扩散与离子注入
解释扩散和离子注入的概念
解释扩散和离子注入的概念扩散是指物质在一定温度下沿着浓度梯度在固体、液体或气体中自发地传播的现象。
在材料科学领域中，扩散是指固体中的原子、离子或分子通过固体间的空间，沿着浓度梯度从高浓度区域流向低浓度区域的过程。
扩散是材料学重要的调控技术，这是因为在材料的加工过程中，比如说晶体的制备和材料的改性等，为了使材料的性能得到良好的控制和优化，需要对材料进行扩散处理以实现目标性能。
扩散是由于物质的热运动所带来的，因为在物质的热运动过程中，原子之间的能量会相互交换并不断漂移，因而导致原子扩散。
在材料改性中扩散主要分为固相扩散和液相扩散两大类。
固相扩散是指在固体基体上扩散，通过往基体上面引入一层新的物质，然后利用其浓度梯度来进行扩散加工。
例如，热处理过程中会吸收大量活性原子，导致材料的扩散过程加速发生；液相扩散则是指材料在液态状态下发生扩散过程，可以通过一些热化学反应的方法来促进化学反应的进行，从而实现材料的相变和改性。
另一方面，离子注入是一种重要的材料制备方法，它利用高能粒子的撞击和散射来实现离子引入材料中的加工方法。
离子注入一般使用离子加速器来加速离子并将其引入到加工样品中，主要是发挥离子的高能量和高精度传输的优势，使得加工过程更为高效和精准。
离子注入主要应用于半导体材料的加工和开发，因为半导体材料的性能和结构非常复杂，需要使用优质的加工方法才能对其进行精准加工。
离子注入可以实现对半导体材料的杂质、原子浓度、电性能等进行控制，从而达到控制半导体材料性能的目的。
整体来看，扩散和离子注入都是材料工程领域中非常重要的加工技术，有助于材料工程师实现对材料的突破性改良和升级，使得材料的性能和应用范围更为广泛和稳定。
虽然两种加工方法的原理和应用不尽相同，但都极大地推动了材料加工工程的进步和发展，为产业化应用提供了有力的保障。
第三章 扩散61
解扩散方程， Q x2 x2 N( x ) exp( ) N s exp( ) 4 Dt 4 Dt Dt －高斯分布 Q Ns ―表面浓度 Dt NS 1/ 2 结深 x j 2 Dt (ln ) NB
T一定, t ↑ Xj ↑Ns↓; t一定, T ↑ Xj ↑Ns↓; Q不变
质量守恒：单位时间内，相距dx两个平面(单位积)间， 杂质数的变化量等于通过两个平面的流量差。
N ΔJ 2N dx J 2 J 1 ΔJ dx D 2 dx t dx x
故
N 2N D 2 t x
--扩散方程
3.3 扩散杂质的浓度分布
3.3.1 恒定表面源(浓度)扩散
，
N s2
2 N s1
tg (
1
D1 t 1 D2 t 2质分布的其他因素
3.4.1 硅中的点缺陷
缺陷：任何对周期晶格形成扰动都称为“缺陷” ①面缺陷：层错、多晶的晶粒间界等； ②线缺陷：位错等； ③点缺陷：杂质原子产生的缺陷，如空位、间隙、间隙 原子团。 空位缺陷：晶格上缺失一个Si原子。 0 ①中性空位V ②带一个负电荷的空位V ③带两个负 电荷的空位V-- ④带一个正电荷的空位V+
图3.13 硅中空位的能带图
3.4 影响杂质分布的其他因素
3.4.2 扩散系数与杂质浓度的关系
① N<ni,D与N无关，称本征扩散系数Di； ② N>ni,D与N有关，称非本征扩散系数De。 空位浓度与掺杂浓度 ①V0与N无关 ；②高掺杂施主可使V-和V-2浓度增加； ③高掺杂受主可使V+浓度增加。 各种空位以不同方式与离化的掺杂原子相互作用，具 有不同的ΔE和D。 扩散系数与空位浓度成正比
扩散&离子注入
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
半导体八大工艺顺序
半导体八大工艺顺序半导体八大工艺顺序，是指半导体制造过程中的八个主要工艺步骤。
这些工艺步骤包括晶圆清洗、光刻、沉积、刻蚀、扩散、离子注入、退火和包封。
下面将逐一介绍这些工艺步骤的顺序及其作用。
1. 晶圆清洗晶圆清洗是半导体制造过程中的第一步。
在这一步骤中，晶圆将被放入化学溶液中进行清洗，以去除表面的杂质和污染物。
这样可以确保后续工艺步骤的顺利进行，同时也可以提高器件的质量和性能。
2. 光刻光刻是半导体制造中的关键工艺步骤之一。
在这一步骤中，将使用光刻胶覆盖在晶圆表面上，并通过光刻机将图形投射到光刻胶上。
