扩散与离子注入PPT课件
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扩散&离子注入
④
横向扩散（扩散问题）：
Xj横＝（0.75～0.85）Xj纵
3.3 扩散工艺
1. 扩散方法 根据杂质源的不同进行分类： 1)、固态源扩散
2)、液态源扩散
3)、气态源扩散
3.3 扩散工艺
扩散常用杂质源 杂质 砷（As） 磷（P） 磷（P） 硼（B） 硼（B） 硼（B） 锑（Sb） 杂质源 AsH3 PH3 POCl3 B2H6 BF3 BBr3 SbCl5 化学名称 砷烷（气体） 磷烷（气体） 三氯氧磷（液体） 乙硼烷（气体） 三氟化硼（气体） 三溴化硼（液体） 五氯化锑（固体）
P2O5 ＋ Si → P ＋ SiO2
3.3 扩散工艺
液态源扩散系统
3.3 扩散工艺
3)、气态源扩散
气态杂质源一般先在硅片表面进行化学反应生成 掺杂氧化层，杂质再由氧化层向硅中预扩散。
以B掺杂为例： B2H6+2O2 →B2O3+3H2O 2H2O+Si →SiO2+2H2 2B2O3+3Si →4B+3SiO2
（b）替位式扩散
3.2 扩散原理
杂 质 在 硅 中 的 扩 散
3.2 扩散原理
3. 杂质扩散方程
非克（Fick）第一定律：
J为扩散粒子流密度，定义为单位时间通过单位面 积的粒子数， D为扩散系数，是表征杂质扩散快慢 的系数，N是扩散粒子的浓度。非克第一定律表达 了扩散的本质即温度越高，浓度差越大，扩散就越 快。
3.6 离子注入工艺原理
1. 离子注入参数
1) 注入剂量φ 注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数。单位： 离子/cm2 。
I为束流，单位是库仑每秒（安培） t为注入时间，单位是秒 q为电子电荷，等于1.6×10－19库仑 n为每个离子的电荷数 A为注入面积，单位为cm2
横向扩散（扩散问题）：
Xj横＝（0.75～0.85）Xj纵
3.3 扩散工艺
1. 扩散方法 根据杂质源的不同进行分类： 1)、固态源扩散
2)、液态源扩散
3)、气态源扩散
3.3 扩散工艺
扩散常用杂质源 杂质 砷（As） 磷（P） 磷（P） 硼（B） 硼（B） 硼（B） 锑（Sb） 杂质源 AsH3 PH3 POCl3 B2H6 BF3 BBr3 SbCl5 化学名称 砷烷（气体） 磷烷（气体） 三氯氧磷（液体） 乙硼烷（气体） 三氟化硼（气体） 三溴化硼（液体） 五氯化锑（固体）
P2O5 ＋ Si → P ＋ SiO2
3.3 扩散工艺
液态源扩散系统
3.3 扩散工艺
3)、气态源扩散
气态杂质源一般先在硅片表面进行化学反应生成 掺杂氧化层，杂质再由氧化层向硅中预扩散。
以B掺杂为例： B2H6+2O2 →B2O3+3H2O 2H2O+Si →SiO2+2H2 2B2O3+3Si →4B+3SiO2
（b）替位式扩散
3.2 扩散原理
杂 质 在 硅 中 的 扩 散
3.2 扩散原理
3. 杂质扩散方程
非克（Fick）第一定律：
J为扩散粒子流密度，定义为单位时间通过单位面 积的粒子数， D为扩散系数，是表征杂质扩散快慢 的系数，N是扩散粒子的浓度。非克第一定律表达 了扩散的本质即温度越高，浓度差越大，扩散就越 快。
3.6 离子注入工艺原理
1. 离子注入参数
1) 注入剂量φ 注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数。单位： 离子/cm2 。
I为束流，单位是库仑每秒（安培） t为注入时间，单位是秒 q为电子电荷，等于1.6×10－19库仑 n为每个离子的电荷数 A为注入面积，单位为cm2
扩散与离子注入优秀课件
A
B
通道效应的结果使离子注入深度难控制
离子注入通道效应
抑制通道效应的方法：
a
b
c
a. 把晶片对离子注入的方向倾斜一个角度（0-15°) b. 在结晶硅的表面铺一层非结晶系材质SiO2，使注入离
子在进入硅晶片之前先与无固定排列方向的SiO2碰撞。 c. 先在硅内进行一次轻微的离子注入，使硅的规则排列
破坏然后再进行离子进入。
C退火
离子注入后要退火处理
目的：由于离子注入所造成的损伤，使得半导 体的迁移率和寿命等参数受到严重；此 外，大部分注入离子并不处于置换位 置，未被激活。通过退火可以解决或改 善以上问题。
2. 离子注入机
注入的离子是在离子源中产生 的 (原料气BF3, AsH3, PH3 进入离化 室产生正离子所产生的正离子，被强电场引入质量分析器，选出所需 要的离子，这些离子通过加速器被加速， 通常还聚焦成束，经偏束板 将中性粒子除去，光栅扫描后，离子打在圆片衬底上。
二次电子
离子
靶原子
➢通过控制电学条件（电流、电压），离子注入可精确控制浓度和深度； ➢不受材料固溶度限制； ➢横向扩散小； ➢选用一种离子注入，不免混入杂质。
