半导体工艺掺杂原理与.ppt
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1、微电子工艺学Microelectronic Processing第四章掺杂原理与技术,张道礼 教授Email:Voice: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(doping profile)。,掺杂应用:MOSFET:阱、栅、源/漏、沟道等BJT:基极、发射极、集电极等,p well,4.1 掺杂,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,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)
2、、离子注入(ion implantation)、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(deep junction),如CMOS中的双阱(twin well);而离子注入可用于形成浅结(shaI
3、low 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,8,薄层电阻 RS(sheet resistance),方块电阻,t,l,w,薄层电阻定义为:,4.1 掺杂,方块时,lw,RRS。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
4、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,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
5、杂,As在硅中的固溶度:21021 cm-3As的电学可激活浓度:21020 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/cm3,4.1 掺杂,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
6、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(interstitial assisted kick-out)或推填式扩散(Interstitialcy-assited),4.2
7、扩散,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 振动频率010131014/s快扩散杂质,T:绝对温度,k:玻尔兹曼常数,4.2 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 4 eV跳跃几率为 慢扩散杂质,替位式扩散:B,P,As,Sb等,4.2 扩散,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v0,Ea 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
8、,称为本征掺杂。,D:cm2/sec,4.2 扩散,表观扩散系数:,D0(cm2/s)Ea(eV)B1.0 3.46In 1.2 3.50P4.70 3.68 As9.17 3.99Sb4.58 3.88,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
9、观机制:(diffusion from a macroscopic viewpoint),扩散动力学,4.2 扩散,费克第一定律,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,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,4.2 扩散,t 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,由,假定 D为常数,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
10、不随时间变化,有,如氧化剂在SiO2中的扩散,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,x0,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,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 e
11、rror function)”,4.2 扩散,erfc(x)=1-erf(x),余误差函数性质:,对于x1,对于x1,4.2 扩散,30,:称为特征扩散长度,1)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,2)扩散结深为xj,则,4.2 扩散,3)杂质浓度梯度,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。,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
12、本由杂质在扩散温度(9001200 C)下的固溶度决定,而固溶度随温度变化不大。,t1 t2 t3,t1t2t3,4.2 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:,边界条件:,得到高斯分布,Delta 函数,4.2 扩散,2)扩散结深,1)表面浓度Cs随时间而减少,3)浓度梯度,在pn结处,浓度梯度随着扩散深度(结深)增加而下降,A随
13、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。,t1 t2 t3,t1t2t3,CB,4.2 扩散,多步退火(推进)过程(Multiple drive-in process),4.2 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(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
14、在决定扩散总量时可以忽略。,二步扩散,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,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,4.2 扩散,因为,当 时,最后的杂质浓度分布为,4.2 扩散,余误差函数分布(erfc),表面浓度恒定杂质总量增加扩散深度增加,关键参数 Cs(表面浓度)xj(结深)Rs(薄层电阻),4.2 扩散,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。,费克定律
15、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,4.2 扩散,例题:CMOS中的p阱的形成。要求表面浓度Cs=41017 cm-3,结深xj=3 mm。已知衬底浓度为CB=11015 cm3。设计该工艺过程。,离子注入退火,4.2 扩散,假定推入退火获得的结深,则根据,该数值为推进扩散的“热预算”。,解:1)假设离子注入+推进退火,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=1.510-13 cm2/s,3)所需离子注入的杂质剂量,可以推算出,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.
16、2 扩散,4)假如采用950 C热扩散预淀积而非离子注入,预淀积时间为,此时,B的固溶度为2.51020/cm3,扩散系数D=4.210-15 cm2/s,该预淀积为余误差分布,则,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51020cm-3。引入方式有:固态源(
17、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:,P2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷,氯气被带走。,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ZnO-SiO2(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,Ficks Laws:O
18、nly valid for diffusion under special conditionsSimplification!,4.2 扩散,49,电场效应(Field effect)非本征扩散,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。,如果NA、NDni(扩散温度下)时,非本征扩散效应,4.2 扩散,所以,杂质流由两部分组成:,内建电场,以n型掺杂为例,,,4.2 扩散,由 并假定杂质全部离化,有,场助扩散方程:,其中h为扩散系数的电场增强因子:,当掺杂浓度远大于本征载流子浓度时,h 接近 2。,4.2
19、 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,扩散方程改写为:,箱型,4.2 扩散,、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。,4.2 扩散,55,非本征掺杂扩散系数比本征掺杂扩散系数高一个数量级!,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。,箱型,1000 C下,非本征扩散系数:,4.2 扩散,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
20、质可以通过空位和间隙两种方式扩散,氧化增强/抑制扩散(oxidation enhanced/retarded diffusion)OED/ORD,4.2 扩散,57,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,(12)Si2OI2VSiO22Istress,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+VSis,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
21、进效应(Emitter Push effect),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。AIAI,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置的同时,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。,Phosphorus,Boron,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2.41020 原子/cm3,D0=1 cm2/s Ea=3.46 eV,高浓度掺杂 如考虑场助效应 h 电场增强因子,4.2 扩散,2)磷,族
22、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51021 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。,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,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 21021-3,适宜于浅结,精确控制,4.2 扩散,气态相源扩散(gas source)液态源扩散
23、(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。,扩散掺杂工艺,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
24、硅原子发生反应,释放出杂质原子向硅中扩散。,舟,4.2 扩散,1)液态源硼扩散 源 硼酸三甲脂 B(CH3)O3 在500 oC 以上分解反应 B(CH3)O3 B2O3+CO2+H2O.2B2O3+3Si 3SiO2+4B 例:预淀积:950 oC 通源 1020 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 源 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
25、N2 和 O2 再分布:950 C O2,4.2 扩散,3、固态源扩散:(B2O3,P2O5,BN等),舟,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,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,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,和硅片相间均匀放置在舟上。不需载气,但以N2或Ar2保护。,4.
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