半导体制作工艺掺杂.pptx

芯片制造工艺芯片制造工艺 掺杂掺杂扩扩 散散 和和 离离 子子 注注 入入主主 要要 内内 容容l5.1 概述 l5.2 扩散 l5.3 离子注入掺杂 l5.4 掺杂质量评价 l5.5 实训 扩散工艺规程 l为了在硅片内部指定区域得到选择性掺杂，核心步骤为：（1）在硅片表面生长一层二氧化硅层。该二氧化硅层除了保护硅片表面和绝缘外，其关键是作为掺杂杂质的阻挡层。二氧化硅层将阻挡掺杂原子进入硅表面。（2）在硅片表面的二氧化硅层上确定“窗口”（window）。该窗口的大小和形状对应于需要的掺杂区域。（3）用腐蚀剂去掉窗口内的二氧化硅，但不除去硅，使窗口的硅表面暴露在外。（4）把整个硅片置于掺杂源下，通过扩散或离子注入使掺杂原子进入二氧化硅未覆盖的区域中，从而改变硅的杂质性质。5.1 概述概述 l掺杂是指将需要的杂质原子掺入到特定的半导体区域中，用于对衬底基片进行局部掺杂。以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触的目的。l扩散和离子注入 A族受主掺质(P型)A族半导体A族施体掺质(N型)元素元素原子量原子量元素元素原子量原子量元素元素原子量原子量硼5碳6氮7铝13硅14磷15镓31锗32砷33铟49锡50锑515.2 扩散扩散l扩散是微电子工艺中最基本的工艺之一，是在扩散是微电子工艺中最基本的工艺之一，是在约约10001000的高温、的高温、p p型或型或n n型杂质气氛型杂质气氛中，使杂质向衬中，使杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体导体定域、定量掺杂定域、定量掺杂的一种工艺方法，也称为热扩的一种工艺方法，也称为热扩散。散。l在集成电路发展初期是半导体器件生产的主要技术之一。但随着离子注入的出现，扩散工艺在制备浅结、低浓度掺杂和控制精度等方面的巨大劣势日益突出，在制造技术中的使用已大大降低。扩扩 散散 机机 理理 掺杂剂在半导体中的扩散可以看成是：掺杂剂在半导体中的扩散可以看成是：杂质原子杂质原子在在晶格中晶格中以以空位空位或或间隙间隙原子形式进行原子形式进行的原子运动。的原子运动。杂质原子的扩散方式有以下几种：交换式交换式：两相邻原子由于有足够高的能量，互相交换位置。空位式空位式：由于有晶格空位，相邻原子能移动过来。填隙式填隙式：在空隙中的原子挤开晶格原子后占据其位，被挤出的原子再去挤出其他原子。在空隙中的原子在晶体的原子间隙中快速移动一段距离后，最终或占据空位，或挤出晶格上原子占据其位。以上几种形式主要分成两大类：替位式替位式扩散。扩散。间隙式扩散。间隙式扩散。P在硅中的扩散曲线B在硅中的扩散曲线多晶硅中的杂质扩散多晶硅中的杂质扩散 在多晶硅薄膜中进行杂质扩散的扩散方式与单晶硅中的方式是不同的，因为多晶硅中有晶粒间界存在多晶硅中有晶粒间界存在，所以杂质原子主要沿着晶粒间界进行扩散杂质原子主要沿着晶粒间界进行扩散。主要有三种扩散模式：晶粒尺寸较小小或晶粒内的扩散较快扩散较快，以至从两边晶粒间界向晶粒内的扩散相互重叠，形成如图A类分布。晶粒粒较大大或晶粒内的扩散较慢，所以离晶粒间界较远处杂质原子很少，形成如图B类分布。与晶粒间界扩散相比，晶粒内的扩散可以忽略不计，因此形成如图C类分布。所以多晶扩散要比单晶扩散快得多，其扩散速度一般要多晶扩散要比单晶扩散快得多，其扩散速度一般要大两个数量级。大两个数量级。5.2.1 间隙扩散间隙扩散 原子半径比硅小的杂质原子在硅片中不占据格点位置，只是从一个位置移动到另一个位置间隙式扩散间隙式扩散间隙式杂质间隙式杂质：存在于晶格间隙的杂质。以间隙形式存在于硅中的杂质，主要是那些半径较小、不容易和硅原子键合的原子。