半导体工艺 掺杂原理与技术

微电子工艺学MicroelectronicProcessing第四章掺杂原理与技术张道礼教授Email:[e-mail]:87542894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（dopingprofile）。掺杂应用：MOSFET：阱、栅、源/漏、沟道等BJT：基极、发射极、集电极等BECppn+n-p+p+n+n+BJTpwellNMOS4.1掺杂基本概念：结深xj（JunctionDepth）；薄层电阻Rs（SheetResistance）；杂质固溶度（Solubility)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（ionimplantation）、合金、中子嬗变。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(deepjunction)，如CMOS中的双阱(twinwell)；而离子注入可用于形成浅结(shaIlowjunction)，如MOSFET中的漏极与源极．4.1掺杂4.1掺杂杂质分布形状（dopingprofile）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8薄层电阻RS（sheetresistance）方块电阻wtlRtljSxRRw薄层电阻定义为：jSxR4.1掺杂wlRwlxwxlAlRSjj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RS：表面为正方形的半导体薄层，在电流方向呈现的电阻。单位为/RS：正方形边长无关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：Q：从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量qn11qnQqNxqxxRjjjS1114.1掺杂杂质固溶度（dopantsolidsolubility）固溶度（solidsolubility）：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1021cm-3As的电学可激活浓度:21020cm-34.1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1021atoms/cm3，最低1013atoms/cm34.1掺杂晶片器件作用杂质硅双极型晶体管及其IC隐埋区Sb,As隔离区B,Al基区B,P发射区P,As,P-As,B电阻B:P开关管及高速IC提高开关速度Au,PtMOS晶体管及其IC源、漏、沟道、阱B:P,As砷化镓MISIC，结型场效应晶体管及其IC半绝缘区H,O,Cr源、漏Zn,Be:S,Si,Sn锗pnp管集电区、发射区In-Ga,Al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）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4.2扩散填隙式（interstitialassistedkick-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EiEi约为0.61.2eV跳跃几率和温度有关振动频率0＝1013～1014/s快扩散杂质T：绝对温度，k：玻尔兹曼常数kTEvPiiexp04.2扩散在温度T，单位晶体体积中的空位数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4eV跳跃几率为慢扩散杂质kTENNvacvexpkTEEvkTEvkTEPsvacsvacvexpexpexp00替位式扩散：B,P,As,Sb等4.2扩散)exp(0kTEDDaiEa：本征扩散激活能，D0和温度弱相关，而主要取决于晶格几何尺寸和振动频率v0Ea小，间隙扩散Ea大，替位扩散本征扩散系数：当NA、NDni（在一定温度下）时，称为本征掺杂。D：cm2/sec020aD4.2扩散表观扩散系数：D0(cm2/s)Ea(eV)B1.03.46In1.23.50P4.703.68As9.173.99Sb4.583.88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As的优势：小D，大固溶度4.2扩散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．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。扩散的宏观机制：(diffusionfromamacroscopicviewpoint)扩散动力学4.2扩散费克第一定律xtxCDtxF,,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）浓度深度xCDFt1t24.2扩散扩散方程费克第二定律—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AxAtxCttxC,,tAtxFtxxFtAtxxFtxF,,,,tAtxFtxxFxAtxCttxC,,,,4.2扩散Δt时间内该小体积内的杂质数目变化为这个过程中由于扩散进出该小体积的杂质原子数为费克第二定律22,,xtxCDttxCxtxCDtxF,,由假定D为常数xtxCDxxtxFttxC,,,扩散方程xtxFttxC),(),(4.2扩散特定边界条件下，扩散方程的解1、稳态时，浓度不随时间变化有xCI=0C*CsCgSiO2Si如氧化剂在SiO2中的扩散022xCDtCbxaC4.2扩散2、恒定表面源扩散(constant-surface-concentration)：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边界条件：C(x,0)=0,x0，C(0,t)=Cs，C(,t)=0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。解方程，得恒定扩散方程的表达式DtxCtxCs2erfc,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(complementaryerrorfunction)”4.2扩散erfc(x)=1-erf(x)余误差函数性质：xx2)(erf对于x1xxx2exp1erf对于x100erf1erfxduux02-exp2erf2exp2erfxdxxd222exp4erfxxdxxdxdu-uxx2exp2erf1erfc01)(erfcdxx4.2扩散30：称为特征扩散长度Dt1）掺杂总量为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DtACCDtxsBj1erfc22）扩散结深为xj，则DtxCCjsB2erfc022erfcDtCdxDtxCQss4.2扩散3）杂质浓度梯度DtxDtCxtxCs4exp,2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CB和Cs一定时，xj越深，结处的梯度越小。sBsBjsxCCCCxCxtxCj121erfcerfcexp2,4.2扩散32余误差函数分布预淀积扩散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。t1t2t3t1t2t3CB4.2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：00,xC边界条件：0,tC0,TQdxtxC得到高斯分布DtxDtQtxCT4exp,2hxsCxC0,hxCsDelta函数4.2扩散DtADtCQDtCCDtxBTBsjln2ln22）扩散结深1）表面浓度Cs随时间而减少DtQtCCTS,03）浓度梯度txCDtxxtxC,2,在p－n结处BsjBxCCxCxtxCjln2,浓度梯度随着扩散深度（结深）增加而下降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扩散高斯函数分布推进(drive-in)退火扩散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。t1t2t3t1t2t3CB4.2扩散多步退火（推进）过程（Multipledrive-inprocess）预淀积控制剂量恒定剂量推进退火nefftttDDt...21......1221112211DDtDtDtDtDDteff4.2扩散当扩散系数相同时，当扩散系数不同时，(Dt)eff用来衡量扩散过程的热过程（thermalbudget）由于扩