半導(dǎo)體器件物理與工藝13章 雜質(zhì)攙雜

1、現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 1 1 Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices 2004,7,30 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 2 2 雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 所謂雜質(zhì)摻雜是將可控?cái)?shù)量的雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體內(nèi)。雜質(zhì)摻雜的實(shí)際應(yīng)用 主要是改變半導(dǎo)體的電特性。擴(kuò)散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要 方式。 高溫?cái)U(kuò)散：一直到20世紀(jì)70年代，雜質(zhì)摻雜主要是由高溫的擴(kuò)散方式來 完成，雜質(zhì)原子通過氣相源或摻雜過的氧

2、化物擴(kuò)散或淀積到硅晶片的表 面，這些雜質(zhì)濃度將從表面到體內(nèi)單調(diào)下降，而雜質(zhì)分布主要是由高溫 與擴(kuò)散時(shí)間來決定。 離子注入：摻雜離子以離子束的形式注入半導(dǎo)體內(nèi)，雜質(zhì)濃度在半導(dǎo)體 內(nèi)有個(gè)峰值分布，雜質(zhì)分布主要由離子質(zhì)量和注入能量決定。 擴(kuò)散和離子注入兩者都被用來制作分立器件與集成電路，因?yàn)槎呋パa(bǔ) 不足，相得益彰。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 3 3 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 4 4 基本擴(kuò)散工藝基本擴(kuò)散工藝 雜質(zhì)擴(kuò)散通常是在經(jīng)仔細(xì)控制的石英高溫爐管中放入半

3、導(dǎo)體硅晶片并通 入含有所需摻雜劑的氣體混合物。硅的溫度在800-1200；砷化鎵的溫 度在600-1000。擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部的雜質(zhì)原子數(shù)量與氣體混合物中 的雜質(zhì)分壓有關(guān)。 對硅而言，B、P和As分別是常用的p型和n型摻雜劑，它們在硅中都有極 高的固溶度，可高于51020cm-3。引入方式有：固態(tài)源（BN、As2O3、 P2O5）；液態(tài)源（BBr3、AsCl3、POCl3）；氣體源（B2H6、AsH3、 PH3 ），其中液態(tài)源最常用。 使用液態(tài)源的磷擴(kuò)散的化學(xué)反應(yīng)如下： 32252 43 26POClOPOCl P2O5在硅晶片上形成一層玻璃并由硅還原出磷，氯氣被帶走。 252 25 45PO

4、SiPSiO 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 5 5 對砷化鎵的擴(kuò)散工藝而言，因砷的蒸汽壓高，所以需要特別的方式來防 止砷的分解或蒸發(fā)所造成的損失。包括含過壓的封閉爐管中擴(kuò)散及在含 有摻雜氧化物覆蓋層（氮化硅）的開發(fā)爐管中擴(kuò)散。p型擴(kuò)散選用Zn元 素，采用Zn-Ga-As合金或ZnAs2（封閉爐管法）或ZnO-SiO2（開放爐 管法）。n型摻雜劑有硒和碲。 電爐 電爐 O2 N2 液態(tài)雜質(zhì)源 石英管 排氣口 硅晶片 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 6 6 擴(kuò)散方程

5、式擴(kuò)散方程式 半導(dǎo)體中的擴(kuò)散可以視作在晶格中通過空位或填隙原子形式進(jìn)行的原子 移動(dòng)。下圖顯示了2種基本的原子擴(kuò)散模型。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 7 7 雜質(zhì)原子的基本擴(kuò)散工藝近似于載流子擴(kuò)散，因此定義通量F為單位時(shí)間 內(nèi)通過單位面積的摻雜原子數(shù)量，C為摻雜濃度，因此有： C FD x 擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力是濃度梯度，摻雜原子從高濃度區(qū)流向低濃度區(qū)。 結(jié)合一維連續(xù)性方程，同時(shí)考慮在基質(zhì)半導(dǎo)體中并無物質(zhì)生成或消耗 （即GnRn0），將得到： 1 () n nn Jn GR tqx 連續(xù)性方程 () CFC D txxx 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件