离子注入可进行MOS 源、漏区掺杂
b 通道效应
注入离子→有周期性排列固定晶体结构的Si中， 如果注入路径在不受Si原子阻挡的方向→碰撞不会发生， 注入离子长驱直入到硅晶圆很深的地方→通道效应
化合物）
AlAsO4
SbCl3
Sb2O3
3. 准确控制浓度和深度
扩散浓度一方面决定于源的情况，当源足量时则决定于 温度，因为杂质的固溶度决定杂质在半导体表面的浓度。
扩散深度取决于扩散系数D和扩散时间t Dt
第4章IC工艺之离子注入ppt课件
Beam scan
Mask xj
Mask
Silicon substrate
a) Low dopant concentration (n–, p–) and shallow junction (xj)
Mask xj
Mask
Silicon substrate
b) High dopant concentration (n+, p+) and deep junction (xj)
Scanning disk with wafers
Suppressor aperture
Faraday cup
Ion beam
Current integrator
Scanning direction
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
( dE dx
） nuel
( dE dx
） e
R p ( E )
E 0
dE ( dE tot
）
E 0
dE S (E
)
dx
E
dE
0 Sn(E) Se(E)
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
– 4.3. 注入离子的激活与辐照损伤的消除
P.103~112 1）注入离子未处于替位位置 2）晶格原子被撞离格点
ET(M 4M i iM M tt） E0f()Ea
Ea为原子的位移阈能 大剂量——非晶化 临界剂量（P。111） 与什么因素有关？ 如何则量？
半导体物理学ch33扩散与离子注入
• 间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙： – Na、K、Fe、Cu、Au 等元素 – 扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级
杂质横向扩散示意图
固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等
利用液态源进行扩散的装置示意图
离子注入
• 离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半 导体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由注入杂质 离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质 离子的数目(剂量)决定
– 掺杂的均匀性好 – 温度低：小于600℃ – 可以精确控制杂质分布 – 可以注入各种各样的元素 – 横向扩展比扩散要小得多。 – 可以对化合物半导体进行掺杂
离子注入系统的原理示意图
离子注入到无定形靶中的高斯分布情况
退火
• 退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮 气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为 退火
4.6 扩散与离子注入
杂质掺杂
• 掺杂：将需要的杂质掺入特定的半 导体区域中，以达到改变半导体电 学性质，形成PN结、电阻、欧姆 接触
–磷(P)、砷(As) —— N型硅 –硼(B) —— P型硅
• 掺杂工艺：扩散、离子注入
扩散
• 替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位： – Ⅲ、Ⅴ族元素 – 一般要在很高的温度(950～1280℃)下进行 – 磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小 于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质 扩散的掩蔽层
– 激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到 晶格位置，以便具有电活性，产生自由：
– 炉退火
– 快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续 波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧 灯、石墨加热器、红外设备等)
