3.4扩散与离子注入.ppt

3 4扩散与离子注入 扩散 利用原子在高温下 900 1200 的扩散运动 杂质原子从浓度很高的杂质源向低浓度区扩散并形成一定的分布 离子注入 电离的杂质离子经几十至几百千伏的电压下进行加速 在获得较高速度后注入半导体内 材料A 材料B 材料A 材料B 材料A 材料B 3 4 1扩散 70年代初期 1 扩散机理 恒定的表面浓度 杂质为气相源杂质蒸汽 800 925 硅表面 扩散到硅片内恒定的总掺杂剂量 首先在硅表面形成薄杂质层 扩散到硅片内 1 掺杂浓度不能超过半导体的固浓度 2 较难得到轻微的杂质分布 3 横向扩散大约达到结深度80 的距离 使得最后的扩散区尺寸超过窗口尺寸 4 900 1200 高温下进行 扩散特点 n Substrate 扩散 2 扩散设备与扩散源 扩散设备 扩散炉扩散源 气态 液态 运输方便 纯度高固态 立式扩散炉 液态源 液态源 磷扩散掺杂 4POCl3 3O2 2P2O5 6ClP2O5 Si 4P 5SiO2 还原反应 N2 POCl3液瓶 POCl3气泡O2 石英管内反应 固态源 气态源 易挥发的固态源 扩散浓度一方面决定于源的情况 当源足量时则决定于温度 因为杂质的固溶度决定杂质在半导体表面的浓度 3 准确控制浓度和深度 扩散深度取决于扩散系数D和扩散时间t D Doe E kT 对于一定杂质在特定固体中激活能E和Do是一定的 所以D与T是指数上升关系 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 扩散层的结深 化学染色后磨斜角 HF 条纹干涉方块电阻 探针技术杂质分布 C V法 3 4 2离子注入 70年代后 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 高温 2 不能超过杂质的固浓度 3 较难得到轻微的杂质分布 4 横向扩散 扩散 离子注入 电离的杂质离子经静电场 5 200keV 加速注入半导体内 使扩散 1 离子注入过程 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 a离子碰撞 轻离子反弹 溅射现象当运动的原子运动到固体表面时 如果其能量大于表面的势垒 它将克服表面的束缚而飞出表面层 这就是溅射现象 溅射出来的粒子除了是原子外 也可以是原子团 溅射出来的原子进入鞘层后 与鞘层内的离子碰撞后将发生电离 形成新的离子 溅射原子或原子团也可以穿过鞘层进入等离子体 并捕获等离子体中的电子 形成带负电的粒子或粒子团 通常称为 尘埃粒子 尘埃粒子的存在将造成对等离子体的污染 这对采用等离子体技术制备高质量的薄膜材料是非常有害的 二次电子发射当固体表面受到载能粒子轰击时 产生电子从表面发射出来的现象被称为二次电子发射 每入射一个载能粒子所发射出来的电子数称为二次电子发射系数 一般地 离子 电子 中性原子或分子与固体表面碰撞时 均可以产生二次电子发射 在PSII技术中 由于对基体施加较高的负偏高压 将有大量的二次电子从基体表面上发射出来 这些二次电子的出现 一方面改变了鞘层电位的大小和分布 另一方面它们经鞘层电场加速后 以较高的速度撞击到器壁表面 产生较强的X射线 这对人体的健康是非常有害的 通过控制电学条件 电流 电压 离子注入可精确控制浓度和深度 不受材料固溶度限制 横向扩散小 选用一种离子注入 不免混入杂质 离子注入可进行MOS源 漏区掺杂 b通道效应 注入离子 有周期性排列固定晶体结构的Si中 如果注入路径在不受Si原子阻挡的方向 碰撞不会发生 注入离子长驱直入到硅晶圆很深的地方 通道效应 通道效应的结果使离子注入深度难控制 离子注入通道效应 抑制通道效应的方法 a 把晶片对离子注入的方向倾斜一个角度 0 15 b 在结晶硅的表面铺一层非结晶系材质SiO2 使注入离子在进入硅晶片之前先与无固定排列方向的SiO2碰撞 c 先在硅内进行一次轻微的离子注入 使硅的规则排列破坏然后再进行离子进入 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 C退火 离子注入后要退火处理 2 离子注入机 离子注入系统的原理示意图 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 真空系统 离子源 通过电子和掺杂气体的碰撞产生离子的装置 分离磁场 利用不同离子在磁场中所受洛仑兹力不同 因而运动轨迹不同来分离出单一离子 加速器 将掺杂离子加速达到足够的速度能够穿入硅晶片 聚焦 离子加速后 由于相同电荷的排斥作用而发散 这将导致离子密度不均和掺杂层不均 通过聚焦镜将离子聚焦成细束 中性粒子偏束器 离子束和一些气体分子可能碰撞产生中性原子 为了消除中性原子的影响 用偏束器将离子束偏离7 而中性原子沿原方向射出 1 注入的离子是通过质量分析器选取出来的 被选取的离子纯度高 能量单一 从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响 2 注入剂量在1011 1017离子 cm2的较宽范围内 同一平面内的杂质均匀度可保证在 1 的精度 3 离子注入时 衬底一般是保持在室温或低于400 避免高温扩散所引起的热缺陷 同时横向效应比热扩散小得多 另外像二氧化硅 氮化硅 铝和光刻胶等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜 对器件制造中的自对准掩蔽技术给予更大的灵活性 这是热扩散方法根本做不到的 3 离子注入优点 4 注入杂质按掩模版图形近于垂直入射 有利于器件按征尺寸的缩小 5 离子注入深度是随离子能量的增加而增加 5 离子注入是一个非平衡过程 不受杂质在衬底材料中溶解度的限制 原则上对各种元素均可掺杂 这就使掺杂工艺灵活多样 适应性强 根据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或P型杂质进行掺杂 7 容易实现化合物半导体的掺杂