第3章 集成电路工艺原理

1、集成电路工艺原理集成电路工艺原理复旦大学微电子研究院复旦大学微电子研究院2003.8於伟峰於伟峰25.1 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35.1 前言5.1 前言什么是什么是离子注入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;4 离子注入优点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分布与注入浓度可通过控制掺杂剂量(10(101111-10

2、-101717cmcm-2-2) )和能量和能量(10-200(10-200KeVKeV) )来达到；来达到；v横向分布非常均匀横向分布非常均匀(1% (1% variation across variation across 8wafer)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.).)，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 或或深结高浓度；深结高浓度；v低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高

3、温过程引起的热扩散，有利于集成度提高；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；5 离子注入的局限性 v 会产生缺陷，甚至非晶层，必须经高温退火会产生缺陷，甚至非晶层，必须经高温退火加以改善；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；6 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

4、在靶内发生的碰撞，每次碰撞的偏转角、相邻两次碰撞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；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；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。PPRRN 平均投影

5、射程: (N：入射离子总数） 标准偏差Rp 投影射程的平均偏差；2222()pppppRRRRR 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 Schiott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

6、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)11v 电子碰撞电子碰撞 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 stopp

7、ing)12v 注入离子如何在体内静止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，属于原子核之间的弹性碰撞；14设一个入射

8、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()()eedESENdx能量随距离损失的平均速率则为：)E(S)E(SNdxdEen 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: 0E0enR0)E(S)E(SdEN1dxR1()()nndESENdx则，核阻挡本领就定义为：153 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( ,

9、)2nENdxT E ppdp 则，核阻挡表达式变为00( )( , )2( , )nnnSET E ppdpT E p d其中2p，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);01521212/32/3 1/21212( )2.8 10()()nZ ZmS EeVcmZZmm 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，即原子核阻挡本原子核阻挡本领领S Sn n(E)(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序数；m1和m2分别为入射离子和靶原子的质量；17v LSS理论对电子阻挡本领作

10、一级近似，在常用注入离子范围内电子阻挡本领电子阻挡本领S Se e(E)(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：1/2eSCVKE151/220.2 10 ( )SiKevcm18v图中给出了图中给出了S Se e(E)(E)和和S Sn n(E)(E)与与E E之间的关系，在之间的关系，在E E2 2处处核阻挡和电子阻挡相等；对不同材料的靶和入射离核阻挡和电子阻挡相等；对不同材料的靶和入射离子子E E2 2不等。不等。 19 （1） 低能区 (入射离子能量E0 Se(E)E(S)E(SNdxdEen ndENSdx则0

11、00EnnEdExNSNSv 对于Si靶，N=51022/cm3 1/31201 210.7MMZxEZZMv 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约大2倍。所以，上述假定适合于重离子注入的情况。上述假定适合于重离子注入的情况。201/21/220020 xK EE (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214 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；v射程分布 注入离子与靶的原子核

12、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斯函数形式:2max1( )exp2ppxRN xNR（1）23v 由（1）式可求出注入剂量Ns：2max001( )exp()2pSpxRNN x dxNdxR（2）令ppxRXR则有 dx=RpdX ，又因高斯分布的对称性可得，2maxmaxmax02222xSPPPNNRedXNRNR（3）则

13、max0.42SSPPNNNRR（4）将（4）代（1），则得21( )exp()22SPPPNxRN xRR（5）24v 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； max0.42ssppNNNRRv 在 两侧，离子浓度是对称下降的；PXRv 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；25N(x)/Nmax与(x-Rp)对应关系26(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情况; 横向效应直接影响横向效应直接影响MOSMOS晶体管的有效沟道长度。晶体管的有效沟道长度

14、。 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：2223/2222()11( , , )exp(2 )2PPPxRyzf x y zRy zyzR 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，yzRt ，Rt为横向离散； 27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：201/211( , , )

15、exp()(2 )22pppxRQyaN x y zerfcRRy 通过窄缝离子注入295 注入离子的实际分布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，同样偏离于理想的高斯分布。3001()jXsjjNNN X dXXX 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

16、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的，按一定的几率分布；31小小 结结ppPRQ4 . 0R2QC 2max1( )exp2ppxRN xNR(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，方向沿沟道运动，不会受

17、到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远，这一现象称基本不变，可以走得很远，这一现象称“沟沟道注入现象道注入现象”或或“沟道效应沟道效应” ” 。33v 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”：4040KevKev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，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。34v 注入离子入射到晶体中的几

