集成电路工艺基础.ppt

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1、离子注入离子注入（Ion Implantation）离子注入概述离子注入概述n最早应用于原子物理和核物理研究n提出于1950sn1970s中期引入半导体制造领域 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。 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

2、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 离子束加工方式可分为离子束加工方式可分为 1、掩模方式（投影方式）、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束（FIB）方式）方式） 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

3、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）、掩模方式（投影方式） 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

4、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) 用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有用于离化杂质的容器。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

5、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。 用来将加速后的离子聚集成直径为数用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。毫米的离子束。用来实现离子束用来实现离子束 x x、y y 方向的一方向的一定面积内进行扫描。定面积内进行扫描。放置样品的地方，其位置可调。放置样品的地方，其位置可调。 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

6、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 。 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

7、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、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。 LMIS 是近几年发展起来的一种是近几年发展起来的一种的

8、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、刻以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻蚀等。蚀等。 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 (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

9、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 是最常用的一种。是最常用的一种。 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

10、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，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 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

11、，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 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

12、时的蒸汽压。 例如，金和硅的熔点分别为例如，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。 1、 质量分析器质量分析器 由一

13、套静电偏转器和一套磁偏转器组成，由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E 与与 B 的方向的方向相互垂直。相互垂直。EBOydvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光阑光阑fem(),( )VFqEqjdFqvBqvB j122aam21,2qVqVmvvFm由得代入得：12am2( )qVFqB jmdOyvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光阑光阑12afem2qVVFFqqBdm当时，即当时，离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的 为为2fo22a2Vqqmd B V 对于某种荷质比为对于某种荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压的所

14、需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或偏转磁场或偏转磁场 B ，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。而通过光阑。12foaf12oa(2) ,(2)VdBq VVBdq V或 通常是调节通常是调节 Vf 而不是调节而不是调节 B。 当荷质比为当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为的离子不被偏转时，具有荷质比为qs = q/ /ms 的其它离子的偏转量的其它离子的偏转量 Db 为为bffd21dfff2saaa11242Dy LyLLL LVLBqVdVVdOyvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光阑光阑 将前面的将前面的 B 的表达

15、式的表达式代入代入 Db ，得，得sfffbdao1122qV LLDLV dqGf12oa(2)VBdq Vso1eGe (1) 为屏蔽荷质比为为屏蔽荷质比为 qs 的离子，光阑半径的离子，光阑半径 D 必须满足必须满足so1qDGq (2) 若若 D 固定，则具有下列荷质比固定，则具有下列荷质比 的离子可被屏蔽，的离子可被屏蔽，22soso11DDqqqqGG或 而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，22oso11DDqqqGG 以上各式可用于评价以上各式可用于评价 质量分析器的分辨本领。质量分析器的分辨本领。BE 2、磁质量分析器、磁质量分析器光阑光阑1

16、光阑光阑2vmFBr12am2qVFqvBqBm为向心力，使离子作圆周运动，为向心力，使离子作圆周运动，半径为半径为1122aa22o22mVVmvrqBqBq B 从上式可知，满足荷质比从上式可知，满足荷质比 的离子可通过光阑的离子可通过光阑 2。ao222Vqr B或者对于给定的具有荷质比为或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场的离子，可通过调节磁场 B 使之满足下式，从而使该种离子通过光阑使之满足下式，从而使该种离子通过光阑 2，12a2o2VBq r 另外，若固定另外，若固定 r 和和 Va ，通过连续改变，通过连续改变 B ，可使具有不同，可使具有不同荷质比的离子依

17、次通过光阑荷质比的离子依次通过光阑 2，测量这些不同荷质比的离子束，测量这些不同荷质比的离子束流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。 其余的离子则不能通过光阑其余的离子则不能通过光阑 2，由此达到分选离子的目的。，由此达到分选离子的目的。 在在 质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器则相反，所需离的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器则相反，所需离子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。EB 离子注入过程：入射离子与半导体

18、（靶）的原子核和电子离子注入过程：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 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 nnddESxeeeddESkExneneddddEEESSxP

19、0000P0nedddddREEEERxExSS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 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

20、的曲线形式的结果。 ddExed()dExnd()dExE1E2E02EE在处，Sn = Se (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在实际工作中，平均投影射程在实际工作中，平均投影射程 RP () 及标准偏差及标准偏差 RP ()与注入能量与注入能量 (KeV) 的的关系可从下图关系可从下图 （下表）查到。（下表）查到。 入射能量入射能量注入硅中的注入硅中的离子离子20406

21、080100120140160180BRP71414132074269532753802428447455177 RP P276443562653726713855910959PRP25548872997612281483174019962256 RP P90161226293350405459509557AsRP151263368471574677781855991 RP P3459811021221431611801987.3 离子注入的特点1.特点n可以独立控制杂质分布（离子能量） 和杂质浓度（离子流密度和注入时间）n各向异性掺杂n容易获得高浓度掺杂 （特别是：重杂质原子，如P和As等）

22、。2.离子注入与扩散的比较扩散离子注入扩散离子注入高温，硬掩膜9001200 低温，光刻胶掩膜室温或低于400各向同性各向异性不能独立控制结深和浓度可以独立控制结深和浓度2.注入与扩散的比较3.离子注入控制n离子束流密度和注入时间控制杂质浓度 （注入离子剂量）n离子能量控制结深n杂质分布各向异性4.阻止机制n典型离子能量：5500keVn离子注入衬底，与晶格原子碰撞，逐渐损失其能量，最后停止下来n两种阻止机制：核碰撞和电子碰撞n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）.n电子阻止 与晶格原子的自由电子及束缚电子碰撞 注入离子路径