间隙式扩散：间隙式扩散：间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置的运动称为间隙式扩散。间隙式杂质在硅晶体中的扩散运动主要是间隙式扩散。对间隙杂质来说，间隙位置间隙位置是势能极势能极小位置小位置，相邻的两个间隙之间是势能势能极大位置极大位置。间隙杂质要从一个间隙位置运动到相邻的间隙位置上，必须要越过一个势垒势垒，势垒高度Wi一般为0.6 1.2eV。间隙杂质一般情况下只能在势能极小位置附近做热振动，振动频率约为10131014/s,室温下平均振动能只有0.026eV，也就是在1200度的高温下也只有0.13eV。间隙杂质只能依靠热涨落热涨落才能获得大于Wi的能量，越过势垒跳到近邻的间隙位置。温度越高，间隙杂质的跳跃率越高，间隙式扩散越容易。间隙杂质的热振动频率为0，根据玻尔兹曼统计分布，热涨落获得能量大于Wi的几率正比于exp(-Wi/kT)，则得到间隙杂质的跳跃率跳跃率（每秒的跳跃次数）为室温下，室温下，约每分钟一次。约每分钟一次。5.2.2 替位（空位）扩散替位（空位）扩散 高温下，晶格处原子在平衡格点作热振动，它有一定几率获得足够的能量，离开格点，形成空位，即空格点。临近的杂质原子移动到空位上，而逃逸出来的原子进入间隙或跑到晶片表面对替位杂质来说，在晶格位置上势对替位杂质来说，在晶格位置上势能相对最低，而间隙处是势能最高能相对最低，而间隙处是势能最高位置。位置。与间隙杂质相同，替位杂质要从一与间隙杂质相同，替位杂质要从一个格点位置运动到近邻格点上，必个格点位置运动到近邻格点上，必须要越过一个势垒。势垒高度为须要越过一个势垒。势垒高度为Ws。替位杂质的运动比间隙杂质更为困替位杂质的运动比间隙杂质更为困难，首先要在近邻出现空位，同时难，首先要在近邻出现空位，同时还要依靠热涨落获得大于势垒高度还要依靠热涨落获得大于势垒高度Ws的能量才能实现替位运动。的能量才能实现替位运动。平衡时单位体积的空位数为：平衡时单位体积的空位数为：N是单位体积内所含的晶格数，Wv代表形成一个空位所需要的能量。则每个格点上出现空位的几率为：每个格点上出现空位的几率为：根据玻尔兹曼统计规律，替位杂质依靠热涨落跳过势垒替位杂质依靠热涨落跳过势垒Ws的几率的几率为：替位杂质的跳跃替位杂质的跳跃率为出现空位的几率乘以跳入该空位的几率，即：对硅中的替位杂质来说，Wv+Ws约为34eV(a)间隙式扩散（间隙式扩散（interstitial）(b)替位式扩散（替位式扩散（substitutional）间隙扩散间隙扩散杂质：杂质：O，Fe，Cu，Zn，Mg替位扩散替位扩散杂质杂质：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的运动一般是以近邻替位原子的运动一般是以近邻处有处有空位空位为前提为前提B，P，一般作为替代式扩，一般作为替代式扩散杂质，实际情况更复杂，散杂质，实际情况更复杂，包含了硅自间隙原子的作包含了硅自间隙原子的作用，称填隙式或推填式扩用，称填隙式或推填式扩散散5.2.3 扩散系数与扩散方程扩散系数与扩散方程1、菲克第一定律1855年，菲克(Fick)，提出描述物质扩散的第一定律。菲克第一定律：菲克第一定律：如果在一个有限的基体中杂质浓度C(x,t)存在梯度分布，则杂质将会产生扩散运动，杂质的扩散流密度 J 正比于杂质浓度梯度C/x，比例系数D定义为杂质在基体中的扩散系数。扩散流密度的一维表达式为：扩散流密度 J 定义为单位时间通过单位面积的杂质(粒子)数。D是扩散系数，D的单位为cm2/s。杂质的扩散方向扩散方向是使杂质浓度梯度变小。如果扩散时间足够长，则杂质分布逐渐变得均匀。当浓度梯度变小时浓度梯度变小时，扩散减缓。D依赖于扩散温度、杂质的类型以及杂质浓度等。