 DtQCsC(x,t)2Dtx(x,t)xC(x,t)DtADtxBsj21CCln2雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)濃度梯度雜質(zhì)表面濃度雜質(zhì)表面濃度結(jié)深結(jié)深28兩步擴(kuò)散n預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）低溫，短時(shí)，恒定表面源擴(kuò)散雜質(zhì)擴(kuò)散很淺，雜質(zhì)數(shù)量可控n主擴(kuò)散（再分布） 高溫，擴(kuò)散同時(shí)伴隨氧化控制表面濃度和擴(kuò)散深度293.4 影響雜質(zhì)分布的其他因素影響雜質(zhì)分布的其他因素 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硅中摻雜原子的分布，有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硅中摻雜原子的分布，有Fick定定律不能解釋地方：律不能解釋地方：n在在npn窄基區(qū)晶體管基區(qū)和發(fā)

17、射區(qū)分別擴(kuò)窄基區(qū)晶體管基區(qū)和發(fā)射區(qū)分別擴(kuò)B和和擴(kuò)擴(kuò)P，在發(fā)射區(qū)正下方的基區(qū)要比不在發(fā)射，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，即區(qū)正下方的基區(qū)深，即發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)；n在熱氧化過程中原存在在熱氧化過程中原存在Si內(nèi)的某些摻雜原子內(nèi)的某些摻雜原子顯現(xiàn)更高擴(kuò)散性，即顯現(xiàn)更高擴(kuò)散性，即氧化增強(qiáng)擴(kuò)散氧化增強(qiáng)擴(kuò)散。30硅中點(diǎn)缺陷硅中點(diǎn)缺陷n空位空位 V0 、V+、 V- 、 V2-n自間隙自間隙 I、n替位雜質(zhì)替位雜質(zhì) A，間隙雜質(zhì)間隙雜質(zhì)Ain間隙原子團(tuán)間隙原子團(tuán) AI；AV；(AI)-31雜質(zhì)原子與點(diǎn)缺陷的結(jié)合雜質(zhì)原子與點(diǎn)缺陷的結(jié)合n自間隙與雜質(zhì)的結(jié)合自間隙與雜質(zhì)的結(jié)合可以促

18、進(jìn)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)?？梢源龠M(jìn)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。n如氧化時(shí)產(chǎn)生大量自如氧化時(shí)產(chǎn)生大量自間隙原子，間隙原子，AI團(tuán)增大，團(tuán)增大，導(dǎo)致擴(kuò)散能力增加。導(dǎo)致擴(kuò)散能力增加。32擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系n擴(kuò)散系數(shù)和空位成正比：擴(kuò)散系數(shù)和空位成正比：DVn實(shí)際空位：實(shí)際空位：V=V0+V+V-+V2-+kTEEiviennNN/ )(00EcEvE2-E-E+0.11eV0.44eV0.06-0.16eV硅中空位的能帶圖硅中空位的能帶圖kTEaeNN/00)/kTE(EivicenpNN0033擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系擴(kuò)散系數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系n硅襯底的摻雜濃度對(duì)雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)有影響，硅襯底的摻雜濃度對(duì)

19、雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)有影響，襯底摻雜濃度襯底摻雜濃度Ce比擴(kuò)散溫度下本征載流子濃比擴(kuò)散溫度下本征載流子濃度度Ci高時(shí)高時(shí)(CeCi 1019/cm3) ，將使擴(kuò)散系數(shù)，將使擴(kuò)散系數(shù)顯著提高，稱之為顯著提高，稱之為場(chǎng)助擴(kuò)散效應(yīng)場(chǎng)助擴(kuò)散效應(yīng)。本征擴(kuò)散系數(shù)：本征擴(kuò)散系數(shù)：非本征擴(kuò)散系數(shù)：非本征擴(kuò)散系數(shù)：220020iiiiiiieiiiiiinnDnnDnpDDDDDDDDD34發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)n也稱為也稱為發(fā)射區(qū)陷落效應(yīng)發(fā)射區(qū)陷落效應(yīng)。B擴(kuò)散的增強(qiáng)是擴(kuò)散的增強(qiáng)是由于磷與空位相互作用形成的由于磷與空位相互作用形成的PV對(duì)，發(fā)對(duì)，發(fā)生分解所帶來的復(fù)合效應(yīng)。生分解所帶來的復(fù)合效應(yīng)。xbcebnpn

20、摻摻BP擴(kuò)散擴(kuò)散摻摻P35氧化增強(qiáng)擴(kuò)散氧化增強(qiáng)擴(kuò)散(OED)n硼在氧化氣氛中的擴(kuò)散存在明顯增強(qiáng)現(xiàn)象，磷、砷也有此現(xiàn)象。硼在氧化氣氛中的擴(kuò)散存在明顯增強(qiáng)現(xiàn)象，磷、砷也有此現(xiàn)象。n原因是氧化誘生堆垛層錯(cuò)產(chǎn)生大量自填隙原因是氧化誘生堆垛層錯(cuò)產(chǎn)生大量自填隙Si，間隙，間隙-替位式擴(kuò)散中的替位式擴(kuò)散中的“踢出踢出”機(jī)制提高了擴(kuò)散系數(shù)。機(jī)制提高了擴(kuò)散系數(shù)。氧化層氧化層B有限源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散氮化物氮化物p-Sin-Si氮化物氮化物n-Si氧化層氧化層摻摻BCB1019O2I+B IB36氧化阻滯擴(kuò)散氧化阻滯擴(kuò)散n銻擴(kuò)散是以替位方式進(jìn)行，氧化堆垛層錯(cuò)帶來的自填隙硅填充銻擴(kuò)散是以替位方式進(jìn)行，氧化堆垛層錯(cuò)帶來的

