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半导体工艺


Microelectronic Processing 第四章 掺杂原理与技术
张道礼 教授 Email: zhang-daoli@163.com Voice: 87542894

微电子工艺学

4.1 掺杂
掺杂(doping):将一定数量和一定种类的杂质 掺入硅中,并获得精确的杂质分布形状(doping profi

le)。
NMOS

BJT

B E

C

p p+

n+ nn+ p

n+ p+

p well

掺杂应用:MOSFET:阱、栅、源/漏、沟道等 BJT:基极、发射极、集电极等

4.1 掺杂

目的:改变晶片电学性质,实现器件和电路纵向结构。 方式:扩散(diffusion)、离子注入(ion implantation)、 合金、中子嬗变。

基本概念:结深 xj (Junction Depth);薄层电阻 Rs (Sheet Resistance );杂质固溶度(Solubility)

4.1 掺杂
高温扩散:一直到20世纪70年代,杂质掺杂主要是由 高温的扩散方式来完成,杂质原子通过气相源或掺杂 过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面,这些杂质浓 度将从表面到体内单调下降,而杂质分布主要是由高 温与扩散时间来决定。 离子注入:掺杂离子以离子束的形式注入半导体内, 杂质浓度在半导体内有个峰值分布,杂质分布主要由 离子质量和注入能量决定。 扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电 路,因为二者互补不足,相得益彰。例如,扩散可用 于形成深结(deep junction),如CMOS中的双阱(twin well);而离子注入可用于形成浅结(shaIlow junction), 如MOSFET中的漏极与源极.

4.1 掺杂

4.1 掺杂
杂质分布形状(doping profile)举例

4.1 掺杂
结深的定义
xj : 当 x = xj 处 Cx(扩散杂质浓度)= CB(本体浓度) ?器件等比例缩小k倍,等电场要求xj 同时缩小k倍
?同时

要求xj 增大 在现代COMS技术中,采用浅结和高掺杂来同时满足两方 面的要求

4.1 掺杂
薄层电阻 RS(sheet resistance) 薄层电阻定义为: RS ?

?
xj

方块电阻

t
w l

8

l R?? wt

R ? RS ?

?
xj

4.1 掺杂
单位为 ?/? RS:正方形边长无关

RS:表面为正方形的半导体薄层,在电流方向呈现的电阻。

l l ? l l R?? ?? ? ? RS A wx j x j w w

方块时,l=w,R=RS。所以,只要知道了某个掺杂区域 的方块电阻,就知道了整个掺杂区域的电阻值。 重要性:薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净 杂质总量

4.1 掺杂
物理意义: 薄层电阻的大小直接反映了扩散入硅 内部的净杂质总量 1 1 ? ? qn? ? ? ? ? qn?
q 电荷,? 载流子迁移率,n 载流子浓度 假定杂质全部电离 ,载流子浓度 n = 杂质浓度 N 则:

1 1 1 RS ? ? ? ? x j ?x j q?Nx j q?Q
Q:从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量

?

4.1 掺杂
杂质固溶度(dopant solid solubility)
? 固溶度(solid solubility):在平衡 条件下,杂质能溶解 在硅中而不发生反应 形成分凝相的最大浓 度。 ? 电固溶度 ? 超过电固溶度的杂质 可能形成电中性的聚 合物,对掺杂区的自 由载流子不贡献

4.1 掺杂

As在硅中的固溶度: 2?1021 cm-3 As的电学可激活浓度: 2?1020 cm-3

4.1 掺杂
掺入的杂质是电活性的,能提供所需的载流子,使许多微结构和 器件得以实现。掺杂的最高极限约1021 atoms/cm3,最低 1013 atoms/cm3
晶片 器件 作用 隐埋区 隔离区 基区 发射区 电阻 提高开关速度 源、漏、沟道、阱 半绝缘区 源、漏 集电区、发射区 杂质 Sb, As B, Al B, P P, As, P-As, B B:P Au, Pt B:P, As H, O, Cr Zn, Be:S, Si, Sn In-Ga, Al

双极型晶体管及其IC


开关管及高速IC MOS晶体管及其IC MIS IC,结型场效应 晶体管及其IC pnp管

砷化镓 锗

4.2 扩散
扩散原理
扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺,在约1000℃的 高温、p型或n型杂质气氛中,杂质向衬底硅片的确定 区域内扩散,达到一定浓度,实现半导体定域、定量掺 杂的一种工艺方法,也叫热扩散。 固相扩散:扩散是一种自然现象,由物质自身的热运动引 起。微电子工艺中的扩散是杂质在晶体内的扩散,因此 是一种固相扩散。 扩散的微观机制:晶体内扩散是通过一系列随机跳跃来实 现的,这些跳跃在整个三维方向进行,有多种方式,最 主要有:填隙式扩散;替位式扩散;填隙-替位式扩散

4.2 扩散
间隙式扩散(interstitial) 替位式扩散(substitutional)

B,P,一般作为替位式扩 散杂质,实际情况更复杂, 包含了硅自间隙原子的作 用,称填隙式或推填式扩 散 间隙扩散杂质:O, Au,Fe,Cu,Ni, Zn,Mg 替位扩散杂质:As, Al,Ga, Sb,Ge。 替位原子的运动一般是以近邻 处有空位为前题

4.2 扩散
填隙式( interstitial assisted kick-out)或推填式扩散 (Interstitialcy-assited)

4.2 扩散
间隙原子

推填子

4.2 扩散
间隙式扩散: Au, Ag, Cu, Fe, Ni等
间隙原子必须越过的势垒高度 Ei Ei 约为0.6 ? 1.2 eV 跳跃几率和温度有关

? Ei ? Pi ? v0 exp ? ? ? ? kT ? 振动频率?0=1013~1014/s 快扩散杂质
T:绝对温度,k:玻尔兹曼常数

4.2 扩散
替位式扩散:B, P, As, Sb等
在温度T,单位晶体体积中的空 N ? N exp ? ? Evac ? ? ? v 位数 ? kT ? 每一格点出现空位的几率为 Nv/N,替位式原子必须越过的 势垒高度为Es; Es 约3 ? 4 eV 跳跃几率为
? Evac ? ? Es ? Pv ? exp ? ? ? ? v0 exp ? ? ? ? kT ? ? kT ? ? Evac ? Es ? ? v0 exp ? ? ? kT ? ?

慢扩散杂质

4.2 扩散
Ea:本征扩散激活能, Ea D0和温度弱相关,而主要取决于 0 Di ? D exp(? ) kT 晶格几何尺寸和振动频率v0

本征扩散系数:当NA、ND<ni(在一定温度下)时, 称为本征掺杂。

表观扩散系数:
Ea 小,间隙扩散 Ea大,替位扩散

D ? a ?0
0 2

D:cm2/sec

4.2 扩散
半导体工艺中常用掺杂原子在单晶硅中的本征扩散 系数和激活能
B In P As Sb

D0(cm2/s) Ea(eV)
1.0 1.2 4.70 9.17 4.58 3.46 3.50 3.68 3.99 3.88

As的优势: 小D,大固溶度

4.2 扩散
右图为在硅或 砷化镓中不同 掺杂剂在低浓 度时实测到的 扩散系数.在 一般情况下, 扩散系数的对 数值和绝对温 度的倒数成线 性关系.

4.2 扩散
扩散的宏观机制:(diffusion from a macroscopic viewpoint)
扩散是微观粒子作无规则热运动的统计结果,这 种运动总是由粒子浓度较高的地方向浓度低的地 方进行,而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。扩散 的原始驱动力是体系能量最小化。

扩散动力学

4.2 扩散
扩散方程 费克第一定律
?C ?x, t ? F ? x, t ? ? ? D ?x
浓 度

?C F ? ?D ?x

t1

t2
深度

C 为杂质浓度(n/cm3),D 为扩散系数(cm2/s)。 式中负号表示扩散是由高浓度处向低浓度处进行的(浓度 有着负斜率,扩散朝着x的正向进行)

4.2 扩散
费克第二定律
—浓度、时间、空间的关系 单位体积内杂质原子数 的变化量等于流入和流 出该体积元的流量差 Δt 时间内该小体积内的杂质数目变化为
A

?C?x, t ? ?t ? ? C?x, t ??? A ? ?x

这个过程中由于扩散进出该小体积的杂质原子数为 ?F ?x, t ? ? F ?x ? ?x, t ??? A ? ?t ? ??F ?x ? ?x, t ? ? F ?x, t ??? A ? ?t ? ?C ?x, t ? ?t ? ? C ?x, t ??? A ? ?x ? ??F ?x ? ?x, t ? ? F ?x, t ??? A ? ?t

4.2 扩散
?C ( x, t ) ?F ( x, t ) ?? ?t ?x

?C ?x, t ? 由 F ? x, t ? ? ? D ?x

?

?C ?x, t ? ?F ?x, t ? ? ? ?C ?x, t ?? ?? ? D ?t ?x ?x ? ?x ? ? ?

假定 D为常数
?C ?x, t ? ? 2 C ? x, t ? 费克第二定律 ?D ?t ?x 2
扩散方程

4.2 扩散
特定边界条件下,扩散方程的解 1、稳态时,浓度不随时间变化

?C ? 2C ?D 2 ?0 有 ?t ?x
Cg

C ? a ? bx
x Cs C* CI=0 SiO2 Si

如氧化剂在 SiO2中的扩散

4.2 扩散
2、恒定表面源扩散(constant-surfaceconcentration):杂质原子由气态源传送到半导体表面, 然后扩散进入半导体硅晶片,在扩散期间,气态源维持 表面质浓度恒定为Cs
实际工艺中,这种工艺称作“预淀积扩散”。即气相中有无限 量的杂质存在,可以保证在扩散表面的杂质浓度恒定。

边界条件: C(x,0)=0, x?0,C(0,t)=Cs ,C(?,t)=0 解方程,得恒定扩散方程的表达式

? x ? C ? x, t ? ? Cs erfc? ? ? 2 Dt ?

