第十七章

擴散和離子注入微固學院張金平jinpingzhang@117.1引言本章主要內容：擴散工藝和離子注入工藝擴散和離子注入工藝的應用擴散和離子注入設備本章知識要點：掌握摻雜的目的和應用；掌握擴散和離子注入的原理及其應用；掌握退火效應和溝道效應了解離子注入設備。2摻雜原因：本征硅導電能力很差。在硅中加入一定數量和種類的雜質，改變其電學性質，并使摻入的雜質數量和分布情況都滿足要求。17.1引言3半導體常用雜質17.1引言4擴散:是將一定數量和一定種類的雜質通過高溫擴散摻入到硅或其它晶體中，以改變晶體的電學性質，并使摻入的雜質數量和分布情況都滿足要求的過程。離子注入:是在高真空的復雜系統中，產生電離雜質并形成高能量的離子束，入射到硅片靶中進行摻雜的過程。OxideOxidePSiliconsubstrateDiffusedregionNDopantgas束掃描MaskMaskSiliconsubstratexj離子注入機17.1引言5摻雜方式擴散：摻雜總量及濃度分布受擴散時間和溫度影響；形成特征尺寸較大；擴散溫度較高，需氧化物或氮化物作為掩膜。離子注入：雜質總量及濃度分布受注入劑量、能量和推結時間及溫度決定。適于小特征尺寸的芯片。注入溫度較低，常用光刻膠作為掩膜。17.1引言6具有摻雜區的CMOS結構17.1引言717.1引言8亞微米CMOSIC制造廠典型的硅片流程模型測試/揀選t注入擴散刻蝕拋光光刻完成的硅片無圖形的硅片硅片起始薄膜硅片制造前端17.1引言917.2擴散10擴散原理固溶度擴散機構擴散方式擴散工藝

擴散效應

17.2擴散1117.2.1擴散原理擴散：粒子從濃度較高的地方向著濃度較低的地方移動，從而使得粒子的分布逐漸趨于均勻；

濃度的差別越大，擴散越快；

溫度越高，擴散也越快。目的：在硅中加入一定數量和種類的雜質，改變其電學性質。擴散方式：氣態；液態；固態121100℃硅中的固溶度固溶度：在一定溫度下，襯底能夠吸收雜質濃度的上限。

17.2.2固溶度13在間隙位置被轉移的硅原子SiSiSiSiSiSiSiSiSic)機械的間隙轉移SiSiSiSiSiSiSiSiSia)硅晶格結構b)替位擴散SiSiSiSiSiSiSiSiVacancyDopantd)間隙擴散SiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙式雜質(雜質原子半徑較小)17.2.3雜質擴散機構14雜質原子在半導體中擴散的方式有兩種：間隙式擴散：間隙式雜質原子在晶格的間隙位置間運動。替位式擴散：替位式雜質原子依靠周圍空的格點（即空位）來進行擴散。如對硅而言，Au、Ag、Cu、Fe、Ni等半徑較小的雜質原子按間隙式擴散；P、As、Sb、B、Al、Ga、In等半徑較大的雜質原子按替位式擴散。17.2.3雜質擴散機構15間隙式擴散：必須要越過一個高度為Ei為0.6~1.2eV的勢壘越過勢壘的幾率：擴散系數：17.2.3雜質擴散機構16替位式擴散：只有當替位雜質的近鄰晶格上出現空位（勢壘高度Ev），同時還需大于勢壘高度Es的能量，替位雜質才能運動到近鄰空位上。越過勢壘的幾率：擴散系數：由于（Ev+Es）比Ei大（其差值遠大于kT），因而替位雜質擴散遠比間隙雜質的擴散慢17.2.3雜質擴散機構1717.2.3雜質擴散機構擴散系數與溫度有關D0：擴散率△E：擴散工藝激活能k0：玻耳茲曼常數T：絕對溫度。18擴散過程中，雜質不斷進入硅中，而表面雜質濃度保持不變表面雜質濃度由該雜質在此溫度下的固溶度決定：邊界條件1：N(0,t)=Ns假定雜質在硅片內擴散的深度遠小于硅片的厚度：