18、种情况：沟道临界角沟道临界角（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的注入临界角不同离子在硅中的注入临界角( (角度单位为度角度单位为度) )35 入射角入射角,非沟道离子非沟道离子; ; 入射角略入射角略,准沟道离子准沟道离子; ; 入射角入射角,沟道离子；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；36v 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(晶格损伤增加，非晶层形成，沟道离子减少）；（3）入射离

19、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，形成非晶层 (Pre-amorphization)；37四四 离子注入和扩散的比较离子注入和扩散的比较385.3 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。39

20、 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 与能量的关系与能量的关系v 辐射损伤主要发生在核阻挡过程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个最近邻的化学键形成空位间隙原子对）；N(E)约在103104之间； v 移位原子数目的估算41 与离子质量关系与离子质

21、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临界剂量；一般， 离子质量数离子质量数，临界剂量，

22、临界剂量；与剂量率的关系与剂量率的关系 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： 温度愈高温度愈高，愈不易产，愈不易产生损伤，临界剂量相应生损伤，临界剂量相应 与靶衬底温度的关系与靶衬底温度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45v 晶格损伤对器件性能的影响 增加了散射中心，使

23、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。461 1，损伤退火的目的，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；美的晶体结构；v 让杂质进入电活性让杂质进入电活性(electric active)(electric active)位置位置替替 位位置；位位置；v 恢复少数载流子的寿命和迁移

24、率；恢复少数载流子的寿命和迁移率；472 原理原理 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；483 3 退火条件退火条件 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；

25、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；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2030%；v 550600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

26、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；515，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 热源：高功率激光束、电子束，高强度光照等；v 主要优点：

27、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两种快速热处理设备535.4一一 CMOSCMOS制造（制造（CMOS FabricationCMOS Fabrication）5.4 5.4 离子注入在集成电路中的应用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 /Drain Formationv 阱形成 Well Formation54 MOS晶体管阈值电压的控制00ssBTmssQQVCC 由

28、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0BTQVC0BBBQQQ 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离子注入在离子注入在CMOSCMOS制造中的应用制造中的应用562 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

29、成大电阻注入 v 形成多晶电阻57三三其它应用其它应用 硅衬底背面损伤形成吸杂区 Implantation三三 其它应用其它应用 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 Implantation585.5 离子注入系统v 离子注入系统的组成离子注入系统的组成 离子源离子源 （Ion Source)Ion Source) 磁分析器磁分析器 ( (Magnetic analyzer)Magnetic analyze

30、r) 加速管加速管 （Accelerator)Accelerator) 聚焦和扫描系统聚焦和扫描系统 ( (Focus and Scan system)Focus and Scan system) 靶室和后台处理系统靶室和后台处理系统( (Target AssemblyTarget Assembly)59 从从离子源离子源引出的离子，经过引出的离子，经过加速管加速管加速电位的加速使离子获加速电位的加速使离子获得很高的能量，而后进入得很高的能量，而后进入磁分析器磁分析器使离子纯化，分析后的离子使离子纯化，分析后的离子可再加速以提高离子的能量，再经过可再加速以提高离子的能量，再经过两维偏转扫描器两

31、维偏转扫描器使离子束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，调节注入离子的能量可精确地控制离子的注入深度的数量，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 源源( (Source)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（离子源（Ion Source)Ion Source) 产生注入离子束的发生器，灯丝(filament)发出的自由电子在

32、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。61v 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（即带电粒子作圆周运动时所受的向心力）可用下式表示qvBrMv2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

33、合两式，可以得到extVqMBqBMvr21MqVMEvext22改变分析器的电流将可以选择具有不同质量的离子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 B I,I,磁场强度和磁场强度和电磁线圈的电流成正电磁线圈的电流成正比比63extVqMBqBMvr21 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；64v 加速管加速管( (Acceleration tube)Acceleration tube)Out+-high voltageBeam InBeam inVoltageBeam Out25 keV I+ 30

34、0 kV 325 keV25 keV I+ 300 kV ?IonIon运动速度：运动速度：10105 5msms-1-125+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 PlatesX Scan PlatesTo Target ChamberNeutrals Not Detected and Hit StopInv 靶室和后台处理系统靶室和后台处理系统 ( (Target Assembly)Target Assembly) 离子束离开加速管后进入控制