C(x, t) 为某处t时的杂质浓度 Cs 为表面杂质浓度,取决于某
种杂质在硅中的最大固溶度

erfc 称作“余误差函数(complementary error function)”

4.2 扩散
余误差函数性质:
erfc(x) = 1 - erf(x)

erf ? x ? ?

2

?

exp ?- u 2 ?du erfc? x ? ? 1 ? erf ? x ? ? ?
x 0

2

?

?

exp -u 2 du ?
x

? ?

2 erf ?0? ? 0 d ?erf ?x ?? 2 4 2 d ?erf ? x ?? ? exp ? x ?? x exp ?? x 2 ? dx dx2 ? ? erf ??? ? 1

? ?

对于x<<1 erf ( x) ?

2

?
1

对于x>>1 erf ?x ? ?

? erfc( x)dx ? exp ?? x ?
2

x

?

1

0

?

?

x

4.2 扩散
1)掺杂总量为

? x Q ? ? Cs erfc? ? 2 Dt 0

?

2Cs ? ?dx ? ? ?

Dt

Dt :称为特征扩散长度
? xj 2)扩散结深为xj ,则 C B ? C s erfc? ? 2 Dt ?
?1 ? C B ? ? ? A Dt x j ? 2 Dt erfc ? ?C ? ? s? 30

? ? ? ?

A和Cs/CB有关 D与温度T是指数关系,因此 T对结深的影响要较t大许多

4.2 扩散
3)杂质浓度梯度 ?C ?x, t ?
Cs ? ? x2 ? ?? exp ? ?x 4 Dt ? ? ? ?Dt 梯度受到Cs、t 和D(即T)的影响。改变其中的某 个量,可以改变梯度,如增加Cs(As)。

在p-n结处
?C ?x, t ? ?x x j
2 ? ? ? 2Cs ? ?1 ? C B ?? ? ?1 ? CB ? ?? exp ?? ?erfc ? ?? ? ? erfc ? ? ? xj ? Cs ?? ? ? Cs ? ? ? ? ?

CB和Cs一定时,xj 越深,结处的梯度越小。

4.2 扩散
预淀积扩散
余误差函数分布

?扩散时间越长,杂质扩散 距离越深,进入衬底的杂质 总量越多。 ?恒定表面源的扩散,其表 面杂质浓度Cs 基本由杂质在 扩散温度(900-1200 ?C) 下的固溶度决定,而固溶度 随温度变化不大。

t1<t2<t3 t1 CB t2 t3

32

4.2 扩散
3、有限源扩散(constant-total-dopant):一定量的杂 质淀积在半导体表面,接着扩散进入硅晶片内。杂质总 量恒定为QT
在整个扩散过程中,预淀积的扩散杂质总量作为扩散的杂质源, 不再有新源补充。如先期的预淀积扩散或者离子注入一定量的杂 质,随后进行推进退火时发生的高温下扩散。

初始条件:

C ?x,0? ? Cs x ? h
C ?x,0? ? 0
?

边界条件: C ??, t ? ? 0
0

x?h

Delta 函数

? C?x, t ?dx ? Q

T

? x2 ? QT 得到高斯分布 C ? x, t ? ? exp ? ? ? 4 Dt ? ? ?Dt Cs ? ?

4.2 扩散
1)表面浓度Cs随时间而减少 3)浓度梯度

QT CS ? C ?0, t ? ? ?Dt
2)扩散结深

?C ?x, t ? ? ? x C ?x, t ? ?x 2 Dt

在p-n结处
2C B ? C s ? ?C ? x, t ? ?? ln ? ?C ? ? ?x x j xj ? B?
? ? ? A Dt ? ?
浓度梯度随着扩散深度(结 深)增加而下降

? Cs ? x j ? 2 Dt ln ? ?C ? ? ? B? ? QT ? 2 Dt ln ? ? C ?Dt ? B

A随时间变化

4.2 扩散
相同表面浓度归一化后,两种分布的比较

—瞬时间,二者相似

4.2 扩散
?扩散时间越长,扩散越 深,表面浓度越低。 ?扩散时间相同时,扩散 温度越高,表面浓度下降 越多。 ?用于制作低表面浓度的 结和较深的p-n结。

推进(drive-in)退火扩散
高斯函数分布

t1<t2<t3

t1

t2

t3

CB

4.2 扩散
多步退火(推进)过程(Multiple drive-in process)

?当扩散系数相同时,

预淀积控制剂量

?Dt ?eff

? D?t1 ? t2 ? ... ? tn ?
恒定剂量推进退火

?当扩散系数不同时,
?Dt ?eff
? D2 ? ? D1t1 ? D2t 2 ? ... ? D1t1 ? D1t 2 ? ? D ? ? ... ? ? 1?

?(Dt)eff 用来衡量扩散过程的热过程(thermal budget) ?由于扩散系数成指数随温度增加,因此热过程 主要由最高温度下的扩散来决定,别的一些步 骤在决定扩散总量时可以忽略。

4.2 扩散

第一步 为恒定表面浓度的扩散(Pre-deposition) (称为预沉积或预扩散),控制掺入的杂质总量

二 步 扩 散

Q ? 2C1

D1t1

?

第二步为有限源的扩散(Drive-in),往往同时 氧化(称为主扩散或再分布),控制扩散深度 和表面浓度

Q 2 D1t1 C2 ? ? C1 D2t 2 ?D2t 2 ?

4.2 扩散
? QT x2 ? exp ? ? 因为 C ? x, t ? ? ? 4D t ? ? ?D2t2 2 2 ? ?

QT ?t ? ? ? C ? x, t ?dx ? 2C1
0

?

D1t1

?

当 D1t1 ?? D2 t 2 时,最后的杂质浓度分布为?
C ? x , t1 , t 2 ? ? 2

?

C1

? D1t1 x2 exp ? ? ? 4D t D2 t 2 2 2 ?

? ? ? ?

二步扩散的两种极端情况
D1t1 ? D2t 2 or D1t1 ? D2t 2

4.2 扩散

余误差函数分布(erfc)

高斯函数分布(Gaussian) 表面浓度下降(1/?t )

表面浓度恒定
杂质总量增加 扩散深度增加

关键参数 杂质总量恒定 Cs(表面浓度) 结深增加 xj (结深) Rs(薄层电阻)

4.2 扩散
费克定律解析解的应用
本征扩散时,理想边界条件下的解。实际情况需要修正,如: ?高浓度 ?电场效应 ?杂质分凝 ?点缺陷 ?…

如何判断对费克定律应用何种解析解? ?当表面浓度为固溶度时,意味者该分布是余误差分布 ?当表面浓度较低时,意味者该分布是经过长时间的推 进过程,是高斯分布。

4.2 扩散
例题:CMOS中的p阱的形成。要求表面浓度 Cs=4〓1017 cm-3,结深xj=3 mm。已知衬底浓度 为CB=1〓1015 cm3。设计该工艺过程。

离子注入 + 退火

4.2 扩散
解:1)假设离子注入+推进退火
假定推入退火获得的结深,则根据
? x2 ? Q C ? x, t ? ? exp ? ? ? 4 Dt ? ? ?Dt ? ?

? x2 ? ?? j ? C B ? C s exp ? 4 Dt ? ? ?

Dt ?

x

2 j

? Cs 4 ln ? ?C ? B

? ? ? ?

?

?3 ?10 ?
? 4 ? 10 4 ln ? ? 1015 ?

?4 2 17

? ? ? ?

? 3.7 ? 10

?9

cm

2

该数值为推进扩散的“热预算”。

4.2 扩散
2)推进退火的时间 假定在1100 ?C进行推进退火,则扩散系数 D=1.5〓10-13 cm2/s 3.7 ?10 ?9 cm2 tdrive?in ? ? 6.8 hours ?13 2 ? 1.5 ?10 cm sec 3)所需离子注入的杂质剂量 可以推算出 Q ? Cs ?Dt ? 4 ?1017 ? ? ? 3.7 ?10 ?9 ? 4.3 ?1013 cm?2

该剂量可以很方便地用离子注入实现在 非常薄的范围内的杂质预淀积

4.2 扩散
4)假如采用950 ?C热扩散预淀积而非离子注入
此时,B的固溶度为2.5〓1020/cm3,扩散系数 D=4.2〓10-15 cm2/s 该预淀积为余误差分布,则Q ? 2Cs ?预淀积时间为
tpre ? dep
13

Dt

?
2

? 4.3 ? 10 ? ? ?? ? 2 ? 2.5 ? 10 20 ? ? 4.2 ? 10 ?15 ? 5.5 sec ? ? ?

Dt pre ?dep ?2.3 ?10 ?14 ? ?? Dt drive?in ?3.7 ?10 ?9 ? 即使
但是预淀积时间过短,工艺无法实现。应改为离子注入!

