微机电基础第三章

微机电系统技术基础,华中农业大学工学院,第3章硅集成电路工艺基础,3.1薄膜生长,3.2光刻,3.3薄膜刻蚀,第3章硅集成电路工艺基础,ICIntegratedCircuit；集成电路是电路的单芯片实现；集成电路是微电子技术的核心；,单片半导体材料,元件,连线,I/O,工艺加工,集成电路是指通过一系列工艺，在单片半导体材料上（硅或砷化镓）加工出许多元器件(有源、无源)，这些元器件按照一定要求连接起来，作为一个不可分割的整体执行某一特定的功能,第3章硅集成电路工艺基础,平面工艺的发明1959年7月，美国Fairchild公司的Noyce发明第一块单片集成电路：利用二氧化硅膜制成平面晶体管，用淀积在二氧化硅膜上和二氧化硅膜密接在一起的导电膜作为元器件间的电连接(布线)。这是单片集成电路的雏形，是与现在的硅集成电路直接有关的发明。将平面技术、照相腐蚀和布线技术组合起来，获得大量生产集成电路的可能性。,第3章硅集成电路工艺基础,3.1薄膜生长,氧化扩散离子注入化学气相淀积外延溅射蒸发,3.1.1氧化,热氧化的目的在Si衬底的表面生长一层SiO2薄膜。,SiO2薄膜的用途1、用作选择扩散时的掩蔽膜；2、用作离子注入时的掩蔽膜及缓冲介质层等；3、用作绝缘介质（隔离、绝缘栅、多层布线绝缘、电容介质等）；4、用作表面保护及钝化。,目的:这种氧化硅是沾污并且通常是不需要的。有时用于存储器存储或膜的钝化,说明：在室温下生长速率是每小时15到最大40,p+Siliconsubstrate,二氧化硅,自然氧化层,场氧化层,栅氧化层,阻挡层氧化,目的：保护有源器件和硅免受后续工艺的影响.,说明：热生长几百埃的厚度,阻挡氧化层,掺杂阻挡层,目的：作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材料,说明：通过选择性扩散，掺杂物扩散到硅片未被掩蔽的区域。,目的：减小氮化硅(Si3N4)应力。,垫氧化层,注入屏蔽氧化层,金属层间绝缘阻挡层,17,SiO2层厚度与颜色的关系,制备SiO2薄膜的方法热氧化、化学汽相淀积（CVD）、物理汽相淀积（PVD）、离子注入氧化、阳极氧化等。,热氧化的基本原理：在T=9001200oC的高温下，利用硅与氧化剂之间的氧化反应，在硅衬底上形成SiO2薄膜。,氧化剂可以是纯氧O2（干氧氧化）、水蒸汽H2O（水汽氧化）或氧和水蒸汽的混合物O2+H2O（湿氧氧化）。,迪尔和格罗夫氧化模型,滞流层（附面层）的概念将从衬底表面气体流速v=0处到v=0.99v0处之间的这一层气体层称为滞流层。式中v0为主气流流速。,主气流，v0,氧化剂,基座,滞流层,x,y,L,Cg,Cs,Cs/=Co,Ci,tox,1、氧化剂从主气流穿过滞流层扩散到SiO2表面，,2、氧化剂从SiO2表面扩散到SiO2/Si界面上，,3、氧化剂到达SiO2/Si界面后同Si发生化学反应，,tsl,热氧化过程,上式中，hg=Dg/ts1为气相质量输运系数，ks为氧化剂与硅反应的界面化学反应速率常数。,Co与Cs的关系可由Henry定律得到。Henry定律说明，固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中该种物质的分压，因此SiO2表面处的氧化剂浓度Co为,在平衡状态下，,式中，H为Henry定律常数，后一个等号是根据理想气体定律。,将以上各方程联立求解，可以得到SiO2/Si界面处的氧化剂浓度为,式中，h=hg/HkT。在常压下hks，故分母中的第二项可以忽略。这说明在热氧化时，气流的影响极其微弱。于是可得到SiO2/Si界面处的氧化剂流密度为,SiO2膜的生长速率和厚度的计算,将上式的SiO2/Si界面处氧化剂流密度J3除以单位体积的SiO2所含的氧化剂分子数N1，即可得到SiO2膜的生长速率,当氧化剂为O2时，N1为2.21022/cm3；当氧化剂为H2O时，N1为4.41022/cm3。,利用tox(0)=t0的初始条件，以上微分方程的解是,式中,或,方程中的参数A、B可利用图4.2、图4.3直接查到。,要注意的是，当氧化层比较厚时，氧化速率将随氧化层厚度的变化而改变。因此，如果在氧化开始时已存在初始氧化层厚度t0，则氧化完成后的氧化层厚度并不是无t0时氧化得到的氧化层厚度与t0之和，而必须先用t0确定，再将与t相加得到有效氧化时间。,线性和抛物线速率系数,当tox较薄时，DSiO2/toxks，t+湿氧干氧。而氧化膜质量的好坏顺序则为，干氧湿氧水汽，所以很多情况下采用“干氧-湿氧-干氧”的顺序来进行氧化。例如，,由于MOSFET对栅氧化膜质量的要求特别高，而栅氧化膜的厚度较薄，所以MOSFET的栅氧化通常采用干氧氧化。,1、氧化剂种类的影响,在抛物线生长阶段，氧化速率随着氧化膜的变厚而变慢，因此要获得较厚氧化膜就需要很高的温度和很长的时间。这时可采用高压水汽氧化技术，即在几到几十个大气压下通过增大氧化剂分压Pg来提高氧化速率。,2、氧化剂分压的影响,无论在氧化的哪一个阶段，氧化速率系数均与氧化剂的分压Pg成正比。,1.BothBandB/AdependedonPg.2.PressureincreasePgFasteroxidation,反过来，当需要极薄氧化膜的时候，例如MOSFET的栅氧化，可以采用分压热氧化技术。,3、氧化温度的影响,结论,4、硅表面晶向的影响,线性速率系数B/A与硅原子晶向有关，即,抛物线速率系数B与硅晶向无关。,5、杂质的影响,(1)氧化层中高浓度的Na+将增大B和B/A；(2)氧化剂中若含Cl2、HCl、DCE、TCE、TCA等，将有利于改善SiO2质量和SiO2/Si界面性质，并会增大B和B/A；(3)重掺杂硅比轻掺杂氧化快。