第3章-集成电路工艺原理.pptx

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1、会计学1第第3章章-集成电路工艺集成电路工艺(gngy)原理原理第一页，共134页。25.1 前言(qin yn)第五章第五章 离子注入离子注入(Ion Implantation(Ion Implantation)5.1 前言(qin yn)什么什么(shnme)是离是离子注入子注入v 将某种元素的原子经离化变成带电的离子在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料（靶）表层以改变这种材料表层的物理或化学性质;第1页/共134页第二页，共134页。3 离子注入优点(yudin)v注入元素纯度高，即杂质单一性；注入元素纯度高，即杂质单一性；v各种杂质浓度分布与注入浓度可通过控制掺杂剂量各种杂质浓度

2、分布与注入浓度可通过控制掺杂剂量(1011-1017cm-2)(1011-1017cm-2)和能量和能量(10-200KeV)(10-200KeV)来达到；来达到；v横向分布非常均匀横向分布非常均匀(1%variation across 8wafer)(1%variation across 8wafer)；v可用多种材料作掩膜可用多种材料作掩膜(如金属、光刻胶、介质如金属、光刻胶、介质(jizh).)(jizh).)，可防止沾污，自由度大；，可防止沾污，自由度大；v表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度；或深结高浓度；v低温过程（因此可以

3、用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的热扩散，有利于集成度提高；低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的热扩散，有利于集成度提高；v容易实现化合物半导体的掺杂；容易实现化合物半导体的掺杂；v可采用微离子束扫描实现无掩膜选择注入；可采用微离子束扫描实现无掩膜选择注入；第2页/共134页第三页，共134页。4 离子注入的局限性v 会产生缺陷，甚至非晶层，必须会产生缺陷，甚至非晶层，必须(bx)(bx)经高温退火加以改善；经高温退火加以改善；v 产量较小；产量较小；v 设备复杂；设备复杂；v 有不安全因素有不安全因素(如高压、有毒气体如高压、有毒气体)；v 会引入沾污；会引入沾污

4、；第3页/共134页第四页，共134页。55.2 5.2 注入注入(zh r)(zh r)离子在半导体中的射程分布离子在半导体中的射程分布 任何一个入射离子在靶内所受到的碰撞是一个随机过程。各个离子在靶内发生的碰撞，每次碰撞的偏转角、相邻两次碰撞之间的行程，以及离子在靶内所运动的行程长度等都是不同的；如注入的离子数量很小，则它们在靶内的分布很散，如注入大量的离子，这些(zhxi)离子在靶内将按一定的统计分布；第4页/共134页第五页，共134页。6一 有关射程(shchng)的概念1，射程R:离子(lz)在靶内总的行程长度；2，投影射程Rp:R在入射方向上的投影；第5页/共134页第六页，共1

5、34页。7 3 3 射程分布以平均投影射程射程分布以平均投影射程RpRp、及其标准偏差、及其标准偏差 RpRp和横向和横向(hn xin)(hn xin)标准偏差标准偏差 R R 描述。描述。平均投影射程:(N：入射离子总数）标准偏差Rp 投影射程的平均偏差；横向标准偏差R 垂直(chuzh)入射方向平面内的标准偏差；第6页/共134页第七页，共134页。8二 非晶靶中的射程分布1，注入离子在靶内分布的理论 LSS理论 1963年，Lindhard,Scharff and Schiott首先确立了注入离子在靶内分布的理论，简称 LSS理论。该理论认为，入射离子在靶内的能量损失(snsh)分为两

6、个彼此独立的过程：(1)入射离子与原子核的碰撞(核阻挡)；(2)与电子(自由电子和束缚电子)碰撞(电子阻挡)；总能量损失(snsh)为两者的和；第7页/共134页第八页，共134页。9 v核阻挡核阻挡 入射离子与靶内原子核之间的相互碰撞；由于入射离子与靶内原子核的质量处在同一数量级，每次碰撞后，入射离子都可能发生大角度入射离子与靶内原子核之间的相互碰撞；由于入射离子与靶内原子核的质量处在同一数量级，每次碰撞后，入射离子都可能发生大角度(jiod)(jiod)散射，并失去一定的能量；靶原子核也因碰撞而获得能量，一旦其获得的能量大于原子束缚能，它就会离开原来所在的位置，进入晶格间隙，并留下一个空位