35、区，先由静电聚焦透镜使其聚焦。再进行x-y两个方向扫描，然后进入偏转系统，束流被偏转注到靶上。v 聚焦和扫描系统聚焦和扫描系统 ( (deflection and scanning )deflection and 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。66 设质量设质量M M，荷电，荷电zqzq (z (z 是离子荷电数，是离子荷电数，q q 是电子电是电子电荷量荷量) )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，通过扫描和光圈限定面积A A，定义剂量定义剂量D D与积分电荷量与积分电荷

36、量Q(Q(库仑库仑) )的关系：的关系：dtzqIA1zqAQD v 离子束的剂量测量离子束的剂量测量(7-4)(7-4) Dose = =# ionscm2I tArea zq+ Ions- VoltageWaferSecondary ElectronsIQCurrent MeterIntegratorFaraday cup67Example: 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

37、 10 /cm214 若增加离子注入剂量，可以采用长时间注入和高束流。68v剂量测量剂量测量 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 1022 /cm3 (FOR LAYERS)DENSITY = 6.2x1014/cm21m = 6.2x1018/cm36970v离子注入过程演示71

38、v 典型离子注入参数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-17273第六章第六章 光刻原理和技术光刻原理和技术第六章 光刻原理和技术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 先进的曝光技术先进的曝光技术6.6 6.6 光刻中的常见问题光刻中的常见问题74一 光刻：一种复印图象和化学腐蚀相结合的综合

39、性技术； 在硅片上涂一层光刻胶，在硅片上涂一层光刻胶，经过曝光在某些区域感光，经经过曝光在某些区域感光，经显影后留下胶膜的图形，再把显影后留下胶膜的图形，再把这层胶膜的图形作为掩膜，进这层胶膜的图形作为掩膜，进一步对其下的一步对其下的SiOSiO2 2进行腐蚀，进行腐蚀，或者进行离子注入等，把胶膜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的图形转换到硅衬底的薄膜上去上去。光刻示意图光刻示意图75 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，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

40、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 高分辨率高分辨率v 高灵敏度高灵敏度v 低缺陷低缺陷v 精密的套刻对准精密的套刻对准v 大尺寸硅片上的加工大尺寸硅片上的加工二二 集成电路对光刻的基本要求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平面晶体管制造工艺中的四次光刻中的四次光刻78 光刻是光刻是ICIC制造业中最为关键的一道工艺。制造业中最为关键的一道工艺。 每三年尺寸减小每三年尺寸减小0.70.7X.X. 硅片制造工艺中，硅片制造工艺中，光刻占所有成本光刻占所有成本的

41、的35%35% ? ?所在的地方代所在的地方代表了表了roadmaproadmap发展发展的最大的不确定的最大的不确定性性796.2 光刻原理Photo Resist CoatingMask & DUV Stepper ExposurePHOTOPhoto Resist DevelopmentPHOTOEtching (Wet/Dry)Photo Resist StrippingETCHFilm DepositionRaw materialThin FilmThinFilm-PHOTO-ETCH Physical layer formation cycle80一 光刻技术可分为三个部分

42、光源(light sources) 曝光系统(exposure system) 光刻胶(photoresist)81能量能量( (光源光源):):引起光刻胶化学反应，改变光刻胶溶解速率；掩模版掩模版( (mask):mask):对光进行掩模，在光刻胶上制造掩模版的图形对准系统对准系统( (Aligner):Aligner):在硅片上把掩模版和以前的图形对准。光刻胶光刻胶( (Resist):Resist):把图形从掩模版转移到硅片。衬底衬底( (substrate)substrate)：具有以前的掩模版图形的基片。82 光刻中所用的曝光光源是光、电子、离子和X射线等各种粒子束。从量子物理的角度

43、看，光刻的分辨率限制是光的衍射；用光学方法可以得到的最细线条v（1）式对其它粒子同样适用。2L（1）2 2hLmE 则，（2）2hmE212Emvp = mv 且 p = h/83 由（2）式可见： v 若粒子束的能量E给定后，粒子的质量m愈大，则L愈小，因而分辨率愈高；以电子和离子作比较，显然，在同一能量下后者的分辨率高于前者；v m一定，即给定一种粒子，其动能E愈高，则L愈小、分辨率愈高；这已成为当今提高电子束曝光分辨率的一条重要探索途径。 因此，减小器件特征尺寸因此，减小器件特征尺寸(feature size),(feature size),要求采用短波长的光源！要求采用短波长的光源！8

44、4几种光的波长范围几种光的波长范围85 g-line: =436nm, used for 0.5um production i-line: =365nm, used for 0.35um production KrF: =248nm, used for 0.25-0.18um production ArF: =193nm, used for 0.13-0.10um productionOptical lithograpy X-ray: =0.5 nm, E-beam: =0.062 nm, Ion-beam: =0.012 nm, Advanced lithograpy862 硅片曝光系统(W

