1、雜質摻雜半導體器件物理雜質摻雜雜質摻雜所謂雜質摻雜是將可控數量的雜質摻入半導體內。雜質摻雜的實際應用主要是改變半導體的電特性。擴散和離子注入是半導體摻雜的兩種主要方式。高溫擴散：一直到20世紀70年代，雜質摻雜主要是由高溫的擴散方式來完成，雜質原子通過氣相源或摻雜過的氧化物擴散或淀積到硅晶片的表面，這些雜質濃度將從表面到體內單調下降，而雜質分布主要是由高溫與擴散時間來決定。離子注入：摻雜離子以離子束的形式注入半導體內，雜質濃度在半導體內有個峰值分布，雜質分布主要由離子質量和注入能量決定。擴散和離子注入兩者都被用來制作分立器件與集成電路，因為二者互補不足，相得益彰。基本擴散工藝基本擴散工藝雜質擴

2、散通常是在經仔細控制的石英高溫爐管中放入半導體硅晶片并通入含有所需摻雜劑的氣體混合物。硅的溫度在800-1200；砷化鎵的溫度在600-1000。擴散進入半導體內部的雜質原子數量與氣體混合物中的雜質分壓有關。對硅而言，B、P和As分別是常用的p型和n型摻雜劑，它們在硅中都有極高的固溶度，可高于51020cm-3。引入方式有：固態源（BN、As2O3、P2O5）；液態源（BBr3、AsCl3、POCl3）；氣體源（B2H6、AsH3、PH3 ），其中液態源最常用。使用液態源的磷擴散的化學反應如下：P2O5在硅晶片上形成一層玻璃并由硅還原出磷，氯氣被帶走。對砷化鎵的擴散工藝而言，因砷的蒸汽壓高，所

3、以需要特別的方式來防止砷的分解或蒸發所造成的損失。包括含過壓的封閉爐管中擴散及在含有摻雜氧化物覆蓋層（氮化硅）的開發爐管中擴散。p型擴散選用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或ZnAs2（封閉爐管法）或ZnO-SiO2（開放爐管法）。n型摻雜劑有硒和碲。電爐電爐O2N2液態雜質源石英管排氣口硅晶片擴散方程式擴散方程式半導體中的擴散可以視作在晶格中通過空位或填隙原子形式進行的原子移動。下圖顯示了2種基本的原子擴散模型。雜質原子的基本擴散工藝近似于載流子擴散，因此定義通量F為單位時間內通過單位面積的摻雜原子數量，C為摻雜濃度，因此有：擴散驅動力是濃度梯度，摻雜原子從高濃度區流向低濃度區。結合一維連

4、續性方程，同時考慮在基質半導體中并無物質生成或消耗（即GnRn0），將得到：在低摻雜原子濃度時，擴散系數可視為和摻雜濃度無關，則上式變為：費克（Fick）擴散方程下圖顯示了硅與砷化鎵中不同摻雜劑在低濃度時實測的擴散系數。一般情況下，D的對數值和絕對溫度的倒數成線性關系。意味著在一定的溫度范圍內，D可表示為D0是溫度到無窮大時的擴散系數（單位：cm2/S）；Ea是激活能，對填隙模型，Ea是摻雜原子從一個間隙移動到至另一個間隙所需的能量；對空位模型，Ea是雜質原子移動所需能量和形成空位所需的能量總和。空位的Ea較擴散大。擴散分布擴散分布摻雜原子的擴散分布和起始條件與邊界條件有關。考慮兩種方式：恒定