7、，形成缺陷；散射，并失去一定的能量；靶原子核也因碰撞而获得能量，一旦其获得的能量大于原子束缚能，它就会离开原来所在的位置，进入晶格间隙，并留下一个空位，形成缺陷；核碰撞核碰撞(nuclear stopping)(nuclear stopping)第8页/共134页第九页，共134页。10v 电子碰撞电子碰撞 入射离子与靶内自由电子以及入射离子与靶内自由电子以及(yj)(yj)束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬时形成空穴电子对；由于两者的质量相差非常大，每次碰撞离子能量损失较小，且都是小角度散射。散射方向是随机的，多次散射结果，入射方向基本不变。束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬时形成空穴电子对；由

8、于两者的质量相差非常大，每次碰撞离子能量损失较小，且都是小角度散射。散射方向是随机的，多次散射结果，入射方向基本不变。电子碰撞电子碰撞(electron stopping)(electron stopping)第9页/共134页第十页，共134页。11v注入离子如何在体内注入离子如何在体内(tni)静止？静止？注入离子通过库仑散射(Coulomb Scattering)失去(shq)能量从而静止 离子和靶内的自由电子(z yu din z)及束缚电子相互作用(通常对较轻的离子和高能量注入）；离子和靶内原子核作用(通常对重离子和低能量注入离子）；第10页/共134页第十一页，共134页。12 2

9、 核阻挡本领与电子阻挡本领 入射离子(lz)在靶内能量损失的具体情况v阻挡本领(stopping power)：材料对入射离子阻止(zzh)能量的大小用阻挡本领来衡量。阻挡本领表示离子在靶子中受到阻止(zzh)的概率。v电子阻挡本领：来自原子之间的电子阻止(zzh)，属于非弹性碰撞；v核阻挡本领：来自原子核之间的阻止(zzh)，属于原子核之间的弹性碰撞；第11页/共134页第十二页，共134页。13设一个(y)入射离子在其运动路程上任一点x处的能量为E,同样，电子阻挡本领就定义为：能量随距离损失的平均速率则为：式中,N:靶原子密度51022cm-3 for Si；知道了阻挡本领，即可求出入(c

10、hr)射离子在靶内运动的总路程R:则，核阻挡本领就定义为：第12页/共134页第十三页，共134页。143 3 射程的粗略射程的粗略(cl)(cl)计算计算v 在解得入射离子同靶内任何一个原子发生弹性碰撞时所传递的能量Tn(E,p)时，一粒注入离子进入原子密度为N的无定形靶内，通过(tnggu)dx距离时，传递给所有原子核的总能量，可以通过(tnggu)对各种可能的碰撞参数积分求得：则，核阻挡(zdng)表达式变为其中2p，为微分散射截面；第13页/共134页第十四页，共134页。15 已知入射离子已知入射离子(lz)(lz)与靶原子核间相互作用的势能与靶原子核间相互作用的势能关系即可求得关系

11、即可求得Sn(E);Sn(E);如果选用一个与距离r平方成反比的势能函数(hnsh)，其核阻挡能量损失率是一个固定值，即原子核阻挡本领Sn(E)与入射粒子的能量E无关，这时式中，Z1和Z2分别为入射离子和靶离子的原子(yunz)序数；m1和m2分别为入射离子和靶原子(yunz)的质量；第14页/共134页第十五页，共134页。16vv LSS LSS理论对电子阻挡理论对电子阻挡(zdng)(zdng)本领作一级近似，在本领作一级近似，在常用注入离子范围内电子阻挡常用注入离子范围内电子阻挡(zdng)(zdng)本领本领Se(E)Se(E)与与入射离子的速度成正比，即与入射离子能量的平方入射离子

12、的速度成正比，即与入射离子能量的平方根成正根成正 K取决于入射粒子(lz)和靶材料，在粗略近似下，对无定形硅靶：第15页/共134页第十六页，共134页。17vv图中给出了图中给出了Se(E)Se(E)和和Sn(E)Sn(E)与与E E之间的关系，在之间的关系，在E2E2处核阻挡处核阻挡和电子阻挡相等；对不同和电子阻挡相等；对不同(b tn)(b tn)材料的靶和入射离子材料的靶和入射离子E2E2不等。不等。第16页/共134页第十七页，共134页。18（1）低能区(入射离子能量(nngling)E0 Se(E)则v 对于(duy)Si靶，N=51022/cm3 v 实验表明(biomng)，

