集成電路工藝擴(kuò)散離子注入失效分析

1、集成電路工藝擴(kuò)散離子注入失效分析 人為地將所需要的雜質(zhì)以一定的人為地將所需要的雜質(zhì)以一定的方式（熱擴(kuò)散、離子注入）摻方式（熱擴(kuò)散、離子注入）摻入到硅片表面薄層，并使其達(dá)入到硅片表面薄層，并使其達(dá)到規(guī)定的數(shù)量和符合要求的分到規(guī)定的數(shù)量和符合要求的分布形式。不僅可以制造布形式。不僅可以制造PN結(jié)，結(jié)，還可以制造電阻、歐姆接觸，還可以制造電阻、歐姆接觸，互連線等。和外延摻雜的最大互連線等。和外延摻雜的最大區(qū)別是實(shí)現(xiàn)區(qū)別是實(shí)現(xiàn)“定域定域”，而不是，而不是大面積的均勻摻雜。如圖所示。大面積的均勻摻雜。如圖所示。磷磷(P)、砷砷(As) N型硅型硅硼硼(B) P型硅型硅摻雜摻雜擴(kuò)散擴(kuò)散是一種物理想象，是因

2、為分子受到熱運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)而擴(kuò)散是一種物理想象，是因?yàn)榉肿邮艿綗徇\(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)而使物質(zhì)由濃度高的地方移向濃度低的地方。擴(kuò)散可以發(fā)使物質(zhì)由濃度高的地方移向濃度低的地方。擴(kuò)散可以發(fā)生在任何時(shí)間和任何地方。如香水在空氣中擴(kuò)散；糖，生在任何時(shí)間和任何地方。如香水在空氣中擴(kuò)散；糖，鹽在溶液中擴(kuò)散。鹽在溶液中擴(kuò)散。擴(kuò)散的發(fā)生需要兩個(gè)必要的條件擴(kuò)散的發(fā)生需要兩個(gè)必要的條件：濃度差；過程所必：濃度差；過程所必須的能量。須的能量。 摻雜工藝摻雜工藝: :熱擴(kuò)散法摻雜熱擴(kuò)散法摻雜（diffusion） 離子注入法摻雜離子注入法摻雜(ion implant) （1）熱擴(kuò)散法摻雜熱擴(kuò)散法摻雜 熱擴(kuò)散是最早使用也是最簡(jiǎn)單的摻熱

3、擴(kuò)散是最早使用也是最簡(jiǎn)單的摻雜工藝，主要用于雜工藝，主要用于Si Si工藝工藝。 利用原子在高溫下的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使利用原子在高溫下的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使雜質(zhì)原子從濃度很高的雜質(zhì)源向硅中擴(kuò)雜質(zhì)原子從濃度很高的雜質(zhì)源向硅中擴(kuò)散并形成一定的分布散并形成一定的分布。 熱擴(kuò)散步驟熱擴(kuò)散步驟 熱擴(kuò)散通常熱擴(kuò)散通常分三個(gè)步驟分三個(gè)步驟進(jìn)行進(jìn)行： -預(yù)淀積預(yù)淀積（predeposition） 也稱 預(yù)擴(kuò)散預(yù)擴(kuò)散 -推進(jìn)推進(jìn)（drive in） 也稱 主擴(kuò)散主擴(kuò)散 -激活激活（activation） 預(yù)淀積（預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）預(yù)擴(kuò)散） 預(yù)淀積預(yù)淀積:溫度低溫度低(爐溫通常設(shè)為爐溫通常設(shè)為800到到1100),時(shí)間短時(shí)間短,

4、因而擴(kuò)散的很淺因而擴(kuò)散的很淺,可以認(rèn)為雜質(zhì)淀積在一薄層內(nèi)?？梢哉J(rèn)為雜質(zhì)淀積在一薄層內(nèi)。目的是為了控制雜質(zhì)總量目的是為了控制雜質(zhì)總量 即形成一層較薄但具有較高濃度的雜質(zhì)層。即形成一層較薄但具有較高濃度的雜質(zhì)層。 預(yù)淀積為整個(gè)擴(kuò)散過程建立了濃度梯度。表面的雜質(zhì)濃度最高預(yù)淀積為整個(gè)擴(kuò)散過程建立了濃度梯度。表面的雜質(zhì)濃度最高,并隨著深度的增加而減小并隨著深度的增加而減小,從而形成梯度從而形成梯度 在擴(kuò)散過程中，硅片表面雜質(zhì)濃始終不變?cè)跀U(kuò)散過程中，硅片表面雜質(zhì)濃始終不變,因此這是一因此這是一種恒定表面源的擴(kuò)散過程。種恒定表面源的擴(kuò)散過程。 推進(jìn)（推進(jìn)（主擴(kuò)散）主擴(kuò)散） 推進(jìn)推進(jìn)是利用預(yù)淀積所形成的表面雜

5、質(zhì)層做雜質(zhì)源，在高是利用預(yù)淀積所形成的表面雜質(zhì)層做雜質(zhì)源，在高溫下（爐溫在溫下（爐溫在1000到到1250）將這層雜質(zhì)向硅體內(nèi)擴(kuò)散。）將這層雜質(zhì)向硅體內(nèi)擴(kuò)散。目的為了控制表面濃度和擴(kuò)散深度目的為了控制表面濃度和擴(kuò)散深度 通常推進(jìn)的時(shí)間較長，推進(jìn)是限定表面源擴(kuò)散過程。通常推進(jìn)的時(shí)間較長，推進(jìn)是限定表面源擴(kuò)散過程。 激活稍微升高溫度，使雜質(zhì)原子與晶格中的稍微升高溫度，使雜質(zhì)原子與晶格中的硅原子鍵合。此過程激活了雜質(zhì)原子，硅原子鍵合。此過程激活了雜質(zhì)原子，改變了硅的電導(dǎo)率。改變了硅的電導(dǎo)率。二維擴(kuò)散（橫向擴(kuò)散）二維擴(kuò)散（橫向擴(kuò)散）一般橫向擴(kuò)散一般橫向擴(kuò)散(0.750.85)*Xj(Xj縱向結(jié)深縱向結(jié)

6、深)Xj0.750.85Xj橫向擴(kuò)散橫向擴(kuò)散（2 2）離子注入法摻雜）離子注入法摻雜 離子注入摻雜離子注入摻雜分為 兩個(gè)步驟兩個(gè)步驟： -離子注入離子注入 -退火再分布退火再分布。離子注入離子注入 在在離子注入離子注入中，中，電離的雜質(zhì)離子經(jīng)靜電場(chǎng)加電離的雜質(zhì)離子經(jīng)靜電場(chǎng)加速打到晶圓表面。在摻雜窗口處，雜質(zhì)離子被注速打到晶圓表面。在摻雜窗口處，雜質(zhì)離子被注入裸露的半導(dǎo)體本體入裸露的半導(dǎo)體本體，在其它部位雜質(zhì)離子則被在其它部位雜質(zhì)離子則被半導(dǎo)體上面的保護(hù)層屏蔽。半導(dǎo)體上面的保護(hù)層屏蔽。 通過測(cè)量離子電流可嚴(yán)格控制劑量。通過測(cè)量離子電流可嚴(yán)格控制劑量。 通過控制靜電場(chǎng)可以控制雜質(zhì)離子的穿透深度。通

