17-扩散与离子注入

22
17.2.4 杂质扩散方式
有限源扩散，杂质分布为高斯分布
N ( x, t )
Q
Dt
e
x2 4 Dt
23
17.2.4 杂质扩散方式
有限源扩散的主要特点: 扩散时间越长，杂质扩散越深，表面浓度越低；扩散温度 越高，杂质扩散得也越深，表面浓度下降得越多； 在整个扩散过程中，杂质总量Q保持不变。 表面杂质浓度可控，任何t 时刻的表面浓度为：
25
17.2.4 杂质扩散方式
为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求， 实际生产中常采用两步扩散工艺： 第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采 用恒定表面源扩散方式，其分布为余误差函数，目的 在于控制扩散杂质总量；
第二步称为主扩散或再分布，将表面已沉积杂质的硅 片在较高温度下扩散，以控制扩散深度和表面浓度。 激活：杂质原子与衬底原子形成共价键，成为替位 式杂质。
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F. p-Channel Threshold Voltage (VT) Adjust G. p-Channel Punchthrough H. p-Channel VT Adjust I. n-Channel Lightly Doped Drain (LDD) J. n-Channel Source/Drain (S/D) K. p-Channel LDD L. p-Channel S/D M. Silicon N. Doped Polysilicon O. Doped SiO2
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。
-
引言
杂质
B B P B P P B B As As BF2 BF2 Si P or B P or B
方法
Diffusion Diffusion Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant or Diffusion Ion Implant or Diffusion
I V
S
1 2
S
3
S 4
30
t
17.2.7 横向扩散
原子扩散进入硅片，向各个方向运动：硅的内部、横向和 重新离开硅片。 杂质原子沿硅片表面方向迁移，发生横向扩散。热扩散中 的横向扩散通常是纵向结深的75%一85％。 横向扩散导致沟道长度的减小，影响器件的集成度和性能。
31
17.2.7 扩散效应
• 硼、磷杂质在SiO2－Si界面的分凝效应
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：
Q(t ) N ( x, t )dx
0 0
x N s erfc 2 Dt
扩散系数：
2
Ei / kT
D a Pi
16
17.2.3 杂质扩散机构
替位式扩散：
只有当替位杂质的近邻晶格上出现空 位（势垒高度 Ev），同时还需大于势 垒高度Es 的能量，替位杂质才能运动 到近邻空位上。 越过势垒的几率：
Pi 0 e
扩散系数：
( Ev Es )/ kT
17.1
引言
硅片制造前端
亚微米CMOS IC 制造厂典型的硅片流程模型
硅片起始 无图形的硅片 完成的硅片 薄膜 抛光
扩散
光刻
刻蚀
测试/拣选t
注入
9
17.2 扩散
10
17.2 扩 散
扩散原理 固溶度 扩散机构
扩散方式
扩散工艺
扩散效应
11
17.2.1 扩散原理
扩散：粒子从浓度较高的地方向着浓度较低的地方移动，从 而使得粒子的分布逐渐趋于均匀； 浓度的差别越大，扩散越快； 温度越高，扩散也越快。 N(x, t) J D x 目的：在硅中加入一定数量和种类的杂质，改变其电学性质。
Si Si 在间隙位置被 转移的硅原子
Si Si Si
Si
Si
c) 机械的间隙转移
d) 间隙扩散
14
17.2.3 杂质扩散机构
杂质原子在半导体中扩散的方式有两种： 间隙式扩散：间隙式杂质原子在晶格的间隙位置间运动。 替位式扩散：替位式杂质原子依靠周围空的格点（即空 位）来进行扩散。 如对硅而言，
N S (t ) Q
Dt
x2 4 Dt
因此有限源扩散的杂质分布也可表示为：
N ( x, t ) N S t e
24
17.2.4 杂质扩散方式
结深为：
NS x j 2 Dt ln A Dt NB
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。
引言
在硅中加入一定数量和种类的杂质，改变其电学性 质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。
3
17.1
受主杂质 IIIA 族 (P-Type) 元素 Boron (B) Aluminum Gallium Indium 原子序数 5 13 31 49
元素
引言
半导体 IVA 族 原子序数 6 14 32 50
第十七章 扩散和离子注入
1
17.1
本章主要内容：

