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1、 微电子工艺基础微电子工艺基础 微电子工业基础微电子工业基础 本章目标本章目标：1、熟悉掺杂技术的两种方式、熟悉掺杂技术的两种方式2、熟悉扩散掺杂的原理、熟悉扩散掺杂的原理3、掌握离子注入相关概念及其原理、掌握离子注入相关概念及其原理4、熟悉离子注入的工艺流程、熟悉离子注入的工艺流程5、了解离子注入系统的设备及其优点、了解离子注入系统的设备及其优点微电子工业基础微电子工业基础 一、扩散一、扩散二、离子注入技术二、离子注入技术三、集成电路的形成三、集成电路的形成微电子工业基础微电子工业基础 一、扩散一、扩散 1、扩散原理、扩散原理 2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散 3、扩散设备与工艺、扩散
2、设备与工艺 4、工艺质量检测、工艺质量检测微电子工业基础微电子工业基础 1、扩散原理、扩散原理扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在约扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在约1000的高温、的高温、p型或型或n型杂质气氛中，杂质向衬底型杂质气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一种工艺方法，也叫热扩散。定域、定量掺杂的一种工艺方法，也叫热扩散。 微电子工艺基础微电子工艺基础 所谓杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内。杂质掺杂所谓杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内。杂质掺杂的实际应用主要是改变半导体的电
3、特性。扩散和离子注入是的实际应用主要是改变半导体的电特性。扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。半导体掺杂的两种主要方式。高温扩散高温扩散：一直到：一直到20世纪世纪70年代，杂质掺杂主要是由高温的年代，杂质掺杂主要是由高温的扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高温与扩散时间来决定。调下降，而杂质分布主要是由高温与扩散时间来决定。离子注入离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓：掺杂
4、离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注入能量决定。入能量决定。扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，因扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，因为二者互补不足，相得益彰。为二者互补不足，相得益彰。 微电子工艺基础微电子工艺基础 微电子工艺基础微电子工艺基础 杂质扩散通常是在经仔细控制的石英高温炉管中放入半导体硅晶片并通杂质扩散通常是在经仔细控制的石英高温炉管中放入半导体硅晶片并通入含有所需掺杂剂的气体混合物。硅的温度在入含有所需掺杂剂的气体混合物。硅的温度在800-12
5、00；砷化镓的温；砷化镓的温度在度在600-1000。扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气体混合物中。扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气体混合物中的杂质分压有关。的杂质分压有关。对硅而言，对硅而言，B、P和和As分别是常用的分别是常用的p型和型和n型掺杂剂，它们在硅中都有型掺杂剂，它们在硅中都有极高的固溶度，可高于极高的固溶度，可高于51020cm-3。引入方式有：固态源（。引入方式有：固态源（BN、As2O3、P2O5）；液态源（）；液态源（BBr3、AsCl3、POCl3）；气体源（）；气体源（B2H6、AsH3、PH3 ），其中液态源最常用。），其中液态源最常用。使用液态源的磷扩散的化
6、学反应如下：使用液态源的磷扩散的化学反应如下：3225243 26POClOPOClP2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。25225 45POSiPSiO 微电子工艺基础微电子工艺基础 对砷化镓的扩散工艺而言，因砷的蒸汽压高，所以需要特别对砷化镓的扩散工艺而言，因砷的蒸汽压高，所以需要特别的方式来防止砷的分解或蒸发所造成的损失。包括含过压的的方式来防止砷的分解或蒸发所造成的损失。包括含过压的封闭炉管中扩散及在含有掺杂氧化物覆盖层（氮化硅）的开封闭炉管中扩散及在含有掺杂氧化物覆盖层（氮化硅）的开发炉管中扩散。发炉管中扩散。p型