7、過控制靜電場(chǎng)可以控制雜質(zhì)離子的穿透深度。退火處理退火處理 通常，通常，離子注入的深度較淺且濃度較離子注入的深度較淺且濃度較大，必須使它們重新分布大，必須使它們重新分布。同時(shí)由于高能粒。同時(shí)由于高能粒子的撞擊，導(dǎo)致硅結(jié)構(gòu)的晶格發(fā)生損傷。子的撞擊，導(dǎo)致硅結(jié)構(gòu)的晶格發(fā)生損傷。 為恢復(fù)晶格損傷，為恢復(fù)晶格損傷，在離子注入后要進(jìn)行退在離子注入后要進(jìn)行退火處理?；鹛幚?。在退火的同時(shí)，摻入的雜質(zhì)同時(shí)向半在退火的同時(shí)，摻入的雜質(zhì)同時(shí)向半導(dǎo)體體內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)體體內(nèi)進(jìn)行再分布再分布。 替位式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位置替位式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位置4.1 擴(kuò)散原理及模型擴(kuò)散原理及模型4.1.1 擴(kuò)散分類擴(kuò)散分類

8、、族元素族元素一般要在很高的溫度一般要在很高的溫度(9501280)下進(jìn)行下進(jìn)行磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴(kuò)散系數(shù)均遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散系數(shù)，磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴(kuò)散系數(shù)均遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散系數(shù)，可以利用氧化層作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽層可以利用氧化層作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽層間隙式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子位于晶格間隙間隙式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子位于晶格間隙Na、K、Fe、Cu、Au 等元素等元素?cái)U(kuò)散系數(shù)要比替位式擴(kuò)散大擴(kuò)散系數(shù)要比替位式擴(kuò)散大67個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)間隙式擴(kuò)散原子的激活能量要比替位擴(kuò)散小間隙式擴(kuò)散原子的激活能量要比替位擴(kuò)散小絕對(duì)不許用手摸硅片絕對(duì)不許用手摸硅片防止防止Na+沾污沾污現(xiàn)今流行的是替位擴(kuò)散現(xiàn)

9、今流行的是替位擴(kuò)散4.1.2 擴(kuò)散模型擴(kuò)散模型1.恒定表面源擴(kuò)散：恒定源擴(kuò)散過程恒定表面源擴(kuò)散：恒定源擴(kuò)散過程 實(shí)際是預(yù)淀積過程實(shí)際是預(yù)淀積過程2.有限源擴(kuò)散：有限源擴(kuò)散： 有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散 實(shí)際上是雜質(zhì)的再分布（驅(qū)入）實(shí)際上是雜質(zhì)的再分布（驅(qū)入） 擴(kuò)散過程中，硅片表面雜質(zhì)濃度始終不變這種擴(kuò)散過程中，硅片表面雜質(zhì)濃度始終不變這種類型的擴(kuò)散稱為恒定表面源擴(kuò)散。類型的擴(kuò)散稱為恒定表面源擴(kuò)散。1. 恒定表面源擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散其擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布為余誤差函數(shù)分布其擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布為余誤差函數(shù)分布通常硼和磷的預(yù)淀積、隱埋擴(kuò)散、隔離擴(kuò)散的預(yù)淀積屬于此類通常硼和磷的預(yù)淀積、隱埋擴(kuò)散、隔離擴(kuò)散

10、的預(yù)淀積屬于此類 擴(kuò)散前在硅片表面先淀積一層雜質(zhì)，在整擴(kuò)散前在硅片表面先淀積一層雜質(zhì)，在整個(gè)過程中，這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散源，不再有新個(gè)過程中，這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散源，不再有新源補(bǔ)充，雜質(zhì)總量不再變化。這種類型的擴(kuò)源補(bǔ)充，雜質(zhì)總量不再變化。這種類型的擴(kuò)散稱為有限表面源擴(kuò)散散稱為有限表面源擴(kuò)散其擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布為高斯函數(shù)分布其擴(kuò)散后雜質(zhì)濃度分布為高斯函數(shù)分布2. 有限表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散一、液態(tài)源擴(kuò)散一、液態(tài)源擴(kuò)散 二、固態(tài)源擴(kuò)散二、固態(tài)源擴(kuò)散 三、三、 箱法擴(kuò)散：箱法擴(kuò)散：四、固固擴(kuò)散四、固固擴(kuò)散 4.2 擴(kuò)散方法擴(kuò)散方法4.2.1. 液態(tài)源擴(kuò)散液態(tài)源擴(kuò)散是指雜質(zhì)源為液態(tài)，保護(hù)性液態(tài)源擴(kuò)散是指雜質(zhì)

11、源為液態(tài)，保護(hù)性氣體把雜質(zhì)源蒸汽攜帶入石英管內(nèi)，雜氣體把雜質(zhì)源蒸汽攜帶入石英管內(nèi)，雜質(zhì)在高溫下分解，并與襯底表面的硅原質(zhì)在高溫下分解，并與襯底表面的硅原子發(fā)生反應(yīng)，然后以原子的形式進(jìn)入硅子發(fā)生反應(yīng)，然后以原子的形式進(jìn)入硅片內(nèi)部，從而形成片內(nèi)部，從而形成PN結(jié)。結(jié)。雜質(zhì)源為硼酸三甲酯，硼酸三丙酯，三溴化硼雜質(zhì)源為硼酸三甲酯，硼酸三丙酯，三溴化硼硼酸三甲酯在硼酸三甲酯在500以上分解以上分解B(OCH3)3B2O3+CO2+H2O+三氧化二硼在三氧化二硼在900 左右與硅反應(yīng)生成硼原子，左右與硅反應(yīng)生成硼原子，淀積在硅片表面淀積在硅片表面2B2O3 3Si3SiO2+4B1.1.液態(tài)源硼擴(kuò)散液態(tài)源

