第3章集成電路工藝原理

第3章集成電路工藝原理第一頁，共135頁。第五章離子注入(IonImplantation)§5.1前言§5.2注入離子在半導(dǎo)體中的射程分布§5.3離子注入損傷及其退火處理

§5.4離子注入在集成電路中的應(yīng)用§5.5離子注入系統(tǒng)2第二頁，共135頁。§5.1前言第五章離子注入(IonImplantation)§5.1前言

什么是離子注入

將某種元素的原子經(jīng)離化變成帶電的離子在強(qiáng)電場中加速，獲得較高的動能后，射入材料（靶）表層以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì);3第三頁，共135頁。離子注入優(yōu)點(diǎn)

注入元素純度高，即雜質(zhì)單一性；各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度可通過控制摻雜劑量(1011-1017cm-2)和能量(10-200KeV)來達(dá)到；橫向分布非常均勻(1%variationacross8″wafer)；可用多種材料作掩膜(如金屬、光刻膠、介質(zhì).)，可防止沾污，自由度大；表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度或深結(jié)高濃度；低溫過程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高溫過程引起的熱擴(kuò)散，有利于集成度提高；容易實(shí)現(xiàn)化合物半導(dǎo)體的摻雜；可采用微離子束掃描實(shí)現(xiàn)無掩膜選擇注入；4第四頁，共135頁。離子注入的局限性

會產(chǎn)生缺陷，甚至非晶層，必須經(jīng)高溫退火加以改善；產(chǎn)量較小；設(shè)備復(fù)雜；有不安全因素(如高壓、有毒氣體)；會引入沾污；5第五頁，共135頁?！?.2注入離子在半導(dǎo)體中的射程分布

任何一個入射離子在靶內(nèi)所受到的碰撞是一個隨機(jī)過程。各個離子在靶內(nèi)發(fā)生的碰撞，每次碰撞的偏轉(zhuǎn)角、相鄰兩次碰撞之間的行程，以及離子在靶內(nèi)所運(yùn)動的行程長度等都是不同的；如注入的離子數(shù)量很小，則它們在靶內(nèi)的分布很散，如注入大量的離子，這些離子在靶內(nèi)將按一定的統(tǒng)計分布；6第六頁，共135頁。一有關(guān)射程的概念1，射程R:離子在靶內(nèi)總的行程長度；2，投影射程Rp:R在入射方向上的投影；7第七頁，共135頁。

3射程分布以平均投影射程Rp、及其標(biāo)準(zhǔn)偏差Rp和橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差R描述。平均投影射程:(N：入射離子總數(shù)）標(biāo)準(zhǔn)偏差Rp—投影射程的平均偏差；橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差R—垂直入射方向平面內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差；8第八頁，共135頁。二非晶靶中的射程分布1，注入離子在靶內(nèi)分布的理論—LSS理論1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布的理論，簡稱LSS理論。該理論認(rèn)為，入射離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個彼此獨(dú)立的過程：(1)入射離子與原子核的碰撞(核阻擋)；(2)與電子(自由電子和束縛電子)碰撞(電子阻擋)；總能量損失為兩者的和；9第九頁，共135頁。

核阻擋—入射離子與靶內(nèi)原子核之間的相互碰撞；由于入射離子與靶內(nèi)原子核的質(zhì)量處在同一數(shù)量級，每次碰撞后，入射離子都可能發(fā)生大角度散射，并失去一定的能量；靶原子核也因碰撞而獲得能量，一旦其獲得的能量大于原子束縛能，它就會離開原來所在的位置，進(jìn)入晶格間隙，并留下一個空位，形成缺陷；核碰撞(nuclearstopping)10第十頁，共135頁。電子碰撞—入射離子與靶內(nèi)自由電子以及束縛電子之間的碰撞，這種碰撞能瞬時形成空穴－電子對；由于兩者的質(zhì)量相差非常大，每次碰撞離子能量損失較小，且都是小角度散射。散射方向是隨機(jī)的，多次散射結(jié)果，入射方向基本不變。電子碰撞(electronstopping)11第十一頁，共135頁。注入離子如何在體內(nèi)靜止？

注入離子通過庫侖散射(CoulombScattering)失去能量從而靜止離子和靶內(nèi)的自由電子及束縛電子相互作用(通常對較輕的離子和高能量注入）；離子和靶內(nèi)原子核作用(通常對重離子和低能量注入離子）；12第十二頁，共135頁。

2核阻擋本領(lǐng)與電子阻擋本領(lǐng)—入射離子在靶內(nèi)能量損失的具體情況阻擋本領(lǐng)(stoppingpower)：材料對入射離子阻止能量的大小用阻擋本領(lǐng)來衡量。阻擋本領(lǐng)表示離子在靶子中受到阻止的概率。電子阻擋本領(lǐng)：來自原子之間的電子阻止，屬于非彈性碰撞；核阻擋本領(lǐng)：來自原子核之間的阻止，屬于原子核之間的彈性碰撞；13第十三頁，共135頁。設(shè)一個入射離子在其運(yùn)動路程上任一點(diǎn)x處的能量為E,同樣，電子阻擋本領(lǐng)就定義為：能量隨距離損失的平均速率則為：式中,N:靶原子密度～51022cm-3forSi；知道了阻擋本領(lǐng)，即可求出入射離子在靶內(nèi)運(yùn)動的總路程R:則，核阻擋本領(lǐng)就定義為：14第十四頁，共135頁。3射程的粗略計算