硅中硼浓度增大，B增大，B/A的变化不大；硅中磷浓度增大，B/A增大，B的变化不大。,初始阶段的氧化,实验发现，在氧化膜厚度tox30nm的氧化初始阶段，氧化速率比由迪尔-格罗夫模型预测的快了4倍多。,可以通过对值进行校正来提高模型的精度，但是这会使在氧化膜极薄时预测的氧化膜厚度比实际的偏厚。,解释氧化初始阶段氧化速率增强机理的模型主要有三种：,模型1，氧化剂扩散穿过SiO2层的速率加快；,模型2，氧化剂在SiO2层中的溶解度增加；,模型3，氧化反应在SiO2层的一定厚度内发生，,SiO2的结构,SiO2分为结晶形和无定形两类。结晶形SiO2由Si-O四面体在空间规则排列而成，如水晶；无定形SiO2是Si-O四面体在空间无规则排列而成，为透明的玻璃体、非晶体，其密度低于前者，如热氧化的SiO2、CVD淀积的SiO2等。,Si-O四面体的结构是，4个氧原子位于四面体的4个角上，1个硅原子位于四面体的中心。每个氧原子为两个相邻四面体所共有。,SiO2中硅原子要运动须打断四个Si-O键，而氧原子的运动最多打断两个键，因此硅空位的出现比氧空位要困难得多。,4.5SiO2的特性,一、,二、化学性质SiO2的化学性质非常稳定，仅被HF酸腐蚀,三、SiO2的掩蔽作用杂质在SiO2中有两种存在形式。B、P、As、Sb等、族杂质是替位式杂质，在SiO2中替代硅原子，在SiO2中的扩散系数很小。其中族杂质形成负电中心，使非桥联氧转变成桥联氧，增强SiO2网络的强度；族杂质形成正电中心，使桥联氧转变成非桥联氧，减弱SiO2网络的强度。Na、K、Pb、Ca等的氧化物以离子形式存在于SiO2网络的间隙中，是填隙式杂质，在SiO2中的扩散系数很大。网络中氧离子增加使非桥联氧增多，网络强度减弱，熔点降低；间隙式杂质的运动会影响器件的稳定性和可靠性。水汽中的羟基起类似的作用。,四、氧化膜的质量检测1、氧化膜厚度的测量方法,(1)光干涉法,49,SiO2层厚度与颜色的关系,(2)椭圆偏振光法,(4)击穿电压法,(5)电容法,(6)比色法,(3)台阶仪法,2、氧化膜缺陷的检测包括氧化膜针孔、氧化诱生层错的检测,5、氧化膜应力的测量圆盘弯曲法、基片弯曲法、X射线法和电子衍射技术。,3、氧化膜介电系数的测量,4、氧化膜击穿特性的测量,掺杂杂质对氧化过程的影响,在热氧化过程中，硅衬底中的杂质分布会发生改变，这称为衬底杂质的再分布。引起衬底杂质再分布的原因有,1、杂质在Si、SiO2中平衡浓度不同,2、杂质在Si、SiO2中扩散速度不同,3、氧化速度与氧化层厚度,热氧化过程中硅中杂质再分布的规律1、硅中掺硼(1)温度一定时，水汽氧化（湿氧氧化）导致杂质再分布程度增大，其NS/NB小于干氧氧化；(2)相同氧化气氛下，氧化温度越高，硼向硅表面扩散速度加快，补偿了杂质的损耗，NS/NB趋于1。,2、硅中掺磷(1)温度一定时，水汽氧化（湿氧氧化）导致杂质再分布程度增大，其NS/NP大于干氧氧化；(2)相同氧化气氛下，氧化温度越高，磷向硅内扩散的速度越快，表面堆积现象减小，NS/NP趋于1。,氧化诱生堆垛层错,热氧化有一种副效应，即释放出高密度的自填隙硅原子。这些过剩的填隙原子构成了点缺陷，并延伸成氧化诱生堆垛层错（OSF）。OSF是一种二维缺陷，是插入到晶格中有限范围的额外原子面，并终止于位错，通常存在于（111）面。当原来存在如离子注入引起的缺陷时，很容易诱生出OSF。,降低氧化温度，采用高压氧化，在氧气中加入少量HCl等措施，可以抑制氧化诱生堆垛层错的产生。,栅绝缘层的替代物,MOSFET的栅氧化层厚度一直在不断减薄，但是进一步的减薄将受到下面几个因素的限制。,首先，当栅氧化层非常薄时，栅极与沟道之间的电子直接隧穿电流将显著增大，导致栅电流的增大和输入阻抗的下降。,其次，太薄的栅氧化层难以掩蔽杂质向沟道区的扩散。,采用高介电常数的材料代替SiO2作为栅绝缘层，可以在不降低栅绝缘层厚度的情况下，获得足够大的栅电容。SiOxNy或HfO2是这类替代材料。,氧化系统,根据集成电路的要求确定氧化工艺1、高质量氧化：干氧氧化或分压氧化；2、厚层的局部氧化或场氧化：干氧+湿氧+干氧，或高压水汽氧化；3、低界面态氧化：掺氯氧化、湿氧氧化加掺氯气氛退火或分压氧化（H2O或O2+N2或Ar或He等）。,主要采用卧式氧化炉，要求温度可在4001200oC的范围内设定，并在足够长的区域（称为恒温区）内达到小于0.5oC的均匀性。,3.1.1小结,首先介绍了热氧化的迪尔-格罗夫模型，它能精确预测各种氧化条件下的氧化层厚度。对于薄氧化层，观察到生长速率增强现象，给出了解释这个现象的几种模型。介绍了SiO2的结构和特性。讨论了氧化过程对硅中杂质浓度及其分布的影响。氧化会在硅内产生氧化诱生堆垛层错，其原因是工艺过程中产生的高密度自填隙硅原子。最后介绍了氧化系统。,3.1.2扩散,“扩散”是一种基本的掺杂技术。通过扩散可将一定种类和数量的杂质掺入硅片或其它晶体中，以改变其电学性质。,掺杂技术的种类,中子嬗变离子注入扩散,掺杂可形成PN结、双极晶体管的基区、发射区、隔离区和隐埋区、MOS晶体管的源区、漏区和阱区，以及扩散电阻、互连引线、多晶硅电极等。,在硅中掺入少量族元素可获得P型半导体，掺入少量族元素可获得N型半导体。掺杂的浓度范围为10141021cm-3，而硅的原子密度是51022cm-3，所以掺杂浓度为1017cm-3时，相当于在硅中仅掺入了百万分之几的杂质。,3.1.2.1一维费克扩散方程,本质上，扩散是微观粒子作不规则热运动的统计结果。这种运动总是由粒子浓度较高的地方向着浓度较低的地方进行，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。浓度差越大，温度越高，扩散就越快。