然后，利用化学溶液将未曝光的光刻胶去除，从而形成所需的图形。
3. 沉积沉积是指在晶圆表面上沉积一层薄膜的工艺步骤。
这一层薄膜可以用于改变晶圆表面的性质，增加其导电性或绝缘性。
常用的沉积方法包括化学气相沉积和物理气相沉积。
4. 刻蚀刻蚀是将多余的材料从晶圆表面去除的工艺步骤。
在这一步骤中，利用化学溶液或等离子刻蚀机将不需要的材料去除，从而形成所需的图形和结构。
5. 扩散扩散是将杂质或掺杂物diffused 到晶圆中的工艺步骤。
这一步骤可以改变晶圆的电学性质，并形成PN 结等器件结构。
常用的扩散方法包括固体扩散和液相扩散。
6. 离子注入离子注入是将离子注入到晶圆中的工艺步骤。
这可以改变晶圆的导电性和掺杂浓度，从而形成电子器件的结构。
离子注入通常在扩散之前进行。
7. 退火退火是将晶圆加热至一定温度并保持一段时间的工艺步骤。
这可以帮助晶圆中的杂质扩散和掺杂物活化，从而提高器件的性能和稳定性。
8. 包封包封是将晶圆封装在外部保护材料中的工艺步骤。
这可以保护晶圆不受外部环境的影响，同时也可以方便晶圆的安装和使用。
半导体制造过程中的八大工艺顺序是一个复杂而精密的过程。
每个工艺步骤都起着至关重要的作用，只有严格按照顺序进行，才能生产出高质量的半导体器件。
希望通过本文的介绍，读者对半导体制造过程有了更深入的了解。
版图中注入区和扩散区有啥区别
版图中注入区和扩散区有啥区别？(转)注：有源区：一般用AA或者OD表示，定义为：Definition of diffusion area注入区：有N+注入区和P+注入区，一般分别用NP和PP表示，定义为：N+(or P+) implantation definition版图中的diffusion区域对应于mask中的active层。
在标准cmos工艺中，是先形成active区域，然后gate oxide,gate poly,n/p implant(n和p的先后顺序不记得了)。
implant是在active 之后。
由于有poly的自对准，再加上 implant区域比对应的active要稍大一点。
diff区就是离子注入时掩模板开的口这个口可以看到四周有场氧，中间有栅氧，还有S/D有源区ion implant| ↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓ ||场氧 Gate 场氧 |------- 有源 ---- 有源 -------|________________|在画版图时基本上有两种风格：1 n 和 p 的diff 层，implant 层都要画，smic,tsmc好像就是这样子，2 只画 active 层和n or p implant层，umc,csmc好像就是这样子，缺的implant 层在制作mask时可以通过运算得到。
总结,diffusion对应于工艺时的 active 区域。
版图时layout rule要求怎么画就怎么画。
问：n井工艺中，画pmos管时要画有源区和p注入区，但是器件原理上来讲，只有有源区就行了，而有源区其实就是p注入形成的，版图中为什么两者都有呢？不是同义重复吗？这样做的目的是什么？谢谢！答：工艺中，首先是形成有源区，与有源区相对应的概念是场区。
场区覆盖场氧以保证寄生mos 管的始终关断。
而有源区需要生长栅氧，形成相应的栅极。
再后面才是区别出p注入区和n注入区。
至于画版图时有两种方法标示p注入区和n注入区。
单晶硅片上的离子注入和扩散技术研究
单晶硅片上的离子注入和扩散技术研究引言在现代电子设备的制造过程中，单晶硅片是不可或缺的基础材料。
然而，单晶硅片本身的电性能并不足以满足高性能电子器件的要求。
为了进一步改善单晶硅片的电性能，离子注入和扩散技术被广泛应用于整个半导体工业。
离子注入技术离子注入技术是将离子注入到单晶硅片中，以改变其化学和电子结构的方法。
这一技术可以通过控制注入离子的种类、能量、剂量和注入的深度来实现。
离子注入技术主要用于改变单晶硅片中的电阻率、折射率、能带结构和衬底制造。
在离子注入过程中，单晶硅片被置于离子加速器中，通过电场加速离子并注入到表面。
离子的种类可以通过选择不同的元素来实现，例如硼、氮、磷等。
离子注入的能量由加速器的电压决定，而剂量则由注入时间和电流密度决定。
注入的深度则由离子的能量以及单晶硅片的物理性质决定。