13、该式给出的射程，对重离子很精确，误差在10%以内；但对轻离子却比实际值约大2倍。所以，上述假定适合于重离子注入的情况。第17页/共134页第十八页，共134页。19(2)(2)高能区（入射离子能量高能区（入射离子能量E0E2):E0E2):此时，电子阻挡本此时，电子阻挡本领领(bnl(bnl ng)ng)占优，核阻挡可忽略，这时入射离子在占优，核阻挡可忽略，这时入射离子在Si Si中的中的射程与初始能量射程与初始能量E0E0的平方根成正比的平方根成正比第18页/共134页第十九页，共134页。204 入射离子(lz)的浓度分布v 注入离子在靶内的射程R，虽然能反映其注入的深度，但实际上测得的量

14、不是R，而是平均投影射程Rp；v射程分布v 注入离子(lz)与靶的原子核和电子的碰撞及每次碰撞所损失的能量都是随机的，无一定的规律，所以，即使具有相同能量和方向的同一种离子(lz)在靶内的射程也是不同的。这些入射离子(lz)在靶内的空间中将形成一个停止点的分布，这种分布即为射程分布；第19页/共134页第二十页，共134页。21（1 1）纵向）纵向(zn xin)(zn xin)分布分布在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶内的纵向浓度分布可取高斯在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶内的纵向浓度分布可取高斯(os)函数形式函数形式:（1）第20页/共134页第二十一页，共134页

15、。22v 由（1）式可求出注入(zh r)剂量Ns：（2）令则有 dx=RpdX，又因高斯分布的对称性可得，（3）则（4）将（4）代（1），则得（5）第21页/共134页第二十二页，共134页。23vv 与热扩散不同，这种形式的浓度分布与热扩散不同，这种形式的浓度分布(fnb)(fnb)，最大浓度分布最大浓度分布(fnb)(fnb)不是在样品表面，而是在靶不是在样品表面，而是在靶内平均投影射程内平均投影射程X=RpX=Rp处；处；vv v 在 两侧，离子浓度是对称下降的；v 理论上预期，部分离子因能量太小而将落在样品表面以外，若积累在样品表面，其表面实际浓度(nngd)要超过上式预计值；第22

16、页/共134页第二十三页，共134页。24N(x)/Nmax与(x-Rp)对应关系第23页/共134页第二十四页，共134页。25(2)横向效应：指的是注入离子在垂直入射方向平面内的分布(fnb)情况;横向效应直接(zhji)影响MOS晶体管的有效沟道长度。一束半径很小的离子束沿垂直于靶表面的X方向入射到各向同性的非晶靶内，注入离子的空间分布函数：式中，y、z分别为在Y方向和Z方向上的标准偏差；对非晶靶各向同性，因此(ync)，yzRt，Rt为横向离散；第24页/共134页第二十五页，共134页。26硼、磷、砷、锑在硅中的横向效应硼、磷、砷、锑在硅中的横向效应v 横向效应与注入(zh r)离子

17、的种类以及与注入(zh r)离子的能量有关；v 右图给出了由LSS理论计算得到的几种元素入射到无定形硅靶中横向离散与入射能量的关系第25页/共134页第二十六页，共134页。27 通过一窄窗口注入的离子(lz)在Y轴正方向的空间分布，可由下式求出：通过窄缝离子注入第26页/共134页第二十七页，共134页。285注入离子注入离子(lz)的实际分布的实际分布v 真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布;v 当轻离子(B)注入到Si中，会有较多的硼离子受到大角度的散射(背散射），就会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积，不服从严格的高斯分布;v 重离子(As)注入，碰撞(pn zhun)的结果导

18、致在比峰值位置更远一侧堆积，同样偏离于理想的高斯分布。第27页/共134页第二十八页，共134页。29 原因原因(yunyn)(yunyn)：v 在一级近似下所得到的高斯分布只是在峰值附近与实际分布符合较好，离开峰值位置较远时有较大偏离。这是因为高斯分布是在随机注入条件下得到的粗略结果；所以，经常要用到平均浓度 的概念v 杂质离子在电场中所获得的能量以及在靶中遭受(zoshu)碰撞和碰撞所损失的能量都是随机的，按一定的几率分布；第28页/共134页第二十九页，共134页。30小小 结结(1)注入离子在靶内的纵向浓度分布可取(kq)高斯函数形式(3)平均投影射程两边，注入(zh r)离子浓度对称