在解得入射離子同靶內(nèi)任何一個原子發(fā)生彈性碰撞時所傳遞的能量Tn(E,p)時，一粒注入離子進(jìn)入原子密度為N的無定形靶內(nèi)，通過dx距離時，傳遞給所有原子核的總能量，可以通過對各種可能的碰撞參數(shù)積分求得：則，核阻擋表達(dá)式變?yōu)槠渲笑遥?πp，為微分散射截面；15第十五頁，共135頁。已知入射離子與靶原子核間相互作用的勢能關(guān)系即可求得Sn(E);如果選用一個與距離r平方成反比的勢能函數(shù)，其核阻擋能量損失率是一個固定值，即原子核阻擋本領(lǐng)Sn(E)與入射粒子的能量E無關(guān)，這時式中，Z1和Z2分別為入射離子和靶離子的原子序數(shù)；m1和m2分別為入射離子和靶原子的質(zhì)量；16第十六頁，共135頁。LSS理論對電子阻擋本領(lǐng)作一級近似，在常用注入離子范圍內(nèi)電子阻擋本領(lǐng)Se(E)與入射離子的速度成正比，即與入射離子能量的平方根成正K取決于入射粒子和靶材料，在粗略近似下，對無定形硅靶：17第十七頁，共135頁。圖中給出了Se(E)和Sn(E)與E之間的關(guān)系，在E2處核阻擋和電子阻擋相等；對不同材料的靶和入射離子E2不等。

18第十八頁，共135頁。（1）低能區(qū)(入射離子能量E0<<E2):此時，核阻擋本領(lǐng)起主要作用，即Sn(E)>Se(E)∵∴則

對于Si靶，N=5х1022/cm3∴

實(shí)驗(yàn)表明，該式給出的射程，對重離子很精確，誤差在10%以內(nèi)；但對輕離子卻比實(shí)際值約大2倍。所以，上述假定適合于重離子注入的情況。19第十九頁，共135頁。(2)

高能區(qū)（入射離子能量E0>>E2):此時，電子阻擋本領(lǐng)占優(yōu)，核阻擋可忽略，這時入射離子在Si中的射程與初始能量E0的平方根成正比20第二十頁，共135頁。4入射離子的濃度分布注入離子在靶內(nèi)的射程R，雖然能反映其注入的深度，但實(shí)際上測得的量不是R，而是平均投影射程Rp；射程分布注入離子與靶的原子核和電子的碰撞及每次碰撞所損失的能量都是隨機(jī)的，無一定的規(guī)律，所以，即使具有相同能量和方向的同一種離子在靶內(nèi)的射程也是不同的。這些入射離子在靶內(nèi)的空間中將形成一個停止點(diǎn)的分布，這種分布即為射程分布；21第二十一頁，共135頁。（1）縱向分布

在忽略橫向離散效應(yīng)和一級近似下，注入離子在靶內(nèi)的縱向濃度分布可取高斯函數(shù)形式:（1）22第二十二頁，共135頁。由（1）式可求出注入劑量Ns：（2）令則有dx=ΔRpdX，又因高斯分布的對稱性可得，（3）則（4）將（4）代（1），則得（5）23第二十三頁，共135頁。與熱擴(kuò)散不同，這種形式的濃度分布，最大濃度分布不是在樣品表面，而是在靶內(nèi)平均投影射程X=Rp處；

在兩側(cè)，離子濃度是對稱下降的；

理論上預(yù)期，部分離子因能量太小而將落在樣品表面以外，若積累在樣品表面，其表面實(shí)際濃度要超過上式預(yù)計值；24第二十四頁，共135頁。N(x)/Nmax與(x-Rp)對應(yīng)關(guān)系25第二十五頁，共135頁。(2)橫向效應(yīng)：指的是注入離子在垂直入射方向平面內(nèi)的分布情況;

橫向效應(yīng)直接影響MOS晶體管的有效溝道長度。一束半徑很小的離子束沿垂直于靶表面的X方向入射到各向同性的非晶靶內(nèi)，注入離子的空間分布函數(shù)：式中，Δy、Δz分別為在Y方向和Z方向上的標(biāo)準(zhǔn)偏差；對非晶靶各向同性，因此，Δy＝Δz＝ΔRt，ΔRt為橫向離散；26第二十六頁，共135頁。硼、磷、砷、銻在硅中的橫向效應(yīng)

橫向效應(yīng)與注入離子的種類以及與注入離子的能量有關(guān)；右圖給出了由LSS理論計算得到的幾種元素入射到無定形硅靶中橫向離散與入射能量的關(guān)系27第二十七頁，共135頁。通過一窄窗口注入的離子在Y軸正方向的空間分布，可由下式求出：通過窄縫離子注入28第二十八頁，共135頁。5注入離子的實(shí)際分布真實(shí)分布非常復(fù)雜，不服從嚴(yán)格的高斯分布;當(dāng)輕離子(B)注入到Si中，會有較多的硼離子受到大角度的散射(背散射），就會引起在峰值位置與表面一側(cè)有較多的離子堆積，不服從嚴(yán)格的高斯分布;重離子(As)注入，碰撞的結(jié)果導(dǎo)致在比峰值位置更遠(yuǎn)一側(cè)堆積，同樣偏離于理想的高斯分布。29第二十九頁，共135頁。

原因：在一級近似下所得到的高斯分布只是在峰值附近與實(shí)際分布符合較好，離開峰值位置較遠(yuǎn)時有較大偏離。這是因?yàn)楦咚狗植际窃陔S機(jī)注入條件下得到的粗略結(jié)果；所以，經(jīng)常要用到平均濃度的概念雜質(zhì)離子在電場中所獲得的能量以及在靶中遭受碰撞和碰撞所損失的能量都是隨機(jī)的，按一定的幾率分布；30第三十頁，共135頁。

小結(jié)(1)注入離子在靶內(nèi)的縱向濃度分布可取高斯函數(shù)形式(3)平均投影射程兩邊，注入離子濃度對稱地下降離平均投影射程越遠(yuǎn)，濃度下降越快;(2)在平均投影射程x=Rp處有一最高濃度最大濃度與注入劑量關(guān)系:31第三十一頁，共135頁。

三離子注入的溝道效應(yīng)