5、表面濃度擴散：雜質原子由氣態源傳送到半導體表面，然后擴散進入半導體硅晶片，在擴散期間，氣態源維持恒定的表面濃度；恒定摻雜總量擴散：指一定量的雜質淀積在半導體表面，接著擴散進入硅晶片內。恒定表面濃度擴散恒定表面濃度擴散t0時初始條件是表示半導體雜質濃度開始為零，邊界條件是Cs是x0處的表面濃度，與時間無關。X，距離表面無窮遠無雜質原子。符合起始與邊界條件的擴散方程式的解是：erfc是余誤差函數上圖為余誤差函數分布下圖為恒定表面濃度的擴散分布半導體單位面積的摻雜原子總數是代入C（x，t）有一個相關量是擴散分布的梯度dC/dt，這個梯度可對C（x，t）微分得到恒定雜質總量擴散恒定雜質總量擴散一恒定總

6、量的雜質以一層薄膜的形式淀積在半導體表面，接著進入半導體內。t0時的初始條件C（x，0）0，邊界條件是：( , )0CtS為單位面積摻雜總量。符合上述擴散方程的解為：此為高斯分布，雜質將隨時間的增加擴散進入半導體，而總摻雜量S恒定，所以表面濃度必然下降。在x0處表面濃度為：上圖為高斯函數分布下圖為恒定雜質總量的擴散分布余誤差分布與高斯分布的歸一化濃度與歸一化距離的關系注意到隨時間的增加，表面濃度下降，微分可得擴散分布的梯度：濃度梯度在x0與x處是零，同時最大梯度將發生在x2(Dt)1/2處。在集成電路工藝中，通常采用兩階段步驟擴散，首先在恒定表面濃度擴散條件下形成預淀積擴散層，接著在恒定摻雜總

7、量擴散條件下，進行再分布擴散。擴散層的計算擴散層的計算擴散工藝的結構可由三種測量方式來評價：擴散層的結深、方塊電阻與雜質分布。下圖是在半導體內磨以凹槽并用溶液腐蝕去除表面，溶液會使p型區顏色暗，因而描繪出結深。用磨槽和染色法測量結深若R0是磨槽所用工具的半徑，則可得結深：如果R0遠小于a和b，則如圖b所示，結深xj是雜質濃度等于襯底濃度CB時所在的位置。如果結深和CB已知，則只要擴散分布遵從“兩種分布”所推導的公式，表面濃度Cs和雜質分布就能計算出來。擴散層的阻值可由“四探針法”來測量。薄層電阻值R和結深xj、載流子遷移率及雜質分布C（x）有關：對某一給定的擴散分布，平均電阻率Rxj只和表面濃

8、度Cs及該分布下的襯底摻雜濃度有關。對余誤差或高斯等簡單分布來說，我們所想要的Cs和的關系已被計算出來。要使用這些曲線，必須先確保擴散分布和這些假定的分布一致。擴散分布也可由電容電壓關系法測得。當雜質完全電離時，雜質分布等于多數載流子分布而多數載流子分布可通過測量p-n結或肖特基二極管的反偏電容與外加電壓的關系確定。一個更為精確的方法為二次離子質譜法（SIMS），可以測量總的雜質分布。非本征擴散非本征擴散前面討論對于恒定擴散系數而言，只發生在摻雜濃度低于擴散溫度下的本征載流子濃度ni時。當雜質濃度大于ni時，擴散系數變得與濃度有關，稱為非本征擴散。非本征擴散區內，同時擴散或相繼擴散的雜質之間存

9、在著相互作用和協同效應，使擴散更為復雜。與濃度有關的擴散與濃度有關的擴散當基質原子離開晶格位置而產生空位，依照空位的電荷數，可有中性空位V0、受主空位V、雙電荷受主V2、施主空位V+等。可以預期，某種帶電狀態下的空位密度，有類似與載流子濃度的溫度相關性。如果雜質擴散以空位擴散為主，則D正比于空位密度。低摻雜濃度時，EFEi，空位密度等于Ci而與雜質濃度無關。正比與Ci的D也將和雜質濃度無關。高摻雜濃度時，EF向導帶底移動，指數項大于1，這是CV增大，進而是D變大。如上圖的右側所示。考慮擴散系數時，D可以寫成：Cs為表面濃度，Ds為表面擴散系數，是用來描述與濃度有關的參數。擴散方程式為：可將擴散