7、扩散选用型扩散选用Zn元素，采用元素，采用Zn-Ga-As合金合金或或ZnAs2（封闭炉管法）或（封闭炉管法）或ZnO-SiO2（开放炉管法）。（开放炉管法）。n型型掺杂剂有硒和碲。掺杂剂有硒和碲。电炉电炉O2N2液态杂质源石英管排气口硅晶片微电子工业基础微电子工业基础 1、扩散原理、扩散原理 （1）扩散方式）扩散方式 固相扩散扩散是一种自然现象，由物质自身的热运动引起。扩散是一种自然现象，由物质自身的热运动引起。微电子工艺中的扩散是杂质在晶体内的扩散，因此微电子工艺中的扩散是杂质在晶体内的扩散，因此是一种固相扩散。是一种固相扩散。微电子工业基础微电子工业基础 1、扩散原理、扩散原理 （1）扩
8、散方式）扩散方式 扩散的方式晶体内扩散是通过一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃晶体内扩散是通过一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，有多种方式，最主要有：在整个三维方向进行，有多种方式，最主要有：A 填隙式扩散填隙式扩散B 替位式扩散替位式扩散C 填隙填隙-替位式扩散替位式扩散微电子工业基础微电子工业基础 1、扩散原理、扩散原理 （1）扩散方式）扩散方式 扩散的方式 A 填隙式扩散微电子工业基础微电子工业基础 1、扩散原理、扩散原理 （1）扩散方式）扩散方式 扩散的方式 B 替位式扩散替位式扩散微电子工业基础微电子工业基础 1、扩散原理、扩散原理 （1）扩散方式）扩散方式 扩散的方
9、式 C 填隙填隙-替位式扩散替位式扩散许多杂质既可以是替位式也可以是填隙式溶于晶体的晶许多杂质既可以是替位式也可以是填隙式溶于晶体的晶格中，并以填隙格中，并以填隙-替位式扩散。这类扩散杂质的跳跃速替位式扩散。这类扩散杂质的跳跃速率随晶格缺陷浓度，空位浓度和杂质浓度的增加而迅速率随晶格缺陷浓度，空位浓度和杂质浓度的增加而迅速增加。增加。微电子工业基础微电子工业基础 1、扩散原理、扩散原理 （2）扩散方程）扩散方程 第一扩散定律晶体衬底中杂质扩散流密度与杂质浓度梯度成正比，晶体衬底中杂质扩散流密度与杂质浓度梯度成正比，这是第一扩散定律，也称这是第一扩散定律，也称Fick第一定律。第一定律。微电子工
10、业基础微电子工业基础 1、扩散原理、扩散原理 （2）扩散方程）扩散方程 第一扩散定律微电子工业基础微电子工业基础 1、扩散原理、扩散原理 （2）扩散方程）扩散方程 第二扩散定律讨论晶体中杂质浓度与扩散时间关系，又称讨论晶体中杂质浓度与扩散时间关系，又称Fick第二定律。第二定律。微电子工业基础微电子工业基础 1、扩散原理、扩散原理 （2）扩散方程）扩散方程 影响扩散速率的因素A 晶体内杂质浓度梯度；晶体内杂质浓度梯度；B 环境温度；环境温度；C 杂质本身结构、性质；杂质本身结构、性质；D 晶体衬底的结构。晶体衬底的结构。微电子工业基础微电子工业基础 2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（1）
11、 掺杂的目的 （P218）A 在晶圆表面下的特定位置处形成在晶圆表面下的特定位置处形成PN结结（结合（结合P218的图的图11.3-图图11.5）；）；B 在晶圆表面下得到所需的掺杂浓度；在晶圆表面下得到所需的掺杂浓度；（结合（结合P219同型掺杂）同型掺杂）微电子工业基础微电子工业基础 2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2） 硅中的杂质类型 替位式杂质主要是主要是III和和V族元素，具有电活性，在硅中有族元素，具有电活性，在硅中有较高的固溶度。多以替位方式扩散，扩散速率较高的固溶度。多以替位方式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。慢，称为慢扩散杂质。微电子工业基础微电子工业基础 2、杂质
12、在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2） 硅中的杂质类型 填隙式杂质主要是主要是I和和族元素，族元素，Na、K、Li、H、Ar等，等，它们通常无电活性，在硅中以填隙式方式进它们通常无电活性，在硅中以填隙式方式进行扩散，扩散速率快。行扩散，扩散速率快。微电子工业基础微电子工业基础 2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2） 硅中的杂质类型 填隙-替位式杂质 大多数过渡元素：大多数过渡元素：AuAu、FeFe、CuCu、PtPt、NiNi、AgAg等。都以等。都以填隙填隙- -替位式方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，替位式方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间