邊界條件2：N(∞,t)=0在擴散開始時，硅片內沒有雜質擴進，初始條件為：

N(x,0)=0x>0一、恒定表面濃度的擴散17.2.4雜質擴散方式19x是由表面算起的垂直距離(cm)，t代表擴散時間(s)恒定表面源擴散，雜質為余誤差分布17.2.4雜質擴散方式20在一定擴散溫度下，表面雜質濃度Ns為由擴散溫度下的固溶度決定。擴散時間越長，擴散溫度越高，擴散進硅片內的雜質數量就越多。對單位面積的半導體而言，在t時間內擴散到體內的雜質總量可求出：恒定表面源擴散的主要特點:擴散時間越長，溫度越高，擴散深度越大。結深的位置由N(xj,t)=NB和上面公式可得：17.2.4雜質擴散方式21擴散開始時，半導體表面雜質源總量一定，此種擴散稱為有限源擴散。假定擴散開始時硅表面單位面積的雜質總量為Q，且均勻地在一極薄的一層內（厚度h），雜質在硅片內要擴散的深度遠大于h。初始條件和邊界條件為：N(x,0)=0，x>hN(x,0)=Ns=Q/h，0<x≤hN(∞,t)=0二、有限源擴散:17.2.4雜質擴散方式22有限源擴散，雜質分布為高斯分布17.2.4雜質擴散方式23

擴散時間越長，雜質擴散越深，表面濃度越低；擴散溫度越高，雜質擴散得也越深，表面濃度下降得越多；在整個擴散過程中，雜質總量Q保持不變。表面雜質濃度可控，任何t時刻的表面濃度為：因此有限源擴散的雜質分布也可表示為：有限源擴散的主要特點:17.2.4雜質擴散方式24結深為：表面濃度Ns與擴散深度成反比，擴散越深，則表面濃度越低；NB越大，結深將越淺。17.2.4雜質擴散方式25為了同時滿足對表面濃度、雜質總量以及結深等的要求，實際生產中常采用兩步擴散工藝：

第一步稱為預擴散或預淀積，在較低的溫度下，采用恒定表面源擴散方式，其分布為余誤差函數，目的在于控制擴散雜質總量；第二步稱為主擴散或再分布，將表面已沉積雜質的硅片在較高溫度下擴散，以控制擴散深度和表面濃度。

激活：雜質原子與襯底原子形成共價鍵，成為替位式雜質。17.2.4雜質擴散方式在引入擴散源后作推進擴散時，常常會在硅片上表面有一氧化層或其它覆蓋層保護硅片，使硅片中的雜質不會揮發到大氣中去。26

17.2.6擴散工藝液態源擴散系統固態源擴散系統氣態源擴散系統磷烷(PH4)、砷烷(AsH3)、氫化銻(SbH3)、乙硼烷(H2B6)等(劇毒氣體)三氯氧磷(POCl3)、硼酸三甲脂B[(CH3)O]3（B2O3，P2O5，BN等）27磷的液態源擴散三氯氧磷（POCl3）是普遍選用的液態源，無色透明液體，有毒，在室溫下具有較高的蒸氣壓。磷的液態源擴散做為預擴散，其化學反應式：

POCl3→PCl5＋

P2O5

PCl5＋

O2→P2O5＋

Cl2POCl3＋

O2→P2O5＋

Cl2

P2O5＋

Si→P＋SiO217.2.6擴散工藝28硼的涂源擴散B2O3乳膠源是普遍選用的擴散源，該源無毒。通過旋轉涂敷到硅片上，經過烘培除去有機溶劑然后進入高溫爐進行預擴散。其化學反應式：

B2O3＋

Si→B＋SiO217.2.6擴散工藝29方塊電阻(Rs:單位為/)和結深是擴散的重要工藝參數，兩個參數已知則擴散分布曲線也可確定下來。結深測量:磨角染色法,HF與01％HNO3的混合液，使p區的顯示的顏色比n區深方塊電阻(Rs:單位為/):17.2.6擴散工藝VItSSS14323017.2.7橫向擴散原子擴散進入硅片，向各個方向運動：硅的內部、橫向和重新離開硅片。雜質原子沿硅片表面方向遷移，發生橫向擴散。熱擴散中的橫向擴散通常是縱向結深的75%一85％。橫向擴散導致溝道長度的減小，影響器件的集成度和性能。31硼、磷雜質在SiO2－Si界面的分凝效應