當(dāng)離子沿晶軸方向注入時，大部分離子將沿溝道運(yùn)動，不會受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠(yuǎn)，這一現(xiàn)象稱“溝道注入現(xiàn)象”或“溝道效應(yīng)”。32第三十二頁，共135頁。

由于溝道效應(yīng)的存在，在晶體中注入將偏離LSS理論在非晶體中的高斯分布，由圖可見，濃度分布中出現(xiàn)一個相當(dāng)長的“尾巴”：40Kev磷離子注入到硅中的濃度分布隨著偏離<110>角度的增大，第二個峰逐漸降低，當(dāng)偏離<110>8o時，第二峰完全消失。說明此時已不存在溝道離子，相當(dāng)于注入非晶靶的情況。在對準(zhǔn)<110>注入時，分布曲線“尾巴”拖得很長，有兩個峰值，表面的峰由非溝道離子形成；第二個峰則由溝道離子形成。33第三十三頁，共135頁。

注入離子入射到晶體中的幾種情況：溝道臨界角（1）溝道離子開始消失的角度稱臨界角φ（2）不同的離子，在硅中有不同的注入臨界角不同離子在硅中的注入臨界角(角度單位為度)34第三十四頁，共135頁。入射角>φ,非溝道離子;入射角略<φ,準(zhǔn)溝道離子;入射角<φ,溝道離子；離子注入到晶體中的幾種情況影響溝道注入的因素很多，很難獲得可重復(fù)的溝道注入分布；因此，溝道注入無使用價值，注入時要避免；35第三十五頁，共135頁。減弱或消除溝道注入的措施：（1）提高樣品溫度（晶格震動加激，碰撞增多）；（2）增加注入劑量(晶格損傷增加，非晶層形成，溝道離子減少）；（3）入射離子偏離溝道軸向(110)7－10o；（4）表面用SiO2或Si3N4層掩膜;（5）用Si,Ge,F,Ar等離子注入使表面預(yù)非晶化，形成非晶層(Pre-amorphization)；36第三十六頁，共135頁。四離子注入和擴(kuò)散的比較37第三十七頁，共135頁?！?.3離子注入損傷及其退火處理一，注入引起的輻射損傷(Si)SiSiI+SiV

晶格損傷:高能離子注入硅片后與靶原子發(fā)生一系列碰撞，可能使靶原子發(fā)生位移，被位移原子還可能把能量依次傳給其它原子，結(jié)果產(chǎn)生一系列的空位－間隙原子對及其它類型晶格無序的分布。這種因?yàn)殡x子注入所引起的簡單或復(fù)雜的缺陷統(tǒng)稱為輻射損傷。38第三十八頁，共135頁。

二損傷的形成與分布晶格損傷與注入離子的能量、質(zhì)量、靶溫、劑量率及靶材等有著密切的關(guān)系

與能量的關(guān)系輻射損傷主要發(fā)生在核阻擋過程E0<<Ec的低能區(qū)；輻射損傷可在注入離子的整個彈道上產(chǎn)生；在E0<<Ec時，入射離子的能量越大，則輻射損傷越嚴(yán)重，且損傷深度也越大；39第三十九頁，共135頁。一個E0<<Ec的入射離子，在晶體中發(fā)生一系列碰撞后，產(chǎn)生的空位－間隙原子對的數(shù)目近似為N(E)=0.42E0/Ed式中，Ed=4Eb為有效位移閾能，Eb為斷鍵能（對硅、鍺,每一個位移原子需破裂四個最近鄰的化學(xué)鍵形成空位－間隙原子對）；N(E)約在103－104之間；

移位原子數(shù)目的估算40第四十頁，共135頁。

與離子質(zhì)量關(guān)系質(zhì)量較靶原子輕的離子傳給靶原子能量較小，散射角度較大，只能產(chǎn)生數(shù)量較少的位移靶原子，因此，入射離子運(yùn)動方向的變化大，產(chǎn)生的損傷密度小，不重疊，但區(qū)域較大。呈鋸齒狀。重離子每次碰撞傳輸給靶的能量較大，散射角小，可獲得大能量的位移原子；入射離子的能量以核碰撞為主。同時，射程較短，在小體積內(nèi)有較大損傷。重離子注入所造成的損傷區(qū)域小，損傷密度大。41第四十一頁，共135頁。注入離子形成的損傷（a）輕離子；（b）重離子42第四十二頁，共135頁。與注入劑量的關(guān)系隨著注入劑量的增加，原來孤立的錯亂區(qū)就開始相互搭接在一起，這種搭接會導(dǎo)致非晶層的形成；形成非晶層所需的劑量稱為臨界劑量；一般，

離子質(zhì)量數(shù)↑，臨界劑量↓；與劑量率的關(guān)系單位時間，通過單位面積注入的離子數(shù)。注入劑量一定時，劑量率越大，注入時間越短。通常，隨著劑量率的增加，形成非晶層所需要的臨界劑量將減??；43第四十三頁，共135頁。

