超大规模集成电路技术基础67.ppt

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1、6.2 非本征扩散非本征扩散 在扩散温度下，掺杂浓度在扩散温度下，掺杂浓度n(T)（掺入物质浓度与衬底浓度叠加）小于（掺入物质浓度与衬底浓度叠加）小于本征载流子浓度本征载流子浓度 时，半导体依然属于时，半导体依然属于本征型本征型，扩散为，扩散为。P型和型和N型杂质相继扩散或同时扩散可线性叠加并独立处理。型杂质相继扩散或同时扩散可线性叠加并独立处理。扩散系数与掺杂浓度无关。扩散系数与掺杂浓度无关。在扩散温度下，掺杂浓度在扩散温度下，掺杂浓度n(T)（掺入物质浓度与衬底浓度叠加）超过（掺入物质浓度与衬底浓度叠加）超过本征载流子浓度本征载流子浓度 时，半导体变成了时，半导体变成了非本征型非本征型，扩

2、散为，扩散为。P型和型和N型杂质相继扩散或同时扩散之间相互作用并产生协同效应。型杂质相继扩散或同时扩散之间相互作用并产生协同效应。扩散系数与掺杂浓度相关。扩散系数与掺杂浓度相关。()in T()in T图图6-5 本征与非本征扩散本征与非本征扩散6.2.1 浓度相关的扩散系数（以浓度相关的扩散系数（以下的下的为例）为例）（1）：单位体积内的空位数目。：单位体积内的空位数目。式中式中 为为本征空位密度本征空位密度，和和 分别是分别是费米能级费米能级和和本征费米能级本征费米能级。【实验结论】【实验结论】扩散系数正比于空位密度。扩散系数正比于空位密度。【分析】【分析】当当 时，时，与掺杂浓度无关，故

3、扩散与掺杂浓度无关，故扩散 系数与掺杂浓度无关。系数与掺杂浓度无关。当当 时，时，（施主型），（施主型），而与掺杂浓度有关，而与掺杂浓度有关，故扩散系数与故扩散系数与 掺杂浓度相关。掺杂浓度相关。innViCCViCCFiEEVCiCFEexp()FiViEECCkTiEinnFiEE（2）扩散系数与扩散浓度的关系）扩散系数与扩散浓度的关系n 扩散系数的分布形式扩散系数的分布形式 ,（6-15）式中式中 和和 分别是分别是表面浓度表面浓度和和表面处的扩散系数表面处的扩散系数，是是相关性参数相关性参数。将式（将式（6-15）代入扩散方程（）代入扩散方程（6-2），可求得掺杂浓度分布的数值解。），

4、可求得掺杂浓度分布的数值解。n 掺杂浓度分布的数值解分析掺杂浓度分布的数值解分析(/)SSDD C C0SCSD图图6-6 掺杂浓度分布掺杂浓度分布 （恒定表面浓度扩散）（恒定表面浓度扩散）：增大导致浓度增大导致浓度 的突变结分布的突变结分布正常的余误正常的余误差函数分布差函数分布 0 ：浓度出现：浓度出现凹陷状分布凹陷状分布1.1jSxD t结深：(2)6.2.2 扩散分布扩散分布（1）硅中的扩散）硅中的扩散n B和和As在硅中的扩散：在硅中的扩散：突变结分布突变结分布n Au和和Pt在硅中的扩散：在硅中的扩散：凹陷状分布凹陷状分布n P在硅中的扩散：拖尾分布使扩散系数远大于本征扩散系数。在