4.2 扩散
基本扩散工艺
杂质扩散通常是在经仔细控制的石英高温炉管中放入半导体硅晶片 并通入含有所需掺杂剂的气体混合物。硅的温度在800-1200℃; 砷化镓的温度在600-1000℃。扩散进入半导体内部的杂质原子数 量与气体混合物中的杂质分压有关。 对硅而言,B、P和As分别是常用的p型和n型掺杂剂,它们在硅中 都有极高的固溶度,可高于5〓1020cm-3。引入方式有:固态源 (BN、As2O3、P2O5);液态源(BBr3、AsCl3、POCl3);气 体源(B2H6、AsH3、PH3 ),其中液态源最常用。 使用液态源的磷扩散的化学反应如下:
4 POCl3 ? 3O2 ? 2 P2O5 ? 6Cl2

P2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷,氯气被带走。
2 P2O5 ? 5Si ? 4P ? 5SiO2

4.2 扩散
对砷化镓的扩散工艺而言,因砷的蒸汽压高,所以需要 特别的方式来防止砷的分解或蒸发所造成的损失。包括 含过压的封闭炉管中扩散及在含有掺杂氧化物覆盖层 (氮化硅)的开发炉管中扩散。p型扩散选用Zn元素, 采用Zn-Ga-As合金或ZnAs2(封闭炉管法)或ZnOSiO2(开放炉管法)。n型掺杂剂有硒和碲。

4.2 扩散
影响杂质分布的其他因素

Fick’s Laws:Only valid for diffusion under special conditions Simplification !

4.2 扩散
电场效应(Field effect)——非本征扩散
如果NA、ND>ni(扩散温度下)时,非本征扩散效应 ?电场的产生:由于载 流子的迁移率高于杂质 离子,二者之间形成内 建电场。 ?载流子领先于杂质离 子,直到内建电场的漂 移流与扩散流达到动态 平衡。
49

4.2 扩散
所以,杂质流由两部分组成:

Ftotal ? Fdiffusion ? Fdrift

?C ? ?D ? ? EC ?x
q ?? D kT



以n型掺杂为例 内建电场

?? ?? ?x

kT ? n ? ? ? ? ln ? ? q ? ni ? ? ?

?C ? ?n ? F ? ?D ? DC ln ? ?x ?x ? ni ?

? ? ? n ? ? ? DC ln ? C ? ?x ? ni ? ?

? ? ? ?

4.2 扩散
? ? ND ? p ? N A ? n



np ? ni2 C ? N A ? ND

并假定杂质全部离化,有

C 2 ? 4ni2 ? C n? 2

场助扩散方程: ? ?hD ?C F
h 其中h为扩散系数的电场增强因子:? 1 ?

?x

C C 2 ? 4ni2

当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时,h 接近 2。

4.2 扩散

电场效应对于低浓度本体杂质分布影响更大

4.2 扩散
扩散系数与杂质浓度的关系
在杂质浓度很高 时,扩散系数不 再是常数,而与 掺杂浓度相关

箱型

扩散方程改写为:

?C ? ? eff ?C ? ? ? DA ? ?t ?x ? ?x ?

4.2 扩散
Ⅲ、Ⅴ族元素在硅中的扩散运动是建立在杂质与空 位相互作用的基础上的,掺入的施主或受主杂质诱 导出了大量荷电态空位,从而增强了扩散系数。
D
eff A

eff DA

?n? ?? n ? ? D ? D ? ?? D ? ? ?n ? ?n ? ? i? ? i? 2 0 ?? p ? ?? ? p ? ? D ? D ? ?? D ? ? ?n ? ?n ? ? i? ? i?
0 ?

2

n型掺杂 p型掺杂

4.2 扩散
1000 ?C下,非本征扩散系数:

DAs ? 1.66 ?10 ?14 cm2 / sec
非本征掺杂扩散系数比本征掺 杂扩散系数高一个数量级!!

箱型

55

由于非本征掺杂的扩散系数在 掺杂边缘迅速衰减,因而出现 边缘陡峭的“箱型”分布。

4.2 扩散
氧化增强/抑制扩散(oxidation enhanced / retarded diffusion)OED/ORD
? 对于B,P来说,在氧化过程中,其扩散系数增加。 ? 对Sb来说,扩散系数减小。 ? 双扩散机制: 杂质可以通过空位和间隙两种方式扩散

4.2 扩散
OED:对于原子B或P来说,其在硅中的扩散可以 通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀,造 成大量Si间隙原子注入,增加了B和P的扩散系数
(1+2?)Si+2OI+2?V?SiO2+2?I+stress
A+I AI

57

4.2 扩散
ORD:对于Sb来说,其在硅中的扩散主要是通过 空位进行。 氧化注入间隙?间隙和空位在硅中复合 ?硅中空位浓度减小?Sb的扩散被抑制

I+V?Sis
表示晶格上的 Si原子

As受间隙和空位 扩散两种机制控 制,氧化时的扩 散受影响较小

4.2 扩散
发射极推进效应(Emitter Push effect)
Phosphoru s Boron

? 实验现象:在P(磷)发射区下的B扩散比旁边的B扩散 快,使得基区宽度改变。 ? A+I?AI,由于发射区内大量A(P)I的存在使得反应向 左进行,通过掺杂原子A(P)向下扩散并找到晶格位臵的 同时,释放大量的间隙原子I,产生所谓“间隙原子泵” 效应,加快了硼的扩散。

4.2 扩散
常用杂质硼(B),磷(P),砷(As)在硅中的性质
1)硼

B: III族元素,受主杂质, 1150 ℃时固溶度达 2.4〓1020 原子/cm3
0 i ? i 0

D0=1 cm2/s

Ea=3.46 eV

? Ea ? ? 3.46 eV ? Di ? D ? D ? D exp ? ? ? 1.0 exp ? ? cm2 / s ? ? kT ? ? kT ? ?
?高浓度掺杂 D ? D 0 ? D ? ? p ? ? D 0 exp ? ? Ea ?? p ? ? ? ? ?? ? e i i ? ? ? ?
? ni ? ? k T ?? ni ?

? 0 ? ?? p ? ?如考虑场助效应 De ? h ? Di ? Di ? ?? ?n ? ? i ?? ? h 电场增强因子

4.2 扩散
2)磷 ?Ⅴ族元素,施主原子,有吸收 铜、金等快扩散杂质的性质(这 些杂质在缺陷处淀积会产生漏电 ),固溶度达5〓1021 原子/㎝3。 ?磷的本征扩散系数主要由中性 空位V0作用决定。 ?高浓度磷扩散时浓度分布有三 个区域。主要是磷离子与V0,V-, V=三种空位的作用造成的。
? 3.68 eV ? 2 Di ? 4.70 exp ? ? ? cm / s kT ? ?
2 ? ? 0 ?? n ? ?? n ? De ? h ? Di ? Di ? ? ? Di ? ? ? ?n ? ?n ? ? ? i? ? i? ? ? ?

温度为1000 ℃时,尾 区的扩散系数比本征情 况下的扩散系数大二个 数量级。因此磷常作为 深结扩散的杂质

4.2 扩散
3)砷 ? ? ? ? Ⅴ族元素,施主杂质,半径与硅相同, 扩散系数小,仅磷、硼的十分之一。 在高掺杂情况下也不引起畸变。 在硅晶体中,砷激活量低于掺杂量,电激活浓度达 2〓1021 ㎝-3

? 3.99 eV ? Di ? 9.17 exp ? ? cm 2 / s ? kT ? ?

? 0 ?? n D e ? h ? Di ? Di ? ?n ? i ?

?? ?? ? ??

? 适宜于浅结,精确控制

4.2 扩散
扩散掺杂工艺 ?气态相源扩散(gas source) ?液态源扩散(liquid source) ?固态源扩散(solid source) ?旋涂源扩散(spin-on-glass)
注意: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。

4.2 扩散
1、气态源扩散

利用载气(如N2)稀释杂质气体,杂质气体在高温下与硅 表面硅原子发生反应,释放出杂质原子向硅中扩散。 气态杂质源(剧毒气体) : 磷烷(PH4)、砷烷(AsH3)、 氢化锑(SbH3)、乙硼烷(H2B6)等

4.2 扩散
2、液态源扩散



利用载气(如N2)通过液态杂质源,携带着杂质蒸汽进 入高温扩散反应管,杂质蒸汽在高温下分解,并与硅表 面硅原子发生反应,释放出杂质原子向硅中扩散。

4.2 扩散
1)液态源硼扩散

?源

硼酸三甲脂 B[(CH3)O]3

? 在500 oC 以上分解反应 B[(CH3)O]3 ? B2O3 + CO2 + H2O + ... 2B2O3 + 3Si ? 3SiO2 + 4B ?