19、地下降离平均投影射程越远，浓度下降越快;(2)在平均投影射程x=Rp处有一最高浓度最大浓度与注入剂量(jling)关系:第29页/共134页第三十页，共134页。31 三三离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应 当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运动，不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以(ky)走得很远，这一现象称“沟道注入现象”或“沟道效应”。第30页/共134页第三十一页，共134页。32vv 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离LSSLSS理论在非晶理论在非晶体中的高斯分布，由图可见，浓度分布中出现一个体中的高斯分布，由图可见，浓度分布中

20、出现一个(y)(y)相相当长的当长的“尾巴尾巴”：40Kev40Kev磷离子注入磷离子注入到硅中的浓度分布到硅中的浓度分布 随着偏离角度的增大，第二个峰逐渐降低(jingd)，当偏离8时，第二峰完全消失。说明此时已不存在沟道离子，相当于注入非晶靶的情况。在对准注入时，分布曲线“尾巴”拖得很长，有两个峰值，表面的峰由非沟道离子形成；第二个峰则由沟道离子形成。第31页/共134页第三十二页，共134页。33v 注入离子入射到晶体(jngt)中的几种情况：沟道沟道(u do)(u do)临界角临界角（1 1）沟道）沟道(u do)(u do)离子开始消失的角度称临界角离子开始消失的角度称临界角（2

21、2）不同的离子，在硅中有不同的注入临界角）不同的离子，在硅中有不同的注入临界角不同离子在硅中的注入临界角不同离子在硅中的注入临界角(角度单位为角度单位为度度)第32页/共134页第三十三页，共134页。34 入射角入射角,非沟道非沟道(u do)(u do)离子离子;入射角略入射角略,准沟道准沟道(u do)(u do)离子离子;入射角入射角,沟道沟道(u do)(u do)离子；离子；离子注入到晶体中的几种情况v 影响沟道注入的因素很多，很难获得可重复的沟道注入分布(fnb)；因此，沟道注入无使用价值，注入时要避免；第33页/共134页第三十四页，共134页。35vv 减弱减弱(jinru)

22、(jinru)或消除沟道注入的措施：或消除沟道注入的措施：（1）提高样品温度（晶格震动加激，碰撞增多）；（2）增加注入剂量(晶格损伤增加，非晶层形成(xngchng)，沟道离子减少）；（3）入射离子偏离沟道轴向(110)710o；（4）表面用SiO2或Si3N4层掩膜;（5）用Si,Ge,F,Ar等离子注入使表面预非晶化，形成(xngchng)非晶层(Pre-amorphization)；第34页/共134页第三十五页，共134页。36四四离子注入和扩散离子注入和扩散(kusn)的比的比较较第35页/共134页第三十六页，共134页。375.3 离子注入损伤及其退火(tu hu)处理一，注入(

23、zh r)引起的辐射损伤(Si)SiSiI+SiVv 晶格损伤晶格损伤:高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞碰撞，可能使靶原子发生位移位移，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的空位间隙原子对空位间隙原子对及其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为辐射损伤辐射损伤。第36页/共134页第三十七页，共134页。38 二 损伤的形成与分布 晶格损伤与注入离子的能量、质量、靶温、剂量率及靶材等有着密切(mqi)的关系 与能量的关系 辐射损伤主要发生在核阻挡过程(guchng)E0Ec的低能区；辐射损伤可在注入离子的整个弹道上产生；在E0Ec时，入射

24、离子的能量越大，则辐射损伤越严重，且损伤深度也越大；第37页/共134页第三十八页，共134页。39 一个一个E0EcE0Ec的入射离子，在晶体中发生一系列碰撞后，的入射离子，在晶体中发生一系列碰撞后，产生产生(chnshng)(chnshng)的空位间隙原子对的数目近似为的空位间隙原子对的数目近似为 N(E)=0.42E0/Ed N(E)=0.42E0/Ed 式中，Ed=4Eb为有效位移阈能，Eb为断键能（对硅、锗,每一个位移原子需破裂四个最近邻的化学键形成空位(kn wi)间隙原子对）；N(E)约在103104之间；v 移位原子数目(shm)的估算第38页/共134页第三十九页，共134页