在室溫附近臨界劑量與溫度的倒數(shù)成指數(shù)關(guān)系，隨著靶溫的升高：溫度愈高↑，愈不易產(chǎn)生損傷，臨界劑量相應(yīng)↑

與靶襯底溫度的關(guān)系與晶體取向的關(guān)系

在一定條件下，沿某一晶向入射，形成非晶層所需要的臨界劑量高于隨機(jī)入射；硅靶形成非晶層的臨界劑量與靶溫倒數(shù)的關(guān)系曲線44第四十四頁，共135頁。三，損傷退火(DamageAnnealing）晶格損傷對器件性能的影響增加了散射中心，使載流子遷移率下降；增加了缺陷數(shù)目，使少數(shù)載流子壽命減小，PN結(jié)反向漏電流也因此而增大；被注入離子往往處于半導(dǎo)體晶格的間隙位置，處于間隙狀態(tài)的離子是非電活性的(起不到施主或受主的作用)；同時晶體結(jié)構(gòu)也不同程度地受到破壞，甚至變?yōu)榉蔷^(qū)，這樣，注入離子就根本談不上替位與間隙。45第四十五頁，共135頁。1，損傷退火的目的去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復(fù)其原有完美的晶體結(jié)構(gòu)；讓雜質(zhì)進(jìn)入電活性(electricactive)位置－替位位置；恢復(fù)少數(shù)載流子的壽命和遷移率；46第四十六頁，共135頁。2原理在較高溫度下，原子震動能增大，導(dǎo)致移動能力加強(qiáng)，可使復(fù)雜的損傷分解為點(diǎn)缺陷或其他形式的簡單缺陷；這些結(jié)構(gòu)簡單的缺陷，在熱處理溫度下能以較高的遷移速度移動，當(dāng)它們互相靠近時，就可能復(fù)合而使缺陷消失；對于非晶區(qū)域，損傷恢復(fù)首先發(fā)生在損傷區(qū)與單晶區(qū)的交界面，由單晶區(qū)向非晶區(qū)通過固相外延生長而使整個非晶區(qū)得以恢復(fù)；47第四十七頁，共135頁。3退火條件

退火溫度和退火時間以及退火方式?jīng)]有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，都要根據(jù)實(shí)際情況而定。這是因?yàn)殡x子的質(zhì)量、注入時的能量、劑量、劑量率，注入時靶溫和樣品的晶向等條件的不同，所產(chǎn)生的損傷程度、損傷區(qū)域的大小都會有很大差別；不同器件對電學(xué)參數(shù)（如少子壽命、遷移率等）恢復(fù)程度的要求與雜質(zhì)的激活率是不同的；退火溫度的選擇還要考慮欲退火樣品所允許的處理溫度；48第四十八頁，共135頁。

a/cSiinterfaceCrystallineSiAmorphousSi4硅基片的退火特性400℃退火，部分無序群才開始分解，摻雜劑的激活率只有20－30%；550－600℃退火，才能實(shí)現(xiàn)非晶區(qū)的重新結(jié)晶；雜質(zhì)原子也隨著結(jié)晶區(qū)的形成而進(jìn)入晶格位置，處于電激活狀態(tài)；低劑量造成的損傷，一般在較低溫度下退火即可消除；當(dāng)劑量增加形成非晶區(qū)時：49第四十九頁，共135頁。硅中雜質(zhì)的激活能約3.5ev，而硅原子本身擴(kuò)散激活能一般為5.5ev，即載流子激活所需要的溫度比起壽命和遷移率恢復(fù)所需要的溫度低；退火能激活雜質(zhì)，即可以使樣品的電阻率逐漸下降；注入離子的利用率－當(dāng)電阻率降至最低時，所對應(yīng)的那部分離子占總的注入離子的份數(shù)；注入離子的利用率因雜質(zhì)種類的不同而不同，如，B、P的利用率幾乎100%，但As的利用率僅為50%左右；50第五十頁，共135頁。5，退火方法熱退火：把欲退火處理的硅片，在真空或是在N2、Ar高純氣體的保護(hù)下，加熱到某一溫度進(jìn)行熱處理；方法簡單；不能全部消除缺陷；對高劑量注入激活率不夠高；高溫長時間退火導(dǎo)致雜質(zhì)的再分布；快速熱退火：RapidThermalAnnealing(RTA)熱源：高功率激光束、電子束，高強(qiáng)度光照等；主要優(yōu)點(diǎn)：摻雜的再分布大大降低，對制備淺結(jié)器件特別有利；

51第五十一頁，共135頁。兩種快速熱處理設(shè)備52第五十二頁，共135頁。§5.4一CMOS制造（CMOSFabrication）§5.4離子注入在集成電路中的應(yīng)用閾值電壓的控制/調(diào)節(jié)ThresholdVoltageControl/Adjustment溝道阻斷注入ChannelStopImplantation源/漏形成Source/DrainFormation阱形成WellFormation53第五十三頁，共135頁。

MOS晶體管閾值電壓的控制由VT表達(dá)式可見，影響VT的因素很多，經(jīng)分析影響最大的一項是QB,則

式中，QB0和QB分別為注入前后襯底耗盡層內(nèi)的空間電荷面密度。對MOS晶體管，柵電極可控范圍僅是它下面極薄的溝道區(qū)，且注入層厚度相對最大耗盡層的寬度足夠小時，注入雜質(zhì)可看作全部包含在耗盡層內(nèi)；△QB實(shí)際上近似等于單位面積注入的雜質(zhì)數(shù)量；可見，只要適當(dāng)控制注入劑量，即可得到希望的VT.。54第五十四頁，共135頁。離子注入在CMOS制造中的應(yīng)用55第五十五頁，共135頁。

雙極型制造(BipolarFabrication)形成基區(qū)注入形成發(fā)射區(qū)注入形成砷注入多晶硅發(fā)射區(qū)高能注入形成埋層形成大電阻注入形成多晶電阻56第五十六頁，共135頁。三其它應(yīng)用

硅襯底背面損傷形成吸雜區(qū)

Implantation

三其它應(yīng)用硅襯底背面損傷形成吸雜區(qū)BacksideDamageLayerFormationforGettering形成SOI結(jié)構(gòu)Silicon-on-InsulatorUsingOxygenorNitrogenImplantation57第五十七頁，共135頁?！?.5離子注入系統(tǒng)

離子注入系統(tǒng)的組成離子源（IonSource)磁分析器(Magneticanalyzer)加速管（Accelerator)聚焦和掃描系統(tǒng)(FocusandScansystem)靶室和后臺處理系統(tǒng)(TargetAssembly)58第五十八頁，共135頁。

從離子源引出的離子，經(jīng)過加速管加速電位的加速使離子獲得很高的能量，而后進(jìn)入磁分析器使離子純化，分析后的離子可再加速以提高離子的能量，再經(jīng)過兩維偏轉(zhuǎn)掃描器使離子束均勻地注入到材料表面；用電荷積分儀可精確地測量注入離子的數(shù)量，調(diào)節(jié)注入離子的能量可精確地控制離子的注入深度。59第五十九頁，共135頁。離子注入系統(tǒng)的組成