离子注入技术的应用非常广泛。
例如，通过在单晶硅片中注入磷或硼离子，可以形成P型或N型掺杂层，用于制造PN结构的二极管和晶体管。
此外，离子注入技术还可以用于制造电阻、电容和电感元件，以及激光二极管和太阳能电池等复杂的半导体器件。
离子扩散技术离子扩散技术是将掺杂离子从表面扩散到单晶硅片内部的过程。
与离子注入技术不同，离子扩散技术不需要外部设备进行注入，而是通过高温处理来实现。
这一过程可以改变单晶硅片内部的掺杂浓度和分布，从而调整其电性能。
离子扩散技术主要分为固态扩散和气相扩散两种。
固态扩散是将单晶硅片放置在掺杂材料的固体源上，并在高温下让掺杂材料扩散到单晶硅片中。
而气相扩散则是在高温下将掺杂材料的气体形式引入单晶硅片中，通过化学反应使掺杂材料扩散到单晶硅片中。
离子扩散技术的应用也非常广泛。
例如，在晶体管制造过程中，通过对单晶硅片进行掺杂扩散，可以形成源、漏和栅等结构，实现晶体管的放大和开关功能。
此外，离子扩散技术还可以用于制造光电器件、传感器和微电子器件等。
离子注入和扩散技术的研究进展随着半导体工业的发展，离子注入和扩散技术也在不断进步。
扩散工艺和离子注入
扩散工艺和离子注入
扩散工艺和离子注入分别是半导体工业中重要的加工技术。
这些
技术在半导体器件的制作中扮演着至关重要的角色。
在本文中，我们
将介绍这两种技术，了解它们的原理，应用和一些注意事项。
首先，我们来谈论一下扩散工艺。
扩散工艺是一种在半导体加工
中广泛使用的技术，可用于将杂质掺入到晶体中，从而改变晶体材料
的性质。
由于其具有可重复性，高效率和稳定性，因此扩散技术成为
当今半导体行业广泛使用的技术之一。
需要注意的是，扩散工艺在运用时需要严谨的控制条件，例如温度、离子浓度、扩散时间等，以控制金属杂质的扩散深度和引入量。
扩散工艺是一个复杂的过程，涉及到多个步骤，包括表面处理、扩散
和后处理等。
接下来，让我们来介绍离子注入技术。
离子注入是通过将离子轰
击到晶体表面的过程来改变其电学性能的一种技术。
离子源可以是氩、磷、硼和氮等离子，而这些离子又可以控制其注入能量和浓度，从而
定向改变晶体表层性质。
与扩散工艺相比，离子注入采用直接轰击晶体表面的方法，因此
没有扩散时间限制，更加高效。
但需要注意的是，离子注入技术对于
材料的损害较大，因此在使用时应该进行精细的控制。
而且，注入能
量和浓度等参数需要进行仔细的选择，以保证合适的材料性质改变而
不损害器件的整体性能和寿命。
总之，扩散工艺和离子注入技术是现代半导体器件制造中必不可少的工艺，对于半导体行业的发展和进步有着重要的作用。
因此，在使用这些技术时，一定要掌握其原理，选择合适的条件并特别注意细节，从而确保制造出高质量、可靠的半导体器件。
微电子器件的工艺制备技术研究
微电子器件的工艺制备技术研究一、引言随着科技的发展，微电子器件越来越被广泛应用于各个领域，如消费电子、电子通信、医疗等。
微电子器件的工艺制备技术是实现小型化、高性能和低功耗的关键。
本文将探讨微电子器件的工艺制备技术研究进展。
二、微电子器件制备技术种类微电子器件的制备技术可以分为三种：扩散工艺、离子注入工艺和化学气相沉积工艺。
1.扩散工艺扩散工艺是指利用扩散原理，在半导体表面上形成p-n结或改变半导体的电性质，从而制备各种器件。
该工艺可以分为三种：固相扩散、气相扩散和液相扩散。
其中，固相扩散是最常用的一种。
2.离子注入工艺离子注入工艺是指将离子束射入半导体中，操纵半导体电物性，从而形成p-n结或制备器件。
该工艺具有制程简单、精度高和性能良好等优点。
3.化学气相沉积工艺化学气相沉积工艺是指利用化学反应在半导体表面上沉积薄膜，从而形成器件。
该工艺具有制程简单、成本低廉和控制性好等特点。
三、微电子器件制备技术的进展微电子器件制备技术在发展过程中，不断涌现出新的方法和技术。
下面将分别从扩散工艺、离子注入工艺和化学气相沉积工艺方面来介绍微电子器件制备技术的进展。
1.扩散工艺由于扩散工艺制备的器件成本低廉、效率高，因此得到了广泛应用。
在扩散工艺的研究中，最重要的问题是如何控制扩散过程中的杂质含量。
随着微电子器件的小型化，杂质的含量变得更加敏感，因此对杂质的控制要求更高。
目前，控制杂质含量的方法主要有如下几种：前处理、增量扩散和掺杂剂挥发。
其中，前处理是将器件的前部分进行清洗和去除，以减少杂质的影响。
