《集成电路工艺原理》PPT课件.ppt

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1、集成电路工艺原理复 旦 大 学 微 电 子 研 究 院2003.8於伟峰 2 5.1 前 言 5.2 注 入 离 子 在 半 导 体 中 的 射 程 分 布 5.3 离 子 注 入 损 伤 及 其 退 火 处 理 5.4 离 子 注 入 在 集 成 电 路 中 的 应 用 5.5 离 子 注 入 系 统 3 5.1 前 言 5.1 前 言什 么 是 离 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

2、 ; 4 离子注入优点v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(1011-1017cm-2)和 能 量 (10-200KeV)来 达 到 ；v横 向 分 布 非 常 均 匀 (1% variation across 8 wafer)；v可 用 多 种 材 料 作 掩 膜 (如 金 属 、 光 刻 胶 、 介 质 .)，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 或深 结 高 浓 度 ；v低 温 过 程 （ 因

3、 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 ；v可 采 用 微 离 子 束 扫 描 实 现 无 掩 膜 选 择 注 入 ； 5 离子注入的局限性 v 会 产 生 缺 陷 ， 甚 至 非 晶 层 ， 必 须 经 高 温 退 火加 以 改 善 ；v 产 量 较 小 ；v 设 备 复 杂 ；v 有 不 安 全 因 素 (如 高 压 、 有 毒 气 体 )；v 会 引 入 沾 污 ； 6 任 何 一 个 入 射 离 子 在 靶 内 所 受 到 的 碰

4、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 离 子 在 靶 内 将 按 一 定 的 统 计 分 布 ； 7 一 有 关 射 程 的 概 念1， 射 程 R:离 子 在 靶 内 总 的 行 程 长 度 ；2， 投 影 射 程 Rp:R在 入 射 方 向 上

5、的 投 影 ； 8 3 射 程 分 布 以 平 均 投 影 射 程 Rp、 及 其 标 准 偏 差 Rp和横 向 标 准 偏 差 R描 述 。 PP RR N 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 ；22 2 2( )p p p p pR R R R R 横 向 标 准 偏 差 R 垂 直 入 射 方 向 平 面 内 的 标 准 偏差 ； 9 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 Sc

6、hiott首 先 确 立了 注 入 离 子 在 靶 内 分 布 的 理 论 ， 简 称 LSS理 论 。v 该 理 论 认 为 ， 入 射 离 子 在 靶 内 的 能 量 损 失 分 为 两 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 )；v总 能 量 损 失 为 两 者 的 和 ； 10 v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

7、级 ， 每 次 碰 撞 后 ， 入 射 离 子 都 可 能 发 生 大 角 度 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(nuclear stopping) 11 v 电 子 碰 撞 入 射 离 子 与 靶 内 自 由 电 子 以 及 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

8、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(electron stopping) 12 v 注入离子如何在体内静止？ 注 入 离 子 通 过 库 仑 散 射 (Coulomb Scattering)失 去 能 量 从 而 静 止 离 子 和 靶 内 的 自 由 电 子 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

9、作 用 (通 常 对 重 离 子 和低 能 量 注 入 离 子 ） ； 13 2 核 阻 挡 本 领 与 电 子 阻 挡 本 领 入 射 离 子在 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 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 的 概 率 。 电 子 阻 挡 本 领 ： 来 自 原 子 之 间 的 电 子 阻 止 ， 属 于非 弹 性 碰 撞 ； 核 阻 挡 本 领 ： 来 自 原 子 核 之 间 的 阻 止 ， 属 于 原 子

10、核 之 间 的 弹 性 碰 撞 ； 14 设 一 个 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 ： 1( ) ( )e edES E N dx能 量 随 距 离 损 失 的 平 均 速 率 则 为 ： )E(S)E(SNdxdE en 式 中 , N:靶 原 子 密 度 51022cm-3 for Si； 知 道 了 阻挡 本 领 ， 即 可 求 出 入 射 离 子 在 靶 内 运 动 的 总 路 程 R: 0E0 enR0 )E(S)E(S dEN1dxR 1( ) ( )n ndES E N dx则