13、隙的杂质无最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。电活性，位于替位的杂质具有电活性。微电子工业基础微电子工业基础 2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解 恒定源扩散恒定源扩散是硅一直处于杂质氛围恒定源扩散是硅一直处于杂质氛围中，硅片表面达到了该扩散温度的中，硅片表面达到了该扩散温度的固溶度固溶度Ns。解扩散方程：解扩散方程：NbNsxj1 xj2 xj3xNt1t2t3边界条件为：边界条件为：N（0，t）=Ns初始条件为：初始条件为：N（x，0）=0 微电子工业基础微电子工业基础 2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解
14、 恒定源扩散NbNsxj1 xj2 xj3xNt1t2t3DtxerfcNdeNtxnsDtxs22,2/2erfc称为余误差函数，所以恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布。DtNNerfcxsbj12DtNDtNdxtxNQss13. 12,0微电子工业基础微电子工业基础 2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解 限定源扩散限定源扩散是在整个扩散过程中，杂质源限限定源扩散是在整个扩散过程中，杂质源限定在扩散前积累于硅片表面薄层内的杂质总定在扩散前积累于硅片表面薄层内的杂质总量量Q。微电子工业基础微电子工业基础 2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解 限定源扩散X
15、Xji xj2 xj3NsNsNs”t1t2t300 xtN边界条件：边界条件：初始条件：初始条件：00 ,QdxxN22xNDtN解扩散方程：解扩散方程：Nb微电子工业基础微电子工业基础 2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解 限定源扩散DtxeDtQtxN42,限定源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。扩散过限定源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。扩散过程中杂质表面浓度变化很大，但杂质总量程中杂质表面浓度变化很大，但杂质总量Q Q不变。不变。DtQNsDtADtNNxbsj21ln2微电子工业基础微电子工业基础 2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（3）实际扩散 场助扩散效应
16、硅衬底的掺杂浓度对杂质的扩散速率有影响，硅衬底的掺杂浓度对杂质的扩散速率有影响， 衬底衬底掺杂浓度高时这一影响将使扩散速率显著提高，称掺杂浓度高时这一影响将使扩散速率显著提高，称之为场助扩散效应。之为场助扩散效应。微电子工业基础微电子工业基础 2、杂质在硅中的扩散、杂质在硅中的扩散（3）实际扩散 横向扩散效应（P218）不管是扩散还是离子注入都会发生横向扩散现象，横向扩散的线度是纵向扩散的0.75-0.85倍。微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 液态源（参见教材P223）液态源通常是所需掺杂元素的氯化物或溴化物。例液态源通常是所需掺杂元素的氯化物或溴化
17、物。例如：如： POCl3、BBr3选择源必需满足固溶度和扩散系数的要求。另外还选择源必需满足固溶度和扩散系数的要求。另外还要选择好掩蔽膜。要选择好掩蔽膜。微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 液态源（参见教材P223）液相源扩散系统微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 液态源（参见教材P223）层流形成系统：层流形成系统：微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 固态源（参见教材P223）最原始的淀积源。最原始的淀积源。固态源通常是氧化物固态源通常是氧化物B2O3、Sb2O5、