21、自填隙硅填充了空位，減少了空位濃度。了空位，減少了空位濃度。銻在氧化氣氛中的擴(kuò)散卻被阻滯。銻在氧化氣氛中的擴(kuò)散卻被阻滯。氮化物氮化物n-Sip-Si氧化層氧化層氮化物氮化物p-Si氧化層氧化層Sb有限源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散CBD（111）n晶格缺欠越多，擴(kuò)散速率也越大。晶格缺欠越多，擴(kuò)散速率也越大。393.5 擴(kuò)散設(shè)備與工藝擴(kuò)散設(shè)備與工藝n擴(kuò)散設(shè)備擴(kuò)散設(shè)備多是爐絲加熱的熱壁式擴(kuò)散爐。多是爐絲加熱的熱壁式擴(kuò)散爐。和氧化爐相類似。和氧化爐相類似。n根據(jù)擴(kuò)散源的不同有三種根據(jù)擴(kuò)散源的不同有三種擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝：固態(tài)：固態(tài)源擴(kuò)散，液態(tài)源擴(kuò)散，氣態(tài)源擴(kuò)散。源擴(kuò)散，液態(tài)源擴(kuò)散，氣態(tài)源擴(kuò)散。n選擇源選擇源必需滿足

22、必需滿足固溶度固溶度、擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)要求。要求。n選擇好選擇好掩蔽膜掩蔽膜。40固態(tài)源擴(kuò)散固態(tài)源擴(kuò)散n擴(kuò)散方式擴(kuò)散方式n開管擴(kuò)散開管擴(kuò)散n箱式擴(kuò)散箱式擴(kuò)散n涂源擴(kuò)散涂源擴(kuò)散n固態(tài)源固態(tài)源 n陶瓷片或粉體：陶瓷片或粉體：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等等石英管石英管接排風(fēng)接排風(fēng)閥和流量計(jì)閥和流量計(jì)載載氣氣鉑源舟鉑源舟石英舟和硅片石英舟和硅片開管固態(tài)源擴(kuò)散開管固態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)系統(tǒng)41液態(tài)源擴(kuò)散液態(tài)源擴(kuò)散n液態(tài)源液態(tài)源 POCl3、BBr3、B(CH3O)3 （TMB）接排風(fēng)接排風(fēng)閥和流量計(jì)閥和流量計(jì)載載氣氣石英舟和硅片石英舟和硅片石英管石英管溫度控溫度控制池制池源瓶和源瓶和液相源液相源液相源

23、擴(kuò)散系統(tǒng)液相源擴(kuò)散系統(tǒng)42氣態(tài)源擴(kuò)散氣態(tài)源擴(kuò)散n氣態(tài)源氣態(tài)源 BCl3、B2H6、PH3、AsH3石英管石英管接排風(fēng)接排風(fēng)閥和質(zhì)量閥和質(zhì)量流量計(jì)流量計(jì)氣氣源源石英舟和硅片石英舟和硅片氣態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)氣態(tài)源擴(kuò)散系統(tǒng)43n一步工藝一步工藝 是惰性氣氛下的恒定源擴(kuò)散，雜質(zhì)分是惰性氣氛下的恒定源擴(kuò)散，雜質(zhì)分布服從余誤差函數(shù)；布服從余誤差函數(shù)；n兩步工藝兩步工藝 分為預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）、再分布（主分為預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）、再分布（主擴(kuò)散）兩步。擴(kuò)散）兩步。n預(yù)淀積預(yù)淀積是惰性氣氛下的是惰性氣氛下的恒定源擴(kuò)散恒定源擴(kuò)散，目的是在擴(kuò)散窗，目的是在擴(kuò)散窗口硅表層擴(kuò)入總量口硅表層擴(kuò)入總量Q一定的雜質(zhì)。一定的雜質(zhì)。n再分

24、布再分布是氧氣氛或惰性氣氛下的是氧氣氛或惰性氣氛下的有限源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散，將窗口，將窗口雜質(zhì)再進(jìn)一步向片內(nèi)擴(kuò)散，目的是使雜質(zhì)在硅中具有雜質(zhì)再進(jìn)一步向片內(nèi)擴(kuò)散，目的是使雜質(zhì)在硅中具有一定的表面濃度一定的表面濃度Cs、分布、分布C（x）、且達(dá)到一定的結(jié)深）、且達(dá)到一定的結(jié)深xj，有時(shí)還需生長氧化層。有時(shí)還需生長氧化層。實(shí)際擴(kuò)散工藝實(shí)際擴(kuò)散工藝44NPN管的硼擴(kuò)散管的硼擴(kuò)散n原理原理 2 B2O3 + 3Si 4B +3SiO2 n選源選源 固態(tài)固態(tài)BN源使用最多，必須活化源使用最多，必須活化 活化：活化： 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2n特點(diǎn)特點(diǎn) B與與Si原子半徑相差較大，有伴生應(yīng)力