12、硼擴(kuò)散液態(tài)源擴(kuò)散常用液態(tài)源擴(kuò)散常用POCl3，在氮?dú)鈹y帶下在氮?dú)鈹y帶下（加入少量氧氣），把雜質(zhì)源通入石英管內(nèi)（加入少量氧氣），把雜質(zhì)源通入石英管內(nèi)4POCl3 3O2 =2P2O5 6Cl22P2O5 5Si =5Si O24P 2.2.液態(tài)源磷擴(kuò)散液態(tài)源磷擴(kuò)散影響擴(kuò)散參量的因素影響擴(kuò)散參量的因素源的溫度源的溫度擴(kuò)散溫度和時(shí)間擴(kuò)散溫度和時(shí)間氣體流量氣體流量4.2.2 固態(tài)源擴(kuò)散固態(tài)源擴(kuò)散4.2.3箱法擴(kuò)散箱法擴(kuò)散把待擴(kuò)散的硅片和雜質(zhì)源放在具有一定密把待擴(kuò)散的硅片和雜質(zhì)源放在具有一定密封性的箱內(nèi)，在高溫下，雜質(zhì)源揮發(fā)出雜封性的箱內(nèi)，在高溫下，雜質(zhì)源揮發(fā)出雜質(zhì)蒸汽充滿箱內(nèi)空間，同時(shí)向硅中擴(kuò)散。質(zhì)蒸

13、汽充滿箱內(nèi)空間，同時(shí)向硅中擴(kuò)散。4.2.4 固固擴(kuò)散固固擴(kuò)散 利用硅片表面含硼或磷的氧化層做為雜質(zhì)源向利用硅片表面含硼或磷的氧化層做為雜質(zhì)源向硅片內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散。分為兩個(gè)步驟硅片內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散。分為兩個(gè)步驟 低溫淀積摻雜氧化層低溫淀積摻雜氧化層 氧化層再分布氧化層再分布4.3 擴(kuò)散層參數(shù)測(cè)量和質(zhì)量分析擴(kuò)散層參數(shù)測(cè)量和質(zhì)量分析擴(kuò)散參數(shù)測(cè)量主要指擴(kuò)散薄層電阻、擴(kuò)散結(jié)深的測(cè)量擴(kuò)散參數(shù)測(cè)量主要指擴(kuò)散薄層電阻、擴(kuò)散結(jié)深的測(cè)量 1.方塊電阻定義：如果擴(kuò)散薄層為一正方形，其長度（邊長）都方塊電阻定義：如果擴(kuò)散薄層為一正方形，其長度（邊長）都等于等于L,厚度就是擴(kuò)散薄層的深度（結(jié)深），在單位方塊中，厚度就是擴(kuò)散薄層的

14、深度（結(jié)深），在單位方塊中，電流從一側(cè)面流向另一側(cè)面所呈現(xiàn)的電阻值，就稱為薄層電流從一側(cè)面流向另一側(cè)面所呈現(xiàn)的電阻值，就稱為薄層電阻，又稱電阻，又稱方塊電阻，單位是方塊電阻，單位是 / / 4.3.1 擴(kuò)散薄層電阻擴(kuò)散薄層電阻又稱方塊電阻，數(shù)值反應(yīng)出硅中所摻雜質(zhì)總量。又稱方塊電阻，數(shù)值反應(yīng)出硅中所摻雜質(zhì)總量。 故擴(kuò)散結(jié)束后要測(cè)量此參數(shù)故擴(kuò)散結(jié)束后要測(cè)量此參數(shù)指一個(gè)正方形的薄膜導(dǎo)電材料邊到邊指一個(gè)正方形的薄膜導(dǎo)電材料邊到邊“之之”間的電阻，如圖所示間的電阻，如圖所示根據(jù)根據(jù)R RL/SL/S，得得R RS S= L/Lx= L/Lxj j= /x= /xj j 方塊電阻與方塊的尺寸無關(guān)方塊電阻與

15、方塊的尺寸無關(guān), ,僅與擴(kuò)散結(jié)深僅與擴(kuò)散結(jié)深( (擴(kuò)散薄層的擴(kuò)散薄層的深度深度: :擴(kuò)散形成的擴(kuò)散形成的pnpn結(jié)的深度結(jié)的深度) )x xj j及雜質(zhì)濃度有關(guān)及雜質(zhì)濃度有關(guān)方塊電阻越小方塊電阻越小, ,摻雜的雜質(zhì)總量越大摻雜的雜質(zhì)總量越大; ;方塊電阻越大方塊電阻越大, ,摻雜的雜質(zhì)總量越小摻雜的雜質(zhì)總量越小2.2.方塊電阻測(cè)量方塊電阻測(cè)量四探針法測(cè)量原理圖四探針法測(cè)量原理圖 當(dāng)、四根金屬當(dāng)、四根金屬探針排成一直線時(shí)，并以一定探針排成一直線時(shí)，并以一定壓力壓在半導(dǎo)體材料上，在、壓力壓在半導(dǎo)體材料上，在、兩處探針間通過電流兩處探針間通過電流I，則則、探針間產(chǎn)生電位差、探針間產(chǎn)生電位差V。 一般

16、用四探針法測(cè)出方塊電阻一般用四探針法測(cè)出方塊電阻Rs (sheet Resistance),通過它可判斷擴(kuò)散濃度的大小。通過它可判斷擴(kuò)散濃度的大小。材料電阻率材料電阻率式中：式中：S1、S2、S3分別為探針與，與，與之間距，分別為探針與，與，與之間距，用用cm為單位時(shí)的值為單位時(shí)的值若電流取若電流取I = C 時(shí)，則時(shí)，則V，可由數(shù)字電壓表直接讀出?？捎蓴?shù)字電壓表直接讀出。探針系數(shù)探針系數(shù) （可由表查得）（可由表查得）(1)(2)4.3.2 結(jié)深結(jié)深(xj)計(jì)算和測(cè)量計(jì)算和測(cè)量擴(kuò)散結(jié)深是一個(gè)重要指標(biāo)擴(kuò)散結(jié)深是一個(gè)重要指標(biāo),可以計(jì)算可以計(jì)算,也可以測(cè)量也可以測(cè)量1.結(jié)深的計(jì)算結(jié)深的計(jì)算決定擴(kuò)散結(jié)

17、深的因素共有4個(gè)： 1、襯底雜質(zhì)濃度、襯底雜質(zhì)濃度NB 2、表面雜質(zhì)濃度表面雜質(zhì)濃度Ns 3、擴(kuò)散時(shí)間擴(kuò)散時(shí)間t 4、擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)D恒定源擴(kuò)散恒定源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散2. 結(jié)深測(cè)量結(jié)深測(cè)量(略略)磨角法磨角法滾槽法滾槽法4.3.3擴(kuò)散中常見質(zhì)量問題擴(kuò)散中常見質(zhì)量問題1.擴(kuò)散的均勻性和重復(fù)性擴(kuò)散的均勻性和重復(fù)性（1 1）均勻性）均勻性 同一批號(hào)的器件（同一爐擴(kuò)散出來），方同一批號(hào)的器件（同一爐擴(kuò)散出來），方塊電阻差別很大塊電阻差別很大產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 第一：襯底材料本身存在差異第一：襯底材料本身存在差異 如果同一批外延片中存在電如果同一批外延片中存在電阻率和厚度不均勻阻率和厚度不均勻,