增量扩散是指在扩散过程中，不断的补充新材料，以控制器件中的杂质含量。
掺杂剂挥发则是指在扩散过程中，通过加热掺杂剂将掺杂剂挥发出去，以减少杂质的含量。
2.离子注入工艺离子注入工艺在微电子器件制备中起到了重要的作用。
离子注入技术可以控制掺杂原子的深度、浓度和分布等参数，因而得到了广泛应用。
在离子注入工艺的研究中，最主要的问题是如何控制离子束和自生征上的温升。
八个基本半导体工艺
八个基本半导体工艺随着科技的不断进步，半导体技术在各个领域得到了广泛的应用。
半导体工艺是半导体器件制造过程中的关键环节，也是半导体产业发展的基础。
本文将介绍八个基本的半导体工艺，分别是氧化、扩散、沉积、光刻、蚀刻、离子注入、热处理和封装。
一、氧化工艺氧化工艺是指在半导体晶片表面形成氧化层的过程。
氧化层可以增强晶片的绝缘性能，并且可以作为蚀刻掩膜、电介质、层间绝缘等多种用途。
常见的氧化工艺有湿法氧化和干法氧化两种。
湿法氧化是在高温高湿的环境中，通过将晶片浸泡在氧化液中使其表面氧化。
干法氧化则是利用高温下的氧化气体与晶片表面反应来形成氧化层。
二、扩散工艺扩散工艺是指将掺杂物质（如硼、磷等）通过高温处理，使其在晶片中扩散，从而改变晶片的导电性能。
扩散工艺可以用于形成PN结、调整电阻、形成源、漏极等。
扩散工艺的关键是控制扩散温度、时间和掺杂浓度，以确保所需的电性能。
三、沉积工艺沉积工艺是将材料沉积在半导体晶片表面的过程。
常见的沉积工艺有化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两种。
CVD是利用化学反应在晶片表面沉积薄膜，可以实现高纯度、均匀性好的沉积。
而PVD则是通过蒸发、溅射等物理过程，在晶片表面形成薄膜。
四、光刻工艺光刻工艺是将光敏胶涂覆在晶片表面，然后通过光刻曝光、显影等步骤，将光敏胶图案转移到晶片上的过程。
光刻工艺是制造半导体器件的核心工艺之一，可以实现微米级甚至纳米级的图案制作。
五、蚀刻工艺蚀刻工艺是通过化学反应或物理过程将晶片表面的材料去除的过程。
蚀刻工艺可以用于制作电路的开关、互连线等。
常见的蚀刻方法有湿法蚀刻和干法蚀刻两种。
湿法蚀刻是利用化学溶液对晶片表面进行腐蚀，而干法蚀刻则是通过等离子体或离子束对晶片表面进行刻蚀。
六、离子注入工艺离子注入工艺是将掺杂离子注入晶片中的过程。
离子注入可以改变晶片的导电性能和材料特性，常用于形成源漏极、调整电阻等。
离子注入工艺需要控制注入能量、剂量和深度，以确保所需的掺杂效果。
3.4扩散与离子注入
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。
加速注入半导体内。
使扩散
低温 没有横向扩散 掺杂剂量可以控制 注入的深度可以控制
1. 离子注入过程
a 离子碰撞
Ion
E
atoms
如果入射离子的速度方向与固体表面的夹角大于某一临界角， 它将能够进入固体表面层，与固体中的原子发生一系列的弹性 和非弹性碰撞，并不断地损失其能量。当入射离子的能量损失 到某一定的值（ 约为20eV左右 ) 时，将停止在固体中不再运 动。上述过程被称为离子注入过程。
反 弹
离溅 子射
二次 电子
原 子
离子注入到晶圆内
反弹 注入 溅射原子 二次电子发射
经加速的离子碰撞晶圆靶面
轻离子反弹
足够的重离子进入靶内，
与原子和电子发生碰撞
原子
电子
弹性碰撞
非弹性碰撞
原子从晶格中脱离 产生溅射现象
电子被激发到高能级，一 二次电子发射 段时间后回到基态
晶格热振动使靶温度↑
能量以光波形式释放
为了精确控制深度,精确控制温度(＜±0.5℃)十分重要。
4. 扩散的测量技术
扩散结果
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
17-扩散与离子注入
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ຫໍສະໝຸດ 1017.2 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。
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
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