源(Source)：

在半導(dǎo)體應(yīng)用中，為了操作方便,一般采用氣體源，如BF3,BCl3,PH3,ASH3等。如用固體或液體做源材料，一般先加熱，得到它們的蒸汽，再導(dǎo)入放電區(qū)。

離子源（IonSource)

產(chǎn)生注入離子束的發(fā)生器，燈絲(filament)發(fā)出的自由電子在電磁場作用下，獲得足夠的能量后撞擊分子或原子，使它們電離成離子，再經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器。60第六十頁，共135頁。

磁分析器(magnetanalyzer)

利用不同荷質(zhì)比的離子在磁場下運(yùn)動軌跡的不同將離子分離，選出所需的雜質(zhì)離子。被選離子束通過可變狹縫，進(jìn)入加速管。

原理:在帶電粒子速度垂直于均勻磁場的情況下，洛侖茲力（即帶電粒子作圓周運(yùn)動時所受的向心力）可用下式表示式中，V

:離子速度，q：離子電荷，M：離子質(zhì)量，B：磁場強(qiáng)度，r：離子圓周運(yùn)動的半徑61第六十一頁，共135頁。離子速度與吸出電壓(Extractionvoltage）Vext成正比綜合兩式，可以得到改變分析器的電流將可以選擇具有不同質(zhì)量的離子B＝I,磁場強(qiáng)度和電磁線圈的電流成正比62第六十二頁，共135頁。表明，不同荷質(zhì)比（q/M）的離子穿越磁分析器時，具有不同的運(yùn)動半徑；63第六十三頁，共135頁。加速管(Accelerationtube)Beamin

Voltage

BeamOut25keVI+ 300kV 325keV25keVI++ 300kV ?Ion運(yùn)動速度：105ms-125+3002=625KeV用高價離子注入可以增加注入能量，使注入深度增加；但是由于高價離子產(chǎn)生較少，其束流較小離子在靜電場作用下加速到所需的能量。64第六十四頁，共135頁。

靶室和后臺處理系統(tǒng)(TargetAssembly)

離子束離開加速管后進(jìn)入控制區(qū)，先由靜電聚焦透鏡使其聚焦。再進(jìn)行x-y兩個方向掃描，然后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，束流被偏轉(zhuǎn)注到靶上。

聚焦和掃描系統(tǒng)(deflectionandscanning)

包括測量電荷的法拉第杯(Faraday’scup)，全自動裝片和卸片機(jī)構(gòu)，以及控制電流和總電量的微機(jī)。65第六十五頁，共135頁。設(shè)質(zhì)量M，荷電zq(z是離子荷電數(shù)，q是電子電荷量)和能量E的離子束，通過掃描和光圈限定面積A，定義劑量D與積分電荷量Q(庫侖)的關(guān)系：

離子束的劑量測量(7-4)(7-4)Dose==#ionscm2I·tArea·zq+Ions-VoltageWaferSecondaryElectronsIQCurrentMeterIntegratorFaradaycup66第六十六頁，共135頁。Example:100μAbeamofAssweptover10cmx10cm(100mmwafer)for100sec-192100cm×1.6×10coul/charge100μAx100secDose==6.2x10/cm214若增加離子注入劑量，可以采用長時間注入和高束流。67第六十七頁，共135頁。

劑量測量注入離子的平均密度≈劑量/深度（DOSE/DEPTH）在上面的例子中，如果所有的離子在1μm深度范圍內(nèi)典型的劑量范圍在：1011/cm2-

1015/cm2(FORDOPING)TO1018/cm2(FORLAYERS)典型的注入離子的平均密度范圍在：1013/cm3-1021/cm3(FORDOPING)TO1022/cm3(FORLAYERS)DENSITY=6.2x1014/cm2÷1μm=6.2x1018/cm368第六十八頁，共135頁。69第六十九頁，共135頁。

離子注入過程演示70第七十頁，共135頁。典型離子注入?yún)?shù)離子：P,As,Sb,B,In,O劑量：1011cm-2-1016cm-2能量：5KeV–400KeV可重復(fù)性和均勻性:±1%溫度：室溫流量：1012-1014cm-2s-171第七十一頁，共135頁。72第七十二頁，共135頁。第六章光刻原理和技術(shù)第六章光刻原理和技術(shù)

－Lithography§6.1引言§6.2光刻原理§6.3光致抗蝕劑§6.4光刻過程及其原理§6.5先進(jìn)的曝光技術(shù)§6.6光刻中的常見問題73第七十三頁，共135頁?！?.1引言

一光刻：一種復(fù)印圖象和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的綜合性技術(shù)；§6.1引言在硅片上涂一層光刻膠，經(jīng)過曝光在某些區(qū)域感光，經(jīng)顯影后留下膠膜的圖形，再把這層膠膜的圖形作為掩膜，進(jìn)一步對其下的SiO2進(jìn)行腐蝕，或者進(jìn)行離子注入等，把膠膜上的圖形轉(zhuǎn)換到硅襯底的薄膜上去。光刻示意圖74第七十四頁，共135頁。

1958年前后光刻技術(shù)在半導(dǎo)體器件制造中首次得到成功應(yīng)用，研制成平面晶體管成為平面工藝的重要組成部分，推動了IC的發(fā)明和飛速發(fā)展；1959年IC發(fā)明以來，IC不斷小型化，其核心問題是不斷縮小元器件尺寸，這主要?dú)w功于光刻技術(shù)的進(jìn)步；目前，已開始采用0.13微米或更細(xì)線寬的加工，大大提高了集成度；75第七十五頁，共135頁。