25、。40 与离子质量(zhling)关系 质量较靶原子轻的离子传给靶原子能量较小，散射角度较大，只能产生数量较少的位移靶原子，因此(ync)，入射离子运动方向的变化大，产生的损伤密度小，不重叠，但区域较大。呈锯齿状。重离子每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，可获得大能量的位移原子；入射离子的能量以核碰撞为主。同时，射程较短，在小体积内有较大损伤。重离子注入所造成的损伤区域小，损伤密度大。第39页/共134页第四十页，共134页。41注入离子形成的损伤（a）轻离子；（b）重离子第40页/共134页第四十一页，共134页。42与注入与注入(zh r)(zh r)剂量的关系剂量的关系 随着注入剂量的

26、增加，原来孤立的错乱区就开始相互搭接在一起，这种搭接会导致非晶层的形成；形成非晶层所需的剂量称为(chn wi)临界剂量；一般，离子质量数，临界剂量；与剂量率的关系与剂量率的关系 单位时间单位时间(shjin)(shjin)，通过单位面积注入的离子数。注入剂量一定时，剂量率越大，注入时间，通过单位面积注入的离子数。注入剂量一定时，剂量率越大，注入时间(shjin)(shjin)越短。通常，随着剂量率的增加，形成非晶层所需要的临界剂量将减小；越短。通常，随着剂量率的增加，形成非晶层所需要的临界剂量将减小；第41页/共134页第四十二页，共134页。43 在室温附近临界剂量与温度的倒数成指数关系，

27、随着靶温的升高(shn o)：温度愈高，愈不易产生损伤，临界剂量相应 与靶衬底温度与靶衬底温度(wnd)(wnd)的关系的关系与晶体取向的关系与晶体取向的关系在一定条件下，沿某一晶向入射，形成非晶层所需要的临界剂量在一定条件下，沿某一晶向入射，形成非晶层所需要的临界剂量(jling)高于随机入射；高于随机入射；硅靶形成非晶层的临界剂量与硅靶形成非晶层的临界剂量与靶温倒数的关系曲线靶温倒数的关系曲线第42页/共134页第四十三页，共134页。44三，损伤三，损伤(snshng)(snshng)退火退火(Damage Annealing(Damage Annealing）v 晶格损伤对器件性能的影

28、响v 增加了散射中心，使载流子迁移率下降；v 增加了缺陷数目，使少数载流子寿命减小，PN结反向漏电流也因此而增大；v 被注入离子往往处于(chy)半导体晶格的间隙位置，处于(chy)间隙状态的离子是非电活性的(起不到施主或受主的作用)；同时晶体结构也不同程度地受到破坏，甚至变为非晶区，这样，注入离子就根本谈不上替位与间隙。第43页/共134页第四十四页，共134页。451 1，损伤，损伤(snshng)(snshng)退火的目的退火的目的v 去除由注入去除由注入(zh r)(zh r)造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美的晶体结构；造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美的晶体结构；v 让杂质进入让杂

29、质进入(jnr)(jnr)电活性电活性(electric active)(electric active)位置替位置替 位位置；位位置；v 恢复少数载流子的寿命和迁移率；恢复少数载流子的寿命和迁移率；第44页/共134页第四十五页，共134页。462 2 原理原理(yunl(yunl)在较高温度下，原子震动能增大，导致(dozh)移动能力加强，可使复杂的损伤分解为点缺陷或其他形式的简单缺陷；这些结构简单的缺陷，在热处理温度下能以较高的迁移速度移动，当它们互相靠近时，就可能复合而使缺陷消失；对于非晶区域，损伤恢复首先发生在损伤区与单晶区的交界面，由单晶区向非晶区通过固相外延生长而使整个非晶区得以

30、恢复；第45页/共134页第四十六页，共134页。473 3 退火退火(tu hu)(tu hu)条件条件 退火温度和退火时间以及退火方式没有一个(y)统一的标准，都要根据实际情况而定。这是因为离子的质量、注入时的能量、剂量、剂量率，注入时靶温和样品的晶向等条件(tiojin)的不同，所产生的损伤程度、损伤区域的大小都会有很大差别；不同器件对电学参数（如少子寿命、迁移率等）恢复程度的要求与杂质的激活率是不同的；退火温度的选择还要考虑欲退火样品所允许的处理温度；第46页/共134页第四十七页，共134页。48 a/cSiinterfaceCrystallineSiAmorphousSi4 4 硅