例: 预淀积: 950 oC 通源 10-20 分钟,N2 再分布: 1100 - 1200 o C干氧+湿氧+干氧

4.2 扩散
2)液态源磷扩散



三氯氧磷 (POCl3) >600 ?C 5POCl3 ???? P2O5 + 3PCl5 2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P (向硅中扩散) PCl5难分解,会腐蚀硅,故还要通入少量O2 4PCl5 + 5O2 ???? 2P2O5 + 10Cl2 ?
例 : 预淀积 :1050 ?C N2 和 O2 再分布: 950 ?C O2

4.2 扩散
3、固态源扩散:(B2O3,P2O5,BN等)



惰性气体作为载气把杂质源蒸气输运到硅片表面, 在扩散温度下,杂质化合物与硅反应生成单质杂质 原子相硅内扩散。

4.2 扩散
片状固态氮化硼扩散 活化处理 4BN + 3O2 ? 2B2O3 + 2N2 900 ?C 1 h. 通 O2 扩散 2B2O3 + 3Si ? 3SiO2 + 4B BN片与硅片大小相当,和硅片相间均匀放臵在舟上。不 需载气,但以N2或Ar2保护。

锑的箱法扩散

硅片与扩散源同放一箱内, 在N2气保护下扩散 源:Sb2O3 : SiO2 = 1:4 (粉末重量比) 2Sb2O3 + 3Si = 4Sb + 3SiO2

4.2 扩散
4、旋涂掺杂法(spin-on-glass)
用旋涂法在Si表面形成掺杂氧化层,然后在高温 下杂质向硅中扩散。 源: As Sb B P 烘焙 (arsenosilica); (antimonysilica); (borosilica); (phosphorosilica) 200 ?C 15分钟去处溶剂

根据Rs和xj要求决定扩散温度和时间 特点 :掺杂元素多 浓度范围广

4.2 扩散
扩散层质量检验 ?薄层电阻测量 ?结深测量 ?掺杂分布测量

4.2 扩散
?四探针薄层电阻测量
四根探针何四个针尖都保持在一 条直线上(linear),并以等压 力压在半导体样品表面。1和4称 为电流探针,由稳压电源恒电流 供电;3和4称为电位探针,测量 这两个探针之间的电位差
I V

S 1
2

S
3
t

S
4

?I V? ln 2 ?x j
V Rs ? ? ? 4.53 x j ln 2 I I

?

? V

S >> t时成立!

4.2 扩散
?结深测量
? 磨角染色法(bevel and stain)

? pn结显示技术:不同导电类型的区域,由于电化学势 不同,经染色后显示出不同颜色。
? 常用染色液:HF与0?1%HNO3的混合液,使p区的显 示的颜色比n区深。

xj

?

Bevel ?

4.2 扩散
?掺杂分布测量
?C-V测量(CapacitanceVoltage Measurement) 测量结的反偏电容和电压的关系 可以测得扩散层的掺杂分布。

N ?W ? ? ?

2 ? 1 ? d? 2 ? ?C ? 2 A q? s ? 0 dV

对于均匀掺杂的单边突变结,结电容 由下式给出:

1/C2

q? s ? 0 N B C ?V ? ? A ? 2k T ? 2?Vbi ? VR ? ? ? q ? ? ?

?s 硅的介电常数; NB 衬底掺杂浓度; Vbi 结的内建势; VR 反偏电压

VR

4.2 扩散
?二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS)
用高能离子束轰击样品,使 其产生正负二次离子,将这 些二次离子引入质谱仪进行 分析,再由检测系统收集, 据此识别样品的组分。
Sputter Gun Mass Spec Detector

4.2 扩散

4.2 扩散
非本征扩散
前面讨论对于恒定扩散系数 而言,只发生在掺杂浓度低 于扩散温度下的本征载流子 浓度ni时(例如,T=1 000℃ 时,硅的ni=5〓1018cm-3, 砷化镓的ni=5〓1017cm3).低浓度时的扩散系数就 是其本征扩散系数。当杂质 浓度大于ni时,扩散系数变 得与浓度有关,称为非本征 扩散。非本征扩散区内,同 时扩散或相继扩散的杂质之 间存在着相互作用和协同效 应,使扩散更为复杂。

4.2 扩散

与浓度有关的扩散 当基质原子离开晶格位臵而产生空位,依照空位的电荷数, 可有中性空位V0、受主空位V-、双电荷受主V2-、施主 空位V+等。可以预期,某种带电状态下的空位密度,有类 似与载流子浓度的温度相关性。
EF ? Ei CV ? Ci exp( ) kT

如果杂质扩散以空位扩散为主,则D正比于空位密度。 低掺杂浓度时,EF=Ei,空位密度等于Ci而与杂质浓度 无关。正比与Ci的D也将和杂质浓度无关。高掺杂浓度 时,EF向导带底移动,指数项大于1,这是CV增大,进 而是D变大。如上图的右侧所示。

4.2 扩散
考虑扩散系数时,D可以写成: C ? D ? Ds ( ) Cs Cs为表面浓度,Ds为表面扩散系数,γ是用来描述与浓度 有关的参数。扩散方程式为:

?C ?F ? ?C ?? ? (D ) ?t ?x ?x ?x
可将扩散方程式写成一常微分方程式并以数值法求解。

4.2 扩散
结深可以用下式表示
x j ? 1.6 Ds t ,当D ~ C ? =) ( 1
2 x j ? 1.1 Ds t , 当D ~ C(? =2) 3 x j ? 0.87 Ds t , 当D ~ C(? =3)

4.2 扩散
扩散分布-硅中的扩散 硅内所测量到的D与杂 质浓度的关系 B和As ,其γ=1,曲线 (c)所示,非常陡峭。 Au和Pt,γ=-2,曲线 (d)所示,呈一凹陷的 形状。 P,与V2-有关,D随C2 而变化,分布解决曲线 (b)所示。但由于 离解效应,扩散分布将 呈现出不规则的形状。

4.2 扩散
磷在不同表面浓度下,在1000℃下扩 散1h后的分布。当表面浓度低时,相 当于本征扩散,扩散分布是一个余误 差函数[曲线(a)].随着浓度增加,分布 变得与简单的表示法有差异[曲线(b)及 (c)].在非常高浓度时[曲线(d)],在表 面附近的分布确实近似于上图中的(b) 曲线,然而在浓度为ne时,会有一个 拐点产生;接着在尾区会有一个快速 的扩散.浓度ne发生在费米能级低于 导带0.11eV时,在此能级时,彼此结 合的杂质一空位对(P+V2-)会分解为P+、 V-及一个电子.这些分解会产生大量的 单一电荷受主空位V-,这加速了尾部区 的扩散.在尾部区扩散系数超过1012cm2/s,此值比1 000℃本征扩散 系数约大两个数量级.由于磷的高扩 散系数,它通常被用来形成深结,如 在CMOS中的n阱(n-tubs).

4.2 扩散
在砷化镓中的锌扩散
在砷化镓中的扩散会比在硅中要来得 复杂,因为杂质的扩散包含砷和镓两 种晶格原子移动。空位在砷化镓扩散 过程中扮演了一个主要角色,因为p型 和n型杂质最终必须进驻晶格位臵上, 然而空位的荷电状态迄今尚未确定。 锌是砷化镓中最广为使用的扩散剂, 它的D会随C2而变化,所以扩散分布如 下图所示,是陡峭的。并注意即使是 最低表面浓度的情况,扩散型态也属 于非本征扩散。 因为在1000℃时砷化镓的ni小于 1018cm-3.由图0可见,表面浓度对结 深有重大影响.扩散系数会随锌蒸气 压呈线性变化,而表面浓度正比于分 压的平方根,结深线性正比于表面浓 度.

4.2 扩散
扩散相关工艺-横向扩散
一维扩散方程基本能描述扩散工艺,但在掩蔽层的边缘例外, 因为在边缘处杂质会向下、向横向扩散。这时必须考虑二维 的扩散方程式,并使用数值分析技术求得在不同初始与边界 条件下的扩散分布。 显示一恒定表面初始浓度条件下的轮廓线,并假设D与浓度 无关。

垂直渗透约为2.8?m 横向渗透约为2.3?m

4.2 扩散
由于横向扩散作用,结包含了一个中央平面区及一个近似圆柱、 曲率半径为rj的边。此外,如果掩蔽层有尖锐的角,在这个角处的 结将因横向扩散而近似与圆球状。既然电场强度在圆柱与圆球结 处较强,则该处雪崩击穿电压远低于有相同衬底掺杂的平面结处。
例如,在C/Cs=10-4时(即衬底杂 质浓度比表面浓度低104倍),我们 从这个恒定表面浓度曲线可看出垂 直渗透约为2.8?m,而横向渗透(即 沿着掩蔽层与半导体界面的渗透)约 为2.3?m.因此,当浓度低于表面 浓度达三个或更多的数量级时,其 横向渗透约为垂直渗透的80%.对 恒定掺杂总量扩散情况而言,也可 得到相似的结果,横向渗透与垂直 渗透的比约为75%.对与浓度有关 的扩散系数而言,这个比例下降到 约为65%~70%.