,在一维情况下，单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子数，即扩散粒子的流密度J(x,t)，与粒子的浓度梯度成正比，即费克第一定律，,式中，负号表示扩散由高浓度处向着低浓度处进行。比例系数D称为粒子的扩散系数，取决于粒子种类和扩散温度。典型的扩散温度为9001200。D的大小直接表征着该种粒子扩散的快慢。,将费克第一定律,针对不同边界条件和初始条件可求出方程的解，得出杂质浓度N(x,t)的分布，即N与x和t的关系。,上式又称为费克第二定律。,假定杂质扩散系数D是与杂质浓度N无关的常数，则可得到杂质的扩散方程,代入连续性方程,3.1.2.2扩散的原子模型,杂质的位置：,杂质原子在半导体中进行扩散的方式有两种。以硅中的扩散为例，O、Au、Cu、Fe、Ni、Zn、Mg等不易与硅原子键合的杂质原子，从半导体晶格的间隙中挤进去，即所谓“填隙式”扩散；而P、As、Sb、B、Al、Ga、In等容易与硅原子键合的杂质原子，则主要代替硅原子而占据格点的位置，再依靠周围空的格点（即空位）进行扩散，即所谓“替位式”扩散。填隙式扩散的速度比替位式扩散快得多。,其中,Ea0、Ea-等代表扩散激活能，D00、D0-等代表与温度无关的常数，取决于晶格振动频率和晶格几何结构。,对于替位式杂质，不同带电状态的空位将产生不同的扩散系数，实际的扩散系数D是所有不同带电状态空位的扩散系数的加权总和，即,式中，ni代表扩散温度下的本征载流子浓度；n与p分别代表扩散温度下的电子与空穴浓度，可由下式求得,本征载流子浓度,结深：当用与衬底导电类型相反的杂质进行扩散时，在硅片内扩散杂质浓度与衬底原有杂质浓度相等的地方就形成了PN结，结距扩散表面的距离叫结深。表面浓度：扩散层表面的杂质浓度。,扩散工艺主要参数,1、恒定表面浓度扩散,式中，erfc代表余误差函数；称为特征扩散长度。,由上述边界条件与初始条件可求出扩散方程的解，即恒定表面浓度扩散的杂质分布情况，为余误差函数分布，,3.1.2.3费克定律的分析解,边界条件1N（0,t）=NS边界条件2N（,t）=0初始条件N（x,0）=0,在整个扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度NS始终保持不变。,恒定表面浓度扩散的主要特点,（1）杂质表面浓度NS由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变；（2）扩散的时间越长，扩散温度越高，则扩散进入硅片内单位面积的杂质总量（称为杂质剂量QT）就越多；（3）扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深。,扩散开始时，表面放入一定量的杂质源，而在以后的扩散过程中不再有杂质加入。假定扩散开始时硅片表面极薄一层内单位面积的杂质总量为QT，杂质的扩散长度远大于该层厚度，则杂质的初始分布可取为函数，扩散方程的初始条件和边界条件为,这时扩散方程的解为中心在x=0处的高斯分布,2、恒定杂质总量扩散,恒定杂质总量扩散的主要特点,（1）在整个扩散过程中，杂质总量QT保持不变；（2）扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深；（3）扩散时间越长，扩散温度越高，表面浓度NS越低，即表面杂质浓度可控。,3、两步扩散恒定表面浓度扩散适宜于制作高表面杂质浓度的浅结，但是难以制作低表面浓度的结。而恒定杂质总量扩散则需要事先在硅片中引入一定量的杂质。,为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求，实际生产中常采用两步扩散工艺：,第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表面浓度扩散方式在硅片表面扩散一薄层杂质原子，目的在于确定进入硅片的杂质总量；,第二步称为主扩散或再分布或推进扩散，在较高的温度下，采用恒定杂质总量扩散方式，让淀积在表面的杂质继续往硅片中扩散，目的在于控制扩散深度和表面浓度。,例如，双极晶体管中基区的硼扩散，一般采用两步扩散。因硼在硅中的固溶度随温度变化较小，一般在1020cm-3以上，而通常要求基区的表面浓度在1018cm-3，因此必须采用第二步再分布来得到较低的表面浓度。,第一步恒定表面浓度扩散，淀积到硅片上的杂质总量为,D2代表再分布温度下的杂质扩散系数，t2代表再分布时间。再分布后的表面杂质浓度为,D1代表预淀积温度下的杂质扩散系数，t1代表预淀积时间，NS1代表预淀积温度下的杂质固溶度。若预淀积后的分布可近似为函数，则可求出再分布后的杂质浓度分布为,还可求出再分布后的结深。设衬底杂质浓度为NB，,即可解得,令,掺杂分布控制：,前面得出的扩散后的杂质分布是采用理想化假设的结果，而实际分布与理论分布之间存在着一定的差异，主要有：,1、二维扩散（横向扩散）,3.4简单理论的修正,实际扩散中，杂质在通过窗口垂直向硅中扩散的同时，也将在窗口边缘沿表面进行横向扩散。考虑到横向扩散后，要得到实际的杂质分布，必须求解二维或三维扩散方程。横向扩散的距离约为纵向扩散距离的75%80%。由于横向扩散的存在，实际扩散区域大于由掩模版决定的尺寸，此效应将直接影响到VLSI的集成度。,2、杂质浓度对扩散系数的影响前面的讨论假定扩散系数与杂质浓度无关。实际上只有当杂质浓度比扩散温度下的本征载流子浓度ni(T)低时，才可认为扩散系数与掺杂浓度无关。在高掺杂浓度下各种空位增多，扩散系数应为各种电荷态空位的扩散系数的总和。,3、电场效应高温扩散时，掺入到硅中的杂质一般处于电离状态，电离的施主和电子，或电离的受主与空穴将同时向低浓度区扩散。