18、那么擴(kuò)散時(shí)那么擴(kuò)散時(shí),方塊電阻和雜質(zhì)濃度肯定會(huì)方塊電阻和雜質(zhì)濃度肯定會(huì)有不同有不同 第二第二: : 恒溫區(qū)有變化恒溫區(qū)有變化( (或太短或太短) ) 這樣會(huì)使各處溫度有這樣會(huì)使各處溫度有差別差別, ,從而造成擴(kuò)散結(jié)果不均勻從而造成擴(kuò)散結(jié)果不均勻 第三第三: : 雜質(zhì)蒸汽壓的影響雜質(zhì)蒸汽壓的影響 石英舟上各處雜質(zhì)蒸氣壓不均石英舟上各處雜質(zhì)蒸氣壓不均勻勻, ,也會(huì)使擴(kuò)散結(jié)果不均勻也會(huì)使擴(kuò)散結(jié)果不均勻 均勻性均勻性 重復(fù)性重復(fù)性 反向擊穿電壓?jiǎn)栴}反向擊穿電壓?jiǎn)栴}（2 2）重復(fù)性）重復(fù)性 同一工藝條件下同一工藝條件下, ,每一爐的擴(kuò)散結(jié)果有每一爐的擴(kuò)散結(jié)果有 差別差別. .這是由于各次的工藝條件存在一

19、些起伏而引起的這是由于各次的工藝條件存在一些起伏而引起的例如剛清洗的石英管和使用久的石英管例如剛清洗的石英管和使用久的石英管, ,源溫源溫, ,流量流量, ,材料材料, ,擴(kuò)散溫度等的起伏都會(huì)影響擴(kuò)散擴(kuò)散溫度等的起伏都會(huì)影響擴(kuò)散的重復(fù)性的重復(fù)性2.反向擊穿電壓反向擊穿電壓擴(kuò)散之后形成擴(kuò)散之后形成PN結(jié)結(jié),可以測(cè)量其反向擊穿電壓可以測(cè)量其反向擊穿電壓來判斷擴(kuò)散層的質(zhì)量來判斷擴(kuò)散層的質(zhì)量分類分類: :軟擊穿軟擊穿,低電擊穿低電擊穿,二次擊穿二次擊穿,靠背椅擊穿靠背椅擊穿(1).軟擊穿軟擊穿 特點(diǎn)：無明顯拐點(diǎn)特點(diǎn)：無明顯拐點(diǎn),隨著電壓上升隨著電壓上升,電流也上升電流也上升.原因：與原因：與P-N結(jié)附

20、近的表面狀態(tài)、晶格缺陷以結(jié)附近的表面狀態(tài)、晶格缺陷以及結(jié)附近的雜質(zhì)濃度等有關(guān)。及結(jié)附近的雜質(zhì)濃度等有關(guān)。解決辦法：加強(qiáng)工藝衛(wèi)生，減少表面態(tài)密度，解決辦法：加強(qiáng)工藝衛(wèi)生，減少表面態(tài)密度，提高氧化層質(zhì)量來提高提高氧化層質(zhì)量來提高PN結(jié)擊穿特性結(jié)擊穿特性（2 2）低電擊穿）低電擊穿特點(diǎn)：擊穿電壓比正常的低，但曲線有明顯拐點(diǎn)，屬于硬特點(diǎn)：擊穿電壓比正常的低，但曲線有明顯拐點(diǎn)，屬于硬擊穿擊穿原因：原因：PNPN結(jié)局部電阻低，基區(qū)寬度過窄，擴(kuò)散層上有合金結(jié)局部電阻低，基區(qū)寬度過窄，擴(kuò)散層上有合金點(diǎn)，外延層的層錯(cuò)和位錯(cuò)密度較高點(diǎn)，外延層的層錯(cuò)和位錯(cuò)密度較高解決辦法：從材料著手，主要是電阻率，材料厚度，解決辦

21、法：從材料著手，主要是電阻率，材料厚度，位錯(cuò)和層錯(cuò)密度等。位錯(cuò)和層錯(cuò)密度等。（3 3）二次擊穿）二次擊穿特點(diǎn)：在低電壓下有一個(gè)擊穿點(diǎn)，但是沒有徹底擊穿，特點(diǎn)：在低電壓下有一個(gè)擊穿點(diǎn)，但是沒有徹底擊穿，隨著電壓升高，到某一點(diǎn)再次發(fā)生擊穿，電流急劇增加，隨著電壓升高，到某一點(diǎn)再次發(fā)生擊穿，電流急劇增加，即二次擊穿，也叫二段擊穿。即二次擊穿，也叫二段擊穿。原因：光刻圖形邊緣不整齊，擴(kuò)散層表面有較多合原因：光刻圖形邊緣不整齊，擴(kuò)散層表面有較多合金點(diǎn)，造成擴(kuò)散后金點(diǎn)，造成擴(kuò)散后PNPN結(jié)不平整，出現(xiàn)尖峰。結(jié)不平整，出現(xiàn)尖峰。解決辦法：提高光刻和制版的質(zhì)量，加強(qiáng)工藝衛(wèi)生，防解決辦法：提高光刻和制版的質(zhì)量，

22、加強(qiáng)工藝衛(wèi)生，防止塵埃雜質(zhì)沾污，控制好擴(kuò)散溫度和雜質(zhì)蒸氣壓，避免止塵埃雜質(zhì)沾污，控制好擴(kuò)散溫度和雜質(zhì)蒸氣壓，避免產(chǎn)生合金點(diǎn)和破壞點(diǎn)。產(chǎn)生合金點(diǎn)和破壞點(diǎn)。（4）靠背椅擊穿）靠背椅擊穿特點(diǎn)：剛一開始電流隨電壓增高迅速增大，特點(diǎn)：剛一開始電流隨電壓增高迅速增大，隨后達(dá)到飽和度，最后出現(xiàn)擊穿。隨后達(dá)到飽和度，最后出現(xiàn)擊穿。原因：原因：SiSiO2界面的硅一側(cè)存在表面溝道界面的硅一側(cè)存在表面溝道所造成的。所造成的。解決辦法：盡量減少鈉離子沾污。盡量采用解決辦法：盡量減少鈉離子沾污。盡量采用低電阻率材料并確保工藝衛(wèi)生。低電阻率材料并確保工藝衛(wèi)生。補(bǔ)充：擴(kuò)補(bǔ)充：擴(kuò) 散散 工工 藝藝完成擴(kuò)散過程所需的步驟：完