45、afer exposure system) 完成前后两次光刻图形的精密套刻; 对光刻胶进行曝光; 曝光分类：接触式(Contact)，接近式(Proximity)和投影式(Projection)1:1ExposureSystemsUsually4Xor5XReduction87(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下降。目前在生产中很少使用; 由于光

46、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；有衍射效应； 最小线宽: Wm= (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。89v 接近式曝光所引起的近场衍射： 在掩膜版孔径边缘，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

47、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，采用扫描式曝光; Fraunhofer diffraction91三种曝光系统比较 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;92933 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； 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；946.3

48、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正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性，即曝光后显影解到可溶性，即曝光后显影时被感光的胶层溶解；时被感光的胶层溶解；v 正胶光刻，可在衬低表面得正胶光刻，可在衬低表面得到与掩模版遮光图案完全相到与掩模版遮光图案完全相同的保护胶层；同的保护胶层；v 现有现有VLSIVLSI工艺都采用正胶工艺都采用正胶95 曝光使感光材料曝光使感光材料(PAC)(PAC)中分子裂解，中分

49、子裂解，被裂解的分子在显被裂解的分子在显影液中很易溶解影液中很易溶解 ，从而与未曝光部分从而与未曝光部分形成强烈反差。形成强烈反差。 正胶机制正胶机制962 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；即在曝光后发生负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性；即在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，交链作用形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被曝光而未被曝光的部分充分溶解；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；反的保护膜；97

50、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，分辨率越高;图形的分

51、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L11()2Rm 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，其灵敏度不同；hhSEItv 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；1012 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；

52、 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 6.4 6.4 光刻过程及其原理光刻过程及其原理105光刻工艺主要过程光刻工艺主要过程1061 衬底处理 (substrate cleaning) a)表面清洁 按严格的规程清洗，且高温烘烤干燥；b)对粘附能力弱的光

53、刻胶，涂胶前先作增粘处理； 高温烘培； 增粘剂处理 二甲基二氯硅烷和三甲基二硅亚胺；1072 涂胶 (spin-coating) 旋转涂胶,精确控制转速,加速度提供具有一定厚度和均匀性良好的光刻胶层；a)膜厚对分辨率的影响 膜越厚分辨率越低，但为了减少针孔，又需要厚度： 负胶的膜厚/线宽比为 1 : 21 : 3 正胶的膜厚/线宽比为 1 : 1b)膜厚对粘附力的影响 如膜太厚，曝光时大部分能量被上层胶吸收，引起下层光刻胶曝光不足，在显影时下层胶会膨胀甚至溶解，影响光刻胶和衬底的粘附。108 3 前烘 (pre-bake) 方式：烘箱、热板和红外等； 作用：v 去除光刻胶中的溶剂；v 改善胶与

54、衬底的粘附性及抗机械摩擦能力；v 增加抗蚀性，防止显影时浮胶和钻蚀，但 前烘温度和时间需严控，以免发生热胶联；v 充分、适当的前烘还能提高胶的曝光灵敏 度和显影速率，有利于线宽控制；109(4) 对位与曝光v 曝光是使受光照射的胶层起光化学反应，即感光；它不仅决定了图形的精确形状和尺寸，而且要完成前后二次光刻图形的精密套制；v 光刻工艺中最关键的工序，它直接关系到光刻的分辨率、留膜率、条宽控制和套准精度；v 光学曝光设备 有三类：接触式、接近式和投影式v 光源 高压汞灯；对光刻胶起感光作用的主要是i线365 nm、h线404.7 nm 和g线435.8 nm 三条谱线；110v 最佳曝光量的确

55、定： 尽可能短的曝光时间使光刻胶充分感光，在显影后获得尽可能高的留膜率、近似垂直的光刻胶侧壁和可控的条宽； 111 留膜率越高，显影后保留的胶越厚，抗腐蚀能力越强；显影后，如胶膜太薄，腐蚀时就易产生针孔；v 光刻胶的成像反差：定义为留膜率特性曲线直线部分的斜率 反差大，表明光刻胶的侧壁陡直，分辨率高；反差小，则表明光刻胶的“灰度”高，容易使胶产生底膜，这对高发射率衬底(金属)光刻的影响尤其严重； 负胶的最佳曝光量一般选大于H0的值；正胶的最佳曝光量一般选略大于HT的值；10lg()THH112v 套准精度 影响光刻套准精度的因素有影响光刻套准精度的因素有: : 光刻机自身的定位精度（包括光学、