因电子空穴的运动速度比电离杂质快得多，因而在硅中将产生空间电荷区，建立一个自建场，使电离杂质产生一个与扩散方向相同的漂移运动，从而加速了杂质的扩散。,值在0到1之间，与杂质浓度有关。,4、发射区陷落效应在基区宽度极薄的NPN晶体管中，若发射区扩散磷，则发射区正下方的内基区要比外基区深，这种现象称为发射区陷落效应。为避免此效应的发生，发射区可采用砷扩散，或采用多晶硅发射极。,3.1.2.5常见杂质的扩散系数,硼：浓度在1020cm-3以下时，硼的扩散系数中以D+为主，与杂质浓度的关系不大。浓度超过1020cm-3后，有些原子将处于填隙位置，或凝结成团，使硼的扩散系数在这个浓度范围内降低。,砷：浓度在1020cm-3以下时，砷的扩散系数中以D0和D-为主。浓度超过1020cm-3后，有些原子也将处于填隙位置。砷在硅中的扩散系数较低，因此常用于浅结扩散中，例如亚微米NMOS的源漏区扩散和微波双极晶体管的发射区扩散。此外，高浓度下填隙原子的增多使扩散分布的顶部变得平坦，高浓度下砷扩散的电场增强效应很明显，这又使得扩散分布的前沿非常陡。结果使砷扩散的分布呈矩形的所谓箱形分布，这也有利于浅结扩散。,磷：磷的扩散系数比砷高得多，而且扩散分布比较平缓，因此不利于形成浅结。磷扩散可用于较大尺寸NMOS的源漏区扩散和低频双极晶体管的发射区扩散；在大功率MOS器件中对漏区进行磷扩散可降低漏附近的电场强度；在大规模集成电路中，磷扩散主要用于阱区和隔离区。,3.1.2.6扩散分布的分析,一、薄层电阻RS（方块电阻R口）的测量,薄层电阻的测量,薄层电阻(方块电阻)测量广泛采用四探针方法测试。电流经过外面两根探针测量，中间两根探针测量电压，由如下公式计算出电阻率：R=cV/I式中，c是修正因子。在待测样品远远大于探针间距时，c为固定值4.53。而样品较小时，则要查得相应的c值代入公式计算。,二、结深的测量,测量结深的方法主要有磨角法、磨槽法和光干涉法。,1、磨角染色法,将扩散片磨成斜角（15），用染色液进行染色以区分N区和P区的界面。常用的染色液是浓氢氟酸加0.10.5体积的浓硝酸的混合液。最后通过下面的公式可求出结深，,2、磨槽染色法适用于测量浅结。,式中，R是磨槽圆柱体的半径，a和b由显微镜测出。若R远大于a和b，则上式可近似为,3、光干涉法,三、杂质浓度分布的测量,测量杂质浓度分布的方法主要有电容法、扩展电阻法、剥层法和扫描电容显微法等。,电容法单边突变结的势垒电容为,将上式对电压求导，可解出杂质浓度分布为,扩展电阻法,探针,3.1.2.7SiO2中的扩散,杂质在SiO2中的扩散系数也可表为,B、P、As、Sb等杂质在SiO2中的扩散系数很小，因此可将SiO2层用作杂质扩散的掩蔽膜。,SiO2掩蔽层厚度的确定杂质在SiO2层中的分布大部分按余误差函数分布,如果定义N(x)/NS的比值为103时对应的SiO2厚度为能够有效掩蔽杂质的最小厚度tmin，则,大规模集成电路中的MOSFET一般采用硅栅自对准结构。SiO2掩蔽层厚度的确定在对源、漏区和多晶硅栅进行掺杂时，栅氧化层应确保沟道区不被掺杂。,由于深亚微米MOSFET的栅氧化层厚度在10nm以下，且沟道区的杂质浓度仅为源、漏区和多晶硅栅的杂质浓度的10-4以下，所以这是一个严重问题。,扩散系统的种类很多。按所用杂质源的形式来分，有固态源扩散、液态源扩散、气态源扩散；按所用扩散系统的形式来分，有开管扩散、闭管扩散、箱法扩散、“固-固扩散”等。,3.8扩散系统,液态源扩散：利用保护气体携带杂质蒸汽进入反应室，在高温下分解并与硅表面发生反应，产生杂质原子，杂质原子向硅内部扩散。（改）固态源扩散：固态源在高温下汽化、活化后与硅表面反应，杂质分子进入硅表面并向内部扩散。气态源扩散：利用携带杂质的气体蒸汽进入反应室，在高温下与硅表面发生反应，产生杂质原子，杂质原子向硅内部扩散。,卧式扩散炉,立式扩散炉,扩散技术的主要缺点1、存在横向扩散，影响扩散后的图形精度。2、难以对掺杂总量、结深（特别是浅结）和杂质浓度分布进行精密的控制，均匀性和重复性也较差。,3.1.2.10小结,本章回顾了扩散的物理机制和扩散的原子模型。介绍了反映扩散规律的费克第一定律和费克第二定律（即扩散方程），给出了针对预淀积和推进扩散两种情况的特解及其特点，讨论了上述简单理论结果在实际情况下的修正。介绍了检验扩散结果的方法。由于B、P、As、Sb等在SiO2中的扩散系数很小，因此可将SiO2层用作杂质扩散的掩蔽膜。最后对扩散系统作了简要介绍。,3.1.3离子注入,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，注入到硅中（称为“靶”）而实现掺杂。,离子束的性质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，能在电场中被加速而获得很高的动能。离子束的用途掺杂、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E，E50KeV，注入掺杂,离子束加工方式1、掩模方式（投影方式）2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束(FIB)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。扩散工艺的掩蔽膜只能是SiO2膜，而离子注入的掩蔽膜可以是SiO2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是生产效率高，设备相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是需要制作掩蔽膜。