首先在替位原子的势能曲线和一维扩散模型的基础上，来推导扩散粒子流密度J(x,t)的表达式。晶格常数为a，t时刻在(x-a/2)和(x+a/2)位置处，单位面积上替位原子数分别为C(x-a/2,t)*a和C(x+a/2,t)*a。单位时间内，替位原子由(x-a/2)处跳到(x+a/2处)的粒子数目为由(x+a/2)处单位面积上跳到(x-a/2)处的粒子数目为2、扩散系数扩散系数扩散系数的推导：则t时刻通过x处单位面积的净粒子数（粒子流密度）为：则有：D0为表观扩散系数，E为激活能。扩散系数由D0、E及温度T决定。3、菲克第二定律（扩散方程）菲克第二定律（扩散方程）如图，沿扩散方向，从x到x+x，面积为s的一个小小体积元内的杂质数量随时间的变化体积元内的杂质数量随时间的变化情况。假设在小体积元v=xs内的杂质分布是均匀杂质分布是均匀的。在t时刻，体积元内的杂质浓度为杂质浓度为C(x,t)，在t+t时刻杂质浓度为C(x,t+t)。经过t时间，该体积元内杂质杂质变化量变化量为扩散方程的推导（一维扩散）设杂质在x和x+x处的扩散流密度分别为J(x,t)和J(x+x,t)，则在t时间内，通过x处和x+x处的杂质流量差杂质流量差为 假设体积元内的杂质不产生也不消失，可得 把菲克第一定律代入上式则得一维扩散方程一维扩散方程 此方程就是菲克第二定律菲克第二定律的最普遍表达式。如果假设扩散系数D为常数，这种假设在低杂质浓度情况下是正确的，则得 5.2.4、扩散杂质的分布1、恒定表面源扩散恒定表面源扩散：恒定表面源扩散：整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度始终不变。在恒定表面源扩散过程中，表面浓度，表面浓度Cs始终保持恒定始终保持恒定，边界条件：假定杂质在硅内的扩散深度远小于硅片的厚度，则另一个边界条件为 根据实际情况下的边界条件和初始条件，求解扩散方程，就可以得到扩散杂质的分布C(x,t)。在扩散开始时，初始条件应为 根据上述的边界条件和初始条件，可求出恒定表面源扩散的杂质分布情况：erfc为余误差函数。恒定表面源扩散的杂质分布形式如图所示。在表面浓度在表面浓度Cs一定的情况下，扩散时间越长，杂质一定的情况下，扩散时间越长，杂质扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。扩散的就越深，扩到硅内的杂质数量也就越多。如果扩散时间为t，那么通过单位表面积扩散到Si片内部的杂质数量Q(t)为：恒定源扩散，其表面杂质浓度Cs基本上由该杂质在扩散温度(900-1200)下的固溶度所决定，在900-1200范围内，固溶度随温度变化不大，很难通很难通过改变温度来达到控制表面浓度过改变温度来达到控制表面浓度Cs的目的，的目的，这是该扩散方法的不足之处。杂质分布形式杂质分布形式恒定表面源扩散的主要特点结深结深 如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的导电类型不同，在两种杂质浓度相等处会形成p-n结。若CB为硅衬底原有的背景杂质浓度为硅衬底原有的背景杂质浓度，根据C(xj,t)=CB，得到结的位置xj：其中A是常数。xj与扩散系数与扩散系数D和扩散时间和扩散时间t的平方根成正比。的平方根成正比。D与与温度温度T是指数关系是指数关系，所以在扩散过程中，温度对扩散深度和杂质分布的影响较大。杂质浓度梯度杂质浓度梯度 如果杂质按余误差函数分布，可求得杂质浓度梯度为 由上式可知，杂质浓度梯度大小与杂质浓度梯度大小与Cs，t和和D(即温度即温度T)有关，有关，可以改变其中某个量使杂质浓度分布的梯度满足要求。在pn结处的梯度为 由上式可以看出，在在Cs和和CB一定的情况下，一定的情况下，pn结越深，在结处结越深，在结处的杂质浓度梯度就越小。