56、机械、电子等系统的设计精度和热效应）; 硅片的加工精度和硅片在热加工过程中的形变; 振动; 环境温度变化; 光刻胶的套准精度;1135 显影 develop 方法：湿法显影；干法显影；(1) 湿法v 显影液应具备的条件： 应去除的胶膜溶解度大，溶解得快； 对要保留的胶膜溶解度小，溶解得慢； 有害杂质少，毒性小；显影过程显影过程114v显影机理 负胶的显影是在显影液中溶解掉未曝光部分的光刻胶；曝光过的部分已交联形成网状聚合物，显影对它基本没有溶解作用； 正胶的显影则是曝光部分的光刻胶在显影中转变为可溶性的羧酸盐而被溶解，未曝光部分保持原状；v 显影后要在显微镜下检查： 图形套准情况； 边缘是否整

57、齐； 有无残胶，皱胶，易浮胶，划伤等 ；115v 湿法显影的缺点： 显影过程显影液会渗入抗蚀剂，引起聚合物溶胀，影响负胶分辨率和线宽； 显影液组份变化，引起显影液特性变化； 硅片易沾污，影响作业环境； 成本较高；116（2）干法显影 利用抗蚀剂的曝光部分和非曝光部分在特定的气体等离子体中有不同的反应，最后去除未曝光的部分（或曝光的部分），将曝光部分（或未曝光部分）保留一定厚度。 （3）显影后镜检 图形套准情况、边缘是否整齐、有否残胶、皱胶、浮胶和划伤等；1176 后烘 post-bakev 在一定温度下，将显影后的片子进行烘焙，去除显影时胶膜所吸收的显影液和残留水分；v 改善光刻胶的粘附性和抗

58、蚀能力；v 消除显影时所引起的图形变形；v 方式： 方式和设备与前烘一样；v 条件：温度和时间必须适当 温度过低，时间过短，膜不坚固，腐蚀时易脱胶； 温度过高，时间过长，膜易因热膨胀而变形剥落，还可能引起聚合物发生分解，产生低分子化合物，影响粘附性能和削弱抗蚀能力； 温度过高，造成胶粘附过牢，使去胶发生困难1187 腐蚀 etch 去除显影后裸露出来的介质或其它薄膜（SiO2, Si3N4,多晶硅和Al等）；v 腐蚀要考虑的问题(1)均匀性；(2)方向性：从线宽角度，希望纵横向的蚀速比大；从台阶覆盖角度，希望纵横向的蚀速比小；(3)选择性：待蚀材料本身和下层材料的腐蚀速率比；(4)腐蚀速度；(

59、5)公害和安全措施；(6)经济性；119 腐蚀方法 分为用化学试剂的湿法腐蚀和用气体的干法腐蚀；v 湿法腐蚀（1）SiO2的腐蚀 腐蚀液由HF（40%）和NH4F水溶液混合组成； 影响SiO2腐蚀的主要因素是腐蚀液的配比、腐蚀温度、腐蚀时间和腐蚀方法； 当温度一定时，SiO2的腐蚀速率取决于腐蚀液的配比和SiO2的掺杂程度；SiO2掺磷浓度越高，腐蚀速率越快；掺硼时则相反； 120 SiO2腐蚀时对温度最敏感，温度愈高，速率愈快；不同掺杂不同掺杂SiOSiO2 2的腐蚀速率和腐蚀温度的关系的腐蚀速率和腐蚀温度的关系(a) a) 掺磷掺磷SiOSiO2 2；(b) (b) 掺硼掺硼SiOSiO2

60、 2；(c) (c) 不掺杂的不掺杂的SiOSiO2 2121 腐蚀液的搅动方式对SiO2的腐蚀速率也有影响可见，喷雾腐蚀是一种较好的湿法腐蚀方法几种腐蚀搅动方式的性能比较几种腐蚀搅动方式的性能比较122(2) Si3N4的腐蚀v 硬Si3N4可用180 H3PO4腐蚀，由SiO2作掩蔽；v 硬Si3N4的腐蚀速率为100埃/分钟; SiO2 为10埃/分钟；SiSi3 3N N4 4、SiOSiO2 2和和SiSi在在180180磷酸中的腐蚀速率磷酸中的腐蚀速率v Si3N4的种类: 硬Si3N4不含氧的纯Si3N4，折射率为2.0; 软Si3N4含氧和氢的Si3N4，折射率为1.52.0;123(