,离子注入,离子注入机,掺杂离子,扫描光束,聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。缺点是生产效率低，设备复杂，控制复杂。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；2、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。,3.1.3.1离子注入系统,离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有BF3、AsH3和PH3等。质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量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，且离子束很纯。加速器：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。中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。偏转扫描系统：使离子束沿x、y方向扫描。工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。,离子源,等离子体,提取部件,加速器,质量分析,工作室,离子源,离子加速,质量分析,批处理工作室,一、离子源作用：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（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型离子源，其典型的有效源尺寸为100m，亮度为10100A/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（LMIS）出现后才得以顺利发展。LMIS的典型有效源尺寸为5500nm，亮度为106107A/cm2.sr。,1、等离子体型源,这里的等离子体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。,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，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。,隔离物,热电偶,加热器,热防护罩,灯丝,电弧室,气体管线,热防护罩,2、液态金属离子源（LMIS）,LMIS是近几年发展起来的一种高亮度小束斑的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成纳米量级的小束斑离子束，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、离子束刻蚀等。,LMIS的类型、结构和发射机理,针形,V形,螺旋形,同轴形,毛细管形,液态金属,钨针,类型,对液态金属的要求(1)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；(3)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。能满足以上条件的金属只有Ga、In、Au、Sn等少数几种，其中Ga是最常用的一种。,E1是主高压，即离子束的加速电压；E2是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离子引出；E3是加热器电源。,E1,E2,E3,针尖的曲率半径为ro=15m，改变E2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，此圆锥顶的曲率半径仅有10nm的数量级，这就是LMIS能产生小束斑离子束的关键。,引出极,当E2增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（Ga的场蒸发值为15.2V/nm）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。若改变E2的极性，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。,E1,E2,E3,引出极,共晶合金LMIS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LMIS。,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，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。,例如，金和硅的熔点分别为1063oC和1404oC，它们在此温度时的蒸汽压分别为10-3Torr和10-1Torr。当以适当组分组成合金时，其熔点降为370oC，在此温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为10-19Torr和10-22Torr。这就满足了LMIS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。,LMIS的主要技术参数,(1)亮度,亮度的物理意义为单位源面积发射的进入单位立体角内的离子束电流。LMIS的主要优点之一就是亮度高，其典型值为=106107A/cm2.sr。,(2)能散度能散度是离子束能量分布的半高宽度。