杂质横向扩散示意图
固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等
利用液态源进行扩散的装置示意图
离子注入
• 离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半 导体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由注入杂质 离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质 离子的数目(剂量)决定
– 掺杂的均匀性好 – 温度低：小于600℃ – 可以精确控制杂质分布 – 可以注入各种各样的元素 – 横向扩展比扩散要小得多。 – 可以对化合物半导体进行掺杂
离子注入系统的原理示意图
离子注入到无定形靶中的高斯分布情况
退火
• 退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮 气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为 退火
4.6 扩散与离子注入
杂质掺杂
• 掺杂：将需要的杂质掺入特定的半 导体区域中，以达到改变半导体电 学性质，形成PN结、电阻、欧姆 接触
–磷(P)、砷(As) —— N型硅 –硼(B) —— P型硅
• 掺杂工艺：扩散、离子注入
扩散
• 替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位： – Ⅲ、Ⅴ族元素 – 一般要在很高的温度(950～1280℃)下进行 – 磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小 于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质 扩散的掩蔽层
– 激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到 晶格位置，以便具有电活性，产生自由：
– 炉退火
– 快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续 波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧 灯、石墨加热器、红外设备等)
半导体制造技术--离子注入工艺PPT课件( 134页)
• 引起一个不是想得到的掺杂物分部轮廓
多数的碰撞
非常少的碰撞
31
通道离子
碰撞离子
q
晶圆表面
通道效应
晶格原子
32
碰撞后的通道效应
碰撞的
通道的
碰撞的
q
晶圆表面
33
碰撞后的通道效应
碰撞
通道
碰撞
掺杂物浓度
到表面的距离
34
注入制程：通道效应
• 避免通道效应的方法
– 晶圆倾斜, 通常倾斜角度是7° – 屏蔽氧化层 – 硅或锗的非晶态注入制程
8
沉积掺杂氧化层
沉积掺杂氧化层 二氧化硅 硅基片
9
氧化
二氧化硅 硅基片
10
驱入
二氧化硅 硅基片
掺杂接面
11
剥除和清洗
二氧化硅 硅基片
掺杂接面
12
掺杂半导体：离子注入
• 用在原子和核的研究 • 1950年代观念便已被提出 • 在1970年代中期才被引进到半导体制造.
13
掺杂半导体：离子注入
• 离子能量控制接面深度 • 掺杂物浓度是非等向性
19
离子注入的应用
应用
掺杂
预先非晶化 深埋氧化层 多晶阻挡层
离子 N 型: 磷, 砷,锑 硅或锗
氧
氮
P 型: 硼
20
其他的应用
• 氧离子注入为了硅覆盖绝缘层(SOI)组件 • 锗预先非晶化注入在钛薄膜为较好的退
火 • 锗预先非晶化注入在硅基片做为轮廓控
• 阴影效应
– 离子被结构阻挡
• 藉旋转晶圆或在注入后退火期间的小量 掺杂物扩散解决阴影效应
35
阴影效应
离子束
多晶硅 基片
多数的碰撞
非常少的碰撞
31
通道离子
碰撞离子
q
晶圆表面
通道效应
晶格原子
32
碰撞后的通道效应
碰撞的
通道的
碰撞的
q
晶圆表面
33
碰撞后的通道效应
碰撞
通道
碰撞
掺杂物浓度
到表面的距离
34
注入制程：通道效应
• 避免通道效应的方法
– 晶圆倾斜, 通常倾斜角度是7° – 屏蔽氧化层 – 硅或锗的非晶态注入制程
8
沉积掺杂氧化层
沉积掺杂氧化层 二氧化硅 硅基片
9
氧化
二氧化硅 硅基片
10
驱入
二氧化硅 硅基片
掺杂接面
11
剥除和清洗
二氧化硅 硅基片
掺杂接面
12
掺杂半导体：离子注入
• 用在原子和核的研究 • 1950年代观念便已被提出 • 在1970年代中期才被引进到半导体制造.