6、物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 8 8 在低摻雜原子濃度時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)可視為和摻雜濃度無關(guān)，則上式變?yōu)椋?2 2 CC D tx 費(fèi)克（Fick）擴(kuò)散方程 下圖顯示了硅與砷化鎵中不同摻雜劑在低濃度時(shí)實(shí)測的擴(kuò)散系數(shù)。一般 情況下，D的對數(shù)值和絕對溫度的倒數(shù)成線性關(guān)系。意味著在一定的溫 度范圍內(nèi)，D可表示為 0 exp() a E DD kT D0是溫度到無窮大時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)（單位：cm2/S）；Ea是激活能，對填隙模型， Ea是摻雜原子從一個(gè)間隙移動(dòng)到至另一個(gè)間隙所需的能量；對空位模型，Ea是 雜質(zhì)原子移動(dòng)所需能量和形成空位所需的能量總和?？瘴坏腅

7、a較擴(kuò)散大。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 9 9 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 1010 擴(kuò)散分布擴(kuò)散分布 摻雜原子的擴(kuò)散分布和起始條件與邊界條件有關(guān)。 考慮兩種方式： 恒定表面濃度擴(kuò)散：雜質(zhì)原子由氣態(tài)源傳送到半導(dǎo)體表面，然后擴(kuò)散進(jìn) 入半導(dǎo)體硅晶片，在擴(kuò)散期間，氣態(tài)源維持恒定的表面濃度； 恒定摻雜總量擴(kuò)散：指一定量的雜質(zhì)淀積在半導(dǎo)體表面，接著擴(kuò)散進(jìn)入硅 晶片內(nèi)。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜

8、 1111 恒定表面濃度擴(kuò)散恒定表面濃度擴(kuò)散 t0時(shí)初始條件是 ( ,0)0C x 表示半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度開始為零，邊界條件是 (0, ) s CtC( , )0Ct Cs是x0處的表面濃度，與時(shí)間無關(guān)。X，距離表面無窮遠(yuǎn)無雜質(zhì)原子。 符合起始與邊界條件的擴(kuò)散方程式的解是： ( , )() 2 s x C x tC erfc Dt erfc是余誤差函數(shù) 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 1212 上圖為余誤差函數(shù)分布 下圖為恒定表面濃度的擴(kuò)散分布 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜

9、雜質(zhì)摻雜 1313 半導(dǎo)體單位面積的摻雜原子總數(shù)是 0 ( )( , )Q tC x t dx 代入C（x，t）有 2 ( )1.13 ss Q tCDtCDt 一個(gè)相關(guān)量是擴(kuò)散分布的梯度dC/dt，這個(gè)梯度可對C（x，t）微分得到 2 , exp() 4 s x t CdCx dxDtDt 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 1414 恒定雜質(zhì)總量擴(kuò)散恒定雜質(zhì)總量擴(kuò)散 一恒定總量的雜質(zhì)以一層薄膜的形式淀積在半導(dǎo)體表面，接著進(jìn)入半導(dǎo) 體內(nèi)。t0時(shí)的初始條件C（x，0）0，邊界條件是： 0 ( , )C x t dxS ( , )0C

10、t S為單位面積摻雜總量。符合上述擴(kuò)散方程的解為： 2 ( , )exp() 4 Sx C x t DtDt 此為高斯分布高斯分布，雜質(zhì)將隨時(shí)間的增加擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體，而總摻雜量S恒定，所以 表面濃度必然下降。在x0處表面濃度為： ( ) s S C t Dt 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 1515 上圖為高斯函數(shù)分布 下圖為恒定雜質(zhì)總量的擴(kuò)散分布 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 1616 余誤差分布與高斯分布的歸一化 濃度與歸一化距離的關(guān)系 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與

11、工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 1717 注意到隨時(shí)間的增加，表面濃度下降，微分可得擴(kuò)散分布的梯度： 2 3/2 , exp()( , ) 42 2()x t dCxSxx C x t dxDtDt Dt 濃度梯度在x0與x處是零，同時(shí)最大梯度將發(fā)生在x2(Dt)1/2處。 在集成電路工藝中，通常采用兩階段步驟擴(kuò)散，首先在恒定表面濃度擴(kuò)散條件下 形成預(yù)淀積擴(kuò)散層，接著在恒定摻雜總量擴(kuò)散條件下，進(jìn)行再分布擴(kuò)散。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 1818 擴(kuò)散層的計(jì)算擴(kuò)散層的計(jì)算 擴(kuò)散工