高分辨率高靈敏度低缺陷精密的套刻對準(zhǔn)大尺寸硅片上的加工二集成電路對光刻的基本要求76第七十六頁，共135頁。器件結(jié)構(gòu)的橫向控制幾乎全部由光刻來實(shí)現(xiàn)；

平面晶體管制造工藝中的四次光刻77第七十七頁，共135頁。

光刻是IC制造業(yè)中最為關(guān)鍵的一道工藝。每三年尺寸減小0.7X.硅片制造工藝中，光刻占所有成本的35%??所在的地方代表了roadmap發(fā)展的最大的不確定性78第七十八頁，共135頁?！?.2光刻原理PhotoResistCoatingMask&DUVStepperExposurePHOTOPhotoResistDevelopmentPHOTOEtching(Wet/Dry)PhotoResistStrippingETCHFilmDepositionRawmaterialThinFilmThinFilm-PHOTO-ETCHPhysicallayerformationcycle79第七十九頁，共135頁。一光刻技術(shù)可分為三個部分

光源(lightsources)曝光系統(tǒng)(exposuresystem)光刻膠(photoresist)80第八十頁，共135頁。能量(光源):引起光刻膠化學(xué)反應(yīng)，改變光刻膠溶解速率；掩模版(mask):對光進(jìn)行掩模，在光刻膠上制造掩模版的圖形對準(zhǔn)系統(tǒng)(Aligner):在硅片上把掩模版和以前的圖形對準(zhǔn)。光刻膠(Resist):把圖形從掩模版轉(zhuǎn)移到硅片。襯底(substrate)：具有以前的掩模版圖形的基片。81第八十一頁，共135頁。1光源（LightSource）光刻中所用的曝光光源是光、電子、離子和X射線等各種粒子束。從量子物理的角度看，光刻的分辨率限制是光的衍射；用光學(xué)方法可以得到的最細(xì)線條（1）式對其它粒子同樣適用。（1）則，（2）∴∵p=mv且p=h/λ82第八十二頁，共135頁。

由（2）式可見：

若粒子束的能量E給定后，粒子的質(zhì)量m愈大，則△L愈小，因而分辨率愈高；以電子和離子作比較，顯然，在同一能量下后者的分辨率高于前者；m一定，即給定一種粒子，其動能E愈高，則△L愈小、分辨率愈高；這已成為當(dāng)今提高電子束曝光分辨率的一條重要探索途徑。

因此，減小器件特征尺寸(featuresize),要求采用短波長的光源！83第八十三頁，共135頁。幾種光的波長范圍84第八十四頁，共135頁。

g-line:=436nm,usedfor0.5umproductioni-line:=365nm,usedfor0.35umproductionKrF:=248nm,usedfor0.25-0.18umproductionArF:=193nm,usedfor0.13-0.10umproductionOpticallithograpyX-ray:=0.5nm,E-beam:=0.062nm,Ion-beam:=0.012nm,Advancedlithograpy85第八十五頁，共135頁。

2硅片曝光系統(tǒng)(Waferexposuresystem)

完成前后兩次光刻圖形的精密套刻;對光刻膠進(jìn)行曝光;曝光分類：接觸式(Contact)，接近式(Proximity)和投影式(Projection)1:1ExposureSystemsUsually4Xor5XReduction86第八十六頁，共135頁。(1)接觸式曝光Contactprinting掩膜版和硅片緊密接觸–Fresneldiffraction;MaskImage:ResistImage=1:1,不受衍射現(xiàn)象限制,分辨率高，可達(dá)到0.5m;必須加壓力，會使膠膜剝離；易沾污，掩膜版易損壞成品率下降。目前在生產(chǎn)中很少使用;由于光刻膠頂層平面不平，所以該曝光方式中間隔并不嚴(yán)格為0;87第八十七頁，共135頁。(2)接近式曝光－proximityprinting掩膜版和硅片有一小的間隙的d—有衍射效應(yīng)；最小線寬:Wm=(dλ)1/2d:間隔；λ：光源波長;d=10m,I-line(365nm)W2m；間隔變大，圖像質(zhì)量變差。88第八十八頁，共135頁。接近式曝光所引起的近場衍射：

在掩膜版孔徑邊緣，強(qiáng)度逐漸上升。因?yàn)楣獾难苌湫?yīng)，在孔徑外面的光也曝光了;在孔徑尺寸內(nèi)，光強(qiáng)有起伏這是因?yàn)榛莞寡苌湫?yīng)的極大－極小效應(yīng)的疊加；89第八十九頁，共135頁。(3)投影光刻—projectionprinting把掩膜上的圖形由透鏡投影到光刻膠上，免去了接觸磨碰引入的工藝缺陷;掩膜版不易損壞;為了提高分辨率，減少圖形畸變，一次曝光的象場較小，采用掃描式曝光;Fraunhoferdiffraction90第九十頁，共135頁。

三種曝光系統(tǒng)比較當(dāng)間隔為0時，接觸式曝光。理想圖形；有一定間隔時，接近式曝光；有透鏡系統(tǒng)時，投影曝光;91第九十一頁，共135頁。92第九十二頁，共135頁。3光致抗蝕劑(Photo-Resist)光致抗蝕劑即光刻膠，它由感光劑、樹脂和溶劑等組成；感光劑：一種對光輻照敏感的高分子材料；樹脂：不受光照影響，起和襯底的粘合作用和抗蝕作用；溶劑：使光刻膠保持液態(tài)；

光刻膠對一定波長的光敏感，光照后，它吸收一定波長的光能量，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，使光刻膠變性起到抗蝕或阻擋作用；93第九十三頁，共135頁?！?.3光致抗蝕劑(Photo-Resist)一光刻膠種類光刻膠有正性光刻膠(Positiveopticalresist)和負(fù)性光刻膠(Negativeopticalresist)兩類；1正性光刻膠正膠的光化學(xué)性質(zhì)是從抗溶解到可溶性，即曝光后顯影時被感光的膠層溶解；正膠光刻，可在襯低表面得到與掩模版遮光圖案完全相同的保護(hù)膠層；現(xiàn)有VLSI工藝都采用正膠94第九十四頁，共135頁。曝光使感光材料(PAC)中分子裂解，被裂解的分子在顯影液中很易溶解，從而與未曝光部分形成強(qiáng)烈反差。