的杂质浓度梯度就越小。2、有限表面源扩散有限表面源扩散有限表面源扩散：有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先沉积一层杂质，在整个扩散过程中这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源补充，这种扩散方式称为有限表面源扩散。假设假设扩散之前在硅片表面沉积的杂质均匀地分布在薄层h内，每单位面积上的杂质数量为Q。如果杂质在硅内要扩散的深度远大于h，则预先淀积的杂质分布可按函数考虑。初始条件为：假设假设杂质不蒸发，硅片厚度远大于杂质要扩散的深度。则边界条件为：在上面的初始条件和边界条件下，求解扩散方程，得到有限表面源扩散的杂质分布情况：式中，exp(-x2/4Dt)为高斯函数。杂质分布形式杂质分布形式有限表面源扩散的主要特点扩散温度相同时，扩散时间越长，杂质扩扩散温度相同时，扩散时间越长，杂质扩散的越深，表面浓度越低。散的越深，表面浓度越低。扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散的越深，表面浓度下降越多。散的越深，表面浓度下降越多。温度相同时，杂质的分布情况随扩散时间的变化如图所示，有限表面源扩散在整个扩散过程中杂质数量保持不变，各条分析曲线下面所包围的面积相等。有限源扩散的表面杂质浓度是可以控制的，有限源扩散的表面杂质浓度是可以控制的，任意时刻t的表面浓度：杂质分布为：结深结深 如果衬底中原有杂质与扩散的杂质具有不同的导电类型，则在两种杂质浓度相等处形成p-n结，结深可由下式求出：则结深为 A与比值Cs/CB有关，但因为杂质浓度Cs(t)随时间变化，所以A也随时间变也随时间变化，这与恒定源扩散情况（化，这与恒定源扩散情况（A是常数）不同。是常数）不同。对于有限源扩散来说，扩散时间较短时，结深对于有限源扩散来说，扩散时间较短时，结深xj将随将随(Dt)1/2的增加而增加。的增加而增加。在杂质分布形式相同的情况下，在杂质分布形式相同的情况下，CB越大，结深越浅。越大，结深越浅。杂质浓度梯度杂质浓度梯度任意位置x处的杂质浓度梯度在p-n结处的杂质梯度为杂质浓度梯度将随扩散结深的增加而减小。杂质浓度梯度将随扩散结深的增加而减小。3、两步扩散两步扩散 实际的扩散温度一般为900-1200，在这个温度范围内，杂质在硅中的固溶度随温度变化不大，采用恒定表面源扩散很难通过改变温度来控制表面浓度，而且很难得到恒定表面源扩散很难通过改变温度来控制表面浓度，而且很难得到低表面浓度的杂质分布形式。低表面浓度的杂质分布形式。两步扩散：采用两种扩散结合的方式。第一步称为预扩散或者预淀积：第一步称为预扩散或者预淀积：在较低温度较低温度下，采用恒定表面源扩散方式。在硅片表面扩散一层数量一定，按余误差函数形式分布的杂质。由于温度较低，且时间较短，杂质扩散的很浅，可认为杂质是均匀分布在一薄层内，目的足为了控制扩散杂质的数量。第二步称为主扩散或者再分布：第二步称为主扩散或者再分布：将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在较较高温度下高温度下进行扩散。扩散的同时也往往进行氧化同时也往往进行氧化。主扩散的目的是为了控制控制表面浓度和扩散深度表面浓度和扩散深度。两步扩散后的杂质最终分布形式：两步扩散后的杂质最终分布形式：当D预t预D主t主时，预扩散起决定作用，杂质基本为余误差分布；当D预t预 Rp一侧有较多的离子分布（重，散射角小）与注入离子与靶原子的相对质量有关 尽管如此，实践中通常仍利用理想高高斯分布斯分布来快速估算估算注入离子在非晶靶以及单晶靶材料中的分布。一级近似得到的高斯分布，在峰值附近与实际分布符合较好，距峰值较远时有一定偏离。