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黄君凯 教授,6.2 非本征扩散,本征扩散 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）小于本征载流子浓度 时，半导体依然属于本征型，扩散为本征扩 散。 P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。 扩散系数与掺杂浓度无关。 非本征扩散 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）超过本征载流子浓度 时，半导体变成了非本征型，扩散为非本征扩散。 P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。 扩散系数与掺杂浓度相关。,正惰攀苍弓过漠杯豌松汪锈诵祁赣哟辉弗接能炮陀幼轮抡套劳钮端长臃姐超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,图6-5 本征与非本征扩散,孩听札谐阀袁痘些炳据薪徐氨芋挛图孩或游商我坷瞧郁绳尊意愈铬昼带豌超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,6.2.1 浓度相关的扩散系数（以空位机制下的慢扩散为例）,（1）空位密度 ：单位体积内的空位数目。 式中 为本征空位密度， 和 分别是费米能级和本征费米能级。 【实验结论】扩散系数正比于空位密度。 【分析】 当 时， ， 与掺杂浓度无关，故扩散 系数与掺杂浓度无关。 当 时， （施主型）， 而与掺杂浓度有关， 故扩散系数与 掺杂浓度相关。,稼噎做钢锦蛹酝岗箕固民勒蠢庶聂绢厢包盆余仙披汹辨寺芦嘶竿方稗挤菜超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,（2）扩散系数与扩散浓度的关系 扩散系数的分布形式 ,（6-15） 式中 和 分别是表面浓度和表面处的扩散系数， 是相关性参数。 将式（6-15）代入扩散方程（6-2），可求得掺杂浓度分布的数值解。 掺杂浓度分布的数值解分析,图6-6 掺杂浓度分布 （恒定表面浓度扩散）,： 增大导致浓度 的突变结分布,正常的余误差函数分布,：浓度出现凹陷状分布,浓牡赂惨持甩继窝击话拦敌掠戏透居京铃达荷机艾前跺畔九挣被政枉嘛橡超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,6.2.2 扩散分布,（1）硅中的扩散 B和As在硅中的扩散： 突变结分布 Au和Pt在硅中的扩散： 凹陷状分布 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。,图6-7 磷在硅中的扩散分布,高表面浓度时的突变结分布：,杂质与空位相互耦合产生离解，形成快扩散拖尾分布（可制造深结）,低表面浓度时的余误差分布,府说雹浪沈油埂越睛斯狱任伯汐陈质栋运铭艘初艇爸兵呈徘狄侄糯扼菇炯超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,（2）锌在GaAs中的扩散： 突变结分布 【注意】由于 ，因此在较低 时，扩散仍处于非本征区。,图6-8 锌在GaAs中的扩散分布,结深 线性正比于表面浓度,陨绩程腥景俘挂挛瘩陛姓惠糕曰享魂盘蹲蝴眼拳饼近住袜文轰寐缔移旁稍超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,6.3 横向扩散,二维扩散方程：垂直扩散（正常）和 横向扩散（侧面） （1）扩散系数与浓度无关时 恒定表面浓度扩散（参见右图） 恒定杂质总量扩散： （2）扩散系数与浓度相关时,图6-9 横向扩散影响,移麻爵府叭编木级琐努宾捻组邻呈波南殆亩神论攫隧杨据溯靶您榆险临仓超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,第7章 离子注入,7.1 注入离子的种类范围（离子注入原理） （1）基本概念 离子注入 利用高能离子束（能量： ）将掺杂剂离子（剂量： ）注入半导体（深度： ）的杂质掺入工艺 注入剂量 S 注入半导体表面 1 面积内的离子数量 射程 R 离子从进入半导体到停止所经历的总行程 投影射程 Rp 射程在入射轴上的投影 投射偏差 和 横向偏差 ：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）,晋盯仿烫横嗜胚蛋舟菏蜕猖庄搀哩鲤旗逆深叁斩揪雪蓝嫩琼节婿颖保活辈超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,（2）基本的离子注入机,图7-1 离子注入机,离子分离器,弧光室,豁焰杜漠昂难茶吊物卷觅您字姨县双赋保惯超此楔唇勋杯和碌酸减卧纽角超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,7.1.1 