23、成擴(kuò)散過程所需的步驟：1.進(jìn)行質(zhì)量測(cè)試以保證工具滿足生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)行質(zhì)量測(cè)試以保證工具滿足生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；2.驗(yàn)證硅片特性；驗(yàn)證硅片特性；3.下載包含所需的擴(kuò)散參數(shù)的工藝菜單；下載包含所需的擴(kuò)散參數(shù)的工藝菜單；4.開啟擴(kuò)散爐開啟擴(kuò)散爐5.清洗硅片并浸泡氫氟酸，去除自然氧化層；清洗硅片并浸泡氫氟酸，去除自然氧化層；6.預(yù)淀積：把硅片裝入擴(kuò)散爐，擴(kuò)散雜質(zhì)；預(yù)淀積：把硅片裝入擴(kuò)散爐，擴(kuò)散雜質(zhì)；7.推進(jìn)：升高爐溫，推進(jìn)并激活雜質(zhì)，然后撤除硅片；推進(jìn)：升高爐溫，推進(jìn)并激活雜質(zhì)，然后撤除硅片；8.測(cè)量、評(píng)價(jià)、記錄結(jié)深和電阻。測(cè)量、評(píng)價(jià)、記錄結(jié)深和電阻。補(bǔ)充：對(duì)擴(kuò)散系統(tǒng)的要求補(bǔ)充：對(duì)擴(kuò)散系統(tǒng)的要求表面濃度可

24、在寬的范圍內(nèi)控制，直到固溶度表面濃度可在寬的范圍內(nèi)控制，直到固溶度（在一定溫度下，硅能夠吸收的雜質(zhì)總量）（在一定溫度下，硅能夠吸收的雜質(zhì)總量）重復(fù)性好，可控重復(fù)性好，可控均勻性好均勻性好少沾污少沾污可處理大批量硅片可處理大批量硅片補(bǔ)充：擴(kuò)散源的選擇補(bǔ)充：擴(kuò)散源的選擇氣相擴(kuò)散氣相擴(kuò)散固體源固體源 液體源液體源氣體源氣體源固固擴(kuò)散固固擴(kuò)散 PSG/SiPSG/Si擴(kuò)散常用雜質(zhì)源擴(kuò)散常用雜質(zhì)源SEMATECH “Diffusion Processes,” Furnace Processes and Related Topics, (Austin, TX: SEMATECH, 1994), P. 7.

25、Table 17.4 氧化擴(kuò)散爐氧化擴(kuò)散爐擴(kuò)散爐中的硅片擴(kuò)散爐中的硅片用裝片機(jī)將硅片裝載到石英舟上用裝片機(jī)將硅片裝載到石英舟上擴(kuò)散制程的缺點(diǎn)擴(kuò)散制程的缺點(diǎn)它不能很好的控制摻雜濃度和結(jié)面深度。它不能很好的控制摻雜濃度和結(jié)面深度。由于擴(kuò)散是一種等向過程，因此摻雜物由于擴(kuò)散是一種等向過程，因此摻雜物總是會(huì)擴(kuò)散到遮蔽氧化層底下的部分，總是會(huì)擴(kuò)散到遮蔽氧化層底下的部分，即產(chǎn)生橫向擴(kuò)散。當(dāng)使用較小的圖形尺即產(chǎn)生橫向擴(kuò)散。當(dāng)使用較小的圖形尺寸時(shí)，擴(kuò)散摻雜會(huì)造成相鄰接面短路。寸時(shí)，擴(kuò)散摻雜會(huì)造成相鄰接面短路。因此，當(dāng)離子注入法在因此，當(dāng)離子注入法在70年代中期被引年代中期被引入后，迅速的取代了擴(kuò)散制程。入后，

26、迅速的取代了擴(kuò)散制程。 什么是離子注入什么是離子注入v將某種元素的原子經(jīng)離將某種元素的原子經(jīng)離化變成帶電的離子化變成帶電的離子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) 4.4 4.4 離子注入離子注入(Ion Implantation)4.4.1 4.4.1 離子注入技術(shù)優(yōu)點(diǎn)離子注入技術(shù)優(yōu)點(diǎn)離子注入技術(shù)離子注入技術(shù)主要有以下幾方面的主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： （1）注入的離子是通過質(zhì)量分析器選取出來的，被選取的離子純度注入的離子是通過質(zhì)量分析器選取出來的，被

27、選取的離子純度高，能量單一，從而高，能量單一，從而保證了摻雜純度不受雜質(zhì)源純度的影響即摻雜保證了摻雜純度不受雜質(zhì)源純度的影響即摻雜純度高純度高。 （2）注入劑量在注入劑量在1011一一1017離子離子cm2的較寬范圍內(nèi)，同一平面內(nèi)的的較寬范圍內(nèi)，同一平面內(nèi)的雜雜質(zhì)均勻度可保證在質(zhì)均勻度可保證在1 1的精度的精度。大面積均勻摻雜大面積均勻摻雜（3）離子注入時(shí)，襯底一般是保持在室溫或低于離子注入時(shí)，襯底一般是保持在室溫或低于400。因此，像。因此，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。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

28、術(shù)給予更大的靈活性對(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，這是熱擴(kuò)散方法根本做不到的。方法根本做不到的。離子注入技術(shù)優(yōu)點(diǎn)離子注入技術(shù)優(yōu)點(diǎn)（4）離子注入深度離子注入深度是隨離子能量的增加而增加。是隨離子能量的增加而增加。 可精確控制摻雜濃度和深度可精確控制摻雜濃度和深度 （5）離子注入是一個(gè)非平衡過程，不受雜質(zhì)在襯底材離子注入是一個(gè)非平衡過程，不受雜質(zhì)在襯底材料中溶解度的限制，原則上對(duì)各種元素均可摻雜，這料中溶解度的限制，原則上對(duì)各種元素均可摻雜，這就就使摻雜工藝靈活多樣，適應(yīng)性強(qiáng)使摻雜工藝靈活多樣，適應(yīng)性強(qiáng)。根據(jù)需要可從幾。根據(jù)需要可從幾十種元素中挑選合適的十種元素中挑選合適

29、的N型或型或P型雜質(zhì)進(jìn)行摻雜。型雜質(zhì)進(jìn)行摻雜。能容能容易地?fù)饺攵喾N雜質(zhì)易地?fù)饺攵喾N雜質(zhì)（6）離子注入時(shí)的襯底離子注入時(shí)的襯底溫度較低（小于溫度較低（小于600 600 ），這，這樣就可以樣就可以避免高溫?cái)U(kuò)散所引起的熱缺陷避免高溫?cái)U(kuò)散所引起的熱缺陷。同時(shí)。同時(shí)橫向橫向效應(yīng)比熱擴(kuò)散小得多。效應(yīng)比熱擴(kuò)散小得多。（7 7）容易實(shí)現(xiàn)化合物半導(dǎo)體的摻雜。容易實(shí)現(xiàn)化合物半導(dǎo)體的摻雜。 離子注入的局限離子注入的局限 q有注入損失，會(huì)產(chǎn)生缺陷，甚至非晶層，必須經(jīng)有注入損失，會(huì)產(chǎn)生缺陷，甚至非晶層，必須經(jīng)高溫退火加以改進(jìn)高溫退火加以改進(jìn)q產(chǎn)量較小產(chǎn)量較小q設(shè)備復(fù)雜，成本較高設(shè)備復(fù)雜，成本較高q有不安全因素有不安全

