1、第十七章 扩散和离子注入1ppt课件17.1 引引 言言本章主要内容：本章主要内容：p扩散工艺和离子注入工艺扩散工艺和离子注入工艺p扩散和离子注入工艺的应用扩散和离子注入工艺的应用p扩散和离子注入设备扩散和离子注入设备本章知识要点：本章知识要点：l掌握掺杂的目的和应用；掌握掺杂的目的和应用；l掌握扩散和离子注入的原理及其应用；掌握扩散和离子注入的原理及其应用；l掌握退火效应和沟道效应掌握退火效应和沟道效应l了解离子注入设备。了解离子注入设备。2ppt课件掺杂原因： 本征硅导电能力很差。本征硅导电能力很差。 在硅中加入一定数量和种类的在硅中加入一定数量和种类的杂质杂质，改变其电学性，改变其电学性
2、质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。17.1 引引 言言3ppt课件受主杂质受主杂质 IIIA 族族 (P-Type) 半导体半导体 IVA 族族 施主杂质施主杂质 VA 族族(N-Type) 元素元素 原子序数原子序数 元素元素 原子序数原子序数 元素元素 原子序数原子序数 Boron (B) 5 Carbon 6 Nitrogen 7 Aluminum 13 Silicon (Si) 14 Phosphorus (P) 15 Gallium 31 Germanium 32 Arsenic (As) 33 Indium 49 Tin(锡锡)
3、 50 锑锑 51 半导体常用杂质半导体常用杂质17.1 引引 言言4ppt课件扩散扩散: 是将一定数量和一定种类的杂质通过是将一定数量和一定种类的杂质通过高温高温扩散掺入到硅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。和分布情况都满足要求的过程。离子注入离子注入: 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。能量的离子束，入射到硅片靶中进行掺杂的过程。OxideOxideP Silicon substr
4、ateDiffused regionNDopant gas束扫描束扫描MaskMaskSilicon substratexj离子注入机离子注入机17.1 引引 言言5ppt课件掺杂方式p 扩散：扩散：掺杂总量及浓度分布受掺杂总量及浓度分布受扩散时间扩散时间和和温度影响温度影响；形成；形成特征尺寸较大特征尺寸较大；扩散温度；扩散温度较高，需较高，需氧化物或氮化物氧化物或氮化物作为作为掩膜掩膜。p 离子注入离子注入：杂质总量及浓度分布受：杂质总量及浓度分布受注入剂注入剂量量、能量能量和和推结时间推结时间及及温度温度决定。适于决定。适于小小特征尺寸特征尺寸的芯片。注入的芯片。注入温度较低温度较低，常
5、用，常用光光刻胶刻胶作为作为掩膜掩膜。17.1 引引 言言6ppt课件具有掺杂区的具有掺杂区的CMOS结构结构17.1 引引 言言7ppt课件17.1 引引 言言8ppt课件亚微米亚微米CMOS IC 制造厂典型的硅片流程模型制造厂典型的硅片流程模型测试测试/ /拣选拣选t t注入注入扩散扩散刻蚀刻蚀抛光抛光光刻光刻完成的硅片完成的硅片无图形的硅片无图形的硅片硅片起始硅片起始薄膜薄膜硅片制造前端硅片制造前端17.1 引引 言言9ppt课件17.2 扩散扩散10ppt课件p 扩散原理扩散原理p 固溶度固溶度p 扩散机构扩散机构p 扩散方式扩散方式p 扩散工艺扩散工艺 p 扩散效应扩散效应 17.