10、方程式寫成一常微分方程式并以數值法求解。結深可以用下式表示擴散分布硅中的擴散擴散分布硅中的擴散硅內所測量到的D與雜質濃度的關系B和As ，其1，曲線（c）所示，非常陡峭。 Au和Pt，-2，曲線（d）所示，呈一凹陷的形狀。P，與V2有關，D隨C2而變化，分布解決曲線（b）所示。但由于離解效應，擴散分布將呈現出不規則的形狀。磷在不同表面濃度下，在1000下擴散1h后的分布在砷化鎵中的鋅擴散在砷化鎵中的鋅擴散在砷化鎵中的擴散會比在硅中要來得復雜，因為雜質的擴散包含砷和鎵兩種晶格原子移動。空位在砷化鎵擴散過程中扮演了一個主要角色，因為p型和n型雜質最終必須進駐晶格位置上，然而空位的荷電狀態迄今尚未確

11、定。鋅是砷化鎵中最廣為使用的擴散劑，它的D會隨C2而變化，所以擴散分布如下圖所示，是陡峭的。并注意即使是最低表面濃度的情況，擴散型態也屬于非本征擴散。擴散相關工藝橫向擴散擴散相關工藝橫向擴散一維擴散方程基本能描述擴散工藝，但在掩蔽層的邊緣例外，因為在邊緣處雜質會向下、向橫向擴散。這時必須考慮二維的擴散方程式，并使用數值分析技術求得在不同初始與邊界條件下的擴散分布。顯示一恒定表面初始濃度條件下的輪廓線，并假設D與濃度無關。垂直滲透約為2.8um橫向滲透約為2.3um由于橫向擴散作用，結包含了一個中央平面區及一個近似圓柱、曲率半徑為rj的邊。此外，如果掩蔽層有尖銳的角，在這個角處的結將因橫向擴散而

12、近似與圓球狀。既然電場強度在圓柱與圓球結處較強，則該處雪崩擊穿電壓遠低于有相同襯底摻雜的平面結處。氧化過程中雜質的再分布氧化過程中雜質的再分布在熱氧化過程中，靠近硅表面的摻雜劑分布將會改變，這種再分布取決于幾個因素。一是兩個固體接觸在一起時，其中之一內的雜質會在此二者內重新分布達到平衡，此情形類似與融體生長晶體中的雜質再分布。在硅內的雜質平衡濃度對二氧化硅內雜質平衡濃度之比為分凝系數，定義為：二是雜質可能會快速地擴散穿過二氧化硅，逸入周圍空氣中，如果在二氧化硅中雜質擴散速度很快，這個因素將會很重要。三是二氧化硅不斷增厚，故硅與二氧化硅間的邊界將會隨時間而深入硅中，此邊界深入與雜質穿過氧化層擴散

13、間的相對速率在決定再分布范圍時很重要。四種可能的再分布工藝列于下圖。分為二類1.氧化層吸收雜質，k1 圖（c）和（d）其結果是1.吸收的發生表面雜質耗盡2.排斥的發生表面雜質堆積注入離子的分布注入離子的分布離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底硅的過程。注入能量介于1keV到1MeV之間，注入深度平均可達10nm10um，離子劑量變動范圍從用于閾值電壓調整的1012/cm3到形成絕緣層的1018/cm3。相對于擴散工藝，離子注入的主要好處在于能更準確地控制雜質摻雜、可重復性和較低的工藝溫度。高能的離子由于與襯底中電子和原子核的碰撞而失去能量，最后停在晶格內某一深度。平均深度由于調整加速