18、P2O5等陶等陶瓷片或粉体，也有用瓷片或粉体，也有用BN。微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 固态源使用固态源的三种方式：使用固态源的三种方式： （参见教材（参见教材P225）A 远程源（匙）远程源（匙）B 近邻源（圆片）近邻源（圆片）C 涂抹源涂抹源微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 固态源（参见教材P223）固相源扩散系统微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 气态源（参见教材P224）气态源通常是氢化物：气态源通常是氢化物：B2H6、PH3、AsH3、 BCl3，最受
19、欢迎的扩散源方式。最受欢迎的扩散源方式。微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（1）扩散源 气态源（参见教材P224）微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（2）扩散流程 预 淀 积 ：（参见P222）A 预清洗与刻蚀预清洗与刻蚀B 炉管淀积炉管淀积C 去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）D 评估（假片或陪片）评估（假片或陪片） 再分布（评估）：（参见P226）微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（2）扩散流程 预淀积评估（假片或陪片）：通常测方块电阻，方块电评估（假片或陪片）：通常测方块电阻，
20、方块电阻是指表面为正方形的薄膜，在电流方向的电阻阻是指表面为正方形的薄膜，在电流方向的电阻值。值。 炉管淀积：一般予淀积温度较低，时间也较短。氮炉管淀积：一般予淀积温度较低，时间也较短。氮气保护。气保护。去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）：炉管淀积后的去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）：炉管淀积后的窗口表面有薄薄的一层硼硅玻璃，用窗口表面有薄薄的一层硼硅玻璃，用HF漂去。漂去。微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（2）扩散流程 预淀积微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（2）扩散流程 再分布（评估）再分布温度较高，时间也较长。通氧气直接生长氧再分布温
21、度较高，时间也较长。通氧气直接生长氧化层。化层。微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（2）扩散流程 再分布（评估）微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（2）扩散流程扩散工艺有一步工艺和两步工艺：扩散工艺有一步工艺和两步工艺：一步工艺一步工艺 是恒定源扩散，杂质分布服从余误差分布；是恒定源扩散，杂质分布服从余误差分布；两步工艺两步工艺 分为予淀积和再分布两步分为予淀积和再分布两步予淀积是恒定源扩散，目的是在扩散窗口硅表层扩入总量予淀积是恒定源扩散，目的是在扩散窗口硅表层扩入总量一定的掺杂元素。再分布是限定源扩散，掺杂源总量已在一定的掺杂元素
22、。再分布是限定源扩散，掺杂源总量已在予淀积时扩散在窗口上了，再分布的目的是使杂质在硅中予淀积时扩散在窗口上了，再分布的目的是使杂质在硅中具有一定的分布或达到一定的结深。具有一定的分布或达到一定的结深。微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（3）B扩散原原 理：理： 2 B2O3 + 3Si 4B +3SiO2 选源：选源： 固态固态BN源使用最多，必须活化。源使用最多，必须活化。 800-1000活化：活化： 4BN + 3O2 2B2O3 + 2N2特点：特点： B与与Si晶格失配系数为晶格失配系数为0.254，失配大，有伴生应，失配大，有伴生应力缺陷，造成严重的晶
23、格损伤，在力缺陷，造成严重的晶格损伤，在1500，硼在硅中的最，硼在硅中的最大固溶度达大固溶度达4*102 0/cm3，但是最大电活性浓度是但是最大电活性浓度是5*1019/cm3。 微电子工业基础微电子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（4）P扩散原原 理：理：2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2选源：选源： 固态固态P2O5陶瓷片源使用最多，无须活化。陶瓷片源使用最多，无须活化。 特点：特点：磷是磷是n形替位杂质，失配因子形替位杂质，失配因子0.068，失配小，失配小，杂质浓度可达杂质浓度可达1021/cm3，该浓度即为电活性浓度。该浓度即为电活性浓度。微电子工业基础微电