11、 ， 核 阻 挡 本 领 就 定 义 为 ： 15 3 射 程 的 粗 略 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 dx距 离 时 ， 传 递 给 所有 原 子 核 的 总 能 量 ， 可 以 通 过 对 各 种 可 能 的 碰 撞 参数 积 分 求 得 ： 0 ( , )2nE Ndx T E p pdp 则 ， 核 阻 挡 表 达 式 变 为0 0( ) ( , )2 ( , )n n nS E T

12、 E p pdp T E p d 其 中 2 p， 为 微 分 散 射 截 面 ； 16 已 知 入 射 离 子 与 靶 原 子 核 间 相 互 作 用 的 势 能 关 系即 可 求 得 Sn(E); 0 15 21 2 12/3 2/3 1/21 2 1 2( ) 2.8 10 ( )( )n Z Z mS E eVcmZ Z m m 如 果 选 用 一 个 与 距 离 r平 方 成 反 比 的 势 能 函 数 ， 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

13、分 别 为 入 射 离 子 和 靶 离 子 的 原 子 序 数 ；m1和 m2分 别 为 入 射 离 子 和 靶 原 子 的 质 量 ； 17 v LSS理 论 对 电 子 阻 挡 本 领 作 一 级 近 似 ， 在 常 用 注 入离 子 范 围 内 电 子 阻 挡 本 领 Se(E)与 入 射 离 子 的 速 度 成正 比 ， 即 与 入 射 离 子 能 量 的 平 方 根 成 正 K取 决 于 入 射 粒 子 和 靶 材 料 ， 在 粗 略 近 似 下 ， 对 无定 形 硅 靶 ： 1/2eS CV KE 15 1/2 20.2 10 ( )SiK ev cm 18 v图 中 给 出 了

14、Se(E)和 Sn(E)与 E之 间 的 关 系 ， 在 E2处核 阻 挡 和 电 子 阻 挡 相 等 ； 对 不 同 材 料 的 靶 和 入 射 离子 E2不 等 。 19 （ 1） 低 能 区 (入 射 离 子 能 量 E0 Se(E)E(S)E(SNdxdE en ndE NSdx 则 0 00E n nEdEx NS NS v 对 于 Si靶 ， N=5 1022/cm3 1/3 1 2 01 2 10.7 M MZx EZZ M v 实 验 表 明 ， 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

15、约 大 2倍 。 所 以 ，上 述 假 定 适 合 于 重 离 子 注 入 的 情 况 。 20 1/2 1/22 0 020 x K E E (2) 高 能 区 （ 入 射 离 子 能 量 E0E2):此 时 ， 电 子 阻 挡本 领 占 优 ， 核 阻 挡 可 忽 略 ， 这 时 入 射 离 子 在 Si中 的 射程 与 初 始 能 量 E0的 平 方 根 成 正 比 21 4 入 射 离 子 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 不 是 R， 而 是 平 均 投 影 射 程 Rp；

16、v射 程 分 布 注 入 离 子 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 在 靶 内 的 射 程 也是 不 同 的 。 这 些 入 射 离 子 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 ； 22 （ 1） 纵 向 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

17、 斯 函 数 形 式 :2max 1( ) exp 2 ppx RN x N R （ 1） 23 v 由 （ 1） 式 可 求 出 注 入 剂 量 Ns： 2max0 0 1( ) exp ( )2 pS px RN N x dx N dxR （ 2）令 ppx RX R 则 有 dx= RpdX ， 又 因 高 斯 分 布 的 对 称 性可 得 ， 2max max max02 2 22xS P P PN N R e dX N R N R （ 3）则 max 0.42 S SPPN NN RR （ 4）将 （ 4） 代 （ 1） ， 则 得 21( ) exp ( )22 S P PPN x

18、 RN x RR （ 5） 24 v 与 热 扩 散 不 同 ， 这 种 形 式 的 浓 度 分 布 ， 最 大 浓 度分 布 不 是 在 样 品 表 面 ， 而 是 在 靶 内 平 均 投 影 射 程X=Rp处 ； max 0.42 s sppN NN RR v 在 两 侧 ， 离 子 浓 度是 对 称 下 降 的 ； PX Rv 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 要 超 过 上 式 预 计 值 ； 25 N(x)/Nmax与 (x-Rp)对 应 关 系 26 (2