25、缺陷，原子半徑相差較大，有伴生應(yīng)力缺陷，能造成晶格損傷。硼在硅中的最大固溶度達(dá)能造成晶格損傷。硼在硅中的最大固溶度達(dá)4*1020/cm3，但濃度在，但濃度在1020/cm3以上有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。以上有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。n工藝工藝 兩部工藝，預(yù)淀積為恒定源擴(kuò)散，用氮?dú)獗刹抗に?，預(yù)淀積為恒定源擴(kuò)散，用氮?dú)獗Ｗo(hù)，再分布有限源擴(kuò)散，生長氧化層（干氧護(hù)，再分布有限源擴(kuò)散，生長氧化層（干氧-濕氧濕氧-干氧）干氧）900-1100 45B擴(kuò)散工藝流程擴(kuò)散工藝流程n預(yù)淀積，一般預(yù)淀積溫度較低，時(shí)間也較短。氮預(yù)淀積，一般預(yù)淀積溫度較低，時(shí)間也較短。氮?dú)獗Ｗo(hù)。氣保護(hù)。n漂硼硅玻璃，予淀積后的窗口表面有薄薄的一層漂硼硅玻璃，予

26、淀積后的窗口表面有薄薄的一層硼硅玻璃，用硼硅玻璃，用HF漂去。漂去。n再分布，溫度較高，時(shí)間也較長。通氧氣，直接再分布，溫度較高，時(shí)間也較長。通氧氣，直接生長氧化層。生長氧化層。n測(cè)方塊電阻測(cè)方塊電阻，方塊電阻是指表面為正方形的薄膜，方塊電阻是指表面為正方形的薄膜，在電流方向的電阻值。在電流方向的電阻值。 46方塊電阻方塊電阻Rn一個(gè)重要的工藝參數(shù)，一個(gè)重要的工藝參數(shù)，又稱薄膜電阻又稱薄膜電阻RsQjXpqjXjlXlsR11llXjIn-SiP-Si47NPN管的磷擴(kuò)散管的磷擴(kuò)散n原理原理 2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2n選源選源 固態(tài)固態(tài)P2O5陶瓷片源使用最多，無須活化。陶

27、瓷片源使用最多，無須活化。 n特點(diǎn)特點(diǎn) 磷是磷是n形替位雜質(zhì)，形替位雜質(zhì)， B與與Si原子半徑接近，原子半徑接近，雜質(zhì)濃度可達(dá)雜質(zhì)濃度可達(dá)1021/Cm3，該濃度即為電活性濃，該濃度即為電活性濃度。度。n工藝工藝 與硼擴(kuò)相近兩步工藝，不漂磷硅玻璃。與硼擴(kuò)相近兩步工藝，不漂磷硅玻璃。48NPN管管Nx5*102010183*1016N+PNN型型erfc分布分布P型高斯分布型高斯分布N型襯底型襯底0 Xebj XbcjNx發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)B擴(kuò)：擴(kuò)：D1t1D2t249工藝條件的確定與質(zhì)量檢測(cè)工藝條件的確定與質(zhì)量檢測(cè)n工藝指標(biāo)工藝指標(biāo)n雜質(zhì)表面濃度雜質(zhì)表面濃度Csn結(jié)深結(jié)深xjn薄

28、層電阻薄層電阻Rsn分布曲線分布曲線C(x)n工藝條件工藝條件(T, t)的確定的確定n解析擴(kuò)散方程獲得工藝條件，目前用計(jì)算機(jī)解析擴(kuò)散方程獲得工藝條件，目前用計(jì)算機(jī)模擬獲得工藝參數(shù)。模擬獲得工藝參數(shù)。50擴(kuò)散質(zhì)量檢測(cè)擴(kuò)散質(zhì)量檢測(cè)n工藝參數(shù)：結(jié)深、雜質(zhì)分布方塊電阻、工藝參數(shù)：結(jié)深、雜質(zhì)分布方塊電阻、電阻率電阻率 n染色法測(cè)結(jié)深染色法測(cè)結(jié)深n陽極氧化測(cè)分布函數(shù)陽極氧化測(cè)分布函數(shù)n四探針法測(cè)電阻率、方塊電阻四探針法測(cè)電阻率、方塊電阻 n電參數(shù)測(cè)量電參數(shù)測(cè)量 nI-V曲線曲線51染色法測(cè)結(jié)深染色法測(cè)結(jié)深原理原理：Si的電極電位低于的電極電位低于Cu，Si能從硫酸銅染色液中能從硫酸銅染色液中把把Cu置換

29、出來，而且在置換出來，而且在Si表面上形成紅色表面上形成紅色Cu鍍層，又鍍層，又由于由于N型型Si的標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于的標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于P型型Si的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，因此會(huì)先在因此會(huì)先在N型型Si上先有上先有Cu析出，這樣就把析出，這樣就把P-N結(jié)明結(jié)明顯的顯露出來。顯的顯露出來。染色液染色液：CuSO45H2O：48% HF：H2O=5g：2mL：50mLXj=Lsin 52四探針法測(cè)電阻率、方塊電阻四探針法測(cè)電阻率、方塊電阻n四探針法是四探針法是目前廣泛采目前廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)冊(cè)用的標(biāo)準(zhǔn)冊(cè)電阻率方法，電阻率方法，它具有操作它具有操作方便，精度方便，精度較高，對(duì)樣較高，對(duì)樣品的幾何形品