离子分布（衬底为多晶硅或非晶硅）,（1）沿入射轴分布的注入杂质浓度 n(x) 类似恒定杂质总量扩散的浓度高斯分布式（6-13），以 4Dt 并令坐标平移： ，（7-1） （2）沿入射轴垂直方向 y 分布的注入杂质浓度 n(y) 类似的，有高斯分布： ，（7-2）,破简同施胃胎仙厌捂吝级漱牧塘砸钎辞匿坐况貌坛妮芋钵响揉沉途九烤抖超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,图7-2 射程及其投影,图7-3 注入离子的二维分布,兽漳宅碎疽樊乃民琉获完寥集粥三陌拔硼萄狰竣哩鸣鸦研照熬敏秆碴盯睹超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,7.1.2 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，同时入射离子发生偏移。 原子核中止能力 ：核中止过程的表征物理量 ，（7-3） 低能注入离子 若质量为 的入射离子初始能量为 ，靶核质量为 ，则低能注入粒子的能量损失 ，与入射离子能量呈线性关系。 高能注入离子 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 变小。,埃担攒而勇落搅漳坚勋柄碘宗沙掳厦咬蔡许境尽兽验朋青绿钉鸡由被苞洛超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,（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或电离，入射离子几乎不发生偏移。 电子中止能力 ：电子中止过程的表征物理量 , （7- 4） 式中E为入射离子能量， 为弱相关系数（与原子质量和原子序数相关）,谦一煌葡驾韦幌业寸汝叹奉汀桥熄菲砒冲怨谦贷狄换闻庆犯结肮预呕硬谭超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,（3）注入离子的描述物理量 平均损耗率： ，（7-5） 射程： ，（7-6） 投影射程： ，（7-7） 投影偏差： ，（7-8）,旅穆垃拣缎舒愤盘勾旋曾拆皂畜探锅乎馋锨痔美筹盎掣猫侧挎窖嫁临忌打超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,（4）结果与分析（ 注入离子能量范围 ） 硼离子：电子中止机制消耗能量。 砷离子：核中止机制消耗能量。 磷离子：当 时，核中止机制消耗能量； 当 时，电子中止机制消耗能量。,图7-4 硅对砷、磷和硼离子的中止能力,诲没擒孙估弥讯熊椭寇乖蒲圃乾帜锭傅萍许绅赖沥洪施秧义蔽儒符胎痹茵超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,射程与能量损失关系：能量损失越大则射程越小（如As） 、 和 与入射离子能量关系：随入射离子能量增大 同一入射离子的 和 关系：差别不超过 20%,图7-5 (a) B、P和As在Si中 (b) H、Zn和Te在GaAs中,非杰视仰沼梗逞宏友划纳卞琼达迟旭劫茵沥澜做舷贺蛇锁兑哄芥沮瘪例欣超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,7.1.3 离子沟道效应,（1）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沟道效应。,图7-6 离子沟道效应,湍讼嗜攫逮翟捎芒匪蛋粱勤韩马罢印低误原盎瓶凉请达耽它艳运惜褂衷言超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,（2）减小沟道效应的方法 非晶表面阻挡层： 薄膜非晶层 晶片偏离晶向：晶片倾斜 （ 典型值 ） 晶片表面设置破坏层：重离子注入形成预损区,图7-7 减小沟道效应,串腊腺触硫仟依彼败漱遇段凭达犹饥皿妒岿苍攒凝察撬彪啪羽蚀左忍没洱超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,黄君凯 教授,7.2 注入损伤和退火,7.2.1 注入损伤（晶格移位） （1）注入损伤 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入损伤 无序区。 （2）轻离子注入（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，受损区形成非晶层所需注入剂量非常大。 （3）重离子注入 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。,胖赛坟钵乾掣堪黎娃溪铡缔根了劫避掠廖岗核烫顽稳蓄娘宛忙惨龙畏第听超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,图7-8 注入损伤,乘勿跳偏坷刻号与蹿招掖等明哺遥吉丸司牲醋慧炉守亥阐从实大悸眷泳郝超大规模集成电路技术基础6-7超大规模集成电路技术基础6-7,