13
掺杂半导体：离子注入
• 离子能量控制接面深度 • 掺杂物浓度是非等向性
19
离子注入的应用
应用
掺杂
预先非晶化 深埋氧化层 多晶阻挡层
离子 N 型: 磷, 砷,锑 硅或锗
氧
氮
P 型: 硼
20
其他的应用
• 氧离子注入为了硅覆盖绝缘层(SOI)组件 • 锗预先非晶化注入在钛薄膜为较好的退
火 • 锗预先非晶化注入在硅基片做为轮廓控
• 阴影效应
– 离子被结构阻挡
• 藉旋转晶圆或在注入后退火期间的小量 掺杂物扩散解决阴影效应
35
阴影效应
离子束
多晶硅 基片
第八章离子注入-68页PPT资料
入射能量 （KEV） 注入的离子
B
RP
20 480
投影射程示意图 第i个离子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi
平均投影射程 离子束中的各个离子虽然能量相等但每个离子与靶 原子和电子的碰撞次数和能量损失都是随机的，使 得能量完全相同的同种离子在靶中的投影射程也不 等，存在一个统计分布。
离子的平均投影射程RP为
其中N为入射离子总数，RPi为第i个离子的投影射 程
2. 注入设备复杂昂贵
8.2 离子注入参数
注入剂量φ
注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数。单 位：离子每平方厘米 其中I为束流，单位是安培 t为注入时间，单位是秒 q为电子电荷，等于1.6×10－19库仑 n为每个离子的电荷数 A为注入面积，单位为cm2 —束斑
注入能量 离子注入的能量用电子电荷与电势差的乘积来表
示。单位：千电子伏特KEV 带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场
运动，它的能量为100KEV
射程、投影射程
具有一定能量的离子入射靶中，与靶原子和电子 发生一系列碰撞（即受到了核阻止和电子阻止） 进行能量的交换，最后损失了全部能量停止在相 应的位置，离子由进入到停止所走过的总距离， 称为射程用R表示。这一距离在入射方向上的投 影称为投影射程 Rp。投影射程也是停止点与靶 表面的垂直距离。
离子注入的优点：
5. 沾污少 质量分离技术产生没有沾污的纯离子束， 减少了 由于杂质源纯度低带来的沾污，另外低温工艺也 减少了掺杂沾污。
6. 横向扩散小 离子注入具有高度的方向性，虽然散射会引起一 定横向杂质分布，但横向尺度远小于扩散。
离子注入的缺点：
1. 高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤 使用二氧化硅注入缓冲层 高温退火修复损伤
离子注入最详细的课件演示文稿
和 PH3等。
质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量分析
器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很 纯。
加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离 子注入深度的一个重要参量。
中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。 聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。 偏转扫描系统：使离子束沿 x、y 方向扫描。 工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。
qo
q m
Vf2 2d 2 B2Va
对于荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或偏转 磁场 B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。
1
Vf dB(2qoVa )2 ,
或 B
Vf
1
d (2qoVa )2
通常是调节 Vf 而不是调节B。
第二十四页，共130页。
下面计算当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为qs = q/ms 的其它离子被偏转的程度。该种离子在 y 方向受到的加速度为
引
若改变 E2 的极性 ，则可排斥离
子而拉出电子，使这种源改变成电
子束源。
第十八页，共130页。
共晶合金 LMIS
通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽
压高而无法制成单体 LMIS 。
根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大 低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处 于液态时的蒸汽压。
光阑2
1
Fm
qvB
qB
2qVa m
2
为向心力，使离子作圆周运动，其
1
1
半径为
r
mv qB
质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量分析
器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很 纯。