掺 杂 方 式
离子注入：杂质总量及浓度分布受注入剂 量、能量和推结时间及温度决定。适于小 特征尺寸的芯片。注入温度较低，常用光 刻胶作为掩膜。
半导体制作工艺----掺杂概述
C( x, t )ΔsΔx C( x, t Δt )ΔsΔx C( x, t Δt ) C( x, t )ΔsΔx
在t时刻，体积元内的杂质浓度为C(x, t)，在t+Δt时刻 杂质浓度为C(x, t+Δt) 。经过Δt时间，该体积元内杂质 变化量为
设杂质在x和x+Δx处的扩散流密度分别为J(x,t) 和J(x+Δx,t)，则在Δt时间内， 通过x处和x+Δx处的杂质流量差为
P Wi / kT ) i ν0 exp(
温度越高，间隙杂质的跳跃率越高，间隙式扩散越容易。 室温下，Pi 约每分钟一次。
5.2.2 替位（空位）扩散
高温下，晶格处原子在平衡格点作热振动，它有一定几 率获得足够的能量，离开格点，形成空位，即空格点。临近 的杂质原子移动到空位上，而逃逸出来的原子进入间隙或跑 到晶片表面
菲克第一定律：如果在一个有限的基体中杂质浓度C(x, t)存在梯 度分布，则杂质将会产生扩散运动，杂质的扩散流密度 J 正比 于杂质浓度梯度C/ x ，比例系数D定义为杂质在基体中的扩 散系数。
扩散流密度的一维表达式为：
C x, t J D x
C x, t J D x
xj
2Cs 1 2 CB 1 C B exp erfc erfc Cs Cs π xj
处的杂质浓度梯度就越小。
由上式可以看出，在Cs和CB一定的情况下，pn结越深，在结
2、 有限表面源扩散
有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先沉积
一层杂质，在整个扩散过程中这层杂质作为扩散的 杂质源，不再有新源补充，这种扩散方式称为有限 表面源扩散。
间隙杂质一般情况下只能在势能极小 位臵附近做热振动，振动频率约为 1013~1014/s,室温下平均振动能只有 0.026eV，也就是在1200度的高温下也 只有0.13eV。
离子注入扩散掺杂技术原理及应用
离子注入扩散掺杂技术原理及应用20世纪70年代，半导体离子注入获得突破，离子注入、离子刻蚀和电子束曝光技术的结合，形成集成电路微细加工新技术，推动激光技术和红外技术飞速发展促成了今天全新的电子工业、计算机工业喝光通讯技术全面发展的新局面。
由于非半导体离子注入的材料表面处理量大，体积庞大，形状复杂，所需束流强度高，故非半导体离子注入材料改性起初发展缓慢。
随着强流氮离子注入机，特别是金属蒸发真空弧离子源( MEVV A)的问世，非半导体离子技术在20世纪80年代末期得到迅速发展。
用离子注入方法可获得高度过饱和的固溶体、亚稳定相、非晶态和平衡合金等不同组织结构形成，大大改善了工件的使用性能。
目前离子注入又与各种沉积技术、扩渗技术结合形成复合表面处理新工艺，如离子辅助沉积（IAC）、离子束增强沉积（IBED）、等离子体浸没离子注入（PSII）以及PSII—离子束混简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一个具有特殊性质的表面层（注入层）。
合等，为离子注入技术开拓了更广阔的前景。
掺杂就是使杂质进入wafer内部，并在wafer中的某区域以一定浓度分布，从而改变器件的电学性能，掺入的杂质可以是IIIA族和V A族的元素。
利用掺杂技术，可以制作PN结、欧姆接触区、以及电阻等各种器件。
什么是离子注入呢？离子注入是将被注入元素利用离子注入机电离成带正电荷的离子，经过高压电场加速后高速轰击工件表面，使之注入工件表面一定浓度的真空处理工艺。
简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一个具有特殊性质的表面层（注入层）。
离子注入技术的原理如图所示：离子注入是将离子源产生的离子经加速后高速射向材料表面，当离子进入表面，将与固体中的原子碰撞，将其挤进内部，并在其射程前后和侧面激发出一个尾迹。
外延,扩散,离子注入,衬底制备
7.7 分子束外延（MBE）