14、能量來控制。雜質劑量可由注入時監控離子電流來控制。主要副作用是離子碰撞引起的半導體晶格斷裂或損傷。因此，后續的退化處理用來去除這些損傷。中等電流離子注入機的示意圖離子分布離子分布一個離子在停止前所經過的總距離，稱為射程R。此距離在入射軸方向上的投影稱為投影射程Rp。投影射程的統計漲落稱為投影偏差p。沿著入射軸的垂直的方向上亦有一統計漲落，稱為橫向偏差。下圖顯示了離子分布，沿著入射軸所注入的雜質分布可以用一個高斯分布函數來近似：S為單位面積的離子注入劑量，此式等同于恒定摻雜總量擴散是的式。沿x軸移動了一個Rp。回憶公式對擴散，最大濃度為x0；對于離子注入，位于Rp處。在（xRp） p處，離子濃度

15、比其峰值降低了40%。在2p處則將為10%。在3p處為1%。在4p處將為0.001%。沿著垂直于入射軸的方向上，其分布亦為高斯分布，可用表示。因為這種形式的分布也會參數某些橫向注入。離子阻止離子阻止是荷能離子進入半導體襯底后靜止有兩種機制。一是離子能量傳給襯底原子核，是入射離子偏轉，也使原子核從格點移出。設E是離子位于其運動路徑上某點x處的能量，定義核阻止本領：二是入射離子與襯底原子的電子云相互作用，通過庫侖作用，離子與電子碰撞失去能量，電子則被激發至高能級或脫離原子。定義電子組織本領：離子能量隨距離的平均損耗可由上述兩種阻止機制的疊加而得：如果一個離子在停下來之前，所經過的總距離為R，則E0

16、為初始離子能量，R為射程。核阻止過程可以看成是一個入射離子硬球與襯底核硬球之間的彈性碰撞M1轉移給M2的能量為電子阻止本領與入射離子的速度成正比：其中系數ke是原子質量和原子序數的弱相關函數。硅的ke值為107(eV)1/2/cm。砷化鎵的ke值為3107(eV)1/2/cm硅中電子阻止本領如虛線所示，交叉能量點是Sn(E)=Se(E)。一旦Sn(E)和Se(E)已知，可計算處射程范圍。可以用下述近似方程式來求得投影射程與投影偏差：As、B和P在Si和SiO2中的投影射程As、B和P在Si和SiO2中的投影偏差和橫向偏差H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs中的投影射程H、Zn、Se、Cd和Te

17、在GaAs中的投影偏差和橫向偏差離子注入的溝道效應離子注入的溝道效應前述高斯分布的投影射程及投影的標準偏差能很好地說明非晶硅或小晶粒多晶硅襯底的注入離子分布。只要離子束方向偏離低指數晶向，硅和砷化鎵中的分布狀態就如在非晶半導體中一樣。在此情況下，靠近峰值處的實際雜質分布，可用“高斯分布函數”來表示，即使延伸到低于峰值一至兩個數量級處也一樣，這表示在下圖中。然而即使只偏離晶向7度，仍會有一個隨距離而成指數級exp(-x/)變化的尾區，其中的典型的數量級為0.1um。襯底定位時有意偏離晶向情況下的雜質分布。離子束從軸偏離7度入射。指數型尾區與離子注入溝道效應有關，當入射離子對準一個主要的晶向并被導

18、向在各排列晶體原子之間時，溝道效應就會發生。圖為沿方向觀測金剛石晶格的示意圖。離子沿方向入射，因為它與靶原子較遠，使它在和核碰撞時不會損傷大量能量。對溝道離子來說，唯一的能量損傷機制是電子阻止，因此溝道離子的射程可以比在非晶硅靶中大得多。離子進入的角度及通道離子進入的角度及通道溝道效應降低的技巧：1、覆蓋一層非晶體的表面層、將硅晶片轉向或在硅晶片表面制造一個損傷的表層。常用的覆蓋層非晶體材料只是一層薄的氧化層圖(a)，此層可使離子束的方向隨機化，使離子以不同角度進入硅晶片而不直接進入硅晶體溝道。2、將硅晶片偏離主平面5-10度，也能有防止離子進入溝道的效果圖(b) 。此方法大部分的注入機器將硅