19、) 横 向 效 应 ： 指 的 是 注 入 离 子 在 垂 直 入 射 方 向 平面 内 的 分 布 情 况 ; 横 向 效 应 直 接 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 ： 22 23/2 2 2 2( )1 1( , , ) exp(2 ) 2 PP Px Ry zf x y z R y z y z R 式 中 ， y、 z分 别 为 在 Y方 向 和 Z方 向 上 的 标 准偏 差 ； 对

20、非 晶 靶 各 向 同 性 ， 因 此 ， y z Rt ， Rt为 横 向 离 散 ； 27硼 、 磷 、 砷 、 锑 在 硅 中 的 横 向 效 应 v 横 向 效 应 与 注 入离 子 的 种 类 以 及 与 注入 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 28 通 过 一 窄 窗 口 注 入 的 离 子 在 Y轴 正 方 向 的 空 间 分布 ， 可 由 下 式 求 出 ： 201/2 1 1( , , ) exp ( )(2 ) 2 2pp

21、px RQ y aN x y z erfcR R y 通 过 窄 缝 离 子注 入 29 5 注 入 离 子 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 的 结 果 导 致 在 比 峰 值 位 置更 远 一 侧 堆 积 ， 同 样

22、偏 离 于 理 想 的 高 斯 分 布 。 3001 ( )jX sj jNN N X dXX X 原 因 ： Nv 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 碰 撞 和 碰 撞 所 损 失 的 能 量 都 是 随 机

23、的 ， 按 一 定 的几 率 分 布 ； 31 小 结 ppP RQ4.0R2QC 2max 1( ) exp 2 ppx RN x N R (1)注 入 离 子 在 靶 内 的 纵 向 浓 度 分 布 可 取 高 斯 函 数 形 式(3) 平 均 投 影 射 程 两 边 ， 注 入 离 子浓 度 对 称 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 关 系 : 32 三 离 子 注 入 的 沟 道 效 应 当 离 子 沿 晶 轴 方 向 注 入 时 ， 大

24、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 走 得 很 远 ， 这 一 现 象 称 “ 沟道 注 入 现 象 ” 或 “ 沟 道 效 应 ” 。 33 v 由 于 沟 道 效 应 的 存 在 ， 在 晶 体 中 注 入 将 偏 离 LSS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 相 当 长 的 “ 尾 巴 ” ： 40Kev磷 离 子 注 入到 硅 中 的 浓 度 分 布 随 着 偏 离 角 度 的增 大 ， 第 二 个 峰 逐 渐 降 低 ，当 偏 离 8

25、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 。 34 v 注 入 离 子 入 射 到 晶 体 中 的 几 种 情 况 ：沟 道 临 界 角（ 1） 沟 道 离 子 开 始 消 失 的 角 度 称 临 界 角 （ 2） 不 同 的 离 子 ， 在 硅 中 有 不 同 的 注 入 临 界 角不 同 离 子 在 硅 中

26、 的 注 入 临 界 角 (角 度 单 位 为 度 ) 35 入 射 角 ,非 沟 道 离 子 ; 入 射 角 略 ,准 沟 道 离 子 ; 入 射 角 ,沟 道 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 ； 因 此 ， 沟 道 注 入 无 使 用 价 值 ， 注 入 时 要避 免 ； 36 v 减 弱 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

27、 损 伤 增 加 ， 非 晶 层 形 成 ，沟 道 离 子 减 少 ） ；（ 3） 入 射 离 子 偏 离 沟 道 轴 向 (110)7 10o；（ 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 非 晶 层 (Pre-amorphization)； 37 四 离 子 注 入 和 扩 散 的 比 较 38 5.3 离 子 注 入 损 伤 及 其 退 火 处 理一 ， 注 入 引 起 的 辐 射 损 伤(Si) SiSiI + SiVv 晶 格 损 伤 :高 能 离 子 注 入 硅 片 后 与

28、 靶 原 子 发 生 一系 列 碰 撞 ， 可 能 使 靶 原 子 发 生 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 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 。 39 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 的 关 系 与 能 量 的 关 系v 辐 射 损 伤 主 要