在能量一定的情况下，轻离子比重离子的射程要深。B，P，As在无定型硅和热氧化SiO2中的投影射程和能量的关系2、横向分布横向效应：横向效应：注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况。离子束沿x方向入射，注入离子的空间分布函数注入离子的空间分布函数f(x,y,z)：其中Y和Z分别为在Y方向和Z方向上的标准偏差。Y=Z=R，R为横向离散。在掩膜边缘在掩膜边缘(即-a和+a处)的浓的浓度是窗口中心处浓度的度是窗口中心处浓度的50。而距离大于+a和小于-a各处的浓度按余误差余误差下降。通过一狭窄掩膜窗口注入的离子，掩膜窗口的宽度为2a，原点选在窗口的中心，y和z方向如图所示。在数学中，误差函数（也称之为高斯误差函数）是一个非基本函数（即不是初等函数），其在概率论、统其在概率论、统计学以及偏微分方程中都有广泛的应用计学以及偏微分方程中都有广泛的应用。自变量为自变量为x的误差函数定义为：的误差函数定义为：误差函数误差函数余误差函数余误差函数erfc(x)定义为：定义为：(a)杂质B、P通过l宽掩膜窗口注入到硅靶中的等浓度曲线 (b)杂质P以不同能量注入硅靶中的等浓度曲线横向效应与注入离子的种类注入离子的种类和入射离子的能量入射离子的能量有关3、沟道效应沟道效应：沟道效应：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶面平行平行时，将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动离子将沿沟道运动，注入深度很深。由于沟道效应，使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾拖尾。为了避免沟道效应，可使晶体的主轴方向偏离注入方向晶体的主轴方向偏离注入方向，使之呈现无定形状态，会发生大量碰撞。偏离的典型值为7。部分沟道效应，在两次碰撞之间有沟道效应存在。部分沟道效应，在两次碰撞之间有沟道效应存在。4、浅结的形成对于轻杂质，形成浅结非常困难。降低注入离子能量：注入离子能量几个降低注入离子能量：注入离子能量几个keV但是在低能情况下，沟道效应变得非常明显。增大偏离角度。在低能注入时，离子束的稳定性是一个问题，由于空间电荷效应，离子束发散。解决办法是采用宽束流，降低束流密度。预先非晶化：注预先非晶化：注B前，先以重离子高剂量注入，使前，先以重离子高剂量注入，使Si形成非晶表面层。形成非晶表面层。使沟道效应减小。完全非晶化层在退火后结晶质量好。5.3.3、注入损伤 离子注入技术的最大优点，就是可以精确地控制掺杂杂质的数量及深度可以精确地控制掺杂杂质的数量及深度。但是，在离子注入的过程中，衬底的晶体结构受到损伤是不可避免的。离子注入前后，衬底的晶体结构发生变化。离子注入前后，衬底的晶体结构发生变化。5.3.4、热退火 注入离子所造成的晶格损伤，对材料的电学性质电学性质将产生重要的影响。如载流子迁移率下降、少子的寿命减少载流子迁移率下降、少子的寿命减少等。另外，离子注入的掺杂机理与热扩散不同，在离子注入中，是把杂质离子强行射入晶体内，被射入的杂质原子大多数都存在于晶格间隙位置，被射入的杂质原子大多数都存在于晶格间隙位置，起不到施主或受主的作用起不到施主或受主的作用。所以，采用离子注入技术进行掺杂的硅片，必须消除晶格损伤消除晶格损伤，并使注入的杂质进入晶格位置以实现电激活注入的杂质进入晶格位置以实现电激活。热退火：热退火：在一定温度下，将注有杂质离子的硅片经过适当时间的热处理，使硅片中的损伤部分或绝大部分消除，少子寿命和迁移率得到恢复，掺入的杂质被激活，这样的处理过程称为热退火。1、硅材料的热退火特性 退火的温度和时间，退火方式等都要根据实际情况而定。