12、藝的結(jié)構(gòu)可由三種測量方式來評價(jià)：擴(kuò)散層的結(jié)深、方塊電阻與 雜質(zhì)分布。下圖是在半導(dǎo)體內(nèi)磨以凹槽并用溶液腐蝕去除表面，溶液會 使p型區(qū)顏色暗，因而描繪出結(jié)深。 用磨槽和染色法測量結(jié)深 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 1919 若R0是磨槽所用工具的半徑，則可得結(jié)深： 2222 00j xRbRa 如果R0遠(yuǎn)小于a和b，則 22 0 2 j ab x R 如圖b所示，結(jié)深xj是雜質(zhì)濃度等于襯底濃度CB時(shí)所在的位置。 () jB C xC 如果結(jié)深和CB已知，則只要擴(kuò)散分布遵從“兩種分布”所推導(dǎo)的公式，表面濃度 Cs和雜質(zhì)分布就能計(jì)算出

13、來。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 2020 擴(kuò)散層的阻值可由“四探針法”來測量。薄層電阻值R和結(jié)深xj、載流子 遷移率及雜質(zhì)分布C（x）有關(guān)： 0 1 ( ) j x R qC x dx 對某一給定的擴(kuò)散分布，平均電阻率Rxj只和表面濃度Cs及該分布下的襯底 摻雜濃度有關(guān)。對余誤差或高斯等簡單分布來說，我們所想要的Cs和的關(guān)系已 被計(jì)算出來。要使用這些曲線，必須先確保擴(kuò)散分布和這些假定的分布一致。 擴(kuò)散分布也可由電容電壓關(guān)系法測得。當(dāng)雜質(zhì)完全電離時(shí)，雜質(zhì)分布等于多 數(shù)載流子分布而多數(shù)載流子分布可通過測量p-n結(jié)或肖特基二極管

14、的反偏電容與 外加電壓的關(guān)系確定。一個(gè)更為精確的方法為二次離子質(zhì)譜法（SIMS），可以 測量總的雜質(zhì)分布。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 2121 非本征擴(kuò)散非本征擴(kuò)散 前面討論對于恒定擴(kuò)散系數(shù)而言，只發(fā)生在摻雜濃度低于擴(kuò)散溫度下的 本征載流子濃度ni時(shí)。當(dāng)雜質(zhì)濃度大于ni時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)變得與濃度有關(guān)， 稱為非本征擴(kuò)散。非本征擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，同時(shí)擴(kuò)散或相繼擴(kuò)散的雜質(zhì)之間存 在著相互作用和協(xié)同效應(yīng)，使擴(kuò)散更為復(fù)雜。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 2222 與濃度有關(guān)的擴(kuò)

15、散與濃度有關(guān)的擴(kuò)散 當(dāng)基質(zhì)原子離開晶格位置而產(chǎn)生空位，依照空位的電荷數(shù)，可有中性空 位V0、受主空位V、雙電荷受主V2、施主空位V+等?？梢灶A(yù)期，某種 帶電狀態(tài)下的空位密度，有類似與載流子濃度的溫度相關(guān)性。 exp() Fi Vi EE CC kT 如果雜質(zhì)擴(kuò)散以空位擴(kuò)散為主，則D正比于空位密度。低摻雜濃度時(shí)， EFEi，空位密度等于Ci而與雜質(zhì)濃度無關(guān)。正比與Ci的D也將和雜質(zhì) 濃度無關(guān)。高摻雜濃度時(shí)，EF向?qū)У滓苿?dòng)，指數(shù)項(xiàng)大于1，這是CV增 大，進(jìn)而是D變大。如上圖的右側(cè)所示。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 2323 (

16、) s s C DD C 考慮擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，D可以寫成： Cs為表面濃度，Ds為表面擴(kuò)散系數(shù)，是用來描述與濃度有關(guān)的參數(shù)。 擴(kuò)散方程式為： () CFC D txxx 可將擴(kuò)散方程式寫成一常微分方程式并以數(shù)值法求解。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 2424 結(jié)深可以用下式表示 1.6,1 js xD tDC當(dāng)（ ） 2 1.1,2 js xD tDC當(dāng)（ ） 3 0.87,3 js xD tDC當(dāng)（ ） 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 2525 擴(kuò)散分布硅中的擴(kuò)散