29、 发 生 在 核 阻 挡 过 程 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 离 子 的 能 量 越 大 ， 则 辐 射 损 伤越 严 重 ， 且 损 伤 深 度 也 越 大 ； 40 一 个 E0Ec的 入 射 离 子 ， 在 晶 体 中 发 生 一 系 列 碰 撞后 ， 产 生 的 空 位 间 隙 原 子 对 的 数 目 近 似 为 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

30、个 最 近 邻 的 化 学 键 形 成空 位 间 隙 原 子 对 ） ； N(E)约 在 103 104之 间 ； v 移 位 原 子 数 目 的 估 算 41 与 离 子 质 量 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 ，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

31、 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 。 42注 入 离 子 形 成 的 损 伤 （ a） 轻 离 子 ； （ b） 重 离 子 43 与 注 入 剂 量 的 关 系 随 着 注 入 剂 量 的 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

32、 临 界 剂 量 ； 一 般 ， 离 子 质 量 数 ， 临 界 剂 量 ；与 剂 量 率 的 关 系 单 位 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 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 ； 44 在 室 温 附 近 临 界 剂 量 与温 度 的 倒 数 成 指 数 关 系 ，随 着 靶 温 的 升 高 ： 温 度 愈 高 ， 愈 不 易 产生 损 伤 ， 临 界 剂 量 相 应 与 靶 衬 底 温 度 的 关 系与

33、 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 高 于 随 机 入 射 ； 硅 靶 形 成 非 晶 层 的 临 界 剂 量 与靶 温 倒 数 的 关 系 曲 线 45 v 晶 格 损 伤 对 器 件 性 能 的 影 响 增 加 了 散 射 中 心 ， 使 载 流 子 迁 移 率 下 降 ； 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 半 导 体 晶 格 的 间 隙 位 置 ， 处于 间

34、 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 。 46 1， 损 伤 退 火 的 目 的v 去 除 由 注 入 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 电 活 性 (electric active)位 置 替 位 位 置 ；v 恢 复 少 数 载 流 子 的 寿 命 和 迁 移 率 ； 47 2 原 理

35、在 较 高 温 度 下 ， 原 子 震 动 能 增 大 ， 导 致 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 恢 复

36、； 48 3 退 火 条 件 退 火 温 度 和 退 火 时 间 以 及 退 火 方 式 没 有 一 个 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 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

37、 度 的 选 择 还 要 考 虑 欲 退 火 样 品 所 允 许 的 处 理温 度 ； 49 a/cSiinterfaceCrystallineSiAmorphousSi4 硅 基 片 的 退 火 特 性v 400 退 火 ， 部 分 无 序 群 才 开 始 分 解 ， 掺 杂 剂 的 激 活 率 只有 20 30%；v 550 600 退 火 ， 才 能 实 现 非 晶 区 的 重 新 结 晶 ； 杂 质 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

38、 消 除 ； 当 剂 量 增 加 形 成 非 晶 区 时 ： 50 硅 中 杂 质 的 激 活 能 约 3.5ev， 而 硅 原 子 本 身 扩 散 激活 能 一 般 为 5.5ev， 即 载 流 子 激 活 所 需 要 的 温 度 比起 寿 命 和 迁 移 率 恢 复 所 需 要 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 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 离 子 的 份 数 ；v注 入 离 子 的 利 用 率 因 杂 质 种 类 的

39、 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 ； 51 5， 退 火 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 ；v 方 法 简 单 ；v 不 能 全 部 消 除 缺 陷 ；v 对 高 剂 量 注 入 激 活 率 不 够 高 ；v 高 温 长 时 间 退 火 导 致 杂 质 的 再 分 布 ； 快 速 热 退 火 ： Rapid Thermal Annealing (RTA)v 热

40、 源 ： 高 功 率 激 光 束 、 电 子 束 ， 高 强 度 光 照 等 ；v 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 ； 52 两 种 快 速 热 处 理 设 备 53 5.4一 CMOS制 造 （ CMOS Fabrication） 5.4 离 子 注 入 在 集 成 电 路 中 的 应 用v阈 值 电 压 的 控 制 /调 节 Threshold Voltage Control /Adjustmentv 沟 道 阻 断 注 入 Channel Stop Implantationv 源 /漏 形 成 Source /Dr

