现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学杂质掺杂30(免费阅读).ppt

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 穿越深度d的剂量的百分比可由穿透系数T求得： 一旦得到了T，对任一恒定的Rp和σp来说，都可以求得掩蔽层厚度d，对 SiO2、Si3N4与抗蚀剂来说，要阻挡99.99%的入射离子（T＝10-4）所需的 d值如下图所示。图中内插图显示了在掩蔽材料内的注入物的分布。 倾斜角度离子注入 当器件缩小到亚微米尺寸时，将杂质分布垂直方向也缩写是很重要的。现代器件结构如轻掺杂漏极（LDD），需要在纵向和横向上精确控制杂质分布。 垂直于表面的离子速度决定注入分布的投影射程。如果硅晶片相对于离子束倾斜了一个很大的角度，则等效离子能量将大为减少。 在倾斜角度离子注入时，需考虑硅晶片上掩蔽图案的阴影效应。较小的倾斜角度导致一个小阴影区。如高为0.5um的掩蔽层，离子束的入射角为7度，将导致一个61nm的阴影区。可能是器件产生一个预想不到的串联电阻。 60keV砷入射到硅中，相对浓度分布为离子束倾斜角度的函数，内插图所示是倾斜角度离子注入的阴影区 0 10 20 30 40 50 60 70 80 离子束 掩蔽层 掩蔽层 衬底 阴影区 θ 60keV As→Si 深度nm 相对浓度 高能量与大电流注入 注入机能量可高达1.5-5MeV，且已用作多种新型用途。主要利用其能将杂质掺入半导体内深达好几个微米的能力而不需要借助高温下长时间的扩散。也可用于制作低电阻埋层。例如，CMOS器件中距离表面深达1.5到3um的埋层。 大电流注入机（10-20mA）工作在25-30keV范围下，通常用于扩散技术中的预置处理。因为其总量能够精确控制。在预置后，掺杂剂可以用高温扩散步骤再分布，同时顺便将表面区的注入损伤修补。另一用途就是MOS器件的阈值电压调整，精确控制的杂质量经栅极氧化层注入沟道区。 目前，已有能量范围介于150-200keV的大电流离子注入。主要用途是制作高品质硅层，通过向硅层中注入氧来生成二氧化硅从而使该硅层与衬底绝缘。这种氧注入隔离（SIMOX）是一种绝缘层上硅（SOI）的关键技术。 Thanks for listening 氧化过程中杂质的再分布 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 注入离子的分布 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 离子分布 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