7擴(kuò)散與離子注入

擴(kuò)散與離子注入

DiffusionandIonImplantation典型MOS工藝回顧NMOS結(jié)構(gòu)NMOS典型工藝熱氧化薄膜沉積光刻刻蝕注入擴(kuò)散互連封裝CMOS工藝光刻技術(shù)正膠負(fù)膠熱氧化一、擴(kuò)散向硅中引入雜質(zhì)的重要方法之一，用于控制主要載流子類型、濃度，進(jìn)而控制導(dǎo)電率。主要介紹：擴(kuò)散的基本原理、擴(kuò)散層的片電阻、擴(kuò)散層深度的測量，以及物理擴(kuò)散系統(tǒng)。1、擴(kuò)散過程替位擴(kuò)散：雜質(zhì)沿著晶格運(yùn)動(dòng)必須有空位存在間隙擴(kuò)散：雜質(zhì)通過晶格位之間的間隙運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散速度快于替位擴(kuò)散擴(kuò)散過程難以控制2、擴(kuò)散的數(shù)學(xué)描述Fick第一定律D為擴(kuò)散系數(shù)描述擴(kuò)散粒子的空間分布Fick第二定律描述擴(kuò)散粒子的時(shí)間分布3、兩種擴(kuò)散方式恒定源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散4、擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)的對數(shù)與溫度的倒數(shù)成正比，即滿足Arrhenius關(guān)系左圖為替位擴(kuò)散粒子的擴(kuò)散系數(shù)右圖為間隙擴(kuò)散粒子的擴(kuò)散系數(shù)常見雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)例：計(jì)算硼在1100oC下的擴(kuò)散系數(shù)：D=10.5exp[-(3.69/8.61410-51373)]=2.9610-13cm2/sec5、固溶極限在一定溫度下，硅能夠容納的雜質(zhì)有一個(gè)上限，被稱為固溶極限。只有一小部分雜質(zhì)對電子和空穴有貢獻(xiàn)，被稱為“電活性”雜質(zhì)。如圖中虛線所示6、PN結(jié)的形成與特征縱向擴(kuò)散與結(jié)的形成大多數(shù)的擴(kuò)散過程，是為了將p型材料轉(zhuǎn)變成為n型從而形成pn結(jié)擴(kuò)散雜質(zhì)濃度與背景濃度相等的點(diǎn)稱為“冶金結(jié)深”，此處凈雜質(zhì)濃度為零。雜質(zhì)濃度與電阻率橫向擴(kuò)散在縱向擴(kuò)散的同時(shí)，會(huì)發(fā)生橫向擴(kuò)散縱、橫向擴(kuò)散比效應(yīng)耦合器件擴(kuò)散掩模的設(shè)計(jì)擴(kuò)散結(jié)深的測量Groove-and-stain法溝槽與著色法擴(kuò)散結(jié)深的測量Angle-lap斜角研磨法角度介于1~5o7、片電阻由于電阻是擴(kuò)散深度的函數(shù)，為了描述方便，引入一個(gè)新的參數(shù)：片電阻，來描述擴(kuò)散層的電阻特性：電阻率與厚度的比（W/□）-方阻。各種圖形的方阻方阻的測量四點(diǎn)探針法四點(diǎn)探針法的矯正系數(shù)曲線a用于校正硅片厚度較大的情形曲線b用于校正硅片直徑較小的情形8、擴(kuò)散系統(tǒng)常用旋涂方法將液態(tài)源施加在硅片表面，但是均勻性差固態(tài)擴(kuò)散源液態(tài)擴(kuò)散源氣態(tài)擴(kuò)散源9、硼、磷、砷、銻的擴(kuò)散硼元素硼的擴(kuò)散系數(shù)極低，所以常用氧化硼與硅的反應(yīng)來提供硼擴(kuò)散源：三甲基硼（(CH3O)3B）、氮化硼為常用的固態(tài)源溴化硼為常用的液態(tài)源二硼烷B2H6為常用的氣態(tài)源除了氧化硼外，其它硼源均先與氧反應(yīng)形成氧化硼，再于硅反應(yīng)擴(kuò)散磷的擴(kuò)散磷的擴(kuò)散也是通過氧化磷與硅的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的：固態(tài)源單磷酸銨(NH4H2PO4)二磷酸銨((NH4)2H2PO4)液態(tài)源氧氯酸磷(POCl3)氣態(tài)源磷烷PH3除了氧化磷外，其它磷源均先與氧反應(yīng)形成氧化磷，再于硅反應(yīng)擴(kuò)散砷、銻的擴(kuò)散As砷在硅中具有最高的溶解度，但是其高揮發(fā)性造成其擴(kuò)散控制困難，故通常用離子注入法。Sb銻在硅中的擴(kuò)散系數(shù)較低可以使用液態(tài)的五氯化銻作為擴(kuò)散源氣體擴(kuò)散源的毒性二、離子注入離子注入已經(jīng)成為向硅片中引入雜質(zhì)的主要方法。離子注入機(jī)是一個(gè)高壓粒子加速器，利用高能粒子向硅片內(nèi)部的穿透對硅片進(jìn)行摻雜。1、離子注入機(jī)離子源：25kV，可以利用氣態(tài)源，或者利用固態(tài)源濺射產(chǎn)生所需要的離子；質(zhì)譜儀：利用磁場選擇所需要的離子，使其通過光欄進(jìn)入主加速器；高壓加速器：可以高達(dá)175keV；掃描系統(tǒng)：控制注入的位置、均勻性以及劑量，略微偏轉(zhuǎn)可以避免中性束的入射；靶室：處于低電位端及真空環(huán)境。2、選擇性注入使用掩模：氮化硅、氧化硅、光刻膠等右圖為雜質(zhì)在掩模中的分布3、PN結(jié)的形成4、注入時(shí)的隧道效應(yīng)5、晶格損傷與熱處理如果注入劑量足夠大，則離子可能將硅原子從晶格位置上打出去，使得注入?yún)^(qū)變?yōu)榉蔷ЫY(jié)構(gòu)。因此存在一個(gè)臨界注入劑量，高于此值，硅將非晶化：快速熱處理恢復(fù)硅的損傷、激活摻入的雜質(zhì)擴(kuò)散與離子注入的簡要對比擴(kuò)散設(shè)備簡單快速摻雜濃度高擴(kuò)散濃度分布控制困難擴(kuò)散掩模少難以實(shí)現(xiàn)選擇性擴(kuò)散擴(kuò)散溫度高表