6、2 扩扩 散散11ppt课件17.2.1 扩散原理扩散原理扩散：扩散：粒子从浓度较高的地方向着浓度较低的地方移动，从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；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；浓度的差别越大，扩散越快； 温度越高，扩散也越快。温度越高，扩散也越快。目的：目的：在硅中加入一定数量和种类的杂质，改变其电学性质在硅中加入一定数量和种类的杂质，改变其电学性质。扩散方式扩散方式：气态；液态；固态气态；液态；固态xt)N(x,DJ12ppt课件1100硅中的固溶度 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在一定温度下
7、，衬底能够吸收杂质浓度的上限。17.2.2 固溶度固溶度13ppt课件在间隙位置被在间隙位置被转移的硅原子转移的硅原子SiSiSiSiSiSiSiSiSic) 机械的间隙转移机械的间隙转移SiSiSiSiSiSiSiSiSia) 硅晶格结构硅晶格结构b) 替位扩散替位扩散SiSiSiSiSiSiSiSiVacancyDopantd) 间隙扩散间隙扩散SiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙式杂质间隙式杂质 (杂质杂质原子半径较小原子半径较小)17.2.3 杂质扩散机构杂质扩散机构14ppt课件p 杂质原子在半导体中扩散的方式有两种：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
8、在晶格的间隙位置间运动。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。位）来进行扩散。 如对硅而言，如对硅而言， Au、Ag、Cu、Fe、Ni 等半径较小的杂质原子按间隙式扩散；等半径较小的杂质原子按间隙式扩散； P、As、Sb、B、Al、Ga、In 等半径较大的杂质原子按替位式扩等半径较大的杂质原子按替位式扩散。散。17.2.3 杂质扩散机构杂质扩散机构15ppt课件p 间隙式扩散：间隙式扩散： 必须要越过一个高度为必须要越过一个高度为Ei为为0.61.2eV的势垒的势垒 越过
9、势垒的几率：越过势垒的几率： 扩散系数：扩散系数：/0E kTiiPe2iD a P17.2.3 杂质扩散机构杂质扩散机构16ppt课件p 替位式扩散：替位式扩散： 只有当替位杂质的近邻晶格上出现空只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位（势垒高度位（势垒高度Ev），同时还需大于势），同时还需大于势垒高度垒高度Es 的能量，替位杂质才能运动的能量，替位杂质才能运动到近邻空位上。到近邻空位上。 越过势垒的几率：越过势垒的几率： 扩散系数：扩散系数：()/0EEs kTviPe2iD a P由于（由于（Ev+Es）比）比Ei大（其差值远大于大（其差值远大于kT），因而），因而替位杂质扩替位杂质扩散远比间
10、隙杂质的扩散慢散远比间隙杂质的扩散慢17.2.3 杂质扩散机构杂质扩散机构17ppt课件17.2.3 杂质扩散机构杂质扩散机构扩散系数与温度有关扩散系数与温度有关D0：扩散率扩散率E：扩散工艺激活能：扩散工艺激活能k0：玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数T：绝对温度。：绝对温度。)exp(00TkEDD18ppt课件扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度保持不变保持不变 表面杂质浓度由该杂质在此温度下的表面杂质浓度由该杂质在此温度下的固溶度固溶度决定：决定： 边界条件边界条件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：假定杂
11、质在硅片内扩散的深度远小于硅片的厚度： 边界条件边界条件2： N(, t)= 0 在扩散开始时，硅片内没有杂质扩进，初始条件为：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 0一、恒定表面浓度的扩散一、恒定表面浓度的扩散17.2.4 杂质扩散方式杂质扩散方式19ppt课件x是由表面算起的垂直距离是由表面算起的垂直距离(cm)，t 代表扩散时间代表扩散时间(s)恒定表面源扩散，杂质为余误差分布恒定表面源扩散，杂质为余误差分布2202( , )12xDtssxN x tNedN erfcDt17.2.4 杂质扩散方式杂质扩散方式20ppt课件 在一定扩散温度下，表面杂质
