《扩散与离子注入》PPT课件.ppt

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1、1第十七章扩散和离子注入17.1引言本章主要内容:扩散工艺和离子注入工艺扩散和离子注入工艺的应用扩散和离子注入设备本章知识要点:掌握掺杂的目的和应用;掌握扩散和离子注入的原理及其应用;掌握退火效应和沟道效应了解离子注入设备。23掺杂原因:本征硅导电能力很差。在硅中加入一定数量和种类的杂质,改变其电学性质,并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。17.1引言半导体常用杂质417.1引言5扩散:是将一定数量和一定种类的杂质通过高温扩散掺入到硅或其它晶体中,以改变晶体的电学性质,并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求的过程。离子注入:是在高真空的复杂系统中,产生电离杂质并形成高能量的离子

2、束,入射到硅片靶中进行掺杂的过程。OxideOxidePSiliconsubstrateDiffusedregionNDopantgas束扫描MaskMaskSiliconsubstratexj离子注入机17.1引言掺杂方式扩散:掺杂总量及浓度分布受扩散时间和温度影响;形成特征尺寸较大;扩散温度较高,需氧化物或氮化物作为掩膜。离子注入:杂质总量及浓度分布受注入剂量、能量和推结时间及温度决定。适于小特征尺寸的芯片。注入温度较低,常用光刻胶作为掩膜。617.1引言具有掺杂区的CMOS结构717.1引言817.1引言亚微米CMOSIC制造厂典型的硅片流程模型测试/拣选t注入扩散刻蚀抛光光

3、刻完成的硅片无图形的硅片硅片起始薄膜硅片制造前端917.1引言17.2扩散10扩散原理固溶度扩散机构扩散方式扩散工艺扩散效应17.2扩散1117.2.1扩散原理扩散:粒子从浓度较高的地方向着浓度较低的地方移动,从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀;浓度的差别越大,扩散越快;温度越高,扩散也越快。目的:在硅中加入一定数量和种类的杂质,改变其电学性质。扩散方式:气态;液态;固态121100℃硅中的固溶度固溶度:在一定温度下,衬底能够吸收杂质浓度的上限。17.2.2固溶度13在间隙位置被转移的硅原子SiSiSiSiSiSiSiSiSic)机械的间隙转移SiSiSiSiSiSiSiSiSi

4、a)硅晶格结构b)替位扩散SiSiSiSiSiSiSiSiVacancyDopantd)间隙扩散SiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙式杂质(杂质原子半径较小)1417.2.3杂质扩散机构杂质原子在半导体中扩散的方式有两种:间隙式扩散:间隙式杂质原子在晶格的间隙位置间运动。替位式扩散:替位式杂质原子依靠周围空的格点(即空位)来进行扩散。如对硅而言,Au、Ag、Cu、Fe、Ni等半径较小的杂质原子按间隙式扩散;P、As、Sb、B、Al、Ga、In等半径较大的杂质原子按替位式扩散。1517.2.3杂质扩散机构16间隙式扩散:必须要越过一个高度为Ei为0.6~1.2eV的势垒越过势垒的

5、几率:扩散系数:17.2.3杂质扩散机构17替位式扩散:只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位(势垒高度Ev),同时还需大于势垒高度Es的能量,替位杂质才能运动到近邻空位上。越过势垒的几率:扩散系数:由于(Ev+Es)比Ei大(其差值远大于kT),因而替位杂质扩散远比间隙杂质的扩散慢17.2.3杂质扩散机构1817.2.3杂质扩散机构扩散系数与温度有关D0:扩散率△E:扩散工艺激活能k0:玻耳兹曼常数T:绝对温度。扩散过程中,杂质不断进入硅中,而表面杂质浓度保持不变表面杂质浓度由该杂质在此温度下的固溶度决定:边界条件1:N(0,t)=Ns假定杂质在硅片内扩散的深度远小于硅片的厚度:边界

6、条件2:N(∞,t)=0在扩散开始时,硅片内没有杂质扩进,初始条件为:N(x,0)=0x>0一、恒定表面浓度的扩散17.2.4杂质扩散方式19x是由表面算起的垂直距离(cm),t代表扩散时间(s)恒定表面源扩散,杂质为余误差分布2017.2.4杂质扩散方式在一定扩散温度下,表面杂质浓度Ns为由扩散温度下的固溶度决定。扩散时间越长,扩散温度越高,扩散进硅片内的杂质数量就越多。对单位面积的半导体而言,在t时间内扩散到体内的杂质总量可求出:恒定表面源扩散的主要特点:扩散时间越长,温度越高,扩散深度越大。结深的位置由N(xj,t)=NB和上面公式可得:2117.2.4杂质扩散方式扩散

7、开始时,半导体表面杂质源总量一定,此种扩散称为有限源扩散。假定扩散开始时硅表面单位面积的杂质总量为Q,且均匀地在一极薄的一层内(厚度h),杂质在硅片内要扩散的深度远大于h。初始条件和边界条件为:N(x,0)=0,x>hN(x,0)=Ns=Q/h,0

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