30、因素(如高壓、有毒氣體如高壓、有毒氣體)q會(huì)引入沾污會(huì)引入沾污4.4.2 離子注入原理離子注入原理 在離子注入的設(shè)備中，用在離子注入的設(shè)備中，用“等離子體發(fā)生器等離子體發(fā)生器” 來制造工藝所要注入的離子。來制造工藝所要注入的離子。 因?yàn)殡x子帶電荷，可以用加速場(chǎng)進(jìn)行加速，因?yàn)殡x子帶電荷，可以用加速場(chǎng)進(jìn)行加速，并且借助于磁場(chǎng)來改變離子的運(yùn)動(dòng)方向。并且借助于磁場(chǎng)來改變離子的運(yùn)動(dòng)方向。 當(dāng)具有高能量的離子注入到固體靶面以后，當(dāng)具有高能量的離子注入到固體靶面以后，這些高能粒子將與固體靶面的原子與電子進(jìn)這些高能粒子將與固體靶面的原子與電子進(jìn)行多次碰撞，這些碰撞將逐步削弱粒子的能行多次碰撞，這些碰撞將逐步削

31、弱粒子的能量，最后由于能量消失而停止運(yùn)動(dòng)，形成一量，最后由于能量消失而停止運(yùn)動(dòng)，形成一定的雜質(zhì)分布。定的雜質(zhì)分布。離子在硅體內(nèi)的注入深度和分布狀態(tài)與射入離子在硅體內(nèi)的注入深度和分布狀態(tài)與射入時(shí)所加的電場(chǎng)強(qiáng)度、離子劑量、襯底晶向等時(shí)所加的電場(chǎng)強(qiáng)度、離子劑量、襯底晶向等有關(guān)有關(guān)通常，在離子劑量和轟擊次數(shù)一致的前提通常，在離子劑量和轟擊次數(shù)一致的前提下，注入的深度將隨電場(chǎng)的強(qiáng)度增加而增下，注入的深度將隨電場(chǎng)的強(qiáng)度增加而增加。用離子注入法形成的分布，其濃度最加。用離子注入法形成的分布，其濃度最大值不在硅片表面，而是在深入硅體一定大值不在硅片表面，而是在深入硅體一定距離。這段距離大小與注入粒子能量、離距

32、離。這段距離大小與注入粒子能量、離子類型等有關(guān)子類型等有關(guān)。在一般情況下，雜質(zhì)濃度最大值在距離表面在一般情況下，雜質(zhì)濃度最大值在距離表面0.1um處處離子注入的溝道效應(yīng)（通道效應(yīng)）離子注入的溝道效應(yīng)（通道效應(yīng)）(Channeling effect)當(dāng)離子沿晶軸方向注入時(shí)，大部分離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)，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)，不會(huì)受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠(yuǎn)。不會(huì)受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠(yuǎn)。向向， 晶向注入時(shí)，往往會(huì)發(fā)生晶向注入時(shí)，往往會(huì)發(fā)生 這種溝道效應(yīng)這種溝道效應(yīng) 離子注入的雜質(zhì)分布還與襯底晶向有關(guān)系。離子注入的雜質(zhì)分布還與襯底晶向有關(guān)系。

33、沿沿 軸的硅晶格視圖軸的硅晶格視圖Used with permission from Edgard Torres DesignsFigure 17.28 Figure 17.29 溝道效應(yīng)的存在，將使得對(duì)注入離子在溝道效應(yīng)的存在，將使得對(duì)注入離子在深度上難以控制，尤其對(duì)大規(guī)模集成電深度上難以控制，尤其對(duì)大規(guī)模集成電路制造更帶來麻煩。如路制造更帶來麻煩。如MOS器件的結(jié)深器件的結(jié)深通常只有通常只有0.4um左右，有了這種溝道效左右，有了這種溝道效應(yīng)萬一注入距離超過了預(yù)期的深度，就應(yīng)萬一注入距離超過了預(yù)期的深度，就使元器件失效。因此，在離子注入時(shí)，使元器件失效。因此，在離子注入時(shí)，要考慮到這種溝道

34、效應(yīng)，也就是說要抑要考慮到這種溝道效應(yīng)，也就是說要抑止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。目前常用的解決方法有三種目前常用的解決方法有三種 （1 1）是將硅片相對(duì)注入的離子運(yùn)動(dòng)方向傾斜一個(gè)）是將硅片相對(duì)注入的離子運(yùn)動(dòng)方向傾斜一個(gè)角度，角度，7 7度左右最佳；度左右最佳； （2 2）是對(duì)硅片表面鋪上一層非結(jié)晶系的材料，使）是對(duì)硅片表面鋪上一層非結(jié)晶系的材料，使入射的注入離子在進(jìn)入硅片襯底之前，在非結(jié)晶層里與入射的注入離子在進(jìn)入硅片襯底之前，在非結(jié)晶層里與無固定排列方式的非結(jié)晶系原子產(chǎn)生碰撞而散射，這樣無固定排列方式的非結(jié)晶系原子產(chǎn)生碰撞而散射，這樣可以減弱溝道效應(yīng)；可以減弱溝道效應(yīng)；減少溝道效應(yīng)的

35、措施減少溝道效應(yīng)的措施How can we form ultrashallow junction in todays CMOS devices? （3 3）是用）是用Si, Ge, F, ArSi, Ge, F, Ar等離子對(duì)硅片表面先進(jìn)行等離子對(duì)硅片表面先進(jìn)行一次離子注入，使表面預(yù)非晶化，形成非晶層一次離子注入，使表面預(yù)非晶化，形成非晶層 ( (Pre-Pre-amorphization)amorphization) 然后進(jìn)入離子注入。然后進(jìn)入離子注入。 這三種方法都是利用增加注入離子與其他原子碰這三種方法都是利用增加注入離子與其他原子碰撞來降低溝道效應(yīng)。工業(yè)上常用前兩種方法。撞來降低溝道效