41、ain Formationv 阱 形 成 Well Formation 54 MOS晶 体 管 阈 值 电 压 的 控 制 0 0ss BT ms s Q QV C C 由 VT表 达 式 可 见 ， 影 响 VT的 因 素 很 多 ， 经 分 析 影 响最 大 的 一 项 是 QB, 则 0BT QV C 0B B BQ Q Q 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

42、 宽 度 足 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 希 望 的 VT.。 55离 子 注 入 在 CMOS制 造 中 的 应 用 56 2 双 极 型 制 造 (Bipolar Fabrication)v 形 成 基 区 注 入 v 形 成 发 射 区 注 入 v 形 成 砷 注 入 多 晶 硅 发 射 区v 高 能 注 入 形 成 埋 层 v 形 成 大 电 阻 注 入 v 形 成 多 晶 电 阻 5

43、7 三 其 它 应 用 硅 衬 底 背 面 损 伤 形 成 吸 杂 区 Implantation三 其 它 应 用 硅 衬 底 背 面 损 伤 形 成 吸 杂 区 Backside Damage Layer Formation for Gettering 形 成 SOI结 构 Silicon-on-Insulator Using Oxygen or Nitrogen Implantation 58 5.5 离 子 注 入 系 统v 离 子 注 入 系 统 的 组 成 离 子 源 （ Ion Source) 磁 分 析 器 (Magnetic analyzer) 加 速 管 （ Accelera

44、tor) 聚 焦 和 扫 描 系 统 (Focus and Scan system) 靶 室 和 后 台 处 理 系 统 (Target Assembly) 59 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 ，

45、调 节 注 入 离 子 的 能 量 可 精 确 地 控 制 离 子 的 注 入 深 度 。 60 离 子 注 入 系 统 的 组 成v 源 (Source)： 在 半 导 体 应 用 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) 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

46、 ， 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 。 61 v 磁 分 析 器 (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 离 子 。 被 选 离 子 束 通过 可 变 狭 缝 ， 进 入 加 速 管 。 在 带 电 粒 子 速 度 垂 直 于 均 匀 磁 场 的 情 况 下 ，洛 仑 兹 力 （ 即 带 电 粒 子 作

47、 圆 周 运 动 时 所 受 的 向 心 力 ）可 用 下 式 表 示qvBrMv 2 式 中 ， V :离 子 速 度 ， q： 离 子电 荷 ， M： 离 子 质 量 ， B： 磁 场强 度 ， r： 离 子 圆 周 运 动 的 半 径 62 离 子 速 度 与 吸 出 电 压 (Extraction voltage） Vext成 正 比综 合 两 式 ， 可 以 得 到 extVqMBqBMvr 21 MqVMEv ext22 改 变 分 析 器 的 电 流 将 可 以 选 择 具 有 不 同 质 量 的 离 子I)r(E2qr)I(E2qBrE2qM B I,磁 场 强 度 和电 磁

48、线 圈 的 电 流 成 正比 63 extVqMBqBMvr 21 表 明 ， 不 同 荷 质 比 （ q / M） 的 离 子 穿 越 磁 分 析 器时 ， 具 有 不 同 的 运 动 半 径 ； 64 v 加 速 管 (Acceleration tube) Out + -high voltage Beam InBeam in Voltage Beam Out25 keV I+ 300 kV 325 keV25 keV I+ 300 kV ? Ion运 动 速 度 ：105ms-125+3002=625KeV 用 高 价 离 子 注 入 可 以 增 加 注 入 能 量 ， 使 注 入 深 度

49、 增加 ； 但 是 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 。 65Neutral TrapY Scan Plates X Scan Plates To Target Chamber Neutrals Not Detected and Hit Stop Inv 靶 室 和 后 台 处 理 系 统 (Target Assembly) 离 子 束 离 开 加 速 管 后 进 入 控 制 区 ， 先 由 静 电 聚 焦透 镜 使 其 聚 焦 。 再 进 行 x-y两 个 方 向 扫 描 ， 然 后 进 入偏