5、硅中的扩散：拖尾分布使扩散系数远大于本征扩散系数。图图6-7 磷在硅中的扩散分布磷在硅中的扩散分布122高表面浓度时的突变结分布：高表面浓度时的突变结分布：杂质与空位相互耦合产生杂质与空位相互耦合产生离解，形成快扩散拖尾分离解，形成快扩散拖尾分布（布（）低表面浓度时的低表面浓度时的余误差分布余误差分布0.11CFEEeV（2）锌在）锌在GaAs中的扩散：中的扩散：突变结分布突变结分布【注意】【注意】由于由于 ，因此在较低，因此在较低 时，扩散仍处于非本征区。时，扩散仍处于非本征区。图图6-8 锌在锌在GaAs中的扩散分布中的扩散分布SC/GaAsSi Geiinn2SC1.1jSxD tjx2

6、DC结深结深 线性正比线性正比于表面浓度于表面浓度 6.3 横向扩散横向扩散二维扩散方程：二维扩散方程：（正常）和（正常）和（侧面）（侧面）（1）扩散系数与浓度无关时）扩散系数与浓度无关时 恒定表面浓度扩散（参见右图）恒定表面浓度扩散（参见右图）恒定杂质总量扩散：恒定杂质总量扩散：（2）扩散系数与浓度相关时）扩散系数与浓度相关时图图6-9 横向扩散影响横向扩散影响横向扩散深度=垂直扩散深度（65%70%）横向扩散深度=垂直扩散深度 80%75横向扩散深度=垂直扩散深度%第第7章章 离子注入离子注入7.1 注入离子的种类范围（离子注入原理）注入离子的种类范围（离子注入原理）（1）基本概念）基本概

7、念 利用高能离子束（能量：利用高能离子束（能量：）将掺杂剂离子（剂）将掺杂剂离子（剂量：量：）注入半导体（深度：）注入半导体（深度：）的）的杂质掺入工艺杂质掺入工艺S 注入半导体表面注入半导体表面 1 面积内的离子数量面积内的离子数量 离子从进入半导体到停止所经历的总行程离子从进入半导体到停止所经历的总行程 射程在入射轴上的投影射程在入射轴上的投影 和和 ：在投影射程方向的统计涨落：在投影射程方向的统计涨落 ：在入射轴垂直方向上的统计涨落（小于热扩散中的横向扩散）：在入射轴垂直方向上的统计涨落（小于热扩散中的横向扩散）p1218210 10离 子 数/cmp2cm10 10nmm1 1keVM

8、eV（2）基本的离子注入机）基本的离子注入机图图7-1 离子注入机离子注入机离子分离器离子分离器 弧光室弧光室7.1.1 离子分布（衬底为多晶硅或非晶硅）离子分布（衬底为多晶硅或非晶硅）（1）沿入射轴分布的）沿入射轴分布的n(x)类似恒定杂质总量扩散的浓度高斯分布式（类似恒定杂质总量扩散的浓度高斯分布式（6-13），以），以 4Dt 并令坐标平移：并令坐标平移：，（，（7-1）（2）沿入射轴垂直方向）沿入射轴垂直方向 y 分布的分布的n(y)类似的，有高斯分布：类似的，有高斯分布：，（，（7-2）22()exp2yn y22()()exp22pppxRSn x22p图图7-2 射程及其投影射程

9、及其投影图图7-3 注入离子的二维分布注入离子的二维分布7.1.2 离子中止（注入离子进入靶后静止）离子中止（注入离子进入靶后静止）（1）核中止机制）核中止机制 注入离子将能量转移给靶原子核，导致靶格点移位，同时入射注入离子将能量转移给靶原子核，导致靶格点移位，同时入射离子发生偏移。离子发生偏移。：核中止过程的表征物理量：核中止过程的表征物理量 ，（，（7-3）若质量为若质量为 的入射离子初始能量为的入射离子初始能量为 ，靶核质量为，靶核质量为 ，则，则低能注入粒子的能量损失低能注入粒子的能量损失 ，与入射离子能量呈，与入射离子能量呈线性关系。线性关系。高能注入离子来不及与靶原子有效交换能量，