低剂量所造成的损伤，一般在较低温度下退火就可以消除。热退火的重结晶过程热退火的重结晶过程2、硼的热退火特性电激活比例电激活比例:自由载流子数自由载流子数p和注入剂量和注入剂量Ns的比的比 对于低剂量的情况，随退火温度上升，电激活退火温度上升，电激活比例增大。比例增大。能量为150keV的硼离子以三个不同剂量注入硅中的等时退火特性对于高剂量情况，可以把退火温度分为三个区域：在区域区域I中，随退火温度上升退火温度上升，点缺陷的移动能力增强，因此间隙硼和硅原子与空位的复合几率增加，使点缺陷消失，替位硼的浓度上升，电激活比例增电激活比例增加加，自由载流子浓度增大。当退火温度在退火温度在500-600的范围内。点缺陷通过重新组合或结团，降低其能量。因为硼原子非常小，和缺陷团有很强的作用，很容易迁移或被结合到缺陷团中，处于非激活位置，因而出现随温度的升高而替位硼的浓度下降的现象，也就是自由载流子浓度自由载流子浓度随温度上升而下降随温度上升而下降的现象（逆退火特性）。在区域区域中，硼的替位浓度以接近于5eV的激活能随温度上升而增加，这个激活能与升温时Si自身空位的产生和移动的能量一致。产生的空位向间隙硼处运动，因而间隙硼就可以进入空位而处于替代位置，硼的电激活比例也随温度上升而增加。硼的电激活比例也随温度上升而增加。3、热退火过程中的扩散效应 注入离子在靶内的分布近似认为是高斯型的。但是热退火过程使高斯分布有明显的展宽，偏离了注入时的分布，尤其是尾部出现了较长的按指数衰减的拖尾。实际上，热退火温度比热扩散时的温度要低得多。在退火温度下，对于完美晶体中的杂质来说，扩散系数是很小的，甚至可以忽略。但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度下，杂质扩散效果也是非常显著的。这是因为离子注入所造成的晶格损伤离子注入所造成的晶格损伤：硅内的空位数比完美晶体中多得多 晶体内存在大量的间隙原子 其它各种缺陷使扩散系数增大，扩散效应增强使扩散系数增大，扩散效应增强。退火温度不同时注入杂质B分布（注入条件和退火时间相同）4、快速退火快速退火：快速退火：降低退火温度，或者缩短退火时间。快速退火技术：快速退火技术：脉冲激光、脉冲电子束与离子束、扫描电子束、连续波激光以及非相干宽带光源(卤灯、电弧灯、石墨加热器)等。特点：特点：瞬时使硅片的某个区域加热到所需要温度，退火时间短(10-3-102秒)。脉冲激光退火：脉冲激光退火：利用高能量密度的激光束辐射退火材料表面，引起被照区域的温度突然升高，达到退火效果。激光退火的主要特点：激光退火的主要特点：退火区域受热时间非常短，因而损伤区中杂质几乎不不扩散扩散；衬底材料中的少数载流子寿命及其他电学参数基本不受影响少数载流子寿命及其他电学参数基本不受影响。利用聚焦得到细微的激光束，可对样品进行局部选择退火局部选择退火，通过选择激光的波长和改变能量密度，可在深度上和表面上进行不同的退火过程在深度上和表面上进行不同的退火过程，因而可以在同一硅片上制造出不同结深或者不同击穿电压的器件。连续波激光退火：连续波激光退火：是固-固外延再结晶过程。使用的能量密度为1-100J/cm2，照射时间约100s。由于样品不发生溶化，而且时间又短，因此注入杂质的注入杂质的分布几乎不受任何影响分布几乎不受任何影响。电子束退火：电子束退火：退火机理与激光退火一样，只是用电子束照射损伤区，使损伤区在极短时间内升到较高温度，通过固相或液相外延过程，使非晶区转化为结晶区，达到退火目的。电子束退火的束斑均匀性比激光好束斑均匀性比激光好，能量转换率可达50左右，但电子束能在氧化层中产生中性缺陷产生中性缺陷。宽带非相干光源：宽带非相干光源：主要是卤灯和高频加热方式，是一种很有前途的退火技术，目前用得较多。