12、浓度在一定扩散温度下，表面杂质浓度Ns为由扩散温度下的为由扩散温度下的固固溶度溶度决定决定。 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，在就越多。对单位面积的半导体而言，在t 时间内扩散到体时间内扩散到体内的杂质总量可求出内的杂质总量可求出： 恒定表面源扩散的主要特点恒定表面源扩散的主要特点:00( )( , )22ssxDtQ tN x t dxN erfcdxNDt扩散时间越长，温度越高，扩散深度越大扩散时间越长，温度越高，扩散深度越大。结深的位置由。结深的位置由N(xj, t)= NB 和和上面公式
13、可得：上面公式可得：12BjsNxDterfcA DtN17.2.4 杂质扩散方式杂质扩散方式21ppt课件扩散开始时，半导体表面扩散开始时，半导体表面杂质源总量一定杂质源总量一定，此种扩散称为有，此种扩散称为有限源扩散。限源扩散。假定扩散开始时硅表面单位面积的杂质总量为假定扩散开始时硅表面单位面积的杂质总量为Q，且均匀地，且均匀地在一极薄的一层内（厚度在一极薄的一层内（厚度h），杂质在硅片内要扩散的深度，杂质在硅片内要扩散的深度远大于远大于h。初始条件和边界条件为初始条件和边界条件为：N(x, 0)= 0， x hN(x, 0)= Ns= Q/h， 0 x hN(, t) = 0二、有限源扩
14、散二、有限源扩散:17.2.4 杂质扩散方式杂质扩散方式22ppt课件有限源扩散，杂质分布为高斯分布有限源扩散，杂质分布为高斯分布24( , )xDtQN x teDt17.2.4 杂质扩散方式杂质扩散方式23ppt课件 扩散时间越长，杂质扩散越深，表面浓度越低；扩散温度扩散时间越长，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；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，杂质总量在整个扩散过程中，杂质总量Q保持不变保持不变。 表面杂质浓度可控，任何表面杂质浓度可控，任何t 时刻的表面浓度为：时刻的表面浓度为：因此有限源扩散的杂质分布也可表
15、示为：因此有限源扩散的杂质分布也可表示为：有限源扩散有限源扩散的主要特点的主要特点:( )SQNtDt 24( , )xDtSN x tNt e17.2.4 杂质扩散方式杂质扩散方式24ppt课件 结深为：结深为： 表面浓度表面浓度Ns 与扩散深度成反比，扩散越深，则表面与扩散深度成反比，扩散越深，则表面浓度越低；浓度越低；NB 越大，结深将越浅。越大，结深将越浅。2lnSjBNxDtA DtN17.2.4 杂质扩散方式杂质扩散方式25ppt课件p 为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求，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：实际生产中常采用
16、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；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。片在较高温度下扩散，以控制扩散深度和表面浓度。 激活：激活：杂质原子与衬底原子形成共价键，成为替位式杂质原子与衬底原子形成共价键，成为替位式杂质杂质。17.2.4 杂质扩散方式杂质扩散方式在引入扩散源后作推进扩散时，常常
17、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。26ppt课件 17.2.6 扩散工艺扩散工艺液态源扩散系统固态源扩散系统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) 三氯氧磷 (POCl3) 、硼酸三甲脂 B(CH3)O3 （B2O3，P2O5，BN等）27ppt课件 磷的液态源扩散三氯氧磷（POCl3）是普遍选用的液态源，无色透明液体，有毒，在室温下具有较高的蒸气压。磷的液态源扩散做为预扩散，其化学反应式： POCl3 PCl5 P2O5 PCl5 O2 P2O5 Cl2 POCl3 O2 P2O5
18、Cl2 P2O5 Si P SiO217.2.6 扩散工艺扩散工艺28ppt课件 硼的涂源扩散B2O3乳胶源是普遍选用的扩散源，该源无毒。通过旋转涂敷到硅片上，经过烘培除去有机溶剂然后进入高温炉进行预扩散。其化学反应式： B2O3 Si B SiO217.2.6 扩散工艺扩散工艺29ppt课件p 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0 1HNO3的混合液，使p区的显示的颜色比n区深 方块电阻(Rs:单位为 /):17.2.6 扩散工艺扩散工艺wlRwlxwxlAlRSjjVItS S S143230pp