4.3 离子注入
什么是离子注入
离化后的原子在强电场的加速作用下,注射进入靶材 料的表层,以改变这种材料表层的物理或化学性质

离子注入的基本过程
?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 ?在强电场中加速,获得较 高的动能后,射入材料表 层(靶) ?以改变这种材料表层的物 理或化学性质
86

4.3 离子注入

离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的 过程。注入能量介于1keV到1MeV之间,注入深度平均 可达10nm~10?m,离子剂量变动范围从用于阈值电压 调整的1012/cm3到形成绝缘层的1018/cm3。相对于扩散 工艺,离子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质掺杂、 可重复性和较低的工艺温度。 高能的离子由于与衬底中电子和原子核的碰撞而失去能量, 最后停在晶格内某一深度。平均深度由于调整加速能量来 控制。杂质剂量可由注入时监控离子电流来控制。主要副 作用是离子碰撞引起的半导体晶格断裂或损伤。因此,后 续的退火处理用来去除这些损伤。

4.3 离子注入
离子注入特点

? 各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂量(1011-1018 cm-2)和能量(1-400 keV)来达到 ? 平面上杂质掺杂分布非常均匀(1% variation across an 8‘’ wafer) ? 表面浓度不受固溶度限制,可做到浅结低浓度 或深结高浓度 ? 注入元素可以非常纯,杂质单一性 ? 可用多种材料作掩膜,如金属、光刻胶、介质;可防止玷污,自由 度大 ? 低温过程(因此可以用光刻胶作为掩膜),避免了高温过程引起的 热扩散 ? 横向效应比气固相扩散小得多,有利于器件尺寸的缩小 ? 会产生缺陷,甚至非晶化,必须经高温退火加以改进 ? 设备相对复杂、相对昂贵(尤其是超低能量离子注入机) ? 有不安全因素,如高压、有毒气体

4.3 离子注入

中等电流离子注入机示意图特点

4.3 离子注入
磁分析器
聚焦

扫描系统 靶

加速管

离 子 源

B10 B11

r

1 I dt Q? ? A q

BF3:B++,B+,BF2+,F+, BF+,BF++ 90

4.3 离子注入
a) 源(Source):在半导体应用中,为了操 作方便, 一般采用气体源,如 BF3, BCl3,PH3,AsH3等。如用固体或液体做源 材料,一般先加热,得到它们的蒸汽,再导 入放电区。 b) 离子源(Ion Source):灯丝(filament) 发出的自由电子在电磁场作用下,获得足够 的能量后撞击源分子或原子,使它们电离成 离子,再经吸极吸出,由初聚焦系统聚成离 子束,射向磁分析器
气体源:BF3,AsH3,PH3,Ar,GeH4,O2,N2,... 离子源:B , As,Ga,Ge,Sb,P,...

4.3 离子注入

离子注入过程是一个非平衡过程,高能离子进入 靶后不断与原子核及其核外电子碰撞,逐步损失 能量,最后停下来。停下来的位置是随机的,大 部分不在晶格上,因而没有电活性。

4.3 离子注入
注入离子如何在体内静止?
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究 1963年,Lindhard, Scharff and Schiott首先确立 了注入离子在靶内分布理论,简称 LSS理论。 该理论认为,注入离子在靶内的能量损失分为两个彼 此独立的过程:(1) 核阻止(nuclear stopping); (2) 电子阻止 (electronic stopping) 总能量损失为两者的和

4.3 离子注入
核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论 阻止本领(stopping power):材料中注入离子 的能量损失大小 单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失 的能量 (Sn(E), Se(E) )。
?核阻止本领:来自靶原子核的阻止,经典两体碰 撞理论。 ?电子阻止本领:来自靶内自由电子和束缚电子的 阻止。

4.3 离子注入
dE LSS理论 ? ? N ?S n ?E ? ? S e ?E ?? dx

1 ? dE ? 1 ? dE ? S n ?E ? ? ? ? , S e ?E ? ? ? ? N ? dx ? n N ? dx ? e
-dE/dx:能量随距离损失的平均速率

能量为E的 入射粒子在 密度为N的 靶内走过x 距离后损失 的能量

E:注入离子在其运动路程上任一点x处的能量 Sn(E):核阻止本领/截面 (eVcm2)
能量E的函数

Se(E):电子阻止本领/截面(eVcm2)
N: 靶原子密度 ~5?1022 cm-3 for Si

4.3 离子注入
?注入离子与靶内原子核之间两体碰撞 核阻止本领 ?两粒子之间的相互作用力是电荷作用

对心碰撞,最大能量转移:
ETrans ? 4 m1m2 E 2 ( m ? m2 ) 1

m——质量, Z——原子序数 下标1——离子,下标2——靶

例如:磷离子Z1 = Z1 Z 2 m1 15, m1 = 31 注入 ?15 S n ?E ? ? 2.8 ? 10 eV cm 2 2 硅Z2 = 14, m2 = Z12 3 ? Z 2 3 m1 ? m2 28,计算可得: Sn ~ 550 keV摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295 mm2

核阻止能力的一阶近似为:

4.3 离子注入

计算显示,在低能量时, 核阻止本领随能量的增 加而线性增加,Sn(E)会 在某一中等能量时达到 最大值.在高能量时, 由于快速粒子没有足够 的时间和靶原子进行有 效的能量交换,所以 Sn(E)变小.硅对各种能 量的砷、磷、硼离子的 Sn(E)计算值,在图中用 实线画出(在离子符号左 上角标有原子量).由图 可见,较重的原子(如砷) 有较大的核阻止本领, 即单位距离内的能量损 失较大.

4.3 离子注入
非电子阻止本领 局 部 电 子 阻 止 不改变入射离子运动方向 局 部 电 子 阻 止
电荷/动量交换导致入射离子运 动方向的改变(<核间作用)

把固体中的电子看成自由电子气,电子的阻止就类似 于粘滞气体的阻力(一阶近似)。电子阻止本领和注 入离子的能量的平方根成正比。
Se ?E ? ? Cvion ? kE1 / 2 , k ? 0.2 ? 10 ?15 eV1 / 2cm2

4.3 离子注入
总阻止本领(Total stopping power)

核阻止和电 子阻止相等 的能量

?核阻止本领在低能量下起主要作用(注入分布的尾端) 99 ?电子阻止本领在高能量下起主要作用

4.3 离子注入
n

e

n

离子 E2 B 17 keV P 150 keV As, Sb >500 keV

n

4.3 离子注入

射程终点(EOR)处晶格 损伤大

表面处晶格损伤 较小

4.3 离子注入
R:射程(range) 离子在
靶内的总路线长度 Rp:投影射程(projected range) R在入射方向上的 投影

非晶靶中注入离子的浓度分布

射程分布:平均投影射 程Rp,标准偏差?Rp, 横向标准偏差?R?

?Rp:标准偏差(Straggling),投影射程的平均偏差 ?R?:横向标准偏差(Traverse straggling), 垂直于入射方向平 面上的标准偏差。

4.3 离子注入

硼、磷、砷在硅中 及氢锌碲在砷化镓 中的投影射程、投 影偏差与横向偏差。

4.3 离子注入
注 入 离 子 的 二 维 分 布 图

沿着入射轴所注入的杂质分 布可以用一个高斯分布函数 来近似:
n( x ) ? S 2?? p exp[ ? ( x ? Rp )2 2? p
2

]

S为单位面积的离子注入剂量, 此式等同于恒定掺杂总量扩散 是的式。沿x轴移动了一个Rp。 对扩散而言,最大浓度位于 x=0;而对离子注入来说,最 大浓度位于投影射程Rp处.在 (x-Rp)=〒 ?p处,离子浓度比 其峰值降低了40 %;在〒2 ?p 处则降为10%;在〒3 ?p处降 为1%;在〒4.8 ?p 处降为 0.001%.

4.3 离子注入
投影射程Rp:

1 R p ? ? dx ? N 0

Rp

E0

dE ? S n ?E ? ? S e ?E ? 0

Rp ?Rp ?R? Rp ?Rp ?R? Rp ?Rp ?R?

4.3 离子注入
注入离子的浓度分布
在忽略横向离散效应和一级近似下,注入离子在 靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式
? 1 ? x ? R ?2 ? p ? ? C ?x ? ? C P exp ?? ? ? 2 ? ?R p ? ? ? ? ? ?

200 keV 注入

元素 Sb As P B

原子质量 122 74 31 11

Cp

4.3 离子注入
??

由Q?

??

? C ?x ?dx ?
Q

2? ?R p C p , 可以得到:

CP ?

Q ? 0.4 ?R p 2? ?R p

?

? ? x ? R ?2 ? Q p ? ? C ( x) ? exp ?? ? ? ? 2?R p ? ? 2? ?R p ? ? ? ?

Q:为离子注入剂量(Dose), 单位为 ions/cm2,
可以从测量积分束流得到

4.3 离子注入
Q可以精确控制
1 I dt Q? ? A q
A为注入面积,I为硅片背面搜集到的束流 (Farady Cup),t为积分时间,q为离
子所带的电荷。
I=0.01 mA~mA

例如:当A=20〓20 cm2,I=0.1 mA时, Q ? I ? 1.56 ?10 9 atoms/cm2s t Aq 而对于一般NMOS的VT调节的剂量为:B+ 1-5〓1012 cm-2注入时间为~30分钟 对比:如果采用预淀积扩散(1000 ?C),表面浓度为 固溶度1020 cm-3时, 2C

D~10-14

cm-2/s

Q?

s

?

Dt

每秒剂量达1013/cm2

4.3 离子注入
常用注入离子在不同注入能量下的特性

标准偏差?Rp

平均投影射程Rp

4.3 离子注入
已知注入离子的能量和剂量,估算注入离子在靶中 的 浓度和结深
问题:140 keV的B+离子注入到直径为150 mm的硅靶 中。注入剂量Q=5〓10 14/cm2(衬底浓度2〓1016 /cm3) 1) 试估算注入离子的投影射程,投影射程标准偏差、 峰 值浓度、结深 2) 如注入时间为1分钟,估算所需束流。

4.3 离子注入
【解】1) 从查图或查表 得Rp=4289 ?=0.43 mm ?Rp=855 ?=0.086 mm 峰值浓Cp=0.4Q/?Rp= 0.4〓5〓1014/(0.086〓10-4)=2.34〓1019 cm-3 衬底浓度CB=2〓1016 cm-3
? ? x j ? Rp ?2 ? C ?x j ? ? CB ? C p exp ?? 1 ? ? ?R ? ? ? p ? 2? ? ? ? ?

