杂质掺杂在半导体中的应用.ppt

杂质掺杂 基本扩散工艺 扩散方程式 扩散分布 恒定表面浓度扩散 恒定杂质总量扩散 扩散层的计算 非本征扩散 与浓度有关的扩散 扩散分布－硅中的扩散 在砷化镓中的锌扩散 扩散相关工艺－横向扩散 氧化过程中杂质的再分布 注入离子的分布 离子分布 离子阻止 离子注入的沟道效应 离子进入的角度及通道 注入损伤与退火 退火 硼与磷的传统退火 快速热退火 注入相关工艺－多次注入及掩蔽 倾斜角度离子注入 高能量与大电流注入 使用多次离子注入的合成掺杂分布 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。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： 回忆式 在热氧化过程中，靠近硅表面的掺杂剂分布将会改变，这种再分布取决于几个因素。 一是两个固体接触在一起时，其中之一内的杂质会在此二者内重新分布达到平衡，此情形类似与融体生长晶体中的杂质再分布。在硅内的杂质平衡浓度对二氧化硅内杂质平衡浓度之比为分凝系数，定义为： 二是杂质可能会快速地扩散穿过二氧化硅，逸入周围空气中，如果在二氧化硅中杂质扩散速度很快，这个因素将会很重要。 三是二氧化硅不断增厚，故硅与二氧化硅间的边界将会随时间而深入硅中，此边界深入与杂质穿过氧化层扩散间的相对速率在决定再分布范围时很重要。 四种可能的再分布工艺列于下图。 分为二类 1.氧化层吸收杂质，k1 图（a）和（b） 2.氧化层排斥杂质，k1 图（c）和（d） 其结果是 1.吸收的发生表面杂质耗尽 2.排斥的发生表面杂质堆积 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~10um，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，后续的退化处理用来去除这些损伤。 中等电流离子注入机的示意图 一个离子在停止前所经过的总距离，称为射程R。此距离在入射轴方向上的投影称为投影射程Rp。投影射程的统计涨落称为投影偏差σp。沿着入射轴的垂直的方向上亦有一统计涨落，称为横向偏差σ┷。 下图显示了离子分布，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： 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。 回忆公式 对扩散，最大浓度为x＝0；对于离子注入，位于Rp处。在（x－Rp）＝ ±σp处，离子浓度比其峰值降低了40%。在±2σp处则将为10%。在±3σp处为1%。在±4σp处将为0.001%。 沿着垂直于入射轴的方向上，其分布亦为高斯分布，可用 表示。因为这种形式的分布也会参数某些横向注入。 是荷能离子进入半导体衬底后静止有两种机制。 一是离子能量传给衬底原子核，是入射离子偏转，也使原子核从格点移出。设E是离子位于其运动路径上某点x处的能量，定义核阻止本领： 二是入射离子与衬底原子的电子云相互作用，通过库仑作用，离子与电子碰撞失去能量，电子则被激发至高能级或脱离原子。定义电子组织本领： 离子能量随距离的平均损耗可由上述两种阻止机制的叠加而得： 如果一个离子在停下来之前，所经过的总距离为R，则 E0为初始离子能量，R为射程。 核阻止过程可以看成是一个入射离子硬球与衬底核硬球之间的弹性碰撞 M1转移给M2的能量为 电子阻止本领与入射离子的速度成正比： 其中系数ke是原子质量和原子序数的弱相关函数。硅的ke值为107(eV)1/2/cm。 砷化镓的ke值为3×107(eV)1/2/cm 硅中电子阻止本领如虚线所示，交叉能量点是Sn(E)=Se(E)。 一旦Sn(E)和Se(E)已知，可计算处射程范围。可以用下述近似方程式来求得投影射程与投影偏差： As、B和P在Si和SiO2中的投影射程 As、B和P在Si和SiO2中的投影偏差和横向偏差 H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs中的投影射程 H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs中的投影偏差和横向偏差 前述高斯分布的投影射程及投影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晶向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，可用“高斯分布函数”来表示，即使延伸到低于峰值一至两个数量级处也一样，这表示在下图中。然而即使只偏离111晶向7度，仍会有一个随距离而成指数级exp