MBE：Molecular Beam Epitaxy 原理：在超高真空下，利用薄膜组分元素受热蒸发所 形成的原子或分子束，直接射到衬底表面，形 成外延层。 应用：元素半导体—Si、Ge 化合物半导体-GaAs、GaN、SiGe MBE的特点： ①温度低； ②生长速度低； ③化学组成及掺杂浓度精确可控； ④厚度可精确控制到原子级；
SOI技术的特点与优势
1．速度高 ：在相同的特征尺寸下，工作速度可提高 30-40％； 2．功耗低： 在相同的工作速度下，功耗可降低 50 ％ - 60％； 3．特别适合于小尺寸器件； 4．特别适合于低压、低功耗电路； 5．集成密度高 ： 封装密度提高约40％； 6．低成本： 最少少用三块掩模版，减少13%-20% （30％）的工序； 7．耐高温环境： 工作温度300℃-500℃； 8．抗辐照特性好： 是体硅器件的50-100倍。
绪论
外延的分类 ①按工艺分类： 气相外延（VPE）：硅的主要外延工艺； 液相外延（LPE）：Ⅲ-Ⅴ化合物的外延； 固相外延（SPE）：离子注入退火过程； 分子束外延（MBE，Molecular Beam Epitaxy） ②按材料分类 同质外延：外延层与衬底的材料相同，如 Si上外延Si，GaAs上外延GaAs； 异质外延：外延层与衬底的材料不相同，如 Si上外延SiGe 或 SiGe上外延Si； 蓝宝石上外延Si-- SOS(Silicon on Sapphire)； 蓝宝石上外延GaN、SiC。 ③按压力分类 常压外延：100kPa ； 低压（减压）外延：5-20kPa。
7.9 外延层电阻率的测量
方法：四探针法、三探针法、电容-电压(CV)法、扩展 电阻法等 扩展电阻法 特点：可以测量微区的电阻率或电阻率分布。 原理：当金属探针与半导体材料呈欧姆接触时，电阻主 要集中在接触点附近的半导体中，而且呈辐射状 向半导体内扩展。 采用探针形式：单探针、两探针、三探针。 下面以右图所示单探 针为例进行原理说明。
掺杂工艺小结
4.离子注入
❖ 退火：在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩 散进入替位，有电活性；并使晶体损伤区域“外延 生长”为晶体，恢复或部分恢复硅的迁移率，少子 寿命。
❖ 两个目的：使杂质具有电活性；减小点缺陷密度 ❖ 退火效果与温度，时间有关 ❖ 退火后出现靶的杂质再分布 ❖ 退火方法
高温退火 快速退火：激光、宽带非相关光、电子束退火
4.离子注入
❖ 电子碰撞：注入离子与靶内自由电子以及束缚电子 之间的碰撞
❖ 电子阻止本领和注入离子能量的平方根成正比
低能区
中能区
高能区
εc
核阻止本领和电子阻止本领曲线
(1)低能区： Sn(E)占主要 地位，Se(E) 可忽略 (2)中能区： Sn(E)和Se(E) 同等重要 (3)高能区： Se(E) 占主要 地位， Sn(E) 可忽略
3.扩散
❖ 替位式扩散：以近邻处有空位为前题 ❖ 替位扩散杂质：As， Al，Ga，Sb，Ge ❖ 对替位扩散杂质而言，在晶格位置上势能相
对较低，在间隙处势能较高（和间隙式杂质 正好相反，对比图5-2和图5-3） ❖ 替位式扩散速率比填隙式扩散低得多 ❖ 填隙扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn， Mg ❖ 两种扩散速率与温度均成指数关系
4Hale Waihona Puke 离子注入❖ 晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系 列碰撞，可能使靶原子发生位移，被位移原子还可 能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的空 位－间隙原子对及其它类型晶格无序的分布。这种 因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶 格损伤。
❖ 高能离子在靶内与晶格多次碰撞，从而导致靶的晶 格损伤
4.离子注入
❖ B、P的退火
P
逆退火现象
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扩散结深的测量
Groove-andstain法
沟槽与着色法
扩散结深的测量
Angle-lap
斜角研磨法 角度介于
1~5o
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。