50、转 系 统 ， 束 流 被 偏 转 注 到 靶 上 。v 聚 焦 和 扫 描 系 统 (deflection and scanning ) 包 括 测 量 电 荷 的 法 拉 第 杯 (Faraday s cup)， 全自 动 装 片 和 卸 片 机 构 ， 以 及 控 制 电 流 和 总 电 量 的 微机 。 66 设 质 量 M， 荷 电 zq (z 是 离 子 荷 电 数 ， q 是 电 子 电荷 量 )和 能 量 E的 离 子 束 ， 通 过 扫 描 和 光 圈 限 定 面 积 A，定 义 剂 量 D与 积 分 电 荷 量 Q(库 仑 )的 关 系 ：dtzqIA1zqAQD v 离

51、子 束 的 剂 量 测 量(7-4)(7-4) Dose = =# ionscm2 I tArea zq+ Ions- Voltage WaferSecondary Electrons I QCurrent Meter IntegratorFaraday cup 67 Example: 100 A beam of As swept over 10 cm x 10 cm(100 mm wafer) for 100 sec-192100 cm 1.6 10 coul/charge100 A x 100 secDose = = 6.2 x 10 /cm214 若 增 加 离 子 注 入 剂 量 ，

52、可 以 采 用 长 时 间 注 入 和高 束 流 。 68 v剂 量 测 量 注 入 离 子 的 平 均 密 度 剂 量 /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 密 度 范 围 在 ： 1013 /cm3 - 1021 /cm3 (FOR DOPING) TO 10 22 /cm3 (FOR LAYERS)DENS

53、ITY = 6.2x1014/cm2 1m = 6.2x1018/cm3 69 70 v离 子 注 入 过 程 演 示 71 v 典型离子注入参数离 子 ： P, As, Sb, B, In, O剂 量 ： 1011cm-2-1016cm-2能 量 ： 5KeV 400KeV 可 重 复 性 和 均 匀 性 : 1%温 度 ： 室 温流 量 ： 1012-1014 cm-2s-1 72 73 第 六 章 光 刻 原 理 和 技 术第六章 光刻原理和技术Lithography 6.1 引 言 6.2 光 刻 原 理 6.3 光 致 抗 蚀 剂 6.4 光 刻 过 程 及 其 原 理 6.5 先

54、进 的 曝 光 技 术 6.6 光 刻 中 的 常 见 问 题 74 一 光 刻 ： 一 种 复 印 图 象 和 化 学 腐 蚀 相 结 合 的 综 合 性技 术 ； 在 硅 片 上 涂 一 层 光 刻 胶 ，经 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 膜 的 图 形 作 为 掩 膜 ， 进一 步 对 其 下 的 SiO2进 行 腐 蚀 ，或 者 进 行 离 子 注 入 等 ， 把 胶 膜上 的 图 形 转 换 到 硅 衬 底 的 薄 膜上 去 。 光 刻 示 意 图 75 1958年 前 后 光 刻 技 术 在 半 导 体

55、器 件 制 造 中 首 次 得到 成 功 应 用 ， 研 制 成 平 面 晶 体 管 成 为 平 面 工 艺 的 重要 组 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 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 ； 76 v 高 分 辨 率v 高 灵 敏 度v 低 缺 陷v 精 密 的 套 刻 对 准v 大 尺 寸 硅 片

56、上 的 加 工二 集 成 电 路 对 光 刻 的 基 本 要 求 77 器 件 结 构 的 横向 控 制 几 乎 全 部由 光 刻 来 实 现 ； 平 面 晶 体 管 制 造 工 艺中 的 四 次 光 刻 78 光 刻 是 IC制 造 业 中 最 为 关 键 的 一 道 工 艺 。 每 三 年 尺 寸 减 小0.7X. 硅 片 制 造 工 艺 中 ，光 刻 占 所 有 成 本的 35% ?所 在 的 地 方 代表 了 roadmap发 展的 最 大 的 不 确 定性 79 6.2 光 刻 原 理Photo Resist Coating Mask 对 光 刻 胶 进 行 曝 光 ; 曝 光 分