17、擴(kuò)散分布硅中的擴(kuò)散 硅內(nèi)所測量到的D與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 B和As ，其1，曲線（c）所 示，非常陡峭。 Au和Pt，-2，曲線（d）所示， 呈一凹陷的形狀。 P，與V2有關(guān)，D隨C2而變化， 分布解決曲線（b）所示。但由于 離解效應(yīng)，擴(kuò)散分布將呈現(xiàn)出不 規(guī)則的形狀。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 2626 磷在不同表面濃度下，在 1000下擴(kuò)散1h后的分布 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 2727 在砷化鎵中的鋅擴(kuò)散在砷化鎵中的鋅擴(kuò)散 在砷化鎵中的擴(kuò)散會比在硅中要

18、來得復(fù)雜，因?yàn)殡s質(zhì)的擴(kuò)散包含砷和鎵 兩種晶格原子移動(dòng)?？瘴辉谏榛墧U(kuò)散過程中扮演了一個(gè)主要角色，因 為p型和n型雜質(zhì)最終必須進(jìn)駐晶格位置上，然而空位的荷電狀態(tài)迄今尚 未確定。 鋅是砷化鎵中最廣為使用的擴(kuò)散劑，它的D會隨C2而變化，所以擴(kuò)散分 布如下圖所示，是陡峭的。并注意即使是最低表面濃度的情況，擴(kuò)散型 態(tài)也屬于非本征擴(kuò)散。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 2828 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 2929 擴(kuò)散相關(guān)工藝橫向擴(kuò)散擴(kuò)散相關(guān)工藝橫向擴(kuò)散 一維擴(kuò)散方程基

19、本能描述擴(kuò)散工藝，但在掩蔽層的邊緣例外，因?yàn)樵谶?緣處雜質(zhì)會向下、向橫向擴(kuò)散。這時(shí)必須考慮二維的擴(kuò)散方程式，并使 用數(shù)值分析技術(shù)求得在不同初始與邊界條件下的擴(kuò)散分布。 顯示一恒定表面初始濃度條件下的輪廓線，并假設(shè)D與濃度無關(guān)。 垂直滲透約為2.8um 橫向滲透約為2.3um 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 3030 由于橫向擴(kuò)散作用，結(jié)包含了一個(gè)中央平面區(qū)及一個(gè)近似圓柱、曲率半 徑為rj的邊。此外，如果掩蔽層有尖銳的角，在這個(gè)角處的結(jié)將因橫向擴(kuò) 散而近似與圓球狀。既然電場強(qiáng)度在圓柱與圓球結(jié)處較強(qiáng)，則該處雪崩 擊穿電壓遠(yuǎn)低于有相同

20、襯底摻雜的平面結(jié)處。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 3131 氧化過程中雜質(zhì)的再分布氧化過程中雜質(zhì)的再分布 在熱氧化過程中，靠近硅表面的摻雜劑分布將會改變，這種再分布取決 于幾個(gè)因素。 一是兩個(gè)固體接觸在一起時(shí)，其中之一內(nèi)的雜質(zhì)會在此二者內(nèi)重新分布 達(dá)到平衡，此情形類似與融體生長晶體中的雜質(zhì)再分布。在硅內(nèi)的雜質(zhì) 平衡濃度對二氧化硅內(nèi)雜質(zhì)平衡濃度之比為分凝系數(shù)，定義為： k 在硅中的雜質(zhì)平衡濃度 雜二氧化硅中的雜質(zhì)平衡濃度 二是雜質(zhì)可能會快速地?cái)U(kuò)散穿過二氧化硅，逸入周圍空氣中，如果在二 氧化硅中雜質(zhì)擴(kuò)散速度很快，這個(gè)因素將會很重