24、子工业基础 3、扩散工艺与设备、扩散工艺与设备（5）例子（N+PN晶体管） 微电子工艺基础微电子工艺基础 微电子工业基础微电子工业基础 4、工艺质量检测、工艺质量检测（1）工艺指标 杂质表面浓度杂质表面浓度 结深结深 薄层电阻薄层电阻 分布曲线分布曲线（2）工艺条件（T, t）的确定 解析扩散方程获得工艺条件，目前用计算机解析扩散方程获得工艺条件，目前用计算机模拟的工艺参数。模拟的工艺参数。微电子工业基础微电子工业基础 4、工艺质量检测、工艺质量检测（3）工艺参数测量工艺参数测量 染色法测结深染色法测结深 阳极氧化测分布函数阳极氧化测分布函数 四探针法测方块电阻四探针法测方块电阻 四探针法测电
25、阻率四探针法测电阻率（4）电参数测量 I-V曲线曲线微电子工业基础微电子工业基础 二、离子注入技术二、离子注入技术 1、概述、概述 2、离子注入工艺、离子注入工艺 3、离子注入技术的应用、离子注入技术的应用微电子工业基础微电子工业基础 1、概述、概述（1）热扩散的限制 横向扩散横向扩散 实现浅结困难实现浅结困难 掺杂浓度控制精度掺杂浓度控制精度 表面污染表面污染 微电子工艺基础微电子工艺基础 离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。将杂质电离离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能
26、后，注入到硅中（称为注入到硅中（称为 ）而实现掺杂。）而实现掺杂。 微电子工艺基础微电子工艺基础 离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在高压下加速而获得很高的动能。磁场偏转，能在高压下加速而获得很高的动能。 掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的离子能量割等。不同的用途需要不同的离子能量 E ： E 50 KeV，注入掺杂注入掺杂 微电子工艺基础微电子工艺基础 离子束加工方式可分为 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（扫描方式，
27、或聚焦离子束（FIB）方式） 微电子工艺基础微电子工艺基础 掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的掩蔽膜必须是掩蔽膜必须是 SiO2 膜，而离子注入的掩蔽膜膜，而离子注入的掩蔽膜可以是可以是 SiO2 膜，膜，也可以是光刻胶等其他薄膜。也可以是光刻胶等其他薄膜。 掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是是 所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是 1、掩模方式（投影方式）、
28、掩模方式（投影方式） 微电子工艺基础微电子工艺基础 聚焦方式的优点是聚焦方式的优点是 缺点是缺点是 实现聚焦方式的关键技术是实现聚焦方式的关键技术是 1、高亮度小束斑长寿命高稳定的离子源；、高亮度小束斑长寿命高稳定的离子源； 2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。离子光学系统。2、聚焦方式（扫描方式、聚焦方式（扫描方式) 微电子工艺基础微电子工艺基础 用于离化杂质的容器用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有常用的杂质源气体有 BF3、 AsH3 和和 PH3 等。等。 不同离子具有不同的电荷质量比，因而在分不同离子具有不
29、同的电荷质量比，因而在分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。且离子束很纯。 为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。是决定离子注入深度的一个重要参量。 利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。 微电子工艺基础微电子工艺基础 用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。用来实现离子束 x、y 方向的一定面积内进行扫描。放置样品的地方，其位置可调。 微电子工艺基础微电子工艺基础 微电子工艺基础微电子工艺