?xj=0.734 mm 2) 注入的总离子数:Q=掺杂剂量〓硅片面积 =5〓1014〓[?(15/2)2]=8.8〓1016 离子数 I=qQ/t =[(1.6〓10-19C)(8.8〓1016)]/60 sec=0.23 mA

4.3 离子注入
注入离子的真实分布

? 真实分布非常复杂,不服从严格的高斯分布 ? 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(背散射),会引起在峰值位臵与表面一侧有 较多的离子堆积;重离子散射得更深。

4.3 离子注入
横向效应:指的是注入 离子在垂直于入射方向 平面内的分布情况

?R? (μm)

? 1 ? y ?2 ? C ( x) C ( x, y) ? exp ?? ? ? ?R ? ? ? 2? ?R? ? 2? ? ? ? ? ?

横向效应影响MOS晶体 管的有效沟道长度。

4.3 离子注入

120 keV As注入 35 keV As注入

4.3 离子注入
注入掩蔽层——掩蔽层应该多厚?
如果要求掩膜层能完全阻挡离子
? xm ? R* * P C * ( xm ) ? C P ?exp ? 2 ? 2?R* P ?

?

?

2

? ? ? CB ? ?

xm为恰好能够完全阻挡离
子的掩膜厚度 Rp*为离子在掩蔽层中的 平均射程,?Rp*为离子在 掩蔽层中的射程标准偏差

4.3 离子注入
解出所需的掩膜层厚度:
* ? CP ? * * * * ? ? ? RP ? m?RP xm ? RP ? ?RP 2 ln ? CB ? ? ? 穿过掩膜层的剂量:

QP ?

? 1 ? x ? R* ? 2 ? * ? xm ? RP ? Q Q P ? ? ? exp ? ? ? dx ? erfc? * ? ? ? 2 ? ?R p ? 2 ? 2?R*p ? 2? ?R* xm p ? ? ? ? ? ?
?

余误差函数

4.3 离子注入
离子注入退火后的杂质分布
? x2 ? C ? x, t ? ? exp ? ? ? 4 Dt ? ? 2 ?Dt ? ? Q
C ?x ? ? ? ? x ? R ?2 ? Q p ? ? exp ?? ? ? ? 2?R p ? ? 2? ?R p ? ? ? ?

( ?R p ) 2 2

一个高斯分布在退火 ? ?x ? RP ?2 ? 后仍然是高斯分布, Q C ?x, t ? ? exp ?? ? 2 2 2??RP ? 2Dt ?? 其标准偏差和峰值浓 2? ??RP ? 2Dt ? ? 度发生改变。

? D0 t0

Dt ? D0t0+Dt

4.3 离子注入
离子注入的沟道效应
前述高斯分布的投影射程及投影射 程的标准偏差能很好地说明非晶硅 或小晶粒多晶硅衬底的注入离子分 布.只要离子束方向偏离低指数 (low-index)晶向(如<111>),硅和 砷化镓中的分布状态就如在非晶半 导体中一样.在此情况下,靠近峰 值处的实际杂质分布,即使延伸到 低于峰值一至两个数量级处也一样, 如右图所示.然而即使只偏离 <111>晶向7o,仍会有一个随距离 而成指数级exp(-x/?)变化的尾区, 其中?典型的数量级为0.1?m.

4.3 离子注入
指数型尾区与离子注入沟道效应有关,当入射离子 对准一个主要的晶向并被导向在各排列晶体原子之 间时,沟道效应就会发生。 图为沿<110>方向观测金 刚石晶格的示意图。离子 沿<110>方向入射,因为 它与靶原子较远,使它在 和核碰撞时不会损伤大量 能量。对沟道离子来说, 唯一的能量损伤机制是电 子阻止,因此沟道离子的 射程可以比在非晶硅靶中 大得多。

4.3 离子注入
沟道效应(Channeling effect):当离子沿晶 轴方向注入时,大部分离子将沿沟道运动,几乎 不会受到原子核的散射,方向基本不变,可以走 得很远。

4.3 离子注入
离子进入的角度及通道

<100>

<110>

<111>

4.3 离子注入

110

111

100

倾斜旋转硅片后的无序方向

4.3 离子注入
沿<100>的沟道效应

产生非晶化的剂量 浓度分布:由于沟道效应的存在,在晶体中注入将偏离 LSS理论在非晶体中的高斯分布,浓度分布中出现一个相 当长的“尾巴”

4.3 离子注入
表面非晶层对于沟道效应的作用

Boron implant into SiO2

Boron implant into Si

4.3 离子注入

减少沟道效应的措施:覆盖一层非晶体的表面层、将硅晶
片转向或在硅晶片表面制造一个损伤的表层.常用的覆盖非晶体材 料只是一层薄的氧化层[图(a)],此层可使离子束的方向随机化,使 离子以不同角度进入硅晶片而不直接进入晶体沟道.将硅晶片偏离 主平面5o~10o,也能有防止离子进入沟道的效果[图 (b)].利用这 种方法,大部分的注入机器将硅晶片倾斜7o并从平边扭转22o以防 止沟道效应.先注入大量硅或锗原子以破坏硅晶片表面,可在硅晶 片表面产生一个随机层[图(c)].然而,这种方法需要使用昂贵的离 子注入机.

4.3 离子注入
典型离子注入参数
离子:P,As,Sb,B,In,O 剂量:1011~1018 cm-2 能量:1– 400 keV 可重复性和均匀性: 〒1% 温度:室温 流量:1012-1014 cm-2s-1

4.3 离子注入
总阻止本领(Total stopping power)

核阻止和电 子阻止相等 的能量

4.3 离子注入

射程终点(EOR)处晶格 损伤大

表面处晶格损伤 较小

4.3 离子注入

EOR damage
Courtesy Ann-Chatrin Lindberg (March 2002).

4.3 离子注入
什么是注入损伤
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。

(Si)Si?SiI + SiV

4.3 离子注入
损伤的产生

? 移位原子:因碰撞而离开晶格位臵的原子。 ? 移位阈能Ed:使一个处于平衡位臵的原子发生移位,所 需的最小能量. (对于硅原子, Ed?15eV) ? 注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程, 称为能量传递过程

4.3 离子注入
损伤区的分布
质量较靶原子轻的离子传给靶原 子能量较小,被散射角度较大, 只能产生数量较少的位移靶原子, 因此,注入离子运动方向的变化 大,产生的损伤密度小,不重叠, 但区域较大。呈锯齿状。 重离子每次碰撞传输给靶的能量较 大,散射角小,获得大能量的位移 原子还可使许多原子移位。注入离 子的能量损失以核碰撞为主。同时, 射程较短,在小体积内有较大损伤。 重离子注入所造成的损伤区域小, 损伤密度大。

4.3 离子注入
离子注入损伤估计
100KeV B离子注入损伤 初始核能量损失:30eV/nm, 硅晶面间距: 0.25nm, 每 穿过一个晶面能量损失: 30eV/nm 〓 0.25nm=7.5eV <Ed (15eV). 当能量降到50KeV,穿过一个晶面能量损失 为15eV, 该能量所对应的射程为: 150nm. 位移原子数 为: 150/0.25=600, 如果移位距离为: 2.5nm, 那么损 伤体积: ?(2.5)2 〓 150=3X10-18cm3. 损伤密度: 2X1020 cm-3, 大约是原子密度0.4%. 100KeV As离子注入损伤 平均核能量损失:1320eV/nm,损伤密度: 5 〓 1021 cm3, 大约是原子密度10%, 该数值为达到晶格无序所需的 临界剂量, 即非晶阈值.

4.3 离子注入
非晶化(Amorphization)
?注入离子引起的晶格损伤有 可能使晶体结构完全破坏变 为无序的非晶区。 ?与注入剂量的关系 –注入剂量越大,晶格损伤 越严重。 –临界剂量:使晶格完全无 序的剂量。 –临界剂量和注入离子的质 量有关

4.3 离子注入
损伤退火 (Damage Annealing)
? 被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位臵,对载流 子的输运没有贡献;而且也造成大量损伤。 ? 注入后的半导体材料: 杂质处于间隙 n<<ND;p<<NA 晶格损伤,迁移率下降;少子寿命下降 热退火后:n? ? n=ND (p=NA)

?? ? ?bulk ? ? ? ?0

4.3 离子注入
损伤退火的目的
? 去除由注入造成的损伤,让硅晶格恢复其原有完美 晶体结构 ? 让杂质进入电活性(electrically active) 位臵- 替位位臵。 ? 恢复电子和空穴迁移率

注意:退火过程中应避免大幅度的杂质再分布

4.3 离子注入

损伤恢复机制(Damage Recovery Mechanism) SiI + SiV ? (Si)Si
Monte Carlo模拟的 I-V 复合 结果:短时间内(10-2秒)800 ?C 下,体内的 V 在表面复合迅 速完成,产生剩余的 I ,其表 面复合相对较缓慢。在400 ?C 以上,这些 I 可接合入{311}面 形成棒/带状缺陷,并可以稳定 较长时间。

Annihilation: recombination Frenkel I-V pairs

4.3 离子注入

?该{311}缺陷带在较高温度下(800~1000 ?C)即可退火修复, TED 但是释放出大量填隙原子I。 ?损伤小于临界值,这些{311}缺陷可以完全分解,回复完美晶体。

?损伤高于临界值,则{311}缺陷可能变成稳定的位错环,该位错 环位于EOR,并难以去除。 漏电流大

4.3 离子注入
a) 退火 一定温度下,通常在Ar、N2或真空条件下 退火温度取决于注入剂量及非晶层的消除。 修复晶格:退火温度600 oC以上,时间最长可达数小时 杂质激活:退火温度650-900 oC ,时间10-30分钟 * 方法简单 * 不能全部消除缺陷 * 对高剂量注入激活率不够高 * 杂质再分布

4.3 离子注入
b)快速热退火, Rapid Thermal Processing(RTP)
。高功率激光束辐照 。电子束 。高强度的光照

。其它辐射
RTP主要优点是掺杂的再分 布大大降低,对制备浅结器 件特别有利

4.3 离子注入

4.3 离子注入
表为传统炉管与RTA技术的比较。为获得较短的工艺时 间,需在温度和工艺的不均匀性、温度测量与控制、硅 晶片的应力与产率间作取舍。
传统炉管 RTA

工艺
炉管 加热率

整批
热管壁 低

单一芯片
冷管壁 高

周期
温控 热预算 粒子问题 均匀度和可重复 性 产率


炉管 高 是 高 高


芯片 低 最小 低 低

4.3 离子注入

4.3 离子注入
离子注入在集成电路中的应用
CMOS制造
9-10 different I/I identified !