19、t课件17.2.7 横向扩散横向扩散原子扩散进入硅片，向各个方向运动：硅的原子扩散进入硅片，向各个方向运动：硅的内部内部、横向横向和和重新重新离开离开硅片。硅片。杂质原子沿硅片表面方向迁移，发生杂质原子沿硅片表面方向迁移，发生横向扩散横向扩散。热扩散中。热扩散中的横向扩散通常是纵向结深的的横向扩散通常是纵向结深的75%一一85。横向扩散导致沟道长度的减小，影响器件的集成度和性能。横向扩散导致沟道长度的减小，影响器件的集成度和性能。31ppt课件 硼、磷杂质在SiO2Si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SiO2Si界面发生分凝效应，使杂质在SiO2和S
20、i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。17.2.7 扩散效应扩散效应2SiSiOm 杂质在中的平衡浓度分凝系数杂质在中的平衡浓度32ppt课件杂质杂质 杂质源杂质源 化学名称化学名称 Arsenic (As) AsH3 砷烷砷烷(gas) Phosphorus (P) PH3 磷烷磷烷 (gas) Phosphorus (P) POCl3 三氯氧磷三氯氧磷 (liquid) Boron (B) B2H6 乙硼烷乙硼烷 (gas) Boron (B) BF3 三氟化硼三氟化硼 (gas) Boron (B) BBr3 三溴化硼三溴化硼 (liquid
21、) 锑锑 (Sb) SbCl5 五氯化锑五氯化锑 (solid) 17.2.8 扩散常用杂质源扩散常用杂质源33ppt课件17.3 离子注入离子注入34ppt课件a) 低掺杂浓度低掺杂浓度 (n, p) 浅结浅结 (xj)MaskMaskSilicon substratexj低能低能低剂量低剂量快速扫描快速扫描束扫描束扫描掺杂离子掺杂离子离子注入机离子注入机b) 高掺杂浓度高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结和深结 (xj)束扫描束扫描高能高能大剂量大剂量慢速扫描慢速扫描MaskMaskSilicon substratexj离子注入机离子注入机离子注入：离子注入：一种向硅衬底中引入可控制数量的
22、杂质，以改变其一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学性能的方法。它是一个电学性能的方法。它是一个物理过程，物理过程，即即不发生化学反应不发生化学反应。17.3 离子注入离子注入35ppt课件离子源离子源分析磁体分析磁体加速管加速管离子束离子束等离子体等离子体工艺腔工艺腔吸出组件吸出组件扫描盘扫描盘离子注入机示意图离子注入机示意图17.3 离子注入离子注入 离子注入的基本过程v 将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子v 在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）36ppt课件17.3.1 离子注入特点离子注入特点 离子注入的优点：1. 精确地控制掺杂浓度和掺杂
23、深度2. 可以获得任意的杂质浓度分布3. 杂质浓度均匀性、重复性很好4. 掺杂温度低5. 沾污少6. 无固溶度极限37ppt课件 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 2. 注入设备复杂昂贵17.3.1 离子注入特点离子注入特点38ppt课件 剂量：剂量：剂量是单位面积硅片表面注入的离子数，单位是剂量是单位面积硅片表面注入的离子数，单位是原子每平方厘米。原子每平方厘米。Q：剂量，原子数：剂量，原子数/cm2；I：束流，库伦：束流，库伦/秒；秒；n：每个离子的电荷数；：每个离子的电荷数；A：注入面积；：注入面积； t：时间。：时间。离子注入是硅片制造的重要技术，主要原因之
24、一是它能够离子注入是硅片制造的重要技术，主要原因之一是它能够重复重复向硅片中向硅片中注入相同剂量的杂质注入相同剂量的杂质。17.3.2 离子注入参数离子注入参数ItQenA39ppt课件注入能量注入能量:离子注入的能量用电子电荷与电势差的乘积来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带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场运动，它的电场运动，它的能量为的能量为100KeV17.3.2 离子注入参数离子注入参数40ppt课件SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiS
25、iSiSiX-rays电子碰撞电子碰撞原子碰撞原子碰撞被移动的硅原子被移动的硅原子携能杂质原子携能杂质原子硅晶格硅晶格p 主要能量损失机制是主要能量损失机制是电子阻止电子阻止和和核阻止核阻止；p 电子阻止是电子阻止是杂质原子杂质原子与靶材料的与靶材料的电子电子发生碰发生碰撞；撞；p 核阻止是核阻止是杂质原子杂质原子与与硅原子硅原子发生碰撞，造成发生碰撞，造成硅原子的移位。硅原子的移位。17.3.2 离子注入参数离子注入参数41ppt课件17.3.2 离子注入参数离子注入参数v 核阻止本领在低能量下起主要作用v 电子阻止本领在高能量下起主要作用核阻止和电子阻核阻止和电子阻止相等的能量止相等的能量
26、注入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论42ppt课件射程射程R:指的是离子注入过程中，离子穿入硅片所走过的总距离。指的是离子注入过程中，离子穿入硅片所走过的总距离。投影射程投影射程Rpi:射程在入射方向上的投影。投影射程也是停止点射程在入射方向上的投影。投影射程也是停止点与靶表面直距的垂离。决定于离子质量和能量、靶的质量和离子与靶表面直距的垂离。决定于离子质量和能量、靶的质量和离子束相对于硅片晶体结构的方向。束相对于硅片晶体结构的方向。平均投影射程平均投影射程RP:投影射程的平均标准偏差投影射程的平均标准偏差Rp：表示注入杂质在RP附近的分布17.3.2 离子注入参数离子注入参数入射离子束入
27、射离子束Silicon substrate对单个离子停止点对单个离子停止点Rpi Rp 杂质分布杂质分布43ppt课件p 注入能量增加，投影注入能量增加，投影射程增加，杂质浓度的射程增加，杂质浓度的峰值会因偏差的增加而峰值会因偏差的增加而降低。降低。p 投影射程图能够预测投影射程图能够预测一定注入能量下的投影一定注入能量下的投影射程射程投影射程图投影射程图17.3.2 离子注入参数离子注入参数44ppt课件17.3.3 离子注入浓度分布离子注入浓度分布212( )2ppx RRPN xeRp 为样品表面单位面积注为样品表面单位面积注入的离子总数（注入剂量，入的离子总数（注入剂量，单位单位:cm
28、-2)。 RP 是平均投影射程，离子是平均投影射程，离子注入深度的平均值。注入深度的平均值。注入离子在无定形靶中的浓度分布为高斯分布:45注入离子浓度分布的特点：注入离子浓度分布的特点：(1) 最大浓度位置在样品内的平均投影射程处：最大浓度位置在样品内的平均投影射程处： (2) 注入离子的剂量注入离子的剂量越大，浓度峰值越高；越大，浓度峰值越高；(3) 注入离子的能量注入离子的能量E（20200 KeV）越大，）越大，RP 、RP 相应越大，相应越大，浓度峰值越低。浓度峰值越低。(4) 在在x = RP 处的两边，注入离子浓度对称地下降，且下降速度处的两边，注入离子浓度对称地下降，且下降速度越
29、来越快。越来越快。max0.42PPNRR17.3.3 离子注入浓度分布离子注入浓度分布4617.3.3 离子注入浓度分布离子注入浓度分布maxjppB2lnNxRRN 离子注入结深 Xj其中:NB为衬底浓度4717.3.3 离子注入浓度分布离子注入浓度分布v 真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布v 当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射,会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。注入离子的真实分布48 入射能量 （KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP662130219032465299434963974443248
30、72 RP P283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279 RP P119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005 RP P5999136172207241275308341各种离子在各种离子在SiSi中的中的RpRp和和RpRp 值值 ()()17.3.3 离子注入浓度分布离子注入浓度分布49ppt课件各种离子在光刻胶中的各种离子在光刻胶中的RpRp和和RpRp 值值 ()() 入射能量 （KEV）注入的离子20406080100120140