30、基础 微电子工艺基础微电子工艺基础 作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。 分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。）。 掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为型离子源，其典型的有效源尺寸为 100 m ，亮度为亮度为 10 100 A/cm2.sr。 聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS）出现后才得以顺利发展。出现后才得以顺
31、利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为的典型有效源尺寸为 5 500 nm，亮度为亮度为 106 107 A/ /cm2.sr 。 微电子工艺基础微电子工艺基础 这里的这里的 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。 产生等离子体的方法有热电离、
32、光电离和电场加速电离。产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。 微电子工艺基础微电子工艺基础 微电子工艺基础微电子工艺基础 LMIS 是近几年发展起来的一种是近几年发展起来的一种的的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻
33、以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻蚀等。蚀等。 微电子工艺基础微电子工艺基础 针形针形V 形形螺旋形螺旋形同轴形同轴形毛细管形毛细管形液态金属液态金属钨针钨针类型类型 微电子工艺基础微电子工艺基础 (1) 与容器及钨针不发生任何反应；与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润；能与钨针充分均匀地浸润； (3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发。度下既保持液态又不蒸发。 能同时满足以上条件的金属只有能同时满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少等少数几种，其中数几种，其中 是最
34、常用的一种。是最常用的一种。 微电子工艺基础微电子工艺基础 E1 是主高压，即离子束的是主高压，即离子束的加速电压；加速电压；E2 是针尖与引出极是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离面上液态金属的形状，并将离子引出；子引出；E3 是加热器电源。是加热器电源。E1E2E3 针尖的曲率半径为针尖的曲率半径为 ro = 1 5 m，改变，改变 E2 可以调节针尖与可以调节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径锥顶的曲率半径 仅有仅有 10 nm 的数量级，
35、这就是的数量级，这就是 LMIS 能产生小能产生小束斑离子束的关键。束斑离子束的关键。引引出出极极 微电子工艺基础微电子工艺基础 当当 E2 增大到使电场超过液态金属增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（的场蒸发值（ Ga 的场蒸发值为的场蒸发值为 15.2V/ /nm）时，液态金属在圆锥顶处时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。其中电子被引出极排斥，而金属电子。其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。离子则被引出极拉出，形成离子束。 若改变若改变 E2 的极性的极性 ，则可排斥离子，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改
36、变成电子束源。而拉出电子，使这种源改变成电子束源。E1E2E3引引出出极极 微电子工艺基础微电子工艺基础 通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体高或蒸汽压高而无法制成单体 LMIS 。 根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。合金中金属处于液态时的蒸汽压。 微电子工艺基础微电子工艺基础 例如，金和硅的熔点分别为例