30、的幾何形狀無嚴(yán)格要狀無嚴(yán)格要求等優(yōu)點(diǎn)。求等優(yōu)點(diǎn)。 IIIVCrrrrIV2313413241223111121 2 3 453I-V曲線測(cè)量曲線測(cè)量n由不良的由不良的pn結(jié)反向特性結(jié)反向特性I-V曲線了解工曲線了解工藝情況藝情況543.6 擴(kuò)散工藝的發(fā)展擴(kuò)散工藝的發(fā)展n快速氣相摻雜快速氣相摻雜(rapid vapor-phase doping RVD)n氣體浸沒激光摻雜氣體浸沒激光摻雜(gas immersion laser doping GILD) 55快速氣相摻雜快速氣相摻雜nRVD利用快速熱處理過程將處在摻雜氣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(shí)摻雜氛中的硅片快速

31、均勻地加熱，同時(shí)摻雜劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生雜質(zhì)原子，雜質(zhì)原子直劑發(fā)生反應(yīng)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)，接從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸还璞砻嫖降墓虘B(tài)，固相擴(kuò)散，能形成固相擴(kuò)散，能形成超淺結(jié)超淺結(jié)。n雜質(zhì)分布是非理想的指數(shù)形式，類似固雜質(zhì)分布是非理想的指數(shù)形式，類似固態(tài)擴(kuò)散，峰值在表面態(tài)擴(kuò)散，峰值在表面56氣體浸沒激光摻雜氣體浸沒激光摻雜nGILD是是高能激光照射處于氣高能激光照射處于氣態(tài)源態(tài)源(PF5或或BF3)中的硅表面，中的硅表面，使其表面熔融，源由于熱解或使其表面熔融，源由于熱解或光解產(chǎn)生雜質(zhì)原子，通過液相光解產(chǎn)生雜質(zhì)原子，通過液相擴(kuò)散（比在固相快約擴(kuò)散（比在固相快約8個(gè)數(shù)量個(gè)數(shù)量

32、級(jí)），雜質(zhì)快速并均勻地?cái)U(kuò)散級(jí)），雜質(zhì)快速并均勻地?cái)U(kuò)散到整個(gè)熔化層中。激光照射停到整個(gè)熔化層中。激光照射停止，熔體固相外延轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。止，熔體固相外延轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。由熔體變?yōu)榫w的速度非?？煊扇垠w變?yōu)榫w的速度非?？?3ms)。同時(shí)雜質(zhì)進(jìn)入晶。同時(shí)雜質(zhì)進(jìn)入晶格激活，摻雜只發(fā)生在表面的格激活，摻雜只發(fā)生在表面的一薄層內(nèi)。一薄層內(nèi)。57本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)n擴(kuò)散機(jī)理：三種擴(kuò)散機(jī)構(gòu)擴(kuò)散機(jī)理：三種擴(kuò)散機(jī)構(gòu)n擴(kuò)散方程：擴(kuò)散方程：Fick定律，恒定源擴(kuò)散（余誤定律，恒定源擴(kuò)散（余誤差分布），有限元擴(kuò)散（高斯分布）差分布），有限元擴(kuò)散（高斯分布）n擴(kuò)散系數(shù)：主要影響因素?cái)U(kuò)散系數(shù)：主要影響因素n擴(kuò)散工藝：源、方法，工

33、藝參數(shù)擴(kuò)散工藝：源、方法，工藝參數(shù)T，t；測(cè)；測(cè)量參數(shù)量參數(shù)R、Xj、Cs、Q參數(shù)參數(shù)58n第第4章章 離子注入離子注入59什么是離子注入什么是離子注入離化后的原子在強(qiáng)電場(chǎng)的加速作用下，注射進(jìn)入靶材料的離化后的原子在強(qiáng)電場(chǎng)的加速作用下，注射進(jìn)入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì) 離子注入的基本過程離子注入的基本過程v將某種元素的原子或攜將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電的離子變成帶電的離子v在強(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得在強(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得較高的動(dòng)能后，射入材較高的動(dòng)能后，射入材料表層（靶）料表層（靶）v以改變這種材

34、料表層的以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)物理或化學(xué)性質(zhì)60離子注入特點(diǎn)離子注入特點(diǎn)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（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（1011-1018 cm-2）和能量（）和能量（1-400 keV）來達(dá)到）來達(dá)到平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（1% variation across an 8 wafer）表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度 或深結(jié)高濃度或深結(jié)高濃度注入元素可以非常純，雜質(zhì)單一性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

35、污，自由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(kuò)散熱擴(kuò)散橫向效應(yīng)比氣固相擴(kuò)散小得多，有利于器件尺寸的縮小橫向效應(yīng)比氣固相擴(kuò)散小得多，有利于器件尺寸的縮小n會(huì)產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進(jìn)會(huì)產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進(jìn)n設(shè)備相對(duì)復(fù)雜、相對(duì)昂貴（設(shè)備相對(duì)復(fù)雜、相對(duì)昂貴（尤其是超低能量離子注入機(jī)尤其是超低能量離子注入機(jī)）n有不安全因素，如高壓、有毒氣體有不安全因素，如高壓、有毒氣體61離子注入過程是一個(gè)離子注入過程是一個(gè)非平衡

36、非平衡過程，高能離子進(jìn)入過程，高能離子進(jìn)入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失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(jī)的，大能量，最后停下來。停下來的位置是隨機(jī)的，大部分不在晶格上，因而沒有電活性。部分不在晶格上，因而沒有電活性。62內(nèi)容內(nèi)容n4.1 核碰撞和電子碰撞核碰撞和電子碰撞n4.2 注入離子在無定形靶中的分布注入離子在無定形靶中的分布n4.3 注入損傷注入損傷n4.4 熱退火熱退火n4.5 離子注入設(shè)備與工藝離子注入設(shè)備與工藝n4.6 離子注入用途，和擴(kuò)散的比較離子注入用途，和擴(kuò)散的比較63LSS理論理論對(duì)在對(duì)在非晶靶非晶靶中注入離子的射程