57、类 ： 接 触 式 (Contact)， 接 近 式 (Proximity)和 投 影 式 (Projection) 1:1ExposureSystems Usually4Xor5XReduction 87 (1) 接 触 式 曝 光 Contact printing 掩 膜 版 和 硅 片 紧 密 接 触 Fresnel diffraction; Mask Image: Resist Image = 1:1,不 受 衍 射 现 象 限 制 , 分 辨 率高 ， 可 达 到 0.5 m ; 必 须 加 压 力 ， 会 使 胶 膜 剥 离 ； 易 沾 污 ， 掩 膜 版 易 损 坏 成 品 率

58、下降 。 目 前 在 生 产 中 很 少 使 用 ; 由 于 光 刻 胶 顶 层 平 面 不 平 ， 所 以 该 曝 光 方 式 中 间 隔 并 不 严 格 为 0; 88 (2) 接 近 式 曝 光 proximity printing 掩 膜 版 和 硅 片 有 一 小 的 间 隙 的 d有 衍 射 效 应 ； 最 小 线 宽 : W m= (d )1/2 d:间 隔 ； ： 光 源 波 长 ; d=10m, I-line (365nm) W 2m； 间 隔 变 大 ， 图 像 质 量 变 差 。 89 v 接 近 式 曝 光 所 引 起 的 近 场 衍 射 ： 在 掩 膜 版 孔 径 边

59、 缘 ， 强 度 逐 渐 上 升 。 因 为 光 的 衍射 效 应 ， 在 孔 径 外 面 的 光 也 曝 光 了 ; 在 孔 径 尺 寸 内 ， 光 强 有 起 伏 这 是 因 为 惠 更 斯 衍 射效 应 的 极 大 极 小 效 应 的 叠 加 ； 90 (3) 投 影 光 刻 projection printing 把 掩 膜 上 的 图 形 由 透 镜 投 影 到光 刻 胶 上 ， 免 去 了 接 触 磨 碰 引 入的 工 艺 缺 陷 ; 掩 膜 版 不 易 损 坏 ; 为 了 提 高 分 辨 率 ， 减 少 图 形 畸变 ， 一 次 曝 光 的 象 场 较 小 ， 采 用扫 描 式

60、曝 光 ; Fraunhofer diffraction 91 三 种 曝 光 系 统 比 较 当 间 隔 为 0时 ， 接 触 式 曝 光 。 理 想 图 形 ； 有 一 定 间 隔 时 ， 接 近 式 曝 光 ； 有 透 镜 系 统 时 ， 投 影曝 光 ; 92 93 3 光 致 抗 蚀 剂 (Photo-Resist) 光 致 抗 蚀 剂 即 光 刻 胶 ， 它 由 感 光 剂 、 树 脂 和 溶 剂等 组 成 ； 感 光 剂 ： 一 种 对 光 辐 照 敏 感 的 高 分 子 材 料 ； 树 脂 ： 不 受 光 照 影 响 ， 起 和 衬 底 的 粘 合 作 用 和 抗 蚀作 用 ；

61、 溶 剂 ： 使 光 刻 胶 保 持 液 态 ； 光 刻 胶 对 一 定 波 长 的 光 敏 感 ， 光 照 后 ， 它 吸 收 一定 波 长 的 光 能 量 ， 发 生 光 化 学 反 应 ， 使 光 刻 胶 变 性 起到 抗 蚀 或 阻 挡 作 用 ； 94 6.3 光 致 抗 蚀 剂 (Photo-Resist)一 光 刻 胶 种 类 光 刻 胶 有 正 性 光 刻 胶 (Positive optical resist)和 负 性 光 刻 胶 (Negative optical resist)两 类 ；1 正 性 光 刻 胶 v正 胶 的 光 化 学 性 质 是 从 抗 溶解 到 可 溶