LMIS的主要缺点是能散度大，这将引起离子光学系统的色散，使分辨率下降。,(3)离子束斑尺寸通常为5500nm。,二、质量分析系统1、质量分析器由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E与B的方向相互垂直。,离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的荷质比qo为,对于荷质比为qo的所需离子，可通过调节偏转电压Vf或偏转磁场B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。,通常是调节Vf而不是调节B。,下面计算当荷质比为qo的离子不被偏转时，具有荷质比为qs=q/ms的其它离子被偏转的程度。该种离子在y方向受到的加速度为,该种离子在受力区域（0Lf）内的运动方程为,从上式消去时间t，并将ay代入，得,由此可得偏转量Db为,将前面的B的表达式代入Db，得,讨论(1)为屏蔽荷质比为qs的离子，光阑半径D必须满足,(2)若D固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽，,而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，,以上各式可用于评价质量分析器的分辨本领。,2、磁质量分析器,光阑1,光阑2,为向心力，使离子作圆周运动，其,半径为,从上式可知，满足荷质比的离子可通过光阑2。,或者对于给定的具有荷质比为qo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2，,另外，若固定r和Va，通过连续改变B，可使具有不同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2，由此达到分选离子的目的。,两种质量分析器的比较在质量分析器中，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，所需离子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。,三、加速器产生高压静电场，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。,四、聚焦系统和中性束偏移器用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束，并利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。,五、偏转扫描系统用来使离子束沿x、y方向在一定面积内进行扫描。,六、工作室（靶室）放置样品的地方，其位置可调。,七、离子束电流的测量,离子注入机的种类,离子注入过程：入射离子与半导体（称为靶）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运动后，因动能耗尽而停止在靶中的某处。,3.1.3.2平均投影射程,射程：离子从入射点到静止点所通过的总路程平均射程：射程的平均值，记为R投影射程：射程在入射方向上的投影长度，记为xp平均投影射程：投影射程的平均值，记为RP投影射程的标准偏差：,平均投影射程与初始能量的关系,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核阻挡与电子阻挡。,核阻挡本领,电子阻挡本领,一个入射离子在dx射程内，由于与核及电子碰撞而失去的总能量为,Se的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。,Sn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。,在E=E2处，Sn=Se。,(2)当E0大于E2所对应的能量值时，SnSe，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。,Rp与RP的关系,式中，M1、M2分别是入射离子和靶原子的质量。,在实际工作中，平均投影射程RP及标准偏差RP与注入能量E的关系可从图5.9或下表查到。,硅中离子注入能量(KeV)与平均投影射程()的对应关系,一、非晶靶中注入离子的浓度分布非晶靶中注入离子的浓度分布为高斯分布，,3.1.3.3注入离子的浓度分布,式中，Q为注入离子的剂量，,注入离子浓度分布的主要特点1、最大浓度位置在样品内的平均投影射程处而不是表面，,注入离子的剂量Q越大，浓度峰值Nmax就越高；注入离子的能量E越大，RP、RP就越大，Nmax就越低。,2、在x=RP的两侧，注入离子的浓度对称地下降，且下降速度越来越快，,3、结深,得,4、注入杂质的表面浓度,令,5、杂质的横向扩展比扩散工艺要小得多注入离子浓度在空间的三维分布为,在表面x=0处，,在平均投影射程x=Rp处，,注入离子沿y方向的横向结深的计算。在表面处，令,得表面处的横向结深为,横向结深在x=Rp处达到最大。在x=Rp处，令,得x=Rp处的横向结深为,与纵向结深相比，,可知横向结深明显小于纵向结深。,将x=Rp处的最大横向结深,二、双层靶中注入离子的浓度分布,目的1、在实际工艺中，常常让离子穿过表面的薄膜注入到下面的衬底中；,2、确定能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的厚度。,以“SiO2-Si”双层靶为例。