37、分布的研究中注入離子的射程分布的研究n1963年，年，Lindhard, Scharff and Schiott首先確立了注首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論，簡稱入離子在靶內(nèi)分布理論，簡稱 LSS理論。理論。n該理論認(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)該理論認(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)立的過程立的過程 (1) 核阻止（核阻止（nuclear stopping） (2) 電子阻止電子阻止 （electronic stopping）n總能量損失為兩者的和總能量損失為兩者的和4.1 核碰撞和電子碰撞核碰撞和電子碰撞（LSS理論）理論） 64 核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)核阻止本領(lǐng)

38、與電子阻止本領(lǐng)-LSS理論理論阻止本領(lǐng)（阻止本領(lǐng)（stopping power）：材料中注入離子的能量損失大?。翰牧现凶⑷腚x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) )。q核阻止本領(lǐng)：來自靶原子核的阻止，經(jīng)典兩體碰撞理論。核阻止本領(lǐng)：來自靶原子核的阻止，經(jīng)典兩體碰撞理論。q電子阻止本領(lǐng)：來自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。電子阻止本領(lǐng)：來自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。65 ESESNdxdEen-dE/dx：能量隨距離損失的平均速率：能量隨距離損失的平均速率E：注入離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)：

39、注入離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x處的能量處的能量Sn(E)：核阻止本領(lǐng)：核阻止本領(lǐng)/截面截面 (eVcm2)Se(E)：電子阻止本領(lǐng)：電子阻止本領(lǐng)/截面（截面（eVcm2)N: 靶原子密度靶原子密度 5 1022 cm-3 for Si eenndxdENESdxdENES1,1LSS理論理論能量能量E的函數(shù)的函數(shù)能量為能量為E的的入射粒子在入射粒子在密度為密度為N的的靶內(nèi)走過靶內(nèi)走過x距離后損失距離后損失的能量的能量66n核阻止核阻止 離子注入與靶離子注入與靶原子核碰撞，離子能量原子核碰撞，離子能量轉(zhuǎn)移到原子核上，結(jié)果轉(zhuǎn)移到原子核上，結(jié)果將使離子改變運(yùn)動(dòng)方向，將使離子改變運(yùn)動(dòng)方向，而靶原子核可

40、能離開原而靶原子核可能離開原位，成為間隙原子核，位，成為間隙原子核，或只是能量增加?；蛑皇悄芰吭黾?。 nndxdEES核阻止本領(lǐng)核阻止本領(lǐng)能量為能量為E的注入離的注入離子在單位密度靶子在單位密度靶內(nèi)運(yùn)動(dòng)單位長度內(nèi)運(yùn)動(dòng)單位長度時(shí)，損失給靶原時(shí)，損失給靶原子核的能量。子核的能量。67核阻止本領(lǐng)核阻止本領(lǐng)注入離子與靶內(nèi)原子核之間注入離子與靶內(nèi)原子核之間兩體碰撞兩體碰撞兩粒子之間的相互作用力是兩粒子之間的相互作用力是電荷作用電荷作用摘自摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295核阻止能力的一階近似為：核阻止能力的一階近似為：

41、例如：磷離子例如：磷離子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅注入硅Z2 = 14, m2 = 28,計(jì)算可得：計(jì)算可得：Sn 550 keV-m mm2m質(zhì)量，質(zhì)量， Z原子序數(shù)原子序數(shù)下標(biāo)下標(biāo)1離子，下標(biāo)離子，下標(biāo)2靶靶 22113223212115cmeV108 . 2mmmZZZZESn對(duì)心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移：對(duì)心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移： E)m(mmmETrans221214 68核阻止核阻止兩球體彈性碰撞兩球體彈性碰撞rfrqrp212022121222MZZ)(V ,E)MM(M4MUM21T 0,托馬斯托馬斯費(fèi)米費(fèi)米屏蔽函數(shù)屏蔽函數(shù)rrf核阻止本領(lǐng)曲線核阻止本領(lǐng)曲線最簡屏蔽函數(shù)最

42、簡屏蔽函數(shù)碰撞參數(shù)碰撞參數(shù)pr1+r2離子與靶離子與靶間勢(shì)函數(shù)間勢(shì)函數(shù)考慮電子屏蔽時(shí)離子與靶核考慮電子屏蔽時(shí)離子與靶核之間相互作用之間相互作用69電子阻止電子阻止n注入離子與靶中的束縛電注入離子與靶中的束縛電子或自由電子碰撞，能量子或自由電子碰撞，能量轉(zhuǎn)移到電子上。離子質(zhì)量轉(zhuǎn)移到電子上。離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，離子方向不遠(yuǎn)大于電子，離子方向不變，能量稍減，而束縛電變，能量稍減，而束縛電子被激發(fā)或電離，自由電子被激發(fā)或電離，自由電子發(fā)生移動(dòng)。子發(fā)生移動(dòng)。 eedxdEES電子阻滯本領(lǐng)電子阻滯本領(lǐng)70電子阻止本領(lǐng)電子阻止本領(lǐng)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把固體中的電子看成自由電