37、如，金和硅的熔点分别为 1063oC 和和 1404oC，它们在此它们在此温度时的蒸汽压分别为温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和和 10-1 Torr。当以适当组分组当以适当组分组成合金时，其熔点降为成合金时，其熔点降为 370 oC ，在此温度下，金和硅的蒸汽压在此温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为分别仅为 10-19 Torr 和和 10-22 Torr。这就满足了这就满足了 LMIS 的要求。的要求。 对所引出的离子再进行质量分析，就可获得所需的离子。对所引出的离子再进行质量分析，就可获得所需的离子。 微电子工艺基础微电子工艺基础 离子注入过程：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子
38、离子注入过程：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。运动后，因动能耗尽而停止在某处。yx0z 微电子工艺基础微电子工艺基础 离子从入射点到静止点所通过的总路程。离子从入射点到静止点所通过的总路程。射程的平均值，记为射程的平均值，记为 R 。射程在入射方向上的投影长度，记为射程在入射方向上的投影长度，记为 xp 。 投影射程的平均值，记为投影射程的平均值，记为 RP 。 2pppRxRyxpxpypz0z 微电子工艺基础微电子工艺基础 nnddESxeeedd
39、ESkExneneddddEEESSxP0000P0nedddddREEEERxExSS由此可得平均投影射程为由此可得平均投影射程为 入射离子能量损失的原因是受到入射离子能量损失的原因是受到 核阻挡核阻挡 与与 电子阻挡。电子阻挡。 核阻挡核阻挡 电子阻挡电子阻挡 一个入射离子在一个入射离子在 dx 射程内，由于与核及电子碰撞而失去射程内，由于与核及电子碰撞而失去的总能量为的总能量为 微电子工艺基础微电子工艺基础 Se 的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。 Sn 的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。下的计算比较复杂，而且无法得
40、到解析形式的结果。下图是数值计算得到的曲线形式的结果图是数值计算得到的曲线形式的结果。 ddExed()dExnd()dExE1E2E02EE在处，Sn = Se 微电子工艺基础微电子工艺基础 (2) 当当 E0 远大于远大于 E2 所对应的能量值时，所对应的能量值时，Sn Se ，以核阻挡为主，此时散射角较大，离子以核阻挡为主，此时散射角较大，离子运动方向发生较大偏折，射程分布较为分散。运动方向发生较大偏折，射程分布较为分散。 pxpxprpr 微电子工艺基础微电子工艺基础 在实际工作中，平均投影射程 RP () 及标准偏差 RP ()与注入能量 (KeV) 的关系可从下图 （下表）查到。
41、微电子工艺基础微电子工艺基础 入射能量入射能量注入硅中的注入硅中的离子离子20406080100120140160180BRP71414132074269532753802428447455177 RP P276443562653726713855910959PRP25548872997612281483174019962256 RP P90161226293350405459509557AsRP151263368471574677781855991 RP P345981102122143161180198 微电子工艺基础微电子工艺基础 1.1.特点特点 可以可以独立控制独立控制杂质分布（离子
42、能量）杂质分布（离子能量） 和和杂质浓度（离子流密度和注入时间）杂质浓度（离子流密度和注入时间） 各向异性掺杂各向异性掺杂 容易获得高浓度掺杂容易获得高浓度掺杂 （特别是：重杂质原子，如（特别是：重杂质原子，如P P和和AsAs等）。等）。 微电子工艺基础微电子工艺基础 扩散离子注入 微电子工艺基础微电子工艺基础 扩散扩散离子注入离子注入高温，硬掩膜高温，硬掩膜9001200 低温，光刻胶掩膜低温，光刻胶掩膜室温或低于室温或低于400各向同性各向同性各向异性各向异性不能独立控制结深和浓度不能独立控制结深和浓度可以独立控制结深和浓度可以独立控制结深和浓度 微电子工艺基础微电子工艺基础 离子束流密
43、度和注入时间离子束流密度和注入时间控制控制杂质浓度杂质浓度 （注入离子剂量）注入离子剂量） 离子能量离子能量控制控制结深结深 杂质分布各向异性杂质分布各向异性 微电子工艺基础微电子工艺基础 典型离子能量：典型离子能量：5500keV 离子注入衬底，与离子注入衬底，与晶格原子晶格原子碰撞，逐渐损失其能量，最后停碰撞，逐渐损失其能量，最后停止下来止下来 两种阻止机制：核碰撞和电子碰撞两种阻止机制：核碰撞和电子碰撞 微电子工艺基础微电子工艺基础 核阻止核阻止 与晶格原子的原子核碰撞 大角度散射（离子与靶原子质量同数量级） 可能引起晶格损伤（间隙原子和空位）. 电子阻止电子阻止 与晶格原子的自由电子及