21、要。 三是二氧化硅不斷增厚，故硅與二氧化硅間的邊界將會隨時(shí)間而深入硅 中，此邊界深入與雜質(zhì)穿過氧化層擴(kuò)散間的相對速率在決定再分布范圍 時(shí)很重要。 四種可能的再分布工藝列于下圖。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 3232 分為二類 1.氧化層吸收雜質(zhì)，k1 圖（c）和（d） 其結(jié)果是 1.吸收的發(fā)生表面雜質(zhì)耗盡 2.排斥的發(fā)生表面雜質(zhì)堆積 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 3333 注入離子的分布注入離子的分布 離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底硅的過程。

22、注入能 量介于1keV到1MeV之間，注入深度平均可達(dá)10nm10um，離子劑量變 動(dòng)范圍從用于閾值電壓調(diào)整的1012/cm3到形成絕緣層的1018/cm3。相 對于擴(kuò)散工藝，離子注入的主要好處在于能更準(zhǔn)確地控制雜質(zhì)摻雜、可 重復(fù)性和較低的工藝溫度。 高能的離子由于與襯底中電子和原子核的碰撞而失去能量，最后停在晶 格內(nèi)某一深度。平均深度由于調(diào)整加速能量來控制。雜質(zhì)劑量可由注入 時(shí)監(jiān)控離子電流來控制。主要副作用是離子碰撞引起的半導(dǎo)體晶格斷裂 或損傷。因此，后續(xù)的退化處理用來去除這些損傷。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 3434

23、中等電流離子注入機(jī)的示意圖 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 3535 離子分布離子分布 一個(gè)離子在停止前所經(jīng)過的總距離，稱為射程R。此距離在入射軸方向 上的投影稱為投影射程Rp。投影射程的統(tǒng)計(jì)漲落稱為投影偏差p。沿著 入射軸的垂直的方向上亦有一統(tǒng)計(jì)漲落，稱為橫向偏差。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 3636 下圖顯示了離子分布，沿著入射軸所注入的雜質(zhì)分布可以用一個(gè)高斯分 布函數(shù)來近似： 2 2 () ( )exp 22 p p p xR S n x 現(xiàn)代半導(dǎo)體器

24、件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 3737 S為單位面積的離子注入劑量，此式等同于恒定摻雜總量擴(kuò)散是的式。沿 x軸移動(dòng)了一個(gè)Rp。 2 ( , )exp() 4 Sx C x t DtDt 回憶公式 對擴(kuò)散，最大濃度為x0；對于離子注入，位于Rp處。在（xRp） p處，離子濃度比其峰值降低了40%。在2p處則將為10%。在 3p處為1%。在4p處將為0.001%。 沿著垂直于入射軸的方向上，其分布亦為高斯分布，可用 表示。因?yàn)檫@種形式的分布也會參數(shù)某些橫向注入。 2 2 exp() 2 y 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林

25、電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 3838 離子阻止離子阻止 是荷能離子進(jìn)入半導(dǎo)體襯底后靜止有兩種機(jī)制。 一是離子能量傳給襯底原子核，是入射離子偏轉(zhuǎn)，也使原子核從格點(diǎn)移 出。設(shè)E是離子位于其運(yùn)動(dòng)路徑上某點(diǎn)x處的能量，定義核阻止本領(lǐng)： ( )() nn dE SE dx 二是入射離子與襯底原子的電子云相互作用，通過庫侖作用，離子與電 子碰撞失去能量，電子則被激發(fā)至高能級或脫離原子。定義電子組織本 領(lǐng)： ( )() ee dE S E dx 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 3939 離子能量隨距離的平均損耗可由上述兩種阻

26、止機(jī)制的疊加而得： ( )( ) ne dE SES E dx 如果一個(gè)離子在停下來之前，所經(jīng)過的總距離為R，則 0 00 ( )( ) RE ne dE Rdx SES E E0為初始離子能量，R為射程。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 4040 核阻止過程可以看成是一個(gè)入射離子硬球與襯底核硬球之間的彈性碰撞 M1轉(zhuǎn)移給M2的能量為 2 12 220 12 41 2() M M M vE MM 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 4141 電子阻止本領(lǐng)與入射離子的速