加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离 子注入深度的一个重要参量。
中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。 聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。 偏转扫描系统：使离子束沿 x、y 方向扫描。 工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。
qo
q m
Vf2 2d 2 B2Va
对于荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或偏转 磁场 B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。
1
Vf dB(2qoVa )2 ,
或 B
Vf
1
d (2qoVa )2
通常是调节 Vf 而不是调节B。
第二十四页，共130页。
下面计算当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为qs = q/ms 的其它离子被偏转的程度。该种离子在 y 方向受到的加速度为
引
若改变 E2 的极性 ，则可排斥离
子而拉出电子，使这种源改变成电
子束源。
第十八页，共130页。
共晶合金 LMIS
通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽
压高而无法制成单体 LMIS 。
根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大 低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处 于液态时的蒸汽压。
光阑2
1
Fm
qvB
qB
2qVa m
2
为向心力，使离子作圆周运动，其
1
1
半径为
r
mv qB
集成电路工艺扩散离子注入失效分析共100页PPT
集成电路工艺扩散离子注入失效分析
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
1
0
、
倚
南窗ຫໍສະໝຸດ 以寄傲，
审
容
膝
之
易
安
。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
1
0
、
倚
南窗ຫໍສະໝຸດ 以寄傲，
审
容
膝
之
易
安
。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
扩散与离子注入 ppt课件
Q
Dt
因此有限源扩散的杂质分布也可表示为：
x2
N (x, t) NS t e 4Dt
ppt课件
24
17.2.4 杂质扩散方式
结深为：
xj 2
Dt
ln
NS NB
A
Dt
表面浓度Ns 与扩散深度成反比，扩散越深，则表面 浓度越低；NB 越大，结深将越浅。
G. p-Channel Punchthrough
B
Ion Implant
H. p-Channel VT Adjust I. n-Channel Lightly Doped Drain (LDD)
B
Ion Implant
As
Ion Implant
J. n-Channel Source/Drain (S/D)
ppt课件
31
17.2.7 扩散效应
• 硼、磷杂质在SiO2－Si界面的分凝效应
在硼、磷杂质的再扩散中，总是要生长一定厚度的SiO2，杂 质在SiO2－Si界面发生分凝效应，使杂质在SiO2和Si中重新 分布，其结果造成在硅中的硼杂质总量比磷损失的多，其现象
俗称SiO2吸硼排磷。
20
17.2.4 杂质扩散方式
恒定表面源扩散的主要特点: 在一定扩散温度下，表面杂质浓度Ns为由扩散温度下的固
溶度决定。
扩散时间越长，扩散温度越高，扩散进硅片内的杂质数量 就越多。对单位面积的半导体而言，在t 时间内扩散到体 内的杂质总量可求出：
x
Dt
Q(t)
N (x,t)dx
N (x,t)
Q
x2
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2N D x2
2003年10月8日
.
9
3、两种扩散方式
恒定源扩散
有限源扩散
2003年10月8日
.
10
4、扩散系数
扩散系数的对数与温度的倒数成正比，即满足Arrhenius 关系
D D 0exp E A(/kT )
左图为替位扩散粒 子的扩散系数 右图为填隙扩散粒 子的扩散系数
2003年10月8日
扩散与离子注入 Diffusion and Ion Implantation
（第二讲）
2003年10月8日
.
1
典型MOS工艺回顾
NMOS结构
2003年10月8日
.
2
NMOS典型工艺
热氧化 薄膜沉积 光刻 刻蚀 注入 扩散 互连 封装
2003年10月8日
.
3
CMOS工艺
2003年10月8日
质谱仪：利用磁场选择所需要的离子，使其通过 光栏进入主加速器；
高压加速器：可以高达175keV；
扫描系统：控制注入的位置、均匀性以及剂量， 略微偏转可以避免中性束的入射；
靶室：处于低电位端及真空环境。
2003年10月8日
.
30
2、杂质分布
2003年10月8日
.
31
3、选择性注入
使用掩模：氮化硅、氧化硅、光刻胶等 右图为杂质在掩模中的分布
.