19、晶片傾斜7度并從平邊扭轉22度以防止溝道效應。3、先注入大量硅或鍺原子以破壞硅晶片表面，可在硅晶片表面產生一個隨機層圖(c)，這種方法需使用昂貴的離子注入機、離子注入離子注入離子注入氧化層晶格晶格晶格損傷的晶格（a）經過非晶體氧化層的注入（b）不對準晶軸的入射（c）在單晶層上的預先損傷注入損傷與退火注入損傷與退火離子注入中，與原子核碰撞后轉移足夠的能量給晶格，使基質原子離開晶格位置而造成注入損傷（晶格無序）。這些離位的在也許獲得入射能量的大部分，接著如骨牌效應導致鄰近原子的相繼移位而形成一個沿著離子路徑的樹枝狀的無序區。當單位體積內移位的原子數接近半導體的原子密度時，單晶材料便成為非晶材料。輕

20、離子的樹枝狀的無序區不同于重離子。輕離子（11B+）大多數的能量損傷起因于電子碰撞，這并不導致晶格損傷。離子的能量會減低至交叉點能量，而在那里核阻止會成為主導。因此，晶格無序發生在離子最終的位置附近。如下圖（a）所示。重離子的能量損失主要是原子核碰撞，因此預期有大量的損傷。如下圖（b）所示。要估計將單晶轉變為非晶材料所需的能量，可以利用一個判據，即認為注入量應該與融化材料所需的能量密度（1021keV/cm3）在數量級上相同。對于100keV的砷離子來說，形成非晶硅所需的劑量為：退火退火由于離子注入所造成的損傷區及畸形團，是遷移率和壽命等半導體參數受到影響。此外，大部分的離子在被注入時并不位于

21、置換位置。為激活被注入的離子并恢復遷移率與其它材料參數，必須在適當的時間與溫度下將半導體退火。傳統退火爐使用類似熱氧化的整批式開放爐管系統。需要長時間和高溫來消除注入損傷。但會造成大量雜質擴散而無法符合淺結及窄雜質分布的需求。快速熱退火（RTA）是一種采用各種能源、退火時間范圍很寬（100s到納秒）的退火工藝。RTA可以在最小的雜質再分布情況下完全激活雜質。硼與磷的傳統退火硼與磷的傳統退火退火的特性與摻雜種類及所含劑量有關快速熱退火快速熱退火一個具有瞬間光加熱的快速熱退火系統反射器燈石英窗氣體入口晶片IR溫度計表為傳統爐管與RTA技術的比較。為獲得較短的工藝時間，需在溫度和工藝的不均勻性、溫度

22、測量與控制、硅晶片的應力與產率間作取舍。傳統爐管RTA工藝整批單一芯片爐管熱管壁冷管壁加熱率低高周期高低溫控爐管芯片熱預算高低粒子問題是最小均勻度和可重復性高低產率高低注入相關工藝多次注入及掩蔽注入相關工藝多次注入及掩蔽在許多應用中，除了簡單的高斯分布外其他的雜質分布也是需要的。例如硅內預先注入惰性離子，使表面變成非晶。此方法使雜質分布能準確地控制，且近乎百分百的雜質在低溫下激活。在此情況下，深層的非晶體層是必須，為了得到這種區域，必須要做一些列不同能量與劑量的注入（多次注入）。多次注入如下圖所示，用于形成一平坦的雜質分布。使用多次離子注入的合成摻雜分布為了要在半導體襯底中預先選擇的區域里形成p-n結，注入時需要一層合適的掩蔽層。此層要阻止一定比例的入射離子其最小厚度可從離子的射程參數來求得。在某一深度d之后的注入量對回