在硼、磷雜質的再擴散中，總是要生長一定厚度的SiO2，雜質在SiO2－Si界面發生分凝效應，使雜質在SiO2和Si中重新分布，其結果造成在硅中的硼雜質總量比磷損失的多，其現象俗稱SiO2吸硼排磷。17.2.7擴散效應3217.2.8擴散常用雜質源3317.3離子注入34a) 低摻雜濃度(n–,p–)淺結(xj)MaskMaskSiliconsubstratexj低能低劑量快速掃描束掃描摻雜離子離子注入機b) 高摻雜濃度(n+,p+)和深結(xj)束掃描高能大劑量慢速掃描MaskMaskSiliconsubstratexj離子注入機離子注入：一種向硅襯底中引入可控制數量的雜質，以改變其電學性能的方法。它是一個物理過程，即不發生化學反應。17.3離子注入35離子源分析磁體加速管離子束等離子體工藝腔吸出組件掃描盤離子注入機示意圖17.3離子注入

離子注入的基本過程將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經離化變成帶電的離子在強電場中加速，獲得較高的動能后，射入材料表層（靶）3617.3.1離子注入特點

離子注入的優點：精確地控制摻雜濃度和摻雜深度可以獲得任意的雜質濃度分布雜質濃度均勻性、重復性很好摻雜溫度低沾污少無固溶度極限37

離子注入的缺點：

1.高能雜質離子轟擊硅原子將產生晶格損傷

2.注入設備復雜昂貴17.3.1離子注入特點38劑量：劑量是單位面積硅片表面注入的離子數，單位是原子每平方厘米。Q：劑量，原子數/cm2；I：束流，庫倫/秒；n：每個離子的電荷數；A：注入面積；t：時間。離子注入是硅片制造的重要技術，主要原因之一是它能夠重復向硅片中注入相同劑量的雜質。17.3.2離子注入參數39注入能量:離子注入的能量用電子電荷與電勢差的乘積來表示。單位：千電子伏特KeV帶有一個正電荷的離子在電勢差為100KV的電場運動，它的能量為100KeV17.3.2離子注入參數40SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-rays電子碰撞原子碰撞被移動的硅原子攜能雜質原子硅晶格主要能量損失機制是電子阻止和核阻止；

電子阻止是雜質原子與靶材料的電子發生碰撞；

核阻止是雜質原子與硅原子發生碰撞，造成硅原子的移位。17.3.2離子注入參數4117.3.2離子注入參數核阻止本領在低能量下起主要作用電子阻止本領在高能量下起主要作用核阻止和電子阻止相等的能量注入離子在靶內分布理論，簡稱LSS理論42射程R:指的是離子注入過程中，離子穿入硅片所走過的總距離。投影射程Rpi:射程在入射方向上的投影。投影射程也是停止點與靶表面直距的垂離。決定于離子質量和能量、靶的質量和離子束相對于硅片晶體結構的方向。平均投影射程RP:投影射程的平均標準偏差△Rp：表示注入雜質在RP附近的分布17.3.2離子注入參數入射離子束Siliconsubstrate對單個離子停止點RpiDRp

雜質分布43注入能量增加，投影射程增加，雜質濃度的峰值會因偏差的增加而降低。投影射程圖能夠預測一定注入能量下的投影射程投影射程圖17.3.2離子注入參數4417.3.3離子注入濃度分布

Φ為樣品表面單位面積注入的離子總數（注入劑量，單位:cm-2)。

RP

是平均投影射程，離子注入深度的平均值。注入離子在無定形靶中的濃度分布為高斯分布:45注入離子濃度分布的特點：

(1)最大濃度位置在樣品內的平均投影射程處：

(2)注入離子的劑量φ越大，濃度峰值越高；

(3)注入離子的能量E（20~200KeV）越大，RP、ΔRP相應越大，濃度峰值越低。

(4)在x=RP處的兩邊，注入離子濃度對稱地下降，且下降速度越來越快。

17.3.3離子注入濃度分布4617.3.3離子注入濃度分布離子注入結深Xj其中:NB為襯底濃度4717.3.3離子注入濃度分布真實分布非常復雜，不服從嚴格的高斯分布當輕離子硼（B）注入到硅中，會有較多的硼離子受到大角度的散射,會引起在峰值位置與表面一側有較多的離子堆積；重離子散射得更深。注入離子的真實分布48