设注入的总剂量为Qt，进入SiO2中和进入Si中的剂量分别为QO和QS，SiO2的厚度为dO，杂质在SiO2和Si中的平均投影射程和标准偏差分别为,则SiO2中的注入离子的浓度分布为,进入SiO2中的注入离子的剂量为,利用Si中的等效平均投影射程的概念,可得到Si中的注入离子浓度分布和进入Si中的注入离子的剂量分别为,若设，则可算出，当m分别为2、3、4时，QS分别比Qt小约2个数量级、3个数量级和5个数量级。,三、注入离子浓度分布理论的应用,1、在已知注入离子的能量、剂量和衬底杂质浓度时，可以计算出表面浓度和结深。,2、当注入杂质的最大浓度超过其在靶中的固溶度时，可以计算出杂质浓度超过固溶度的区域的范围。,3、可以计算出当以不同的能量和剂量分几次进行离子注入时，所得到的合成杂质浓度分布。,4、可以计算出能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的最小厚度。,3.1.3.4沟道效应,晶体靶对入射离子的阻挡作用是各向异性的，与靶的晶体取向有关。当沿着晶体的某些低指数晶向观察时，可以看到一些由原子列包围成的直通道，好象管道一样，称为沟道。当离子沿着沟道方向入射时，其射程会比在非晶靶中大得多，从而偏离高斯函数分布，使注入分布产生一个较长的拖尾。,避免沟道效应的措施1、使离子的入射方向偏离沟道方向710度；2、在掺杂注入前先用高剂量的Si、Ge、F或Ar离子注入来使硅表面预非晶化，或在硅表面生长一层薄SiO2层；3、对靶加一定的温度。,3.1.3.5注入损伤,一、注入损伤由离子注入引起的大量空位和间隙原子等点缺陷，以及空位与其他杂质结合而形成的复合缺陷等，称为注入损伤。注入损伤与注入离子的剂量、能量、质量、靶材料和靶温等有关。,注入损伤会使载流子迁移率下降，少子寿命降低，PN结的反向漏电流增大。,当许多损伤区连在一起时就会形成连续的非晶层。开始形成连续非晶层的注入剂量称为临界剂量。当注入剂量小于临界剂量时，损伤量随注入剂量的增大而增加，当注入剂量超过临界剂量时，损伤量不再增加而趋于饱和。,影响临界剂量的因素1、注入离子的质量越大，则临界剂量越小；2、注入离子的能量越大，则临界剂量越小；3、注入温度越低，则临界剂量越小；4、注入速度（通常用注入离子的电流密度来衡量）越大，则临界剂量越小。,损伤区的分布与注入离子的能量、质量的关系,当入射离子的初始能量较小时，以核阻挡为主，损伤较多,但损伤区的分布较浅；,当入射离子的初始能量较大时，先以电子阻挡为主，损伤较少。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，损伤变得严重，这时损伤区的分布较深。,当入射离子的质量相对于靶原子较轻时，入射离子将受到大角度的散射，其运动轨迹呈“锯齿形”，所产生的损伤密度较小，但损伤区的范围较大。,当入射离子的质量相对于靶原子较重时，入射离子的散射角较小，其运动轨迹较直，所产生的损伤密度较大，容易形成非晶区，但损伤区的范围较小。,二、离子注入层的电特性,注入到半导体中的受主或施主杂质大部分都停留在间隙位置处，而处在这个位置上的杂质原子是不会释放出载流子的，也就不会改变半导体的电特性，达不到掺杂的目的。,经过适当温度的退火处理，可以使注入杂质原子的全部或大部分从间隙位置进入替位位置而释放出载流子，从而改变半导体的电特性。这个过程称为杂质原子的电激活。,退火处理也可以减少注入损伤。,三、退火技术目的：消除注入损伤，并使注入的杂质原子进入替位位置而实现电激活。,机理：使移位原子与注入的杂质原子在高温下获得较高的迁移率而在晶体中移动，从间隙位置进入替位位置。,退火技术可分为热退火与快速热退火。热退火的温度范围为3001200。退火会改变杂质的分布。,热退火虽然可以满足一般的要求，但也存在一些缺点：对注入损伤的消除和对杂质原子的电激活都不够完全；退火过程中还会产生二次缺陷；经热退火后虽然少子的迁移率可以得到恢复，但少子的寿命及扩散长度并不能恢复；此外，较高温度的热退火会导致明显的杂质再分布，抵消了离子注入技术固有的优点。,实验发现退火后的实际杂质分布比上式预测的要深，原因是离子注入时形成的高浓度缺陷增强了杂质的扩散。这种现象称为瞬时增强扩散。可以在退火前先在500650之间进行一次预处理来消除这些缺陷。,热退火的重结晶过程,3.1.3.6浅结的形成,亚微米CMOS集成电路要求极浅的源漏区结深。由于硼比砷更难以形成浅结，所以形成浅P+N结要比形成浅PN+结更为困难。,硼的浅结受到三个方面的影响。首先，由于硼很轻，注入的投影射程很深。降低注入能量虽然可以减小结深，但注入能量太低会影响离子束的稳定性。,其次，由于硼被偏转进入主晶轴的概率较高，所以硼的沟道效应更为严重。,第三，硼在高温退火时的瞬时增强扩散比较严重。,随着MOSFET的特征尺寸小于0.1m，源漏区的结深正在达到0.05m，离子注入已经难以满足这种要求，人们正在研究所谓“后注入”的替代方案。,1、利用硅上的介质层作为扩散源，即所谓“固-固扩散”。扩散源可以是多晶硅、掺杂玻璃或硅化物。,2、利用辉光放电作为离子源来形成超浅结，即所谓“等离子浸入掺杂”。它的离子能量可以极低，而不存在离子束不稳定的问题，但是剂量不易控制。,3、当在固体靶的表面覆盖有某种薄膜时，入射离子可将薄膜中的原子撞入到下面的固体靶中。利用这种效应来对半导体表面的极薄层内进行掺杂，称为“反冲注入掺杂”。,3.1.3.7埋层介质,当在硅中注入大剂量的O+、N+、C+时，可以形成SiO2、Si3N4、SiC等薄膜。特别是当用高能量注入时，可以在硅表面以下形成埋层介质。通过高能注入N+形成Si3N4的工艺称为SIMNI，而通过高能注入O+形成SiO2的工艺称为SIMOX，后者的应用更为普遍。,这种技术可用于实现器件和电路的隔离。采用此技术制成的埋沟MOSFET，其寄生电容及短沟道效应都小得多。