正膠機(jī)制95第九十五頁，共135頁。2負(fù)性光刻膠（NegativeOpticalresist）負(fù)膠的光學(xué)性能是從可溶解性到不溶解性；即在曝光后發(fā)生交鏈作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在顯影液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解；負(fù)膠光刻時，在基片表面得到與光刻掩模版遮光圖案完全相反的保護(hù)膜；96第九十六頁，共135頁。3正膠和負(fù)膠的比較

正膠a)分辨率高（小于1微米）；b)抗干法刻蝕能力強(qiáng)；c)較好的熱穩(wěn)定性；負(fù)膠a)對基片粘附性好；b)曝光時間短，產(chǎn)量高；c)工藝寬容度較高（顯影液稀釋度、溫度等）；d)價格較低（約為正膠的三分之一）；97第九十七頁，共135頁。二光致抗蝕劑性能參數(shù)分辨率(resolution)敏感度(Sensitivity)對比度(Contrast)光譜相應(yīng)曲線(Spectralresponsecurve)抗腐蝕特性98第九十八頁，共135頁。（1）光刻膠的分辨率R：表征光刻精度的標(biāo)志之一

正膠的分辨率較負(fù)膠好，一般2m以下工藝用正膠;保證抗蝕性性能的情況下，膠越薄，分辨率越高;圖形的分辨率主要和曝光系統(tǒng)有關(guān);1光學(xué)性質(zhì)通常以每毫米內(nèi)能刻蝕出可分辨的最多線條（線寬與線條間距相等）數(shù)目來表示；設(shè)線寬與線條間距均為L則99第九十九頁，共135頁。（2）靈敏度S(Sensitivity)：式中，h為比例常數(shù)；E為曝光量，單位是勒克斯?秒，I為照射光強(qiáng)度，t為曝光時間；光刻膠對不同波長的光源，其靈敏度不同；靈敏度S又稱感光度，其反映光刻膠對光敏感程度的性能指標(biāo)；S越高，曝光時間越短；100第一百頁，共135頁。2機(jī)械化學(xué)性質(zhì)（1）粘附性影響粘附性的因素：光刻膠本身的性質(zhì)——疏水性；襯底性質(zhì)及表面狀態(tài)；光刻工藝條件；（2）抗蝕性與光刻膠本身性質(zhì)有關(guān)——針孔密度、粘附性、刻蝕能力；與工藝條件有關(guān)——干法，濕法；101第一百零一頁，共135頁。（3）穩(wěn)定性不發(fā)生暗反應(yīng)；不發(fā)生熱交聯(lián)；（4）光照、顯影后不留固體殘渣；102第一百零二頁，共135頁。理想光刻膠應(yīng)滿足的要求103第一百零三頁，共135頁。一光刻工藝流程§6.4光刻過程及其原理104第一百零四頁，共135頁。光刻工藝主要過程105第一百零五頁，共135頁。1襯底處理(substratecleaning)

表面清潔—按嚴(yán)格的規(guī)程清洗，且高溫烘烤干燥；b)對粘附能力弱的光刻膠，涂膠前先作增粘處理；高溫烘培；增粘劑處理二甲基二氯硅烷和三甲基二硅亞胺；106第一百零六頁，共135頁。2涂膠(spin-coating)旋轉(zhuǎn)涂膠,精確控制轉(zhuǎn)速,加速度提供具有一定厚度和均勻性良好的光刻膠層；a)膜厚對分辨率的影響膜越厚分辨率越低，但為了減少針孔，又需要厚度：負(fù)膠的膜厚/線寬比為1:2－1:3正膠的膜厚/線寬比為1:1b)膜厚對粘附力的影響如膜太厚，曝光時大部分能量被上層膠吸收，引起下層光刻膠曝光不足，在顯影時下層膠會膨脹甚至溶解，影響光刻膠和襯底的粘附。107第一百零七頁，共135頁。

3前烘(pre-bake)方式：烘箱、熱板和紅外等；作用：去除光刻膠中的溶劑；改善膠與襯底的粘附性及抗機(jī)械摩擦能力；增加抗蝕性，防止顯影時浮膠和鉆蝕，但前烘溫度和時間需嚴(yán)控，以免發(fā)生熱膠聯(lián)；充分、適當(dāng)?shù)那昂孢€能提高膠的曝光靈敏度和顯影速率，有利于線寬控制；108第一百零八頁，共135頁。(4)對位與曝光

曝光是使受光照射的膠層起光化學(xué)反應(yīng)，即感光；它不僅決定了圖形的精確形狀和尺寸，而且要完成前后二次光刻圖形的精密套制；光刻工藝中最關(guān)鍵的工序，它直接關(guān)系到光刻的分辨率、留膜率、條寬控制和套準(zhǔn)精度；

光學(xué)曝光設(shè)備有三類：接觸式、接近式和投影式光源—高壓汞燈；對光刻膠起感光作用的主要是i線－365nm、h線－404.7nm和g線435.8nm三條譜線；109第一百零九頁，共135頁。最佳曝光量的確定：盡可能短的曝光時間使光刻膠充分感光，在顯影后獲得盡可能高的留膜率、近似垂直的光刻膠側(cè)壁和可控的條寬；110第一百一十頁，共135頁。留膜率越高，顯影后保留的膠越厚，抗腐蝕能力越強(qiáng)；顯影后，如膠膜太薄，腐蝕時就易產(chǎn)生針孔；