其设备简单、生产效率高，没有光干涉效应，而又能保持快速退火技术的所有优点，退火时间一般为10-100秒。l注入离子是通过质量分析器选取，纯度高，能量单一，保证了掺杂纯度掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。l可以精确控制掺杂原子数目精确控制掺杂原子数目，注入剂量的范围较宽(1011-1017/cm2)，同一平面内的杂质均匀性和重复性可精确控制在1以内。（即使是高浓度扩散也只能控制在5-10%）l离子注入时，衬底一般是保持在室温或低于400，可选掩蔽膜很多，如光刻胶光刻胶、SiO2、SiN和Al等。而扩散必须是能耐高温的材料。l离子注入时的衬底温度低温度低，避免了高温扩散所引起的热缺陷。l离子注入深度离子注入深度通过控制离子束能量来控制，而掺杂浓度掺杂浓度的控制可通过控制注入离子剂量来实现。是两个独立控制过程两个独立控制过程。l由于离子注入的直进性，注入杂质是按掩膜的图形近于垂直入射，横向横向效应比热扩散小很多效应比热扩散小很多，这一特点有利于器件特征尺寸的缩小。离子注入的主要特点扩散扩散离子注入离子注入高温，硬掩膜低温，光刻胶掩膜各向同性的杂质分布各向异性的杂质分布不能够独立控制掺杂浓度和结深能够独立控制掺杂浓度和结深（离子束流和注入时间控制掺杂浓度；离子能量控制结深）批量化的工艺可批量，也可单片工艺离子注入与扩散的主要区别气体系统电控系统真空系统离子束线控制1、离子注入系统5.3.5、离子注入系统及工艺简介气体系统特殊的传送系统来操作危险气体；用氩气来净化系统及校准离子束。电控系统高压系统（离子能量，从而控制结深）；射频系统（一些离子源需要用射频电源来产生离子）。真空系统需要高真空来加速离子以及减少碰撞；真空度为10-5-10-7 torr；使用分子泵和低温泵；排空系统。离子束线控制离子源；提取电极；磁分析器；后加速器；等离子体溢注系统；底部分析器。离子束线控制离子束线控制离子源离子源热钨丝发射热电子；热电子与源气分子碰撞使之分解并离子化；离子被从源舱提取并加速进入离子束管线。射频离子源射频离子源微波离子源微波离子源离子束线控制离子束线控制提取电极提取电极 加速电极将提取离子的能量加速到50keV。磁分析器需要如此高的离子能量，来选择合适的离子样品。离子束线控制离子束线控制磁分析器磁分析器 磁场中的带电颗粒的回旋半径与与磁场和荷质比相关。只有合适的荷质比的离子才能通过狭缝。对注入离子束起到纯化纯化的作用。离子束线控制离子束线控制后加速器后加速器 增加离子能量使离子能够达到器件所需要的结深。具有高电压的电极。可调整的垂直快门来控制束流。后加速器后加速器离子束流控制离子束流控制离子束线控制离子束线控制等离子体溢注系统等离子体溢注系统 电荷中性化系统电荷中性化系统 注入离子使硅片带正电。导致硅片荷电效应。对带正电的离子排斥，导致离子束放大并使对带正电的离子排斥，导致离子束放大并使掺杂不一致。掺杂不一致。电弧放电在硅片上产生缺陷。电弧放电在硅片上产生缺陷。使栅氧化物击穿，降低产率。使栅氧化物击穿，降低产率。需要消除和最小化荷电效应。等离子体溢注系统将电子等离子体溢注系统将电子“溢注溢注”到离子束到离子束中，使硅片的电荷中性化。中，使硅片的电荷中性化。电子枪。电子簇射。荷电效应荷电效应等离子体溢注系统等离子体溢注系统电子枪电子枪离子束线控制离子束线控制 束阻止束阻止 底部分析器底部分析器束阻止束阻止 吸收离子束能量。离子束探测器测试束流，束能量和束形状。水冷金属盘带走热量并阻挡X射线辐射。底部分析器底部分析器 法拉第电荷探测器。用来校准束流，形状和分布。阱注入阱注入高能量（达到MeV），低束流（1013/cm2）。2、离子注入工艺应用VT调整的注入调整的注入低能量，低束流。