27、度成正比： ( ) ne SEkE 其中系數(shù)ke是原子質(zhì)量和原子序數(shù)的弱相關(guān)函數(shù)。硅的ke值為107(eV)1/2/cm。 砷化鎵的ke值為3107(eV)1/2/cm 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 4242 硅中電子阻止本領(lǐng)如虛線所示，交叉能量點(diǎn)是Sn(E)=Se(E)。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 4343 一旦Sn(E)和Se(E)已知，可計(jì)算處射程范圍?？梢杂孟率鼋品匠淌絹?求得投影射程與投影偏差： 2 1 1 3 p R R M M 12 12

28、2 3 pp M M R MM 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 4444 As、B和P在Si和SiO2中的投 影射程 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 4545 As、B和P在Si和SiO2中的投 影偏差和橫向偏差 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 4646 H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs 中的投影射程 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻

29、雜 4747 H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs 中的投影偏差和橫向偏差 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 4848 離子注入的溝道效應(yīng)離子注入的溝道效應(yīng) 前述高斯分布的投影射程及投影的標(biāo)準(zhǔn)偏差能很好地說明非晶硅或小晶 粒多晶硅襯底的注入離子分布。只要離子束方向偏離低指數(shù)晶向， 硅和砷化鎵中的分布狀態(tài)就如在非晶半導(dǎo)體中一樣。在此情況下，靠近 峰值處的實(shí)際雜質(zhì)分布，可用“高斯分布函數(shù)”來表示，即使延伸到低 于峰值一至兩個(gè)數(shù)量級處也一樣，這表示在下圖中。然而即使只偏離 晶向7度，仍會有一個(gè)隨距離而成指數(shù)級exp(-x/)變化的尾區(qū)，

30、其 中的典型的數(shù)量級為0.1um。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 4949 襯底定位時(shí)有意偏離晶向情況下的 雜質(zhì)分布。離子束從軸偏離 7度入射。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 5050 指數(shù)型尾區(qū)與離子注入溝道效應(yīng)有關(guān)，當(dāng)入射離子對準(zhǔn)一個(gè)主要的晶向 并被導(dǎo)向在各排列晶體原子之間時(shí)，溝道效應(yīng)就會發(fā)生。 圖為沿方向觀測金剛石晶格的示意圖。離子沿方向入射，因?yàn)樗c 靶原子較遠(yuǎn)，使它在和核碰撞時(shí)不會損傷大量能量。對溝道離子來說，唯一的能 量損傷機(jī)制是電子阻止，因此溝道

31、離子的射程可以比在非晶硅靶中大得多。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 5151 離子進(jìn)入的角度及通道離子進(jìn)入的角度及通道 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 5252 溝道效應(yīng)降低的技巧： 1、覆蓋一層非晶體的表面層、將硅晶片轉(zhuǎn)向或在硅晶片表面制造一個(gè)損 傷的表層。常用的覆蓋層非晶體材料只是一層薄的氧化層圖(a)，此層 可使離子束的方向隨機(jī)化，使離子以不同角度進(jìn)入硅晶片而不直接進(jìn)入 硅晶體溝道。 2、將硅晶片偏離主平面5-10度，也能有防止離子進(jìn)入溝道的效果圖(b)

32、。 此方法大部分的注入機(jī)器將硅晶片傾斜7度并從平邊扭轉(zhuǎn)22度以防止溝道 效應(yīng)。 3、先注入大量硅或鍺原子以破壞硅晶片表面，可在硅晶片表面產(chǎn)生一個(gè) 隨機(jī)層圖(c)，這種方法需使用昂貴的離子注入機(jī)、 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 5353 離子注入 離子注入 離子注入 氧化層 晶格 晶格 晶格 損傷的 晶格 （a）經(jīng)過非晶體氧化層的注入（b）不對準(zhǔn)晶軸的入射（c）在單晶層上的預(yù)先損傷 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 5454 注入損傷與退火注入損傷與退火 離子注入中