43、子氣，電子的阻止就類似于粘滯氣體的阻力（一階近似）。體的阻力（一階近似）。電子阻止本領(lǐng)和注入離子的能量的平方根成正比。電子阻止本領(lǐng)和注入離子的能量的平方根成正比。 22/1152/1cmeV102 . 0,kkECvESione離子離子速度速度71非局部電子阻止非局部電子阻止局部電子阻止局部電子阻止不改變?nèi)肷潆x子運(yùn)動(dòng)方向不改變?nèi)肷潆x子運(yùn)動(dòng)方向電荷電荷/動(dòng)量交換導(dǎo)致入射離子運(yùn)動(dòng)量交換導(dǎo)致入射離子運(yùn)動(dòng)方向的改變（動(dòng)方向的改變（M2; b=1/3入射離入射離子質(zhì)量子質(zhì)量靶原子靶原子質(zhì)量質(zhì)量77 0E0ESESdERESESdxdEenenAs,P,B在硅中核、電子阻止本領(lǐng)在硅中核、電子阻止本領(lǐng)與能量

44、關(guān)系計(jì)算值與能量關(guān)系計(jì)算值能量損失與射程能量損失與射程R78射程粗略估計(jì)射程粗略估計(jì)低能低能區(qū)區(qū)中能中能區(qū)區(qū)高能高能區(qū)區(qū)核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)曲線核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)曲線79射程粗略估計(jì)射程粗略估計(jì)n不同靶和不同不同靶和不同 注入離子，其注入離子，其Ec值不值不 同。硅靶注入輕離子硼，同。硅靶注入輕離子硼， Ec約為約為15keV，重離，重離 子磷，子磷，Ec大約為大約為150keV。n 注入離子的初使能量比注入離子的初使能量比Ec大很多，在靶內(nèi)主大很多，在靶內(nèi)主要電子阻止損失能量，核阻止可忽略：要電子阻止損失能量，核阻止可忽略： Rk1E01/2nEEc ，電子阻止可忽略，入射離子主要

45、以，電子阻止可忽略，入射離子主要以核阻止形式損失能量：核阻止形式損失能量：Rk2E0核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)的比較核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)的比較80高斯分布函數(shù)高斯分布函數(shù)n注入離子在靶內(nèi)注入離子在靶內(nèi)受到的碰撞是隨受到的碰撞是隨機(jī)的，所以雜質(zhì)機(jī)的，所以雜質(zhì)分布也是按幾率分布也是按幾率分布的。離子進(jìn)分布的。離子進(jìn)入非晶層（穿入入非晶層（穿入距離）的分布接距離）的分布接近近高斯分布高斯分布。RRp p：投影射程的標(biāo)準(zhǔn)偏差：投影射程的標(biāo)準(zhǔn)偏差RR：橫向離散：橫向離散81 0001EenRpESESdENdxRp投影射程投影射程Rp:Rp Rp R Rp Rp R Rp Rp R 82縱向分布縱向分

46、布 n離子注入的實(shí)際分布在峰值附近和高斯分布符合離子注入的實(shí)際分布在峰值附近和高斯分布符合較好較好pppTpTppppTRMMMMRRNQRQNRnRRxRQxn2121maxmax23222)(21exp2)(83注入離子的真實(shí)分布注入離子的真實(shí)分布v真實(shí)分布非常復(fù)雜，不服從嚴(yán)格的高斯分布真實(shí)分布非常復(fù)雜，不服從嚴(yán)格的高斯分布v當(dāng)輕離子硼（當(dāng)輕離子硼（B）注入到硅中，會(huì)有較多的硼離子受到大）注入到硅中，會(huì)有較多的硼離子受到大角度的散射（背散射），會(huì)引起在峰值位置與表面一側(cè)有角度的散射（背散射），會(huì)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。較多的離子堆積；重離子散射得更深。8

47、4縱向分布縱向分布n硼比硅原子質(zhì)量輕得硼比硅原子質(zhì)量輕得多，硼離子注入就會(huì)多，硼離子注入就會(huì)有較多的大角度散射。有較多的大角度散射。被反向散射的硼離子被反向散射的硼離子數(shù)量也會(huì)增多，因而數(shù)量也會(huì)增多，因而分布在峰值位置與表分布在峰值位置與表面一側(cè)的離子數(shù)量大面一側(cè)的離子數(shù)量大于峰值位置的另一側(cè)，于峰值位置的另一側(cè)，不服從嚴(yán)格的高斯分不服從嚴(yán)格的高斯分布。布。n砷等重離子和硼輕離砷等重離子和硼輕離子的分布正好相反。子的分布正好相反。85橫向分布橫向分布 橫向效應(yīng)指的橫向效應(yīng)指的是注入離子在是注入離子在垂直于入射方垂直于入射方向平面向平面內(nèi)的分內(nèi)的分布情況布情況n由由LSS理論計(jì)理論計(jì)算得到的硼、

48、算得到的硼、磷和砷入射到磷和砷入射到無定形硅靶中無定形硅靶中R與入射能與入射能量的關(guān)系如圖量的關(guān)系如圖所示所示86橫向分布橫向分布2222222321exp)2(1),(pppRRxZzYyZYRzyxf8735 keV As注入注入120 keV As注入注入橫向效應(yīng)影響橫向效應(yīng)影響MOS晶體管的有效溝道長度。晶體管的有效溝道長度。88離子注入的溝道效應(yīng)離子注入的溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)（溝道效應(yīng)（Channeling effect）當(dāng)離子沿晶軸方向注入時(shí)，大部分離子將沿溝當(dāng)離子沿晶軸方向注入時(shí)，大部分離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)，幾乎不會(huì)受到原子核的散射，方向基道運(yùn)動(dòng)，幾乎不會(huì)受到原子核的散射，方向基本不變，