4.3 离子注入
双极型制造(Bipolar fabrication) 。高能注入形成埋层 。LOCOS下方的p-n结隔离 。形成基区注入 。砷注入多晶硅发射区 。多晶电阻

4.3 离子注入
其它应用
?硅衬底背面损伤形成吸杂区
Backside Damage Layer Formation for Gettering

?形成SOI结构 Silicon-On-Insulator Using Oxygen or
Hydrogen Implantation

4.3 离子注入
注入相关工艺
多次注入及掩蔽
在许多应用中,除了简单的 高斯分布外其他的杂质分布 也是需要的。例如硅内预先 注入惰性离子,使表面变成 非晶。此方法使杂质分布能 准确地控制,且近乎百分百 的杂质在低温下激活。在此 情况下,深层的非晶体层是 必须,为了得到这种区域, 必须要做一些列不同能量与 剂量的注入(多次注入)。 多次注入如下图所示,用于 形成一平坦的杂质分布。

在图中,四次硼注入硅中以提供 一合成的杂质分布.测量和利用 射程理论所预测的载流子浓度如 图所示.其他不能由扩散方法得 到的杂质分布,也可用不同杂质 剂量与注入能量的组合来实现.

4.3 离子注入
多次注入也用来保证砷化镓在注入与退火时化学 成分保持不变.这种方法以等量的镓与n型杂质 (或砷与p型杂质)在退火前预先注入,这样可以 激活更多的杂质.为了要在半导体衬底中预先选 择的区域里形成p-n结,注入时需要一层合适的 掩蔽层.因为注入属于低温工艺,有很多材料可 以使用.要阻止一定比例的入射离子所需用的掩 蔽材料,其最小厚度可从离子的射程参数来求 得.

4.3 离子注入
为了要在半导体衬底中预先选择的区域里形成pn结,注入时需要一层合适的掩蔽层。此层要阻 止一定比例的入射离子其最小厚度可从离子的射 程参数来求得。在某一深度d之后的注入量对回 忆式积分可得:
? ? x?R ? S p Sd ? exp ? ? ? ? ? ? 2? p 2?? p d ? ?
S 2?? p ( x ? Rp )2 2? p
2

? ? ? ?

2

? ? ? ?

n( x ) ?

exp[ ?

]

回忆式

4.3 离子注入
穿越深度d的剂量的百分比可由穿透系数 T(transmission coefficient)求得:
? d ? Rp ? Sd 1 T? ? erfc ? ? ? 2? ? S 2 p ? ?

一旦得到了T,对任一恒定 的Rp和σp来说,都可以求 得掩蔽层厚度d,对SiO2、 Si3N4与抗蚀剂来说,要阻 挡99.99%的入射离子(T =10-4)所需的d值如下图 所示。图中内插图显示了在 掩蔽材料内的注入物的分布。

4.3 离子注入
倾斜角度离子注入
当器件缩小到亚微米尺寸时,将 杂质分布垂直方向也缩写是很重 要的。现代器件结构如轻掺杂漏 极(LDD),需要在纵向和横向 上精确控制杂质分布。 垂直于表面的离子速度决定注入 分布的投影射程。如果硅晶片相 对于离子束倾斜了一个很大的角 度,则等效离子能量将大为减少。 在倾斜角度离子注入时,需考虑 硅晶片上掩蔽图案的阴影效应。 垂直于表面的离子速度决定注入分布的投影射 较小的倾斜角度导致一个小阴影 区。如高为0.5?m的掩蔽层,离 程.如果硅晶片相对于离子束倾斜了一个很大 子束的入射角为7度,将导致一 的角度,则等效离子能量将大为减少.上图显 个61nm的阴影区。可能是器件 示倾斜角与60keV砷离子的关系,它显示以高 产生一个预想不到的串联电阻。 倾斜角度(86o)可得到一极浅的分布.

4.3 离子注入
高能量与大电流注入
注入机能量可高达1.5-5MeV,且已用作多种新型用途。主要利 用其能将杂质掺入半导体内深达好几个微米的能力而不需要借 助高温下长时间的扩散。也可用于制作低电阻埋层。例如, CMOS器件中距离表面深达1.5到3?m的埋层。 大电流注入机(10-20mA)工作在25-30keV范围下,通常用 于扩散技术中的预臵处理。因为其总量能够精确控制。在预臵 后,掺杂剂可以用高温扩散步骤再分布,同时顺便将表面区的 注入损伤修补。另一用途就是MOS器件的阈值电压调整,精确 控制的杂质量经栅极氧化层注入沟道区。 目前,已有能量范围介于150-200keV的大电流离子注入。主 要用途是制作高品质硅层,通过向硅层中注入氧来生成二氧化 硅从而使该硅层与衬底绝缘。这种氧注入隔离(SIMOX)是一 种绝缘层上硅(SOI)的关键技术。

4.3 离子注入
用途就是MOS器件中的阈值电压调整.精确控制的杂质量(如硼)经栅极氧化层注 入沟道区,如图(a)所示 因为硼在硅与二氧化硅中的投影射程相差不多,如果我们选择适当的入射能量, 这些离子将会只穿过薄的栅极氧化层而不会穿过较厚的场氧化层.阈值电压将随 注入的剂量以近似线性的关系变化.在硼注入后,即可淀积多晶硅,进而光刻出 图形以作为MOSFET的栅电极.包围着栅电极的薄氧化层随后被去掉,如图 (b) 所示,接着利用另一次的高剂量砷注入来形成漏极和源极.

4.4 本章小结
1、掺杂工艺一般分为 哪两步?结深?薄层电 阻?固溶度? 预淀积+退火。预淀积:气固相预淀积 扩散或离子注入。Rs:表面为正方形的 半导体薄层(结深),在电流方向所呈 现的电阻。单位为 ?/? 。反映扩散入硅 内部的净杂质总量。固溶度:在平衡条 件下,杂质能溶解在硅中而不发生反应 形成分凝相的最大浓度。

C ? x, t ? ? 154

2、两种特殊条件下的费 克第二定律的解及其特 表面浓度恒定,余误差函数分布(erfc): 点?特征扩散长度? 表面浓度恒定,杂质总量增加,扩散深度 ? x ? 增加 C ? x, t ? ? C s erfc? ? Dt ,杂质总量恒定,高斯函数分 ? 2 Dt ? 布(Gaussian):表面浓度下降,结深 ? QT x 2 ? 增加
exp ? ? ? 4 Dt ? ? ?Dt ? ?

4.4 本章小结
h ? 1? C C 2 ? 4ni2
?C ? ? eff ?C ? ? ? DA ? ?t ?x ? ?x ?
2

非本征扩散 常用杂质的扩散特性? B, P, As 常用扩散掺杂方法?

? p? ?n 0 ?? p ? ? ? ? D ?? ? ? ? D ? ? De ? D ? D ? ? ?n ? ?n ? ni ? ? i? ? i

? ?n ? ? D? ? ? ?n ? ? i

? ? ? ?

2

B:p型杂质,OED;P:n型杂质, 深结,OED;As:n型杂质,离 子注入精确控制实现浅结 气态源、液态源、固态源、 旋涂法 薄层电阻:四探针法;结 深:染色法;掺杂分布: C-V法,SIMS

常用扩散掺杂层的质量测量?

4.4 本章小结
? 1 ? x ? R ?2 ? p ? ? C ?x ? ? C p exp ?? ? ? ?R ? ? ? 2? p ? ? ?

CP ?

0.4Q ?R p

精确控制掺杂,浅结、浅掺杂, 离子注入的主要特点? LSS理论?阻止能力的含义? 纯度高,低温,多种掩模,… 离子注入的杂质分布?退火后? 非晶靶。能量损失为两个彼 此独立的过程(1) 核阻止与(2) 电子阻止之和。能量为E的入 射粒子在密度为N的靶内走过 掩蔽膜的厚度? x距离后损失的能量。 掩膜层能完全阻挡离子的条件:

C * ?xm ? ? CB

4.4 本章小结
什么是离子注入损伤?退火的 目的是什么?什么是RTP?

产生大量空位-间隙对,直至 非晶化。恢复晶格,激活杂质, 恢复载流子迁移率和少子寿命。 快速热退火,热扩散小,制作 浅结。

4.4 本章小结
(1) 注入离子在靶内的纵向浓度分布 可近似取高斯函数形式 (2) 在平均投影射程 x=Rp 处有一最 高浓度,最大浓度与注入剂量关系

? 1 ? x ? R ?2 ? p ? ? C ?x ? ? C p exp ?? ? ? 2 ? ?R p ? ? ? ? ? ?