光刻膠的成像反差γ：定義為留膜率特性曲線直線部分的斜率

反差大，表明光刻膠的側(cè)壁陡直，分辨率高；反差小，則表明光刻膠的“灰度”高，容易使膠產(chǎn)生底膜，這對高發(fā)射率襯底(金屬)光刻的影響尤其嚴(yán)重；負(fù)膠的最佳曝光量一般選大于H0的值；正膠的最佳曝光量一般選略大于HT的值；111第一百一十一頁，共135頁。

套準(zhǔn)精度

影響光刻套準(zhǔn)精度的因素有:

光刻機(jī)自身的定位精度（包括光學(xué)、機(jī)械、電子等系統(tǒng)的設(shè)計精度和熱效應(yīng)）;硅片的加工精度和硅片在熱加工過程中的形變;振動;環(huán)境溫度變化;光刻膠的套準(zhǔn)精度;112第一百一十二頁，共135頁。5顯影develop方法：濕法顯影；干法顯影；(1)濕法顯影液應(yīng)具備的條件：應(yīng)去除的膠膜溶解度大，溶解得快；對要保留的膠膜溶解度小，溶解得慢；有害雜質(zhì)少，毒性??；顯影過程113第一百一十三頁，共135頁。顯影機(jī)理負(fù)膠的顯影是在顯影液中溶解掉未曝光部分的光刻膠；曝光過的部分已交聯(lián)形成網(wǎng)狀聚合物，顯影對它基本沒有溶解作用；正膠的顯影則是曝光部分的光刻膠在顯影中轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘聂人猁}而被溶解，未曝光部分保持原狀；顯影后要在顯微鏡下檢查：圖形套準(zhǔn)情況；邊緣是否整齊；有無殘膠，皺膠，易浮膠，劃傷等；114第一百一十四頁，共135頁。濕法顯影的缺點(diǎn)：顯影過程顯影液會滲入抗蝕劑，引起聚合物溶脹，影響負(fù)膠分辨率和線寬；顯影液組份變化，引起顯影液特性變化；硅片易沾污，影響作業(yè)環(huán)境；成本較高；115第一百一十五頁，共135頁。（2）干法顯影

利用抗蝕劑的曝光部分和非曝光部分在特定的氣體等離子體中有不同的反應(yīng)，最后去除未曝光的部分（或曝光的部分），將曝光部分（或未曝光部分）保留一定厚度。（3）顯影后鏡檢圖形套準(zhǔn)情況、邊緣是否整齊、有否殘膠、皺膠、浮膠和劃傷等；116第一百一十六頁，共135頁。6后烘post-bake在一定溫度下，將顯影后的片子進(jìn)行烘焙，去除顯影時膠膜所吸收的顯影液和殘留水分；改善光刻膠的粘附性和抗蝕能力；消除顯影時所引起的圖形變形；方式：方式和設(shè)備與前烘一樣；條件：溫度和時間必須適當(dāng)溫度過低，時間過短，膜不堅固，腐蝕時易脫膠；溫度過高，時間過長，膜易因熱膨脹而變形剝落，還可能引起聚合物發(fā)生分解，產(chǎn)生低分子化合物，影響粘附性能和削弱抗蝕能力；溫度過高，造成膠粘附過牢，使去膠發(fā)生困難117第一百一十七頁，共135頁。7腐蝕etch去除顯影后裸露出來的介質(zhì)或其它薄膜（SiO2,Si3N4,多晶硅和Al等）；腐蝕要考慮的問題(1)均勻性；(2)方向性：從線寬角度，希望縱橫向的蝕速比大；從臺階覆蓋角度，希望縱橫向的蝕速比??；(3)選擇性：待蝕材料本身和下層材料的腐蝕速率比；(4)腐蝕速度；(5)公害和安全措施；(6)經(jīng)濟(jì)性；118第一百一十八頁，共135頁。腐蝕方法

分為用化學(xué)試劑的濕法腐蝕和用氣體的干法腐蝕；濕法腐蝕（1）SiO2的腐蝕腐蝕液由HF（40%）和NH4F水溶液混合組成；影響SiO2腐蝕的主要因素是腐蝕液的配比、腐蝕溫度、腐蝕時間和腐蝕方法；當(dāng)溫度一定時，SiO2的腐蝕速率取決于腐蝕液的配比和SiO2的摻雜程度；SiO2摻磷濃度越高，腐蝕速率越快；摻硼時則相反；119第一百一十九頁，共135頁。SiO2腐蝕時對溫度最敏感，溫度愈高，速率愈快；不同摻雜SiO2的腐蝕速率和腐蝕溫度的關(guān)系(a)摻磷SiO2；(b)摻硼SiO2；(c)不摻雜的SiO2120第一百二十頁，共135頁。腐蝕液的攪動方式對SiO2的腐蝕速率也有影響可見，噴霧腐蝕是一種較好的濕法腐蝕方法幾種腐蝕攪動方式的性能比較121第一百二十一頁，共135頁。(2)Si3N4的腐蝕硬Si3N4可用180℃H3PO4腐蝕，由SiO2作掩蔽；硬Si3N4的腐蝕速率為100埃/分鐘;SiO2為10埃/分鐘；Si3N4、SiO2和Si在180℃磷酸中的腐蝕速率Si3N4的種類:硬Si3N4－不含氧的純Si3N4，折射率為2.0;軟Si3N4－含氧和氫的Si3N4，折射率為1.5－2.0;122第一百二十二頁，共135頁。(3)鋁腐蝕

腐蝕液種類很多，大多采用H3PO42Al+6H3PO4→2Al(H2PO4)3+3H2↑為防止氣泡影響，腐蝕時可加入少量乙醇;濕法腐蝕存在的主要問題：同時存在縱向和側(cè)向腐蝕;腐蝕時浮膠和鉆蝕是常見的質(zhì)量問題;

上述兩點(diǎn)使線寬公差受到限制，分辨率低。需使用大量有毒和有腐蝕性的化學(xué)藥品，不利于安全操作和環(huán)境保護(hù)；腐蝕Si3N4和多晶硅時，必須生長一層SiO2作