49、可以走得很遠(yuǎn)。本不變，可以走得很遠(yuǎn)。89110111100傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向90溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)襯底為單晶材料，離子束襯底為單晶材料，離子束準(zhǔn)確的沿著晶格方向注入，準(zhǔn)確的沿著晶格方向注入，其縱向分布峰值與高斯分其縱向分布峰值與高斯分布不同。一部分離子穿過布不同。一部分離子穿過較大距離。這就是溝道較大距離。這就是溝道（滲透）效應(yīng)。（滲透）效應(yīng)。1.8 91注入離子劑量注入離子劑量理論上可以由離子電流大小來量度理論上可以由離子電流大小來量度: （ ion/cm2） 其中：其中：I為電流；為電流；t為時(shí)間；為時(shí)間；A為注入面積。為注入面積。實(shí)際上高能離子入射到襯底時(shí)，一

50、小部分與表面實(shí)際上高能離子入射到襯底時(shí)，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(jìn)晶核原子彈性散射，而從襯底表面反射回來，未進(jìn)入襯底，這叫入襯底，這叫背散射現(xiàn)象背散射現(xiàn)象. AItQT181025. 692濃度分布濃度分布 由于溝道效應(yīng)的存在，在晶體中注入將偏離由于溝道效應(yīng)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(gè)理論在非晶體中的高斯分布，濃度分布中出現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)長的相當(dāng)長的“尾巴尾巴”產(chǎn)生非晶化的劑量產(chǎn)生非晶化的劑量沿沿的溝道效應(yīng)的溝道效應(yīng)93表面非晶層對(duì)于溝道效應(yīng)的作用表面非晶層對(duì)于溝道效應(yīng)的作用Boron implantinto SiO2B

51、oron implantinto Si94減少溝道效應(yīng)的措施減少溝道效應(yīng)的措施v 對(duì)大的離子，沿溝道軸向?qū)Υ蟮碾x子，沿溝道軸向(110)偏離偏離710ov用用Si，Ge，F(xiàn)，Ar等離子注入使表面預(yù)非晶化，等離子注入使表面預(yù)非晶化，形成非晶層形成非晶層（Pre-amorphization）v增加注入劑量（晶格損失增加，非晶層形成，增加注入劑量（晶格損失增加，非晶層形成，溝道離子減少）溝道離子減少）v表面用表面用SiO2層掩膜層掩膜95典型離子注入?yún)?shù)典型離子注入?yún)?shù)離子：離子：P，As，Sb，B，In，O劑量：劑量：10111018 cm-2能量：能量：1 400 keV 可重復(fù)性和均勻性可重復(fù)

52、性和均勻性: 1%溫度：室溫溫度：室溫流量：流量：1012-1014 cm-2s-196晶格損傷：晶格損傷：高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列碰碰撞撞，可能使靶原子發(fā)生，可能使靶原子發(fā)生位移位移，被位移原子還可能把能量依，被位移原子還可能把能量依次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的空位間隙原子對(duì)空位間隙原子對(duì)及及其它類型晶格無序的分布。這種因?yàn)殡x子注入所引起的簡其它類型晶格無序的分布。這種因?yàn)殡x子注入所引起的簡單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。4.3 注入損傷注入損傷(Si)SiSiI + SiV97n

53、高能離子在靶內(nèi)與晶格多次碰撞，從而導(dǎo)高能離子在靶內(nèi)與晶格多次碰撞，從而導(dǎo)致靶的致靶的晶格損傷晶格損傷。n碰撞有碰撞有彈性碰撞彈性碰撞和非彈性碰撞。和非彈性碰撞。n注入離子通過碰撞把能量傳遞給靶原子核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，稱為及其電子的過程，稱為能量淀積過程能量淀積過程。98損傷的產(chǎn)生n移位原子移位原子：因碰撞而離開晶格位置的原子。：因碰撞而離開晶格位置的原子。n移位閾能移位閾能Ed：使一個(gè)處于平衡位置的原子發(fā)生：使一個(gè)處于平衡位置的原子發(fā)生移位，所需的最小能量移位，所需的最小能量. (對(duì)于硅原子對(duì)于硅原子, Ed 15eV)n碰撞碰撞中，當(dāng)轉(zhuǎn)移能量中，當(dāng)轉(zhuǎn)移能量E

54、Ed移位閾能移位閾能時(shí)，靶原時(shí)，靶原子位移；若子位移；若移位原子移位原子能量能量2Ed時(shí)，移位原子再時(shí)，移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，這種現(xiàn)象碰撞其它原子，使其它原子再位移，這種現(xiàn)象稱稱級(jí)聯(lián)碰撞級(jí)聯(lián)碰撞。99移位原子的估算v入射離子在碰撞過程中傳遞給靶原子的能量入射離子在碰撞過程中傳遞給靶原子的能量 Ed E 2Ed時(shí)，才能增加移位原子的數(shù)目。時(shí)，才能增加移位原子的數(shù)目。v估算一個(gè)以起始能量估算一個(gè)以起始能量E0入射的離子，在碰撞過入射的離子，在碰撞過程中可以使靶內(nèi)原子移位的數(shù)目程中可以使靶內(nèi)原子移位的數(shù)目N(E)為為 dEEEN2)(0100損傷特點(diǎn)損傷特點(diǎn) n損傷有三種：簡單損