31、基片的退火硅基片的退火(tu hu)(tu hu)特性特性v 400退火，部分无序群才开始分解，掺杂剂的激活(j hu)率只有2030%；v 550600退火，才能实现非晶区的重新结晶；杂质(zzh)原子也随着结晶区的形成而进入晶格位置，处于电激活状态；低剂量造成的损伤，一般在较低温度下退火即可消除；当剂量增加形成非晶区时：第47页/共134页第四十八页，共134页。49硅中杂质的激活能约硅中杂质的激活能约3.5ev3.5ev，而硅原子本身扩散激活能一，而硅原子本身扩散激活能一般为般为5.5ev5.5ev，即载流子激活所需要，即载流子激活所需要(xyo)(xyo)的温度比起寿命的温度比起寿命和

32、迁移率恢复所需要和迁移率恢复所需要(xyo)(xyo)的温度低；的温度低；v退火能激活杂质，即可以使样品的电阻率逐渐下降；v注入(zh r)离子的利用率当电阻率降至最低时，所对应的那部分离子占总的注入(zh r)离子的份数；v注入(zh r)离子的利用率因杂质种类的不同而不同，如，B、P的利用率几乎100%，但 As 的利用率仅为50%左右；第48页/共134页第四十九页，共134页。505 5，退火，退火(tu hu(tu hu)方法方法 热退火：把欲退火处理的硅片，在真空或是在N2、Ar高纯气体的保护下，加热到某一温度进行热处理；方法简单(jindn)；不能全部消除缺陷；对高剂量注入激活率

33、不够高；高温长时间退火导致杂质的再分布；快速热退火：Rapid Thermal Annealing(RTA)热源：高功率激光束、电子束，高强度光照等；主要优点：掺杂的再分布大大降低，对制备浅结器件特别有利；第49页/共134页第五十页，共134页。51两种快速两种快速(kuis)热热处理设备处理设备第50页/共134页第五十一页，共134页。525.45.4一一 CMOS CMOS制造制造(zhzo)(zhzo)（CMOS FabricationCMOS Fabrication）5.4 5.4 离子注入在集成电路离子注入在集成电路(jchng-(jchng-dinl)dinl)中的应用中的应用

34、v阈值电压的控制/调节 Threshold Voltage Control/Adjustmentv 沟道(u do)阻断注入 Channel Stop Implantationv 源/漏 形成 Source/Drain Formationv 阱形成 Well Formation第51页/共134页第五十二页，共134页。53 MOS晶体管阈值电压的控制(kngzh)由VT表达式可见(kjin)，影响VT的因素很多，经分析影响最大的一项是QB,则 式中，QB0和QB分别为注入前后衬底耗尽层内的空间电荷面密度。对MOS晶体管，栅电极可控范围仅是它下面极薄的沟道区，且注入层厚度相对最大耗尽层的宽度足

35、够小时，注入杂质可看作全部包含在耗尽层内；QB实际上近似等于单位面积注入的杂质数量；可见，只要适当控制注入剂量，即可得到(d do)希望的VT.。第52页/共134页第五十三页，共134页。54离子注入在离子注入在CMOSCMOS制造制造(zhzo)(zhzo)中的中的应用应用第53页/共134页第五十四页，共134页。55二 双极型制造(zhzo)(Bipolar Fabrication)v 形成基区注入(zh r)v 形成发射区注入(zh r)v 形成砷注入(zh r)多晶硅发射区v 高能注入(zh r)形成埋层 v 形成大电阻注入(zh r)v 形成多晶电阻第54页/共134页第五十五页

36、，共134页。56三三三三 其它其它其它其它(qt)(qt)应用应用应用应用 硅衬底背面损伤形成吸杂硅衬底背面损伤形成吸杂硅衬底背面损伤形成吸杂硅衬底背面损伤形成吸杂区区区区 Implantation Implantation三三 其它其它(qt)(qt)应用应用硅衬底背面损伤形成吸杂区硅衬底背面损伤形成吸杂区 Backside Damage Layer Formation for Backside Damage Layer Formation for GetteringGettering形成形成SOISOI结构结构 Silicon-on-Insulator Using Oxygen or S

37、ilicon-on-Insulator Using Oxygen or Nitrogen ImplantationNitrogen Implantation第55页/共134页第五十六页，共134页。575.5 离子注入系统(xtng)v 离子注入系统(xtng)的组成离子源离子源 （Ion Source)Ion Source)磁分析器磁分析器(Magnetic analyzer)(Magnetic analyzer)加速加速(ji s)(ji s)管管 （Accelerator)Accelerator)聚焦和扫描系统聚焦和扫描系统(Focus and Scan (Focus and Scan