引言
扩散工艺和离子注入工艺 扩散和离子注入工艺的应用



扩散和离子注入设备
本章知识要点：
掌握掺杂的目的和应用；
掌握扩散和离子注入的原理及其应用； 掌握退火效应和沟道效应 了解离子注入设备。
2
17.1
掺杂原因：
• • 本征硅导电能力很差。
19
17.2.4 杂质扩散方式
恒定表面源扩散，杂质为余误差分布
2 N ( x, t ) N s 1

x
2 Dt 0
e
2
x d N s erfc 2 Dt
x是由表面算起的垂直距离(cm)，t 代表扩散时间(s)
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17.2.4 杂质扩散方式
扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度保持不变 表面杂质浓度由该杂质在此温度下的固溶度决定： 边界条件1： N(0, t)= Ns 假定杂质在硅片内扩散的深度远小于硅片的厚度： 边界条件2： N(∞, t)= 0 在扩散开始时，硅片内没有杂质扩进，初始条件为： N(x, 0)= 0 x > 0
施主杂质 VA 族(N-Type) 元素 Nitrogen Phosphorus (P) Arsenic (As) 锑 原子序数 7 15 33 51
Carbon Silicon (Si) Germanium Tin(锡)
半导体常用杂质
4
17.1
引言
扩散: 是将一定数量和一定种类的杂质通过高温扩散掺入到硅 或其它晶体中，以改变晶体的电学性质，并使掺入的杂质数量 和分布情况都满足要求的过程。 离子注入: 是在高真空的复杂系统中，产生电离杂质并形成高 能量的离子束，入射到硅片靶中进行掺杂的过程。
扩散方式：气态；液态；固态
12
17.2.2 固溶度
固溶度：在一定温度下，衬底能够吸收杂质浓度的上限。
杂质
Arsenic (As) Phosphorus (P) Boron (B) Antimony (Sb) Aluminum (Al)
固溶度极限 (atoms/cm3)
1.7 x 1021 1.1 x 1021 2.2 x 1020 5.0 x 1019 1.8 x 1019
D a2 Pi
由于（Ev+Es）比Ei大（其差值远大于kT），因而替位杂质扩 散远比间隙杂质的扩散慢
17
17.2.3
杂质扩散机构
扩散系数与温度有关
D D0 exp( E
D0：扩散率
k0T
)
△E：扩散工艺激活能 k0：玻耳兹曼常数 T：绝对温度。
18
17.2.4 杂质扩散方式
一、恒定表面浓度的扩散
在引入扩散源后作推进扩散时，常常会在硅片上表面有一氧化层或其它覆 盖层保护硅片，使硅片中的杂质不会挥发到大气中去。
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17.2.6 扩散工艺
气态源扩散系统
磷烷 (PH4) 、砷烷 (AsH3) 、 氢 化 锑 (SbH3) 、 乙 硼 烷 (H2B6)等(剧毒气体)
液态源扩散系统
三氯氧磷 (POCl3) 、 硼酸三甲脂 B[(CH3)O]3
Ti deposition
C
D
G
H
p p++ p
+
P+
P- well
B p- Epitaxial layer A
p+ Silicon substrate
7
17.1
掺杂工艺步骤
A. p+ Silicon Substrate B. p Epitaxial Layer C.倒掺杂 n-Well D. 倒掺杂 p-well E. p-Channel Punchthrough
17.2.6 扩散工艺
方块电阻(Rs:单位为 / )和结深是扩散的重要工艺参数，两个参数已知则 扩散分布曲线也可确定下来。 结深测量:磨角染色法, HF与01％HNO3的混合液，使p区的显示的颜色 比n区深