轻掺杂漏极（轻掺杂漏极（LDD）低能量（达到10keV），低束流（1013/cm2）。源源/漏极离子注入漏极离子注入低能量（达到20keV），高束流（1015/cm2）。离子注入的前景离子注入的前景l随着科技的发展，特别是半导体向微型方向发展，离子注入技术将会得到更加广泛的应用。但是作为工艺，离子注入技术还有很有方面需要改进l诸如，退火技术还不够理想；l再者其存在对材料表面的损伤；l高浓度掺杂受限；l生产无法大批生产l这些都是需要改进的，今后的离子注入技术的发展将依赖于这些方面的提高。5.4 掺杂质量评价掺杂质量评价l5.4.1 扩散掺杂工艺质量评价l（1）掺杂的浓度浓度是否在规定的范围之内。一般扩散掺杂的精度在810。要是一个发射极扩散工艺的薄层电阻Rs范围是（151.5）/，那么，扩散后实测样片的薄层 电阻Rs阻值应在13.516.5/之间，超出这个范围就按超规范处理。l（2）掺杂浓度的片内均匀性和片间均匀性片内均匀性和片间均匀性。通常要求片内、片间均匀性不大于10.如果测得一个片子内部（上、中、下）3点的均匀性大于10，也按常规处理。l（3）表面质量表面质量。好的扩散掺杂后的硅片，表面应该是光亮的，层次着色是一致的。如果表面出现发花、划道、裂纹、碎片等异常现象，说明扩散掺杂是有问题的，是不符合质量要求的。5.4.2 离子注入掺杂工艺质量评价离子注入掺杂工艺质量评价l（1）掺杂的浓度是否在规定的范围之内。l（2）掺杂浓度的片内均匀性和片间均匀性。l（3）表面质量。l（4）是否有沟道效应。l（5）是否有沾污。5.5 实训实训 扩散工艺规程扩散工艺规程l5.5.1 准备工作准备工作l（1）检查冷却水是否到位，压力应在0.2Mpa以上。l（2）做好源柜系统的准备工作（检查氧气0.4Mpa、氮气0.3Mpa、压缩空气0.5Mpa是否达到标准），检查源瓶、管路是否有泄露。l（3）确认总电源开启。l（4）开启源恒温水浴槽（因为有的恒温槽可以在上电的时候自动开启，有的不能自动开启，所以打开总电源后要做检查，确保所有恒温槽的电源开启），设定温度应在20C，显示水温高于20C时，压缩指示灯亮，显示水温低于20C时，加热指示灯亮，当稳定于20C时，压缩指示灯亮并且加热指示灯按固定频率闪烁，有异常情况及时报告本工段负责人。l（4）按下控制柜下的“抽风”按钮，确认抽风系统工作正常。l（5）按下控制柜上的“上电开”按钮，控制柜上的工控机启动，待电脑启动正常后，打开大氮（流量为10L/min），按下“加热开”按钮，炉体开始加热，运行十三号工艺，检查气体流量是否正常，运行完工艺后的炉子既可以运行下一步的扩散工艺。l（6）按需求修改扩散工艺程序。l（7）确认扩散炉控制系统工作正常，程序符合现做工艺要求。l（8）确认投入作业的硅片、石英舟等符合工艺要求。5.5.2 操作过程操作过程l（1）在净化工作台上，用镊子将硅片装在石英舟上。l（2）退SiC桨至后限位。l（3）检查均流板、隔热板是否在规定的位置，位置变化的，报告工段长，及时调整到规定的位置。l（4）用舟叉将石英舟搬上SiC桨上的规定位置上。l（5）按触摸屏的“工艺运行”键,在弹出框中选择运行工艺号，输入操作员代号、产品批号、产品数量点击确认，开始进行扩散。l（6）检查：扩散工艺运行是否正常；气体流量是否正常；时间设定是否正确。l（7）扩散时间结束,报警提示。l（8）让片子在炉口冷却5min。l（9）用舟叉将石英舟移到净化台上，进一步冷却（待卸片）。l（10）继续进第二炉。按要求检查出炉片子的R是否合格，如R不合格，立即报告工段长（或工艺负责人），查清原因，根据具体情况调整工艺（工段长限于调整温度）继续作业。l（11）扩散 R检查合格，将片子卸下，装入专用的盛片盒内（注意扩散面朝下）。l（12）填写作业记录，流程卡（品名、批号、数量、日期、姓名等）。