11
常见杂质的扩散系数
例：计算硼在1100oC下的扩散系数：D=10.5exp[-(3.69/8.61410-5 1373)] =2.96 10-13cm2/sec
2003年10月8日
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5、固溶极限
在一定温度下，硅能 够容纳的杂质有一个 上限，被称为固溶极 限。
只有一小部分杂质对 电子和空穴有贡献， 被称为“电活性”杂 质。
固态扩散源 液态扩散源 气态扩散源
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9、硼、磷、砷、锑的扩散
硼
元素硼的扩散系数极 低，所以常用氧化硼 与贵的反应来提供硼 扩散源：
三甲基硼 （(CH3O)3B）、氮化 硼为常用的固态源
溴化硼为常用的液态 源
二硼烷B2H6为常用的 气态源
2B 2O 33S i 4B3Si2O
曲线a用于校正 硅片厚度较大的 情形
曲线b用于校正 硅片直径较小的 情形
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Van der Pauw 法
用右图的结构测试方 阻：AB之间通电流、 测量CD之间的电压：
Rs
VCD
ln 2 IAB
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8、扩散系统
常用旋涂方法将 液态源施加在硅 片表面，但是均 匀性差
替位扩散：
杂质沿着晶格运动 必须有空位存在
添隙扩散：
杂质通过晶格位之间的 间隙运动
扩散速度快于替位扩散 扩散过程难以控制
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2、扩散的数学描述
Fick第一定律
D为扩散系数 描述扩散粒子的空间分
布
Fick第二定律
描述扩散粒子的时间分 布
J D N x
N t
如图中虚线所示
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6、PN结的形成与特征
纵向扩散与结的形成
大多数的扩散过程，是 为了将p型材料转变成 为n型从而形成pn结
扩散杂质浓度与背景浓 度相等的点称为“冶金 结深”，此处净杂质浓 度为零。
xj 2DltnN (O/NB)
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杂质浓度与电阻率
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光刻技术
正胶 负胶
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热氧化
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第四章：扩散
向硅中引入杂质的重要方法之一，用于控 制主要载流子类型、浓度，进而控制导电 率。
主要介绍：扩散的基本原理、扩散层的片 电阻、扩散层深度的测量，以及物理扩散 系统。
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1、扩散过程
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7、片电阻
由于电阻是扩散深度的函数，为了描述方便， 引入一个新的参数：片电阻，来描述扩散层的 电阻特性：电阻率与厚度的比（W/□）-方阻。
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各种图形的方阻
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方阻的测量
四点探针法
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四点探针法的矫正系数
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4、PN结的形成
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5、注入时的隧道效应
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6、晶格损伤与热处理
如果注入剂量足够大， 则离子可能将硅原子 从晶格位置上打出去， 使得注入区变为非晶 结构。因此存在一个 临界注入剂量，高于 此值，硅将非晶化：
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横向扩散
在纵向扩散的同时， 会发生横向扩散
纵、横向扩散比 效应耦合器件 扩散掩模的设计
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扩散结深的测量
Groove-andstain法
沟槽与着色法
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扩散结深的测量
Angle-lap
斜角研磨法 角度介于
1~5o
除了氧化磷外，其它磷源均 先与氧反应形成氧化磷，在 于硅反应扩散
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砷、锑的扩散
As
砷在硅中具有最高的溶 解度，但是其高挥发性 造成其扩散控制困难， 故通常用离子注入法。
Sb
锑在硅中的扩散系数较 低
可以使用液态的五氯化 锑作为扩散源
2A2O s33S i4A s 3S2 iO 2S2O b33S i 4S b 3Si2O
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快速热处理
恢复硅的损伤、激活掺入的杂质
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扩散与离子注入的简要对比
扩散
设备简单 快速 掺杂浓度高
扩散浓度分布控制困难 扩散掩模少 难以实现选择性扩散 扩散温度高 表层杂质浓度最高
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气体扩散源的毒性
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五、离子注入
离子注入已经成为向硅片中引入杂质的主要方法。 离子注入机是一个高压粒子加速器，利用高能粒子向硅片
内部的穿透对硅片进行掺杂。
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1、离子注入机
离子源：25kV，可以利用气态源，或者利用固态 源溅射产生所需要的离子；
除了氧化硼外，其它硼源均 先与氧反应形成氧化硼，在 于硅反应扩散
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磷的扩散
磷的扩散也是通过氧 化磷与硅的反应 二磷酸铵((NH4) 2H2PO4)
液态源
氧氯酸磷(POCl3)
气态源
磷烷PH3
2P 2 O 55 S i 4P 5 Si2O