36、應(yīng)。工業(yè)上常用前兩種方法。 離子注入時(shí)，由于受到高能量雜質(zhì)離離子注入時(shí)，由于受到高能量雜質(zhì)離子的轟擊，硅片內(nèi)許多晶格被破壞而出現(xiàn)晶子的轟擊，硅片內(nèi)許多晶格被破壞而出現(xiàn)晶格缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)非晶層。這種缺陷一格缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)非晶層。這種缺陷一定要經(jīng)過退火處理來消除，所以退火工藝在定要經(jīng)過退火處理來消除，所以退火工藝在離子注入工藝中是必不可少的。離子注入工藝中是必不可少的。 與擴(kuò)散一樣，離子注入也需要掩蔽，與擴(kuò)散一樣，離子注入也需要掩蔽，其掩蔽物可以是二氧化硅、氮化硅、其掩蔽物可以是二氧化硅、氮化硅、ALAL2 2O O3 3及及ALAL都行，且掩蔽膜厚度隨電場(chǎng)強(qiáng)度和雜質(zhì)劑都行，且掩蔽膜厚度隨

37、電場(chǎng)強(qiáng)度和雜質(zhì)劑量的增加而加厚。量的增加而加厚?？刂齐s質(zhì)濃度和深度控制雜質(zhì)濃度和深度低摻雜濃度低摻雜濃度 (n, p) 和淺結(jié)深和淺結(jié)深 (xj)Mask掩蔽層掩蔽層Silicon substratexj低能低能低劑量低劑量快速掃描快速掃描束掃描束掃描摻雜離子摻雜離子離子注入機(jī)離子注入機(jī)高摻雜濃度高摻雜濃度 (n+, p+) 和深結(jié)深和深結(jié)深 (xj)Beam scan高能高能大劑量大劑量慢速掃描慢速掃描MaskMaskSilicon substratexjIon implanterPhotograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80

38、Source/Terminal side4.4.3 離子注入設(shè)備離子注入設(shè)備離子注入機(jī)分類離子注入機(jī)分類離子注入機(jī)按能量高低分為：離子注入機(jī)按能量高低分為：低能離子注入機(jī)低能離子注入機(jī)中能離子注入機(jī)中能離子注入機(jī)高能離子注入機(jī)高能離子注入機(jī)兆能離子注入機(jī)兆能離子注入機(jī)離子注入機(jī)按束流大小分為：離子注入機(jī)按束流大小分為：小束流離子注入機(jī)小束流離子注入機(jī)中束流離子注入機(jī)中束流離子注入機(jī)強(qiáng)流離子注入機(jī)強(qiáng)流離子注入機(jī)超強(qiáng)流離子注入機(jī)超強(qiáng)流離子注入機(jī)離子注入系統(tǒng)的組成離子注入系統(tǒng)的組成離子源離子源 （Ion Source)磁分析器磁分析器 (Magnetic analyzer)加速管加速管 （Accel

39、erator) 聚焦和掃描系統(tǒng)聚焦和掃描系統(tǒng) (Focus and Scan system)工藝腔工藝腔(靶室和后臺(tái)處理系統(tǒng)靶室和后臺(tái)處理系統(tǒng)Target Assembly)離子源離子源分析磁體分析磁體加速管加速管粒子束粒子束等離子體等離子體工藝腔工藝腔吸出組件吸出組件掃描盤掃描盤從離子源引出的離子經(jīng)過磁分析器選擇出需要的離子，分析后的離子從離子源引出的離子經(jīng)過磁分析器選擇出需要的離子，分析后的離子加速以提高離子的能量，再經(jīng)過兩維偏轉(zhuǎn)掃描器使離子束均勻的注入加速以提高離子的能量，再經(jīng)過兩維偏轉(zhuǎn)掃描器使離子束均勻的注入到材料表面，用電荷積分儀可精確的測(cè)量注入離子的數(shù)量，調(diào)節(jié)注入到材料表面，用電荷

40、積分儀可精確的測(cè)量注入離子的數(shù)量，調(diào)節(jié)注入離子的能量可精確的控制離子的注入深度。離子的能量可精確的控制離子的注入深度。離子注入系統(tǒng)的組成離子注入系統(tǒng)的組成a) 離子源（離子源（Ion Source) 用來產(chǎn)生離子的用來產(chǎn)生離子的裝置。原理是利用燈絲裝置。原理是利用燈絲(filament)發(fā)出發(fā)出的自由電子在電磁場(chǎng)作用下，獲得足夠的自由電子在電磁場(chǎng)作用下，獲得足夠的能量后撞擊分子或原子，使它們電離的能量后撞擊分子或原子，使它們電離成離子，再經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)成離子，再經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器聚成離子束，射向磁分析器b)質(zhì)量分析器（磁分析器質(zhì)量分析器（磁分析器magn

41、et analyzer) 利用不同荷質(zhì)比的離子在磁場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)軌跡的不同將利用不同荷質(zhì)比的離子在磁場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)軌跡的不同將離子分離，選出所需的雜質(zhì)離子。被選離子束通過離子分離，選出所需的雜質(zhì)離子。被選離子束通過可變狹縫，進(jìn)入加速管?？勺儶M縫，進(jìn)入加速管。分析磁體分析磁體石磨離子源分析磁體粒子束吸出組件較輕離子重離子中性離子c)c)加速管加速管( (Acceleration tube)Acceleration tube) 經(jīng)過質(zhì)量分析器出來的離子束，還要經(jīng)過加速運(yùn)動(dòng)，才能經(jīng)過質(zhì)量分析器出來的離子束，還要經(jīng)過加速運(yùn)動(dòng)，才能打到硅片內(nèi)部去。打到硅片內(nèi)部去。離子經(jīng)過加速電極后，在靜電場(chǎng)作用下加速到所需的能量離

42、子經(jīng)過加速電極后，在靜電場(chǎng)作用下加速到所需的能量。高能注入機(jī)的線形加速器高能注入機(jī)的線形加速器源原子質(zhì)量分析磁體線形加速器最終能量分析磁體掃描盤硅片F(xiàn)igure 17.17 d)聚焦和掃描系統(tǒng)聚焦和掃描系統(tǒng) (deflection and scanning ) 離子束離開加速管后進(jìn)入控制區(qū)，先由靜電聚焦透鏡使其聚離子束離開加速管后進(jìn)入控制區(qū)，先由靜電聚焦透鏡使其聚焦。再進(jìn)行焦。再進(jìn)行x-y兩個(gè)方向掃描，然后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，束流兩個(gè)方向掃描，然后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，束流被偏轉(zhuǎn)注到靶上。被偏轉(zhuǎn)注到靶上。Neutral TrapY Scan PlatesX Scan PlatesTo Target Cham