各种图形的方阻
方阻的测量
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。
1、扩散过程
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
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
内部的穿透对硅片进行掺杂。
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；
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。
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
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。
如图中虚线所示
快速热处理
恢复硅的损伤、激活掺入的杂质
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
注入
低温工艺 更多的杂质种类 掺杂剂量控制准确 可以向浅表层引入杂质
设备昂贵 大剂量掺杂耗时 隧道效应
Fick第二定律
描述扩散粒子的时间分 布
J D N x
N t
2N D x2
3、两种扩散方式
恒定源扩散
有限源扩散
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
常见杂质的扩散系数
扩散与离子注入 Diffusion and Ion Implantation
（第二讲）
典型MOS工艺回顾
NMOS结构
NMOS典型工艺
热氧化 薄膜沉积 光刻 刻蚀 注入 扩散 互连 封装
CMOS工艺
光刻技术
正胶 负胶
热氧化
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。
磷的扩散
Байду номын сангаас
磷的扩散也是通过氧 化磷与硅的反应实现 的：
固态源
单磷酸铵(NH4H2PO4) 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
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
砷、锑的扩散
固态扩散源 液态扩散源 气态扩散源
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 （硼(为C常H3用O)的3B固）态、源氮化
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
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
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
气体扩散源的毒性
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
四点探针法
四点探针法的矫正系数
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
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
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
2、杂质分布
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
4、PN结的形成
5、注入时的隧道效应
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：
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)
杂质浓度与电阻率
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
可以通过倾斜8o角注入来 避免
注入损伤
可以通过热处理恢复