31、160180BRP22674587673687211056912305139471551117007 RP P475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675 RP P19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015 RP P12620728634941548054360666717.3.3 离子注入浓度分布离子注入浓度分布50ppt课件各种离子在各种离子在SiO2SiO2中的中的RpRp和和RpRp 值值 ()(
32、) 入射能量 （KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172 RP P252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859 RP P84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823 RP P43729912515117620122625117.3.3 离子注入浓度分布离子注入浓度分布51ppt课件各种离子在各种离子在Si3N4Si3N4中的中的RpRp和和RpRp
33、 值值 ()() 入射能量 （KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994 RP P196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437 RP P65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637 RP P3356779711813715717619517.3.3 离子注入浓度分布离子注入浓度分布52ppt课件轻离子冲击轻离子冲击重离子冲击重离子冲击轻离子和重离子引起的损伤
34、轻离子和重离子引起的损伤p 轻离子注入损伤密度小，但区域较大；轻离子注入损伤密度小，但区域较大；p 重离子注入损伤密度大，但区域很小。重离子注入损伤密度大，但区域很小。17.3.4 离子注入效应离子注入效应 53ppt课件硅单晶的退火硅单晶的退火a) 注入过程中损伤的硅晶格注入过程中损伤的硅晶格离子束离子束修复硅晶格结构并修复硅晶格结构并激活杂质一硅键激活杂质一硅键b) 退火后的硅晶格退火后的硅晶格p 高温退火高温退火：激活杂质激活杂质(950)，修复晶格损伤，修复晶格损伤(500) 。p 退火方法：退火方法： 高温炉退火高温炉退火：800-1000度退火度退火30分钟，导致杂质的再扩散分钟，
35、导致杂质的再扩散 快速热退火快速热退火：1000下短暂时间退火，减小瞬时增强扩散。下短暂时间退火，减小瞬时增强扩散。17.3.4 离子注入效应离子注入效应 54ppt课件沿 轴的硅晶格视图p 沟道效应沟道效应：离子沿某些方向渗入的速度比其它方向大，：离子沿某些方向渗入的速度比其它方向大，使离子峰值在使离子峰值在Si片更深处或呈现双峰值的杂质分布。片更深处或呈现双峰值的杂质分布。 Si的的晶向为开沟方向，是注入最深的方向晶向为开沟方向，是注入最深的方向17.3.4 离子注入效应离子注入效应 55ppt课件p 控制沟道效应的方法：控制沟道效应的方法： 注入时，倾斜硅片；掩蔽氧化层；注入时，倾斜硅片
36、；掩蔽氧化层； 硅预非晶化；使用质量较大的原子。硅预非晶化；使用质量较大的原子。有、无沟道效应时的杂质浓度分布有、无沟道效应时的杂质浓度分布17.3.4 离子注入效应离子注入效应 56ppt课件倾斜硅片 （100）硅片：偏离垂直方向）硅片：偏离垂直方向7度；度； 晶向：旋转硅片晶向：旋转硅片15到到35度；度； 超浅结低能注入：倾斜硅片几乎不起什么作用。超浅结低能注入：倾斜硅片几乎不起什么作用。17.3.4 离子注入效应离子注入效应 57ppt课件 控制沟道效应的方法 1. 倾斜硅片：常用方法 2. 缓冲氧化层：离子通过氧化层后，方向随机。 3. 硅预非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）
37、浅注入应用非常有效 4. 使用质量较大的原子17.3.4 离子注入效应离子注入效应 58ppt课件17.4 离子注入的应用离子注入的应用59ppt课件17.4 离子注入的应用离子注入的应用 深埋层深埋层 倒掺杂阱倒掺杂阱 穿通阻挡层穿通阻挡层 阈值电压调整阈值电压调整 轻掺杂漏极轻掺杂漏极 (LDD) 源源/漏漏 注入注入 多晶硅栅多晶硅栅 沟槽电容沟槽电容 超浅结超浅结 绝缘体上硅绝缘体上硅 (SOI)60ppt课件p+ Silicon substratep-Epitaxiallayern-wellp-wellp+Buried layer17.4.1 深埋层深埋层 深埋层：深埋层：用高能离子