55、傷；非晶區(qū)；非晶層。損傷有三種：簡單損傷；非晶區(qū)；非晶層。n損傷主要與注入離子質(zhì)量、能量、劑量、劑損傷主要與注入離子質(zhì)量、能量、劑量、劑量率有關(guān)；與量率有關(guān)；與靶溫靶溫有關(guān)。有關(guān)。n損傷峰值非常接近投影射程的損傷峰值非常接近投影射程的75%n損傷造成半導(dǎo)體電學(xué)特性衰退：載流子遷移損傷造成半導(dǎo)體電學(xué)特性衰退：載流子遷移率下降；少子壽命變短；率下降；少子壽命變短；pn結(jié)反向漏電。結(jié)反向漏電。 101注入損傷注入損傷形成非晶層的臨界劑量與溫度的關(guān)系形成非晶層的臨界劑量與溫度的關(guān)系靶溫一個(gè)一個(gè)B，E080KeV，Rp 250nm，480個(gè)個(gè)Si移位，移位，損傷原子約損傷原子約0.4一個(gè)一個(gè)As，E08

56、0KeV，Rp 250nm，4000個(gè)個(gè)Si移位，損傷原子約移位，損傷原子約8102損傷區(qū)的分布損傷區(qū)的分布重離子每次碰撞傳輸給靶的能量較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(shí)，子的能量損失以核碰撞為主。同時(shí)，射程較短，在小體積內(nèi)有較大損傷。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，重離子注入所造成的損傷區(qū)域小，損傷密度大。損傷密度大。質(zhì)量較靶原子輕的離子傳給靶原子質(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，只能能量較小，

57、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，產(chǎn)生數(shù)量較少的位移靶原子，因此，注入離子運(yùn)動(dòng)方向的變化大，產(chǎn)生注入離子運(yùn)動(dòng)方向的變化大，產(chǎn)生的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較大。呈鋸齒狀。大。呈鋸齒狀。103非晶化（非晶化（Amorphization）q注入離子引起的晶格損傷注入離子引起的晶格損傷有可能使晶體結(jié)構(gòu)完全破有可能使晶體結(jié)構(gòu)完全破壞變?yōu)闊o序的非晶區(qū)。壞變?yōu)闊o序的非晶區(qū)。q與注入劑量的關(guān)系與注入劑量的關(guān)系n注入劑量越大，晶格損注入劑量越大，晶格損傷越嚴(yán)重。傷越嚴(yán)重。n臨界劑量：使晶格完全臨界劑量：使晶格完全無序的劑量。無序的劑量。n臨界劑量和注入離子的臨界

58、劑量和注入離子的質(zhì)量有關(guān)質(zhì)量有關(guān)104n在某一高溫下保持一段時(shí)間，使雜質(zhì)通過擴(kuò)在某一高溫下保持一段時(shí)間，使雜質(zhì)通過擴(kuò)散進(jìn)入替位，有電活性；并使晶體損傷區(qū)域散進(jìn)入替位，有電活性；并使晶體損傷區(qū)域“外延生長外延生長”為晶體，恢復(fù)或部分恢復(fù)硅的為晶體，恢復(fù)或部分恢復(fù)硅的遷移率，少子壽命。遷移率，少子壽命。n退火效果退火效果(q/NA,)，與溫度，時(shí)間有關(guān)。一與溫度，時(shí)間有關(guān)。一般溫度越高、時(shí)間越長退火效果越好。般溫度越高、時(shí)間越長退火效果越好。n退火后出現(xiàn)靶的雜質(zhì)再分布。退火后出現(xiàn)靶的雜質(zhì)再分布。4.4 熱退火熱退火105退火條件、方法退火條件、方法n退火條件：依據(jù)損傷情況定，目的是激退火條件：依據(jù)

59、損傷情況定，目的是激活雜質(zhì)，恢復(fù)電學(xué)特性活雜質(zhì)，恢復(fù)電學(xué)特性n注入雜質(zhì)的質(zhì)量，劑量、劑量率，能量注入雜質(zhì)的質(zhì)量，劑量、劑量率，能量n靶溫靶溫n退火方法退火方法n高溫退火高溫退火n快速退火：激光、寬帶非相關(guān)光、電子束快速退火：激光、寬帶非相關(guān)光、電子束退火退火106損傷退火損傷退火 （Damage Annealing）q被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位置，對(duì)被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位置，對(duì)載流子的輸運(yùn)沒有貢獻(xiàn)；而且也造成大量損傷。載流子的輸運(yùn)沒有貢獻(xiàn)；而且也造成大量損傷。q注入后的半導(dǎo)體材料：注入后的半導(dǎo)體材料： 雜質(zhì)處于間隙雜質(zhì)處于間隙 nND；pNA 晶格損傷，遷移率下降；少子

60、壽命下降晶格損傷，遷移率下降；少子壽命下降 熱退火后：熱退火后：n n=ND (p=NA) m m m mbulk 0107損傷退火的目的損傷退火的目的q去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復(fù)其原有完美晶體結(jié)構(gòu)去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復(fù)其原有完美晶體結(jié)構(gòu)q讓雜質(zhì)進(jìn)入電活性（讓雜質(zhì)進(jìn)入電活性（electrically active） 位置位置替位位置替位位置。q恢復(fù)電子和空穴遷移率恢復(fù)電子和空穴遷移率注意：退火過程中應(yīng)避免大幅度的雜質(zhì)再分布注意：退火過程中應(yīng)避免大幅度的雜質(zhì)再分布108損傷恢復(fù)機(jī)制損傷恢復(fù)機(jī)制（Damage Recovery Mechanism）Annihilation: r