Cp ?

(3) 平均投影射程两边,注入离子浓 度对称地下降。离平均投影射程越 远,浓度越低。

Q 0.4Q ? 2? ?R p ?R p

例题选讲
1. 在1000℃时向硅中扩散硼,表面浓度维持在 1019cm-3,而扩散时间为1h。试求Q(t)和在x=0 处以及掺杂浓度为1015cm-3处浓度梯度。 解:硼在1000℃时向硅中扩散的扩散系数约为 2〓10-14cm2/s,所以扩散长度为:
Dt ? 2 ? 10?14 ? 3600 ? 8.48 ? 10?6 ? cm ?
Q ? t ? ? 1.13Cs Dt ? 1.13 ? 1019 ? 8.48 ? 10?6 ? 9.5 ? 1013 ? cm ?2 ?

dC dx

x ?0

Cs 1019 ?? ?? ? ?6.7 ? 1023 ? cm ?4 ? ? Dt ? ? 8.48 ? 10?6

例题选讲
当CB= xj, 1015cm-3时,由

? xj C B ? C s erfc? ? 2 Dt ?

? ? 可得对应的 ? ?

? CB ? x j ? 2 Dt erfc ? ? 2 Dt ? 2.75? ? 4.66 ? 10?5 ? cm ? ? 466nm ? Cs ? ?
?1

dC dx

x ? 466nm

? x2 ? Cs ?? exp ? j ? ? ?3.5 ? 1020 ? cm ?4 ? ? Dt ? 4 Dt ?

例题选讲
2. 由AsH3气体将砷预淀积,单位面积的掺杂总量为 1〓1014cm-2,要花多少时间才能将砷在分布扩散到 1?m的结深。假设衬底掺杂浓度为1〓1015cm-3,再分 布扩散温度为1200℃。对砷而言,D0=24cm2/s, Ea=4.08eV。

?4.08 ? 解:D ? D exp ? ? Ea ? ? 24 exp ? ? 2.602 ? 10?13 ? cm2 / s ? 0 ? ? ? ? ?5 ? kT ? ? 8.614 ? 10 ? 1473 ? ? ? ? 1.106 ? 105 ? S x 2 ? 4 Dt ln ? ? 1.04 ? 10 ?12 t ln ? ? j ? Cs ? Dt ? t ? ? ?

t ? lg t ? 10.09t ? 8350 ? 0 上式的解可由方程 y ? t ? lg t 和 y ? 10.09t ? 8350 而求得。 因此,t=1190s≈20min

例题选讲
3. 假设硼以100keV、每平方厘米5〓1014个离子的剂
量注入进200mm的硅晶片。试计算其峰值浓度。如果 注入在1min内完成,求离子束电流。
n( x ) ? 2?? p exp[ ? 2? p
2

解:查表知本题的投影射程为0.31?m,投影偏差为0.07?m。由 ( x ? R p ) 2 可得, S 式
]

? ( x ? Rp )2 ? dn S 2( x ? Rp ) ?? exp ? ? ??0 2 2 dx 2? p ? 2?? p 2? p ? ? ?
峰值浓度位于x=Rp,n(x)=2.85〓1014个离子/cm2。 注入离子的总量为Q=5〓1014〓π〓(20/2)2=1.57〓1017个离子。 所需的离子电流为I=qQ/t=1.6〓10-19〓1.57〓1017/60=4.19〓10-4A ≈0.42mA。

例题选讲
4.当硼离子以200keV注入时,需要多厚的SiO2来阻挡 99.99%的入射离子?投影射程为0.53?m,投影偏差为 0.093?m 。 ? d ? Rp ? Sd 1 ? 中的余误差函数可以近似为: 解:式 T ? S ? 2 erfc ? ? ?
? 2? p ?
e?u T? 2 ? u 1
2

? d ? Rp ? 其中参数u代表 ? ? 。若T=10-4,可以解出上面的方程式而得 ? 2? ? p ? ? u=2.8。 因此d=Rp+3.96σp=0.53+3.96〓0.093=0.898? m

例题选讲
掩蔽效率为99.99% 时,不同材料的最小 厚度和入射离子能量 的关系,内插图表示 离子透过深度d的情 况

4.4 本章小结
(1) 注入离子在靶内的纵向浓度分布 可近似取高斯函数形式 (2) 在平均投影射程 x=Rp 处有一最 高浓度,最大浓度与注入剂量关系

? 1 ? x ? R ?2 ? p ? ? C ?x ? ? C p exp ?? ? ? 2 ? ?R p ? ? ? ? ? ?

Cp ?

(3) 平均投影射程两边,注入离子浓 度对称地下降。离平均投影射程越 远,浓度越低。

Q 0.4Q ? 2? ?R p ?R p

本章习题

1.说明用于硅中扩散常见的固态、液态、气态源。 2.扩散的方式有哪三种? 3.影响扩散速率的因素有哪些? 4.杂质在硅中的扩散过程分为那两步,它们分别属于恒定源扩散还是限定源扩散, 请用图形来说明这两个扩散过程。 5.解释本征扩散与非本征扩散的意义。 6.为什么要引入离子注入技术,离子注入技术有哪些优势? 7.离子注入的原理? 8.说明退火的目的和特点? 9.试计算在中性环境中,950?C、30min硼预臵掺杂情况的结深与杂质总量.假 设衬底是n型硅,ND=1.88〓1016cm-3,而硼的表面浓度为Cs=1.8〓1020cm-3。 10.如果习题9中的例子放入1050?C、60min的中性环境进行再分布扩散,试计 算扩散分布与结深. 11. 假设测得的磷扩散分布可以用高斯函数表示,其扩散系数D=2.3〓1013cm2/s,测出的表面浓度是1〓1018cm-3,在衬底浓度为1〓1015cm-3下测得 的结深为1μm.请计算扩散时间和在扩散层中的全部杂质量. 12. 为防止突然降温而引起的硅晶片翘曲,扩散炉管的温度在20min内自 1000?C线性下降至500?C.对硅内的磷扩散而言,初始扩散温度的有效时间为 多少?

本章习题
13. 硅中低浓度磷在1000?C下再分布,若扩散时间与温度有1%变动,试找出表 面浓度变化的比例. 14. 在1 100?C将砷扩散到掺有硼的厚硅晶片中(硼浓度为1015cm-3),历时3h, 如果表面浓度保持恒定在4〓1018cm-3,则砷的最后浓度分布、扩散长度及结深 为多少? 15. 在900?C将砷扩散到掺有硼的厚硅晶片中(硼浓度为1015cm-3)达3h,如果表 面浓度恒定在4〓1018 cm-3,则结深为多少?假设D=Doexp(一Ea/kT)〓(n/ni), D0=45.8cm2/s,Ea=4.05eV,xj=1.6 . 16.气相淀积后测得二氧化硅中铜的浓度是5〓1013cm-3,在HF/H2O2内溶解之 后在硅层内的铜浓度是3〓1011cm-3,计算在二氧化硅与硅层内铜的分凝系数. 17.在一个200mm硅晶片硼离子注入系统中,假设离子束电流是10μA.对P沟 道晶体管来说,试计算将闯值电压由-1.1V降低到-0.5V所需的注入时间.假设 被注入的受主在硅表面的下方形成一层负电荷而氧化层厚度是10nm. 18.假设100mm砷化镓硅晶片在固定离子束电流10μA下均匀地注入100keV的 锌离子达5min,请问在单位面积上的离子剂量与离子浓度的峰值. 19.通过氧化层上所开的窗注入80keV的硼到硅中形成p-n结.如果硼的剂量是 2〓1015cm-2,而n型衬底的浓度是1015cm-3,试找出冶金结的位臵.

本章习题
20.通过厚度为25nm的栅极氧化层进行阈值电压调整注入.衬底是方向为 <100>的P型硅,电阻率为10Ω?cm.如果在40keV硼注入下增加的阈值电压是 1V,计算单位面积的总注入剂量,并估计硼浓度的峰值所在位臵. 21.同习题17中的衬底,请问总剂量在硅中所占比例为多少? 22.若50keV的硼注入进硅衬底,试计算损伤密度.设硅原子密度为5.02〓 1022cm-3,硅的移位能量为15eV,范围是2.5nm,硅晶面间距为0.25nm. 23.解释为何高温RTA较低温RTA更适用于形成无缺陷浅结. 24.如果栅极氧化层厚度为4nm,试计算将P沟道闽值电压降低1V所需的注入 剂量.假设注入电压被调整到可使分布的峰值发生在氧化硅与硅的界面上,因此 只有一半的注入离子进入硅中.进而假设硅中90%的注入离子由退火X-艺而激 活电特性.这些假设使45%被注入的离子可用于阈值电压调整.同时也假设所有 在硅中的电荷都位于硅-二氧化硅界面. 25. 要在亚微米MOSFET的源极与漏极形成一个0.1μm重掺杂的结.能选择哪 几种杂质?注入将其激活的方法有几种?你会推荐哪一种?为什么? 26.当砷以100keV注入而抗蚀剂的厚度为400nm.试推算此抗蚀剂掩蔽层防 止离子穿透的阻挡率(Rp=0.6μm,σp=0.2μm).如果抗蚀剂厚度改为1μm,请计 算掩蔽层的阻挡率. 27.参考例4.试问能阻挡99.999%的注入离子所需的二氧化硅厚度为多少?


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