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP66213021903246529943496397444324872RP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279RP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005RP5999136172207241275308341各種離子在Si中的Rp和△Rp值(?)17.3.3離子注入濃度分布各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007RP475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675RP19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015RP12620728634941548054360666717.3.3離子注入濃度分布各種離子在SiO2中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172RP252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859RP84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823RP43729912515117620122625117.3.3離子注入濃度分布各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994RP196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437RP65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637RP3356779711813715717619517.3.3離子注入濃度分布輕離子沖擊重離子沖擊輕離子和重離子引起的損傷輕離子注入損傷密度小，但區域較大；重離子注入損傷密度大，但區域很小。17.3.4離子注入效應53硅單晶的退火a)注入過程中損傷的硅晶格離子束修復硅晶格結構并激活雜質一硅鍵b)退火后的硅晶格高溫退火：激活雜質(950℃)，修復晶格損傷(500℃)。退火方法：高溫爐退火：800-1000度退火30分鐘，導致雜質的再擴散快速熱退火：1000℃下短暫時間退火，減小瞬時增強擴散。17.3.4離子注入效應54沿<110>軸的硅晶格視圖溝道效應：離子沿某些方向滲入的速度比其它方向大，使離子峰值在Si片更深處或呈現雙峰值的雜質分布?！?/p>

Si的<110>晶向為開溝方向，是注入最深的方向17.3.4離子注入效應55控制溝道效應的方法：注入時，傾斜硅片；掩蔽氧化層；硅預非晶化；使用質量較大的原子。有、無溝道效應時的雜質濃度分布17.3.4離子注入效應56傾斜硅片<111><100><110>

（100）硅片：偏離垂直方向7度；

<110>晶向：旋轉硅片15到35度；

超淺結低能注入：傾斜硅片幾乎不起什么作用。17.3.4離子注入效應57

控制溝道效應的方法

1.傾斜硅片：常用方法

2.緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機。

3.硅預非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）淺注入應用非常有效

4.使用質量較大的原子17.3.4離子注入效應5817.4離子注入的應用5917.4離子注入的應用深埋層倒摻雜阱穿通阻擋層閾值電壓調整輕摻雜漏極(LDD)源/漏注入多晶硅柵溝槽電容超淺結絕緣體上硅(SOI)6017.4.1深埋層深埋層：用高能離子注入(大于200keV)實現。

三阱結構有一個埋層在摻雜阱下面的注入阱，改進器件性能和封裝密度。應用埋層的一個重要原因是控制CMOS電路的閂鎖效應。61

倒摻雜阱：注入雜質濃度峰值在硅片表面下一定深度處，改進晶體管抵抗閂鎖效應和穿通的能力17.4.2倒摻雜阱62

穿通：漏耗盡區向輕摻雜溝道區擴展，與源耗盡區連通的現象。防穿通注入的雜質位于臨近源漏區的有源溝道下。17.4.3穿通阻擋層63

閾值調整：在溝道區硅層下注入雜質，調整到所需濃度。17.4.4閾值電壓調整6417.5.5LDD注入

LDD：LDD注入在溝道邊緣的界面區域產生復雜的橫向和縱向雜質剖面。減小了結和溝道區間的電場，把結中的最大電場位置與溝道中的最大電流路徑分離，以防止產生熱載流子。6517.5.6源漏注入

S/D注入：形成重摻雜區。As注入通常用來形成nMOS的源漏區；B或BF2注入用來形成pMOS的源漏區。6617.4.7多晶硅柵

多晶硅柵摻雜：在源漏區注入時，對多晶硅柵進行摻雜，以減小電阻。67n+dopantn+p+傾斜注入形成電容器的溝槽17.4.8溝槽電容器

溝槽電容器：在硅中用干法刻蝕溝槽形成。為了獲得足夠的電容，在電容器側墻很薄一層中的雜質濃度應達到約1019/cm3。68180nm20?gateoxide54nmarsenicimplantedlayerPolygate17.4.9超淺結