38、 system)system)靶室和后台处理系统靶室和后台处理系统(Target Assembly)(Target Assembly)第56页/共134页第五十七页，共134页。58 从离子源引出的离子，经过加速管加速电位的加速使离子获得很高的能量，而后进入磁分析器使离子纯化，分析后的离子可再加速以提高离子的能量，再经过两维偏转扫描器使离子束均匀地注入到材料表面；用电荷积分仪可精确地测量注入离子的数量(shling)，调节注入离子的能量可精确地控制离子的注入深度。第57页/共134页第五十八页，共134页。59离子注入系统(xtng)的组成v 源(Source)：v 在半导体应用(yngyng

39、)中，为了操作方便,一般采用气体源，如 BF3,BCl3,PH3,ASH3等。如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它们的蒸汽，再导入放电区。v 离子源（Ion Source)v 产生注入离子束的发生器，灯丝(filament)发出的自由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器。第58页/共134页第五十九页，共134页。60vv 磁分析器磁分析器(magnet analyzer)(magnet analyzer)利用不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的不同将离子分离，选出所需的杂质(zzh)离子。被选离子束通过可

40、变狭缝，进入加速管。原理原理原理原理:在带电粒子速度垂直于均匀在带电粒子速度垂直于均匀在带电粒子速度垂直于均匀在带电粒子速度垂直于均匀(jnyn)(jnyn)(jnyn)(jnyn)磁场的情况下，洛仑兹力（即带电粒子作圆周运动时所受的向心力）可用下式表示磁场的情况下，洛仑兹力（即带电粒子作圆周运动时所受的向心力）可用下式表示磁场的情况下，洛仑兹力（即带电粒子作圆周运动时所受的向心力）可用下式表示磁场的情况下，洛仑兹力（即带电粒子作圆周运动时所受的向心力）可用下式表示式中，V:离子速度，q：离子电荷，M：离子质量，B：磁场强度(cchng qingd)，r：离子圆周运动的半径第59页/共134页

41、第六十页，共134页。61 离子(lz)速度与吸出电压(Extraction voltage）Vext成正比综合(zngh)两式，可以得到改变分析器的电流将可以选择改变分析器的电流将可以选择(xunz)具有不同质量的离子具有不同质量的离子B B I,I,磁场强度和电磁磁场强度和电磁线圈的电流成正比线圈的电流成正比第60页/共134页第六十一页，共134页。62 表明，不同(b tn)荷质比（q/M）的离子穿越磁分析器时，具有不同(b tn)的运动半径；第61页/共134页第六十二页，共134页。63v加速加速(ji s)(ji s)管管(Acceleration tube)(Accelerat

42、ion tube)Beam inVoltageBeam Out25 keV I+300 kV 325 keV25 keV I+300 kV?IonIon运动运动(yndng)(yndng)速速度：度：105ms-1105ms-125+3002=625KeV 用高价离子注入可以增加注入能量，使注入深度增加；但是(dnsh)由于高价离子产生较少，其束流较小 离子在静电场作用下加速到所需的能量。第62页/共134页第六十三页，共134页。64v 靶室和后台处理靶室和后台处理(chl)(chl)系统系统(Target Assembly)(Target Assembly)离子束离开加速管后进入控制区，先

43、由静电聚焦透镜(tujng)使其聚焦。再进行x-y两个方向扫描，然后进入偏转系统，束流被偏转注到靶上。vv 聚焦聚焦(jjio)(jjio)和扫描系统和扫描系统(deflection and (deflection and scanning)scanning)包括测量电荷的法拉第杯(Faradays cup)，全自动装片和卸片机构，以及控制电流和总电量 的微机。第63页/共134页第六十四页，共134页。65 设质量设质量M M，荷电，荷电zq(z zq(z 是离子荷电数，是离子荷电数，q q 是电子电荷量是电子电荷量)和能量和能量E E的离子束，通过扫描和光圈限定面积的离子束，通过扫描和光圈

44、限定面积A A，定义剂量，定义剂量 D D与积分与积分(jfn)(jfn)电荷量电荷量Q(Q(库仑库仑)的关系：的关系：vv 离子束的剂量离子束的剂量(jling)(jling)测量测量(7-4)(7-4)Dose=#ionscm2I tArea zq+Ions-VoltageWaferSecondary ElectronsIQCurrent MeterIntegratorFaraday cup第64页/共134页第六十五页，共134页。66Example:100 A beam of As swept over 10 cm x 10 cm(100 mm wafer)for 100 sec-19