44、束缚电子碰撞与晶格原子的自由电子及束缚电子碰撞 注入离子路径基本不变 能量损失很少 晶格损伤可以忽略 微电子工艺基础微电子工艺基础 总的阻止本领： Stotal = Sn + Se Sn: 核阻止, Se: 电子阻止n 低能区：核阻止本领占主要n 中能区：两者同等重要n 高能区：电子阻止本领占主要固体中的电子可以看为电子气，电子阻止类似于黏滞气体的阻力，电子阻止本领与注入离子速度成正比；空气阻力与速度的平方成正比 微电子工艺基础微电子工艺基础 背散射沟道自由碰撞 微电子工艺基础微电子工艺基础 阻止本领核阻止电子阻止离子速度 微电子工艺基础微电子工艺基础 RP：投影射程，射程的平均值 微电子工艺
45、基础微电子工艺基础 典型能量：5500KeV掩膜厚度 微电子工艺基础微电子工艺基础 如果入射角度恰好，离子能够在不和晶格原子碰撞的情况下运动很远距离 会引起不可控的杂质分布大量碰撞很少碰撞 微电子工艺基础微电子工艺基础 沟道中核阻止很小，电子密度也很低 微电子工艺基础微电子工艺基础 微电子工艺基础微电子工艺基础 碰撞引起沟道引起碰撞引起 微电子工艺基础微电子工艺基础 避免沟道效应的方法 倾斜圆片, 7最常用 屏蔽氧化层（无定形） 注入前预先无定型处理 阴影效应 离子受到掩膜结构阻挡 旋转圆片和注入后扩散 微电子工艺基础微电子工艺基础 粒子束 微电子工艺基础微电子工艺基础 微电子工艺基础微电子工
46、艺基础 为什么不利用沟道效应在离子能量不高的情况产生为什么不利用沟道效应在离子能量不高的情况产生深结？深结？离子束不是完美地平行。许多离子注入衬底后会发离子束不是完美地平行。许多离子注入衬底后会发生许多次核碰撞，只要少数一些会进入很深的距离生许多次核碰撞，只要少数一些会进入很深的距离 微电子工艺基础微电子工艺基础 注入离子将能量转移给晶格原子注入离子将能量转移给晶格原子 产生自由原子（间隙原子空位产生自由原子（间隙原子空位 缺陷对）缺陷对） 自由原子与其它晶格原子碰撞自由原子与其它晶格原子碰撞 使更多的晶格原子成为自由原子使更多的晶格原子成为自由原子 直到所有自由原子均停止下来，损伤才停止直到
47、所有自由原子均停止下来，损伤才停止 一个高能离子可以引起数千个晶格原子位移一个高能离子可以引起数千个晶格原子位移 微电子工艺基础微电子工艺基础 轻离子重离子 微电子工艺基础微电子工艺基础 离子与晶格原子碰撞，使其脱离晶格格点离子与晶格原子碰撞，使其脱离晶格格点 衬底注入区变为无定型结构衬底注入区变为无定型结构注入前注入后 微电子工艺基础微电子工艺基础 杂质原子必须杂质原子必须处于单晶结构中处于单晶结构中并并与四个与四个Si原子形成共价键原子形成共价键才能被激活才能被激活 ，donor (N-type) 或或acceptor (P-type) 高温热能帮助无定型原子恢复单晶结构高温热能帮助无定型
48、原子恢复单晶结构 微电子工艺基础微电子工艺基础 晶格原子杂质原子 微电子工艺基础微电子工艺基础 晶格原子杂质原子 微电子工艺基础微电子工艺基础 晶格原子杂质原子 微电子工艺基础微电子工艺基础 晶格原子杂质原子 微电子工艺基础微电子工艺基础 退火前退火后 微电子工艺基础微电子工艺基础 高温下高温下, 退火退火超越超越扩散扩散 RTA (RTP) 广泛用于注入后退火广泛用于注入后退火 RTA 很快很快 (小于小于1分钟分钟), 更好的片间（更好的片间（WTW）均匀性均匀性, 最小化杂质扩散最小化杂质扩散 微电子工艺基础微电子工艺基础 RTP退火炉退火 微电子工艺基础微电子工艺基础 高温炉的温度为什
49、么不能象高温炉的温度为什么不能象RTA系统那样快速升温系统那样快速升温和降温？和降温？高温炉有很大的热容积，需要很高的加热功率去获高温炉有很大的热容积，需要很高的加热功率去获得快速升温。很难避免快速升温时大的温度摆动得快速升温。很难避免快速升温时大的温度摆动（温度过冲和下冲）（温度过冲和下冲） 微电子工艺基础微电子工艺基础 微电子工艺基础微电子工艺基础 微电子工艺基础微电子工艺基础 离子引起晶圆表面充电 晶圆表面充电引起非均匀掺杂和弧形缺陷 电子注入离子束中，中和晶圆表面电荷 热钨灯丝发射的热电子产生Ar等离子体（Ar+和电子） 微电子工艺基础微电子工艺基础 注入离子使晶圆表面带正电注入离子使
50、晶圆表面带正电 排斥正离子，引起离子束弯曲，造成不均匀杂质分布排斥正离子，引起离子束弯曲，造成不均匀杂质分布 电弧放电引起晶圆表面损伤电弧放电引起晶圆表面损伤 使栅氧化层击穿，降低工艺成品率使栅氧化层击穿，降低工艺成品率 需要消除和减弱充电效应需要消除和减弱充电效应 微电子工艺基础微电子工艺基础 离子轨道 微电子工艺基础微电子工艺基础 需要提供电子中和正离子；需要提供电子中和正离子； Plasma flooding system 电子枪电子枪 电子喷头电子喷头 微电子工艺基础微电子工艺基础 本章首先描述了离子注入系统的组成部分，特别是对各种本章首先描述了离子注入系统的组成部分，特别是对各种离子