43、berNeutrals Not Detected and Hit StopIn掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)e)工藝腔工藝腔 包括掃描系統(tǒng)包括掃描系統(tǒng),裝卸硅片的終端臺(tái)裝卸硅片的終端臺(tái),硅片傳輸系統(tǒng)和計(jì)硅片傳輸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。算機(jī)控制系統(tǒng)。離子注入機(jī)的終端口離子注入機(jī)的終端口Photograph provided courtesy of International SEMATECHPhoto 17.3 作業(yè)作業(yè)q 離子注入機(jī)由哪幾個(gè)主要部分組成？各部分的作用離子注入機(jī)由哪幾個(gè)主要部分組成？各部分的作用是什么？是什么？離子注入的兩個(gè)參數(shù)離子注入的兩個(gè)參數(shù)劑量劑量Q:單位面積硅片表面注入的離子數(shù)單位面積硅

44、片表面注入的離子數(shù),單位單位是原子每平方厘米是原子每平方厘米射程射程:離子注入過程中離子注入過程中,離子穿入硅片的總距離離子穿入硅片的總距離補(bǔ)充內(nèi)容補(bǔ)充內(nèi)容離子束的劑量計(jì)算離子束的劑量計(jì)算Q=It/enA Q:劑量劑量, I:束流束流 t:注入時(shí)間注入時(shí)間 e:電子電荷電子電荷,等于等于1.610-19庫侖庫侖 n:離子電荷數(shù)離子電荷數(shù) A:注入面積注入面積注入離子的平均密度注入離子的平均密度 劑量劑量/深度深度 （DOSE/DEPTH）(CONCENTRATION)典型的劑量范圍在典型的劑量范圍在1011 /cm2 - 1015 /cm2 (FOR DOPING) 典型的注入離子的平均密度范

45、圍在典型的注入離子的平均密度范圍在1013 /cm3 - 1021 /cm3 (FOR DOPING)射程射程 (range) R:離子在靶內(nèi)的總路線長度離子在靶內(nèi)的總路線長度(平均平均)投影射程投影射程 (projected range) Rp :R在入射方向上的投影在入射方向上的投影,表示可表示可以形成多深的結(jié)以形成多深的結(jié)射程分布射程分布標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差 Rp:投影射程的平均偏差投影射程的平均偏差,表示被注入元素在表示被注入元素在Rp附近的分布附近的分布橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差 R : :在垂直于入射方向上也有一種橫向擴(kuò)展，以橫向標(biāo)在垂直于入射方向上也有一種橫向擴(kuò)展，以橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差準(zhǔn)偏差

46、 R 表示。表示。 R 是決定器件尺寸是決定器件尺寸(如源漏之間溝道長度如源漏之間溝道長度)的一個(gè)的一個(gè)限制因素。限制因素。注入離子如何在體內(nèi)靜止？注入離子如何在體內(nèi)靜止？ 注入離子在穿行硅片的過程中與硅原子發(fā)生碰撞注入離子在穿行硅片的過程中與硅原子發(fā)生碰撞, ,導(dǎo)導(dǎo)致能量損失致能量損失, ,并最終停止在某一深度并最終停止在某一深度. .離子在注入時(shí)有離子在注入時(shí)有2 2種能量損失的類型種能量損失的類型核碰撞和電子碰撞核碰撞和電子碰撞注入雜質(zhì)原子能量損失注入雜質(zhì)原子能量損失SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-射線電子碰撞原子碰撞被

47、移動(dòng)的硅原子攜能雜質(zhì)離子硅晶格離子注入過程是一個(gè)非平衡過程，高能離子進(jìn)入靶后不斷離子注入過程是一個(gè)非平衡過程，高能離子進(jìn)入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失能量，最后停下來。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，一部分不在晶格上，因而沒有電停下來的位置是隨機(jī)的，一部分不在晶格上，因而沒有電活性活性 ,需要退火激活不在晶格位置而在晶格間隙的雜質(zhì)離需要退火激活不在晶格位置而在晶格間隙的雜質(zhì)離子子;同時(shí)修復(fù)晶格注入損傷同時(shí)修復(fù)晶格注入損傷晶格損傷晶格損傷:高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列碰撞，可能使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

48、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)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(duì)及其它類型晶格無序的分布。這果產(chǎn)生一系列的空位間隙原子對(duì)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(jiǎn)單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。種因?yàn)殡x子注入所引起的簡(jiǎn)單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為晶格損傷。什么是注入損傷什么是注入損傷(晶格損傷晶格損傷)非晶化非晶化(Amorphization)q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)。為無序的非晶區(qū)。損傷中的幾個(gè)概念損傷中的幾個(gè)概念移位原子：因碰撞而

49、離開晶格位置的原子。移位原子：因碰撞而離開晶格位置的原子。移位閾能移位閾能Ed：使一個(gè)處于平衡位置的原子發(fā)生移位，使一個(gè)處于平衡位置的原子發(fā)生移位，所需的最小能量所需的最小能量.注入離子通過碰撞把能量傳給靶原子核及其電子的過注入離子通過碰撞把能量傳給靶原子核及其電子的過程，稱為能量傳遞過程程，稱為能量傳遞過程損傷的去除退火損傷的去除退火損傷對(duì)電特性影響損傷對(duì)電特性影響 * 注入雜質(zhì)不在替代位置載流子濃度低注入雜質(zhì)不在替代位置載流子濃度低 * 晶格缺陷多散設(shè)中心多載流子遷移率低，壽命晶格缺陷多散設(shè)中心多載流子遷移率低，壽命低低pn結(jié)漏電結(jié)漏電退火的作用退火的作用 * 高溫下原子發(fā)生振動(dòng)，重新定位

50、或發(fā)生再結(jié)晶（固高溫下原子發(fā)生振動(dòng)，重新定位或發(fā)生再結(jié)晶（固相外延），使晶格損傷恢復(fù)相外延），使晶格損傷恢復(fù) * 雜質(zhì)原子從間隙狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樘嫖粻顟B(tài)，成為受主或雜質(zhì)原子從間隙狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樘嫖粻顟B(tài)，成為受主或施主中心電激活施主中心電激活硅單晶的退火硅單晶的退火修復(fù)硅晶格結(jié)構(gòu)并激活雜質(zhì)硅鍵b) 退火后的硅晶格a) 注入過程中損傷的硅晶格粒子束退火分類退火分類高溫爐退火高溫爐退火:傳統(tǒng)的退火方式傳統(tǒng)的退火方式, ,用高溫爐把硅片加熱到用高溫爐把硅片加熱到800800到到10001000并并保持保持3030分鐘分鐘. .會(huì)使雜質(zhì)原子代替硅原子的位置進(jìn)入晶格會(huì)使雜質(zhì)原子代替硅原子的位置進(jìn)入晶格. .但是在這樣的溫但是在這樣的溫度和時(shí)間下進(jìn)行熱處理度和時(shí)間下進(jìn)行熱處理, ,會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)的擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)的擴(kuò)