38、注入用高能离子注入(大于大于200keV)实现。实现。 三阱结构三阱结构有一个埋层在掺杂阱下面的注入阱，改进器件有一个埋层在掺杂阱下面的注入阱，改进器件性能和封装密度。性能和封装密度。 应用埋层的一个重要原因是控制应用埋层的一个重要原因是控制CMOS电路的闩锁效应。电路的闩锁效应。61ppt课件 倒掺杂阱倒掺杂阱：注入杂质浓度峰值在硅片表面下一定深：注入杂质浓度峰值在硅片表面下一定深度处，改进晶体管抵抗闩锁效应和穿通的能力度处，改进晶体管抵抗闩锁效应和穿通的能力17.4.2 倒掺杂阱倒掺杂阱62ppt课件 穿通穿通：漏耗尽区向轻掺杂沟道区扩展，与源耗尽区连通的：漏耗尽区向轻掺杂沟道区扩展，与源
39、耗尽区连通的现象。防穿通注入的杂质位于临近源漏区的有源沟道下。现象。防穿通注入的杂质位于临近源漏区的有源沟道下。17.4.3 穿通阻挡层穿通阻挡层63ppt课件p+ Silicon substratep- Epitaxiallayern+P+n型型杂杂质质p型型杂杂质质P+ Buried Layern+P+nP 阈值调整阈值调整：在沟道区硅层下注入杂质，调整到所需浓度。：在沟道区硅层下注入杂质，调整到所需浓度。17.4.4 阈值电压调整阈值电压调整22AsFBssthmsFBoxoxqNQVCC 64ppt课件17.5.5 LDD注入注入 LDD：LDD注入在沟道边缘的界面区域产生复杂注入在沟
40、道边缘的界面区域产生复杂的横向和纵向杂质剖面。减小了结和沟道区间的电的横向和纵向杂质剖面。减小了结和沟道区间的电场，把结中的最大电场位置与沟道中的最大电流路场，把结中的最大电场位置与沟道中的最大电流路径分离，以防止产生热载流子。径分离，以防止产生热载流子。6517.5.6 源漏注入源漏注入 S/D注入注入：形成重掺杂区形成重掺杂区。As注入通常用来形成注入通常用来形成nMOS的源漏区；的源漏区；B或或BF2注入用来形成注入用来形成pMOS的源的源漏区。漏区。6617.4.7 多晶硅栅多晶硅栅 多晶硅栅掺杂多晶硅栅掺杂：在源漏区在源漏区注入时，对多晶硅栅进行掺注入时，对多晶硅栅进行掺杂，以减小电
41、阻。杂，以减小电阻。67n+ dopantn+p+倾斜注入倾斜注入形成电容形成电容器的沟槽器的沟槽17.4.8 沟槽电容器沟槽电容器 沟槽电容器沟槽电容器：在硅中用干法刻蚀沟槽形成。为了获得足够：在硅中用干法刻蚀沟槽形成。为了获得足够的电容，在电容器侧墙很薄一层中的杂质浓度应达到约的电容，在电容器侧墙很薄一层中的杂质浓度应达到约1019/cm3。68ppt课件180 nm20 gate oxide54 nm arsenic implanted layerPoly gate17.4.9 超浅结超浅结 超浅结超浅结：器件等比例地减小的要求，用大束流低能注入：器件等比例地减小的要求，用大束流低能注入
42、实现。对实现。对0.18m工艺，超浅结深约为工艺，超浅结深约为54 18nm；0.1m工工艺为艺为30 10nm。69ppt课件17.4.10 绝缘层上硅绝缘层上硅SIMOX Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ SourceN+ DrainP+ SourceP+ DrainSilicon Substrate P+Silicon SubstrateP- WellN- WellN+ SourceN+ DrainP+ SourceP+ DrainImplanted silicon dioxideSilicon Substr
43、ate P+普通的CMOS硅片结构具有具有SIMOX埋氧化层的埋氧化层的CMOS硅片硅片70ppt课件17.5 离子注入机离子注入机71ppt课件离子源离子源分析磁体分析磁体加速管加速管离子束离子束等离子体等离子体工艺腔工艺腔吸出组件吸出组件扫描盘扫描盘17.5.1 离子注入机结构离子注入机结构 72ppt课件 离子源离子源 引出电极（吸极）和离子分析器引出电极（吸极）和离子分析器 加速管加速管 扫描系统扫描系统 工艺室工艺室 17.5.1 离子注入机结构离子注入机结构 73ppt课件前板前板狭缝狭缝起弧室起弧室灯丝灯丝电子反射器电子反射器气体入口气体入口5 V电子反射器电子反射器Anode