10、注入离子的能量高能注入离子来不及与靶原子有效交换能量，注入离子的能量损失随入射离子能量增大而减小，导致损失随入射离子能量增大而减小，导致 变小。变小。()nSE1202124M MEEMM2M0E()nSE()ndESEdx1M（2）电子中止机制）电子中止机制 注入离子将能量转移给靶原子的核外电子，导致核外电子被激发注入离子将能量转移给靶原子的核外电子，导致核外电子被激发或电离，入射离子几乎不发生偏移。或电离，入射离子几乎不发生偏移。：电子中止过程的表征物理量：电子中止过程的表征物理量 ,（7-4）式中式中E为为入射离子能量入射离子能量，为为弱相关系数弱相关系数（与原子质量和原子序数相关）（与

11、原子质量和原子序数相关）ek()eS E()eedES EkEdx（3）注入离子的描述物理量）注入离子的描述物理量：，（，（7-5）：，（，（7-6）：，（，（7-7）：，（，（7-8）211(/3)PRRMM()()nedESES Edx000()()REnedERdxSES E121223pPM MRMM（4）结果与分析（）结果与分析（注入离子能量范围注入离子能量范围 ）：电子中止机制消耗能量。：电子中止机制消耗能量。：核中止机制消耗能量。：核中止机制消耗能量。：当：当 时，核中止机制消耗能量；时，核中止机制消耗能量；当当 时，电子中止机制消耗能量。时，电子中止机制消耗能量。图图7-4 硅

12、对砷、磷和硼离子的中止能力硅对砷、磷和硼离子的中止能力0130EkeV0130EkeV11keVMkeVn 射程与能量损失关系：能量损失越大则射程越小（如射程与能量损失关系：能量损失越大则射程越小（如As）n 、和和 与入射离子能量关系：随入射离子能量增大与入射离子能量关系：随入射离子能量增大n 同一入射离子的同一入射离子的 和和 关系：差别不超过关系：差别不超过 20%图图7-5 (a)B、P和和As在在Si中中 (b)H、Zn和和Te在在GaAs中中pRpp7.1.3 离子沟道效应离子沟道效应（1）离子沟道效应）离子沟道效应 当注入离子的运动方向与衬底晶向平行时，入射离子几乎不与晶当注入离

13、子的运动方向与衬底晶向平行时，入射离子几乎不与晶格原子碰撞而只能靠电子中止，导致射程增大，结果使掺杂浓度在尾格原子碰撞而只能靠电子中止，导致射程增大，结果使掺杂浓度在尾区偏离高斯分布，出现具有指数形式分布的区偏离高斯分布，出现具有指数形式分布的。图图7-6 离子沟道效应离子沟道效应（2）减小沟道效应的方法）减小沟道效应的方法：薄膜非晶层薄膜非晶层：晶片倾斜：晶片倾斜 （典型值典型值 ）：注入形成预损区注入形成预损区 图图7-7 减小沟道效应减小沟道效应072SiO005 107.2 注入损伤和退火注入损伤和退火7.2.1 注入损伤（晶格移位）注入损伤（晶格移位）（1）核中止机制将造成晶体原子移

14、位，这些高能量移位原子依次引核中止机制将造成晶体原子移位，这些高能量移位原子依次引起邻近原子的级联式二次移位，结果沿离子入射路径形成树枝状的注起邻近原子的级联式二次移位，结果沿离子入射路径形成树枝状的注入损伤入损伤 无序区。无序区。（2）（受损区发生在入射离子终端附近）（受损区发生在入射离子终端附近）注入离子在能量减至核中止机制起作用时才形成损伤，受损区形注入离子在能量减至核中止机制起作用时才形成损伤，受损区形成非晶层所需注入剂量非常大。成非晶层所需注入剂量非常大。（3）注入离子主要通过核中止机制起作用，在整个射程内引起晶体损注入离子主要通过核中止机制起作用，在整个射程内引起晶体损伤，形成无序簇而变为非晶体。伤，形成无序簇而变为非晶体。图图7-8 注入损伤注入损伤