45、2100 cm 1.6 10 coul/charge100 A x 100 secDose=6.2 x 10 /cm214 若增加离子注入剂量，可以(ky)采用长时间注入和高束流。第65页/共134页第六十六页，共134页。67v剂量剂量(jling)测量测量 注入离子的平均密度剂量(jling)/深度（DOSE/DEPTH）在上面的例子中，如果所有的离子在1 m深度范围内 典型的剂量范围在：1011/cm2-1015/cm2 (FOR DOPING)TO 1018/cm2(FOR LAYERS)典型的注入离子的平均(pngjn)密度范围在：1013/cm3-1021/cm3(FOR DOPI

46、NG)TO 1022/cm3(FOR LAYERS)DENSITY=6.2x1014/cm21m=6.2x1018/cm3第66页/共134页第六十七页，共134页。68第67页/共134页第六十八页，共134页。69v离子注入过程离子注入过程(guchng)演示演示第68页/共134页第六十九页，共134页。70v典型典型(dinxng)离子注入参数离子注入参数离子：P,As,Sb,B,In,O剂量：1011cm-2-1016cm-2能量(nngling)：5KeV 400KeV 可重复性和均匀性:1%温度：室温流量：1012-1014 cm-2s-1第69页/共134页第七十页，共134页

47、。71第70页/共134页第七十一页，共134页。72第六章第六章 光刻原光刻原理理(yunl)(yunl)和技和技术术第六章 光刻原理(yunl)和技术Lithography6.1 6.1 引引 言言6.2 6.2 光刻原理光刻原理6.3 6.3 光致抗蚀剂光致抗蚀剂6.4 6.4 光刻过程及其原理光刻过程及其原理6.5 6.5 先进先进(xinjn)(xinjn)的曝光技术的曝光技术6.6 6.6 光刻中的常见问题光刻中的常见问题第71页/共134页第七十二页，共134页。736.1 6.1 引言引言(ynyn)(ynyn)一 光刻：一种复印图象和化学腐蚀(fsh)相结合的综合性技术；6.

48、1 6.1 引言引言(ynyn)(ynyn)在硅片上涂一层光刻胶，经在硅片上涂一层光刻胶，经过曝光在某些区域感光，经显影过曝光在某些区域感光，经显影后留下胶膜的图形，再把这层胶后留下胶膜的图形，再把这层胶膜的图形作为掩膜，进一步对其膜的图形作为掩膜，进一步对其下的下的SiOSiO2 2进行腐蚀，或者进行进行腐蚀，或者进行离子注入等，把胶膜上的图形离子注入等，把胶膜上的图形转换到硅衬底的薄膜上去转换到硅衬底的薄膜上去。光刻示意图光刻示意图第72页/共134页第七十三页，共134页。74 1958年前后光刻技术在半导体器件制造中首次得到成功应用(yngyng)，研制成平面晶体管成为平面工艺的重要组

49、成部分，推动了IC的发明和飞速发展；1959年IC发明以来，IC不断小型化，其核心问题是不断缩小元器件尺寸，这主要归功于光刻技术(jsh)的进步；目前，已开始采用0.13微米或更细线宽的加工，大大提高了集成度；第73页/共134页第七十四页，共134页。75 高分辨率 高灵敏度 低缺陷 精密的套刻对准 大尺寸(ch cun)硅片上的加工二二 集成电路集成电路(jchng-dinl)(jchng-dinl)对光刻的对光刻的基本要求基本要求第74页/共134页第七十五页，共134页。76 器件结构的横向控制几乎(jh)全部由光刻来实现；平面晶体管制造平面晶体管制造(zhzo)工艺中的四工艺中的四次

50、光刻次光刻第75页/共134页第七十六页，共134页。77 光刻是IC制造业中最为关键的一道(ydo)工艺。每三年尺寸减每三年尺寸减小小0.7X.0.7X.硅片制造硅片制造(zhzo)(zhzo)工艺中，工艺中，光刻占所有成本光刻占所有成本的的35%35%?所在的地方所在的地方代表了代表了roadmaproadmap发发展的最大的不确展的最大的不确定性定性第76页/共134页第七十七页，共134页。786.2 6.2 光刻原理光刻原理(yunl)(yunl)Photo Resist CoatingMask&DUV Stepper ExposurePHOTOPhoto Resist Develo