23、基本不变 能量损失很少 晶格损伤可以忽略4.阻止机制 两种阻止机制4.阻止机制总的阻止本领： 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 4.阻止机制背散射沟道自由碰撞阻止本领与离子速度阻止本领核阻止电子阻止离子速度注入离子分布RP：投影射程，射程的平均值阻挡 200keV 离子束的阻挡层厚度典型能量：5500KeV掩膜厚度5.注入过程:注入通道 如果入射角度恰好，离子能

24、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6.沟道效应沟道中核阻止很小，电子密度也很低碰撞后引起的沟道效应碰撞后形成的沟道效应碰撞引起沟道引起碰撞引起注入过程: 沟道效应 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7.阴影效应粒子束阴影效应消除问题n为什么不利用沟道效应在离子能量不高的情况产生深结？答案n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。7.4 注入损伤n注入离子将能量转移给晶格原子 产生自由原子（间隙原子

25、空位 缺陷对）n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 直到所有自由原子均停止下来，损伤才停止n一个高能离子可以引起数千个晶格原子位移一个离子引起的晶格损伤轻离子重离子注入损伤过程n离子与晶格原子碰撞，使其脱离晶格格点n衬底注入区变为无定型结构注入前注入后7.5退火的作用n杂质原子必须处于单晶结构中并与四个Si原子形成共价键才能被激活 ，donor (N-type) 或acceptor (P-type)n高温热能帮助无定型原子恢复单晶结构热退火晶格原子杂质原子热退火晶格原子杂质原子热退火晶格原子杂质原子热退火晶格原子杂质原子退火前后的比较退火前退火后快速热退火 (RTA)n高

26、温下, 退火超越扩散nRTA (RTP) 广泛用于注入后退火nRTA 很快 (小于1分钟), 更好的片间（WTW）均匀性, 最小化杂质扩散RTA和炉退火RTP退火炉退火问题n高温炉的温度为什么不能象RTA系统那样快速升温和降温？答案n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（温度过冲和下冲）7.6注入工艺粒子束路径离子注入: Plasma Flooding System 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）7.7晶圆表面充电n注入离子使晶

27、圆表面带正电n排斥正离子，引起离子束弯曲，造成不均匀杂质分布n电弧放电引起晶圆表面损伤n使栅氧化层击穿，降低工艺成品率n需要消除和减弱充电效应充电效应离子轨道电荷中和系统n需要提供电子中和正离子；nPlasma flooding systemn电子枪n电子喷头Plasma Flooding SystemWafer HandlingnIon beam diameter: 25 mm (1”),nWafer diameter: 200 mm (8”) or largernNeeds to move beam or wafer, or both, to scan ion beam across th

28、e whole wafer Spin wheel Spin disk Single wafer scanSpin WheelSpin DiskSingle Wafer Scanning SystemIon Implantation: End AnalyzernFaraday charge detectornUsed to calibrate beam current, energy and profileIon Implantation: The ProcessnCMOS applicationsnCMOS ion implantation requirementsnImplantation

29、process evaluationsImplantation Process: Well ImplantationImplantation Process: VT Adjust ImplantationLow Energy , Low CurrentLightly Doped Drain (LDD) ImplantationLow energy (10 keV), low current (1013/cm2)Implantation Process: S/D ImplantationnLow energy (20 keV), high current (1015/cm2)Ion Implan

30、tation ProcessesCMOS on SOI SubstrateOxygen Ion ImplantationHigh Temperature Annealing 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，特别是对各种离子源和质量分析系统作了较详细的介绍。离子注入后的杂质离子源和质量分析系统作了较详细的介绍。离子注入后的杂质浓度分布为高斯函数分布。讨论了离子注入的沟道效应及防止浓度分布为高斯函数分布。讨论了离子注入的沟道效应及防止措施。离子注入后必须进行退火处理，目的是激活杂质和消除措施。离子注入后必须进行退火处理，目的是激活杂质和消除注

31、入损伤。通过高剂量的氧离子注入，可以形成绝缘埋层。注入损伤。通过高剂量的氧离子注入，可以形成绝缘埋层。下面总结一下离子注入的优缺点。下面总结一下离子注入的优缺点。 1、可控性好，离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂、可控性好，离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深； 2、可以获得任意的掺杂浓度分布；、可以获得任意的掺杂浓度分布； 3、注入温度低，一般不超过、注入温度低，一般不超过 400，退火温度也在，退火温度也在 650 左右，避免了高温过程带来的不利影响，如结的推移、热缺陷、左右，避免了高温过程带来的不利影

32、响，如结的推移、热缺陷、硅片的变形等；硅片的变形等； 4、结面比较平坦；、结面比较平坦； 离子注入的离子注入的 5、工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底中，也、工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底中，也可以采用多种材料作掩蔽膜，如可以采用多种材料作掩蔽膜，如 SiO2 、金属膜或光刻胶等；、金属膜或光刻胶等； 6、均匀性和重复性好；、均匀性和重复性好； 7、横向扩展小，有利于提高集成电路的集成度、提高器件、横向扩展小，有利于提高集成电路的集成度、提高器件和集成电路的工作频率；和集成电路的工作频率； 8、可以用电的方法来控制离子束，因而易于实现自动控制，、可以用电的方法来控制离子束，因而易于实现自动控制，同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术；同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术； 9、扩大了杂质的选择范围；、扩大了杂质的选择范围； 10、离子注入中通过质量分析器选出单一的杂质离子，保、离子注入中通过质量分析器选出单一的杂质离子，保证了掺杂的纯度。证了掺杂的纯度。 离子注入的离子注入的 1、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷；、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷； 2、离子注入难以获得很深的结深；、离子注入难以获得很深的结深； 3、离子注入的生产效率比扩散工艺低；、离子注入的生产效率比扩散工艺低； 3、离子注入系统复杂昂贵。、离子注入系统复杂昂贵。