,SIMOX技术的主要问题是金属沾污问题、均匀性问题和成本问题。,3.1.3.8小结,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。,1、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；,2、可以获得任意的掺杂浓度分布；,3、注入温度低，一般不超过400，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、硅片的变形等；,4、结面比较平坦；,离子注入的优点,5、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SiO2、金属膜或光刻胶等；扩散必须是能耐高温的材料。,6、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，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；,10、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。,离子注入的缺点,1、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷，且注入的杂质大部分停留在间隙位置处，因此需要进行退火处理；,2、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；,4、离子注入系统复杂昂贵。,离子注入优点,3.1.4化学气相淀积,CVD：ChemicalVaporDeposition定义：使用加热、等离子体和紫外线等各种能源，使气态物质经化学反应（热解或化学合成），形成固态物质淀积在衬底上。与化学气相淀积相对的是物理气相淀积，包括蒸发和溅射。特点：温度低、均匀性好、通用性好、台阶覆盖性能好，适合大批量生产。,传输：反应剂从气相经附面层（边界层）扩散到（Si）表面；吸附：反应剂吸附在表面；化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产物；淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜；脱吸：副产物脱离吸附；逸出：脱吸的副产物从表面扩散到气相，逸出反应室。,3.1.4.1CVD的基本过程,CVD图示,Wafer衬底基片,底座,边界层,强制对流区,气体喷头,源气体,副产品,反应物,CVD氧化层与热生长氧化层的比较,热生长氧化层,裸硅片,CVD氧化层,热氧化处理,CVD,CVD氧化硅vs.热生长氧化硅,热生长氧化硅O来源于气源，Si来源于衬底氧化物生长消耗硅衬底高质量CVD氧化硅O和Si都来自气态源淀积在衬底表面生长温度低（如PECVD）生长速率高,化学气相淀积技术（CVD）,按照淀积温度：低温（200500）中温（5001000）高温（10001200）按照反应压力：常压、低压按反应壁温度：热壁、冷壁按反应激化方式：热激活、等离子体激活、光激活,常用CVD,常压冷壁化学气相淀积技术（APCVD）用于生长掺杂与不掺杂的二氧化硅低压热壁化学气相淀积技术（LPCVD）用于生长多晶硅与氮化硅等离子体激活化学气相淀积技术（PECVD）可以降低反应所需温度，常用于生长氮化硅，作最后钝化层使用,CVD技术,1.常压冷壁化学气相淀积技术APCVD定义：气相淀积在1个大气压下进行淀积机理：气相传输控制过程优点：淀积速率高（100nm/min）；操作简便缺点：均匀性差；台阶覆盖差；易发生气相反应，产生微粒污染淀积薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄膜,CVD技术,2.低压热壁化学气相淀积技术LPCVD定义：在27270Pa压力下进行化学气相淀积。淀积机理：表面反应控制过程。优点：均匀性好（35，常压：10）台阶覆盖好效率高成本低缺点：相对淀积速率低；相对温度高。淀积薄膜：poly-Si、Si3N4、SiO2、PSG、BPSG、W等。,CVD技术,3.等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积原理：RF激活气体分子（等离子体），使其在低温（室温）下发生化学反应，淀积成膜淀积机理：表面反应控制过程优点：温度低（200350）更高的淀积速率附着性好台阶覆盖好电学特性好缺点：产量低；淀积薄膜：金属化后的钝化膜（Si3N4）；多层布线的介质膜（Si3N4、SiO2）。,三种主要CVD工序的总结和比较,（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成;设备简单，重复性好；（2）薄膜的成分精确可控、配比范围大；（3）淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃至数毫米。且能大量生产；（4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。,3.1.4.2CVD工艺特点,3.1.5外延,概念：在单晶体基底生长单晶体材料的薄膜特点：生长的外延层能与衬底保持相同的晶向外延层厚度比氧化和CVD得到的厚度都大利用外延层可以有效控制准三维结构深度,同质外延：生长的外延层和衬底是同一种材料。异质外延：外延生长的薄膜与衬底材料不同，或者生长化学组分、物理结构与衬底完全不同的外延层，如SOS技术（在蓝宝石或尖晶石上生长硅）。根据向衬底输送原子的方式，外延生长分为三种类型：气相外延(VPE