44、+100 V起弧室起弧室气化喷嘴气化喷嘴电炉电炉气体导入管气体导入管DI 冷却水入口冷却水入口掺杂剂气体入口掺杂剂气体入口17.5.2 离子源离子源74ppt课件吸出组件吸出组件源室源室涡轮泵涡轮泵离子源绝缘体离子源绝缘体离子源和吸极装配图离子源和吸极装配图起弧室起弧室吸极吸极吸出组件吸出组件离子束离子束17.5.3 引出电极（吸极）和离子分析器引出电极（吸极）和离子分析器75ppt课件参考端参考端(PA电压电压)抑制电极抑制电极接地电极接地电极+-NS N S120 V起弧起弧吸出组件吸出组件离子源离子源源磁铁源磁铁5V灯丝灯丝To PA+离子束离子束2.5 kV抑制抑制60 kV吸引吸引p
45、 吸极系统：吸极系统：收集离子源中收集离子源中产生的所有正产生的所有正离子，形成离离子，形成离子束。子束。17.5.3 引出电极（吸极）和离子分析器引出电极（吸极）和离子分析器76ppt课件石墨石墨离子源离子源分析磁体分析磁体离子束离子束吸出组件吸出组件较轻离子较轻离子重离子重离子中性离子中性离子17.5.3 引出电极（吸极）和离子分析器引出电极（吸极）和离子分析器77ppt课件100 M 100 M 100 M 100 M 100 M 0 kV+100 kV +80 kV+20 kV+40 kV+60 kV+100 kV离子束离子束Ion beam到工艺腔到工艺腔Electrode来自分析磁
46、体来自分析磁体17.5.4 加速管加速管78ppt课件邻近吸收邻近吸收Present applicationsEvolving applications多晶掺杂多晶掺杂源源/漏漏损伤工程损伤工程埋层埋层倒掺杂阱倒掺杂阱三阱三阱Vt 调整调整沟道和漏工程沟道和漏工程0.1110100100010,0001017101110121013101410151016Energy (keV)Dose (atoms/cm2)剂量与能量图剂量与能量图17.5.4 加速管加速管79ppt课件Source原子质量分析磁体原子质量分析磁体线性加速器线性加速器最终能量分析磁体最终能量分析磁体扫描盘扫描盘Waferp
47、大电流高能离子束大电流高能离子束：用于注入掩埋杂质层，如倒掺杂阱和三阱。：用于注入掩埋杂质层，如倒掺杂阱和三阱。p 减少注入时间，提高产量。减少注入时间，提高产量。17.5.4 加速管加速管80ppt课件+离子束膨胀剖面离子束膨胀剖面掺杂离子掺杂离子+具有空间电荷中和的离子束剖面具有空间电荷中和的离子束剖面二次电子二次电子空间电荷中和空间电荷中和p 正电荷间相互排斥，造成离子束膨胀，导致注入不均匀。正电荷间相互排斥，造成离子束膨胀，导致注入不均匀。p 空间电菏中和：二次电子中和正离子的方法。空间电菏中和：二次电子中和正离子的方法。17.5.4 加速管加速管81ppt课件源源分析磁体分析磁体加速
48、管加速管中性束中性束流陷阱流陷阱聚焦阳极聚焦阳极Y-axis偏转偏转X-axis偏转偏转中性束中性束流路径流路径Wafer离子束离子束接地的接地的收集板收集板中性束流陷阱中性束流陷阱p 杂质离子与残留气体分子碰撞，获得一个电子，形成中性离杂质离子与残留气体分子碰撞，获得一个电子，形成中性离子。子。p 中性束流陷阱：利用偏转电极，使离子束发生偏转。中性离中性束流陷阱：利用偏转电极，使离子束发生偏转。中性离子不能偏转，它们将继续直行，撞击到接地的收集板上。子不能偏转，它们将继续直行，撞击到接地的收集板上。17.5.4 加速管加速管82ppt课件17.5.5 扫描系统扫描系统p 聚束离子束聚束离子束
49、通过扫描覆盖整个硅片：中等电流的注入机通过扫描覆盖整个硅片：中等电流的注入机束斑约束斑约1cm2 ，大电流的约为，大电流的约为3cm2。p 扫描方式扫描方式： 固定硅片，移动束斑固定硅片，移动束斑-中低电流注入机；中低电流注入机； 固定束斑，移动硅片固定束斑，移动硅片-大电流注入机。大电流注入机。p 注入机中的注入机中的扫描系统扫描系统： 静电扫描；静电扫描； 机械扫描机械扫描 混合扫描混合扫描 平行扫描平行扫描83ppt课件+ 离子束离子束Y-axis偏转偏转X-axis偏转偏转Wafer旋转旋转 倾斜倾斜高频高频 X-axis 偏转偏转低频低频 Y-axis 偏转偏转静电离子束扫描静电离子
50、束扫描p 静电扫描静电扫描：在：在X-Y电极上加特定电压，使离子束发生偏转，电极上加特定电压，使离子束发生偏转，注入到固定的硅片上。注入到固定的硅片上。p 用电磁场能够获得与静电相同的效果。用电磁场能够获得与静电相同的效果。17.5.5 扫描系统扫描系统84ppt课件p 静电扫描优点静电扫描优点： 硅片固定，降低颗粒沾污硅片固定，降低颗粒沾污； 电子和中性离子不发生偏转，能够从束流中消除。电子和中性离子不发生偏转，能够从束流中消除。p 静电扫描缺点：静电扫描缺点： 离子束不能垂直轰击硅片，会导致光刻材料的阴影效应，阻离子束不能垂直轰击硅片，会导致光刻材料的阴影效应，阻碍离子束的注入。碍离子束的