33、，與原子核碰撞后轉(zhuǎn)移足夠的能量給晶格，使基質(zhì)原子離開 晶格位置而造成注入損傷（晶格無序）。這些離位的在也許獲得入射能 量的大部分，接著如骨牌效應(yīng)導(dǎo)致鄰近原子的相繼移位而形成一個(gè)沿著 離子路徑的樹枝狀的無序區(qū)。當(dāng)單位體積內(nèi)移位的原子數(shù)接近半導(dǎo)體的 原子密度時(shí)，單晶材料便成為非晶材料。 輕離子的樹枝狀的無序區(qū)不同于重離子。輕離子（11B+）大多數(shù)的能量 損傷起因于電子碰撞，這并不導(dǎo)致晶格損傷。離子的能量會減低至交叉 點(diǎn)能量，而在那里核阻止會成為主導(dǎo)。因此，晶格無序發(fā)生在離子最終 的位置附近。如下圖（a）所示。 重離子的能量損失主要是原子核碰撞，因此預(yù)期有大量的損傷。如下圖 （b）所示。 現(xiàn)代半導(dǎo)體

34、器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 5555 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 5656 要估計(jì)將單晶轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷Р牧纤璧哪芰?，可以利用一個(gè)判據(jù)，即認(rèn)為 注入量應(yīng)該與融化材料所需的能量密度（1021keV/cm3）在數(shù)量級上相 同。對于100keV的砷離子來說，形成非晶硅所需的劑量為： 213 13 0 10/ 6 10 p keV cm R S E 2 個(gè)離子/cm 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 5757 退火

35、退火 由于離子注入所造成的損傷區(qū)及畸形團(tuán)，是遷移率和壽命等半導(dǎo)體參數(shù) 受到影響。此外，大部分的離子在被注入時(shí)并不位于置換位置。為激活 被注入的離子并恢復(fù)遷移率與其它材料參數(shù)，必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間與溫度 下將半導(dǎo)體退火。 傳統(tǒng)退火爐使用類似熱氧化的整批式開放爐管系統(tǒng)。需要長時(shí)間和高溫 來消除注入損傷。但會造成大量雜質(zhì)擴(kuò)散而無法符合淺結(jié)及窄雜質(zhì)分布 的需求。 快速熱退火（RTA）是一種采用各種能源、退火時(shí)間范圍很寬（100s到 納秒）的退火工藝。RTA可以在最小的雜質(zhì)再分布情況下完全激活雜質(zhì)。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 5858

36、硼與磷的傳統(tǒng)退火硼與磷的傳統(tǒng)退火 退火的特性與摻雜種 類及所含劑量有關(guān) 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 5959 快速熱退火快速熱退火 一個(gè)具有瞬間光加熱的快速熱退火系統(tǒng) 反射器 燈 石英窗 氣體入口晶片 IR溫度計(jì) 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 6060 表為傳統(tǒng)爐管與RTA技術(shù)的比較。為獲得較短的工藝時(shí)間，需在溫度和 工藝的不均勻性、溫度測量與控制、硅晶片的應(yīng)力與產(chǎn)率間作取舍。 傳統(tǒng)爐管RTA 工藝整批單一芯片 爐管熱管壁冷管壁 加熱率低高 周期高低 溫控爐

37、管芯片 熱預(yù)算高低 粒子問題是最小 均勻度和可重復(fù)性高低 產(chǎn)率高低 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 6161 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 6262 注入相關(guān)工藝多次注入及掩蔽注入相關(guān)工藝多次注入及掩蔽 在許多應(yīng)用中，除了簡單的高斯分布外其他的雜質(zhì)分布也是需要的。例 如硅內(nèi)預(yù)先注入惰性離子，使表面變成非晶。此方法使雜質(zhì)分布能準(zhǔn)確 地控制，且近乎百分百的雜質(zhì)在低溫下激活。在此情況下，深層的非晶 體層是必須，為了得到這種區(qū)域，必須要做一些列不同能量與劑量的注 入（多

38、次注入）。 多次注入如下圖所示，用于形成一平坦的雜質(zhì)分布。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 6363 使用多次離子注入的合成摻雜分布 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 6464 2 exp 22 p d d pp xR S S 為了要在半導(dǎo)體襯底中預(yù)先選擇的區(qū)域里形成p-n結(jié)，注入時(shí)需要一層合 適的掩蔽層。此層要阻止一定比例的入射離子其最小厚度可從離子的射 程參數(shù)來求得。在某一深度d之后的注入量對回憶式積分可得： 2 2 () ( )exp 22 p p p xR S n