62、 性 ， 即 曝 光 后 显 影时 被 感 光 的 胶 层 溶 解 ；v正 胶 光 刻 ， 可 在 衬 低 表 面 得到 与 掩 模 版 遮 光 图 案 完 全 相同 的 保 护 胶 层 ；v现 有 VLSI工 艺 都 采 用 正 胶 95 曝 光 使 感 光 材 料(PAC)中 分 子 裂 解 ，被 裂 解 的 分 子 在 显影 液 中 很 易 溶 解 ，从 而 与 未 曝 光 部 分形 成 强 烈 反 差 。 正 胶 机 制 96 2 负 性 光 刻 胶 （ Negative Optical resist） 负 胶 的 光 学 性 能 是 从 可 溶 解 性 到 不 溶 解 性 ； 即 在

63、 曝 光 后 发 生交 链 作 用 形 成 网 络 结 构 ， 在 显 影 液 中 很 少 被 溶 解 ， 而 未 被 曝 光的 部 分 充 分 溶 解 ； 负 胶 光 刻 时 ， 在 基 片 表 面 得 到 与 光 刻 掩 模 版 遮 光 图 案 完 全 相反 的 保 护 膜 ； 97 3 正 胶 和 负 胶 的 比 较v 正 胶a)分 辨 率 高 （ 小 于 1微 米 ） ；b)抗 干 法 刻 蚀 能 力 强 ；c)较 好 的 热 稳 定 性 ；v 负 胶a) 对 基 片 粘 附 性 好 ；b) 曝 光 时 间 短 ， 产 量 高 ；c) 工 艺 宽 容 度 较 高 （ 显 影 液 稀 释

64、 度 、 温 度 等 ） ；d) 价 格 较 低 （ 约 为 正 胶 的 三 分 之 一 ） ； 98 二 光 致 抗 蚀 剂 性 能 参 数v 分 辨 率 (resolution)v 敏 感 度 (Sensitivity)v 对 比 度 (Contrast) v 光 谱 相 应 曲 线 (Spectral response curve)v 抗 腐 蚀 特 性 99 （ 1） 光 刻 胶 的 分 辨 率 R： 表 征 光 刻 精 度 的 标 志 之 一正 胶 的 分 辨 率 较 负 胶 好 ， 一 般 2m以 下 工 艺 用 正 胶 ;保 证 抗 蚀 性 性 能 的 情 况 下 ， 胶 越 薄

65、 ， 分 辨 率 越 高 ;图 形 的 分 辨 率 主 要 和 曝 光 系 统 有 关 ;1 光 学 性 质v 通 常 以 每 毫 米 内 能 刻 蚀 出 可 分 辨 的 最 多 线 条（ 线 宽 与 线 条 间 距 相 等 ） 数 目 来 表 示 ； 设 线 宽 与线 条 间 距 均 为 L 11 ( )2R m mL 则 100 （ 2） 灵 敏 度 S (Sensitivity)：式 中 ， h为 比 例 常 数 ； E为 曝 光 量 ， 单 位 是 勒 克 斯 秒 ，I为 照 射 光 强 度 ， t为 曝 光 时 间 ； 光 刻 胶 对 不 同 波 长 的 光 源 ， 其 灵 敏 度

66、不 同 ；h hS E It v 灵 敏 度 S又 称 感 光 度 ， 其 反 映 光 刻 胶 对 光 敏 感 程度 的 性 能 指 标 ； S越 高 ， 曝 光 时 间 越 短 ； 101 2 机 械 化 学 性 质（ 1） 粘 附 性v 影 响 粘 附 性 的 因 素 ： 光 刻 胶 本 身 的 性 质 疏 水 性 ； 衬 底 性 质 及 表 面 状 态 ； 光 刻 工 艺 条 件 ；（ 2） 抗 蚀 性 与 光 刻 胶 本 身 性 质 有 关 针 孔 密 度 、 粘 附 性 、刻 蚀 能 力 ； 与 工 艺 条 件 有 关 干 法 ， 湿 法 ； 102 （ 3） 稳 定 性v 不 发 生 暗 反 应 ；v 不 发 生 热 交 联 ；（ 4） 光 照 、 显 影 后 不 留 固 体 残 渣 ； 103 理 想 光 刻 胶 应 满 足 的 要 求 104 一 光 刻 工 艺 流 程 衬底处理 substrate cleaning 前烘 pre-bake 曝光 expose 涂胶 spin coat 去胶 strip 后烘 post-bake 显影 develop 刻蚀 etch 6