超淺結：器件等比例地減小的要求，用大束流低能注入實現。對0.18μm工藝，超淺結深約為54±18nm；0.1μm工藝為30±

10nm。6917.4.10絕緣層上硅SIMOXSiliconSubstrateP+SiliconEpiLayerP-P-WellN-WellN+SourceN+DrainP+SourceP+DrainSiliconSubstrateP+SiliconSubstrateP-WellN-WellN+SourceN+DrainP+SourceP+DrainImplantedsilicondioxideSiliconSubstrateP+普通的CMOS硅片結構具有SIMOX埋氧化層的CMOS硅片7017.5離子注入機71離子源分析磁體加速管離子束等離子體工藝腔吸出組件掃描盤17.5.1離子注入機結構72離子源引出電極（吸極）和離子分析器加速管掃描系統工藝室

17.5.1離子注入機結構73前板狹縫起弧室燈絲電子反射器氣體入口5V電子反射器Anode+100V起弧室氣化噴嘴電爐氣體導入管DI冷卻水入口摻雜劑氣體入口17.5.2離子源74吸出組件源室渦輪泵離子源絕緣體離子源和吸極裝配圖起弧室吸極吸出組件離子束17.5.3引出電極（吸極）和離子分析器75參考端(PA電壓)抑制電極接地電極++++++++++-

-

----------NS

NS120V起弧吸出組件離子源源磁鐵5V燈絲ToPA+離子束2.5kV抑制60kV吸引吸極系統：收集離子源中產生的所有正離子，形成離子束。17.5.3引出電極（吸極）和離子分析器76石墨離子源分析磁體離子束吸出組件較輕離子重離子中性離子17.5.3引出電極（吸極）和離子分析器77100MW100MW100MW100MW100MW0kV+100kV+80kV+20kV+40kV+60kV+100kV離子束Ionbeam到工藝腔Electrode來自分析磁體17.5.4加速管78鄰近吸收PresentapplicationsEvolvingapplications多晶摻雜源/漏損傷工程埋層倒摻雜阱三阱Vt調整溝道和漏工程0.1110100100010,0001017101110121013101410151016Energy(keV)Dose(atoms/cm2)劑量與能量圖17.5.4加速管79Source原子質量分析磁體線性加速器最終能量分析磁體掃描盤Wafer

大電流高能離子束：用于注入掩埋雜質層，如倒摻雜阱和三阱。減少注入時間，提高產量。17.5.4加速管80+++++++++++++++++++++++++離子束膨脹剖面摻雜離子+++++++++++++++++++++++++具有空間電荷中和的離子束剖面二次電子空間電荷中和正電荷間相互排斥，造成離子束膨脹，導致注入不均勻?？臻g電菏中和：二次電子中和正離子的方法。17.5.4加速管81源分析磁體加速管中性束流陷阱聚焦陽極Y-axis偏轉X-axis偏轉中性束流路徑Wafer離子束接地的收集板中性束流陷阱雜質離子與殘留氣體分子碰撞，獲得一個電子，形成中性離子。中性束流陷阱：利用偏轉電極，使離子束發生偏轉。中性離子不能偏轉，它們將繼續直行，撞擊到接地的收集板上。17.5.4加速管8217.5.5掃描系統

聚束離子束通過掃描覆蓋整個硅片：中等電流的注入機束斑約1cm2

，大電流的約為3cm2。

掃描方式：固定硅片，移動束斑---中低電流注入機；固定束斑，移動硅片---大電流注入機。注入機中的掃描系統：靜電掃描；機械掃描混合掃描平行掃描83+離子束Y-axis偏轉X-axis偏轉Wafer旋轉傾斜高頻X-axis偏轉低頻Y-axis偏轉靜電離子束掃描

靜電掃描：在X-Y電極上加特定電壓，使離子束發生偏轉，注入到固定的硅片上。用電磁場能夠獲得與靜電相同的效果。17.5.