集成电路工艺基础

1、电子爱好者电子技术论坛，第7章离子注入，电子爱好者电子技术论坛，离子注入概述，离子注入首次应用于原子物理和核物理研究，并在20世纪50年代中期被提议引入半导体制造，电子爱好者电子技术论坛，离子注入，是掺杂半导体的另一种方法。杂质被电离成离子并聚焦成离子束，离子束在电场中被加速以获得极高的动能，然后被注入硅(称为“靶”)中以实现掺杂。离子束是带电原子或分子的束，可被电场或磁场偏转，并在高压下加速以获得高动能。离子束的应用：掺杂、曝光、蚀刻、涂覆、退火、提纯、改性、钻孔、切割等。不同的应用需要不同的离子能量e: e 50 kev，注入掺杂，离子束特性，电子技术论坛的电子爱好者，离子束处理方法可分为

2、1，掩模法(投影法)2，聚焦法(扫描法，或聚焦离子束(FIB)法)，和电子技术论坛的电子爱好者。掩模法是均匀地覆盖注入整个硅晶片，同时使用掩模膜作为选择性的扩散工艺。扩散工艺的掩模膜必须是二氧化硅膜，而离子注入的掩模膜可以是二氧化硅膜或其它薄膜如光刻胶。掩膜法在掺杂和刻蚀方面的优点是生产效率高，设备相对简单，易于控制，所以应用较早，工艺成熟。缺点是需要制作掩蔽膜。1。掩模模式(投影模式)，电子爱好者的电子技术论坛，聚焦模式的优点是不需要掩模，图案形成灵活。缺点是生产效率低，设备复杂，控制复杂。实现聚焦模式的关键技术有1。高亮度、小束斑、长寿命、高稳定性的离子源；2.一种离子光学系统，将离子束聚

3、焦成亚微米的细光束，并对其进行偏转和扫描。2、聚焦模式(扫描模式)，电子爱好者电子技术论坛，7.1离子注入系统，离子源：电离杂质容器。常用的杂质源气体包括BF3、AsH3和PH3。质量分析器：不同的离子具有不同的荷质比，因此它们在分析器磁场中以不同的角度偏转，因此所需的杂质离子可以被分离，离子束是纯净的。加速器：这是一个用来加速离子束的高压静电场。加速能量是决定离子注入深度的重要参数。中性束转移器：中性原子被偏置电极和偏置角分开。电子爱好者电子技术论坛，聚焦系统：用于将加速离子聚集成直径几毫米的离子束。偏转扫描系统：用于在X和Y方向上扫描特定区域内的离子束。工作室：放置样品的地方，它的位置可以

4、调整。电子爱好者电子技术论坛、离子注入系统示意图、电子爱好者电子技术论坛、离子注入系统事物图、电子爱好者电子技术论坛。分类：等离子离子源和液态金属离子源(LMIS)。掩模法需要大面积的平行离子束源，因此通常使用等离子体离子源，典型的有效源尺寸为100 m，亮度为10100 a/cm2锶。聚焦法需要高亮度和小束斑离子源，在液态金属离子源(LMIS)出现后可以顺利发展。LMIS的典型有效光源尺寸为5 500纳米，亮度为106 107安/平方厘米，电子爱好者电子技术论坛，1。等离子离子源，其中等离子是指部分离子化的气体。虽然等离子体中的电离成分可能少于万分之一，但其密度、压力、温度等物理量仍与普通气

5、体相同，正负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但其电学特性发生了很大变化，成为一种高电导率的流体。产生等离子体的方法包括热电离、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离子源主要由电场加速产生，如DC放电和射频放电。电子爱好者电子技术论坛，电子爱好者电子技术论坛，2。液态金属离子源(LMIS)是近年来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，可形成纳米级的小束斑离子束，从而实现聚焦离子束技术。该技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻蚀等。电子技术论坛为电子爱好者，LMIS类型，结构和发射机制，针，V，螺旋，同轴，毛细管，液态金属，钨针，类型，电子技术论坛为电子爱

6、好者，液态金属的要求(1)它不与容器和钨针反应；(2)钨针能充分、均匀地渗透；(3)熔点低，蒸汽压低，以保持液体，在真空和不太高的温度下不会蒸发。同时满足上述条件的金属很少，如镓、铟、金、锡等。其中镓是最常用的一种。电子爱好者电子技术论坛，E1的主要高电压，即离子束的加速电压；E2是针尖和提取电极之间的电压，用于调节针尖表面液态金属的形状并提取离子。E3是加热器的电源。E1，E2，E3，针尖的曲率半径ro=15。改变E2可以调节针尖和引出电极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥体，圆锥体顶部的曲率半径只有10 nm，这是LMIS产生小点离子束的关键。电子爱好者电子技术论坛，引出极，当E2

7、增大到超过液态金属的场蒸发值(Ga的场蒸发值为15.2V/nm)时，液态金属在锥体顶部产生场蒸发和场电离，发射金属离子和电子。其中电子被提取电极排斥，而金属离子被提取电极拉出以形成离子束。如果E2的极性改变，离子会被排斥，电子会被拉出，从而将这个源变成电子束源。E1、E2、E3、引出电极、电子爱好者电子技术论坛、共晶合金LMIS通常用于各种半导体的离子注入。掺杂元素不能制成单体LMIS，因为它们的熔点高或蒸气压高。根据冶金学原理，由两种或更多种金属组成的合金的熔点将比组成该合金的单一金属的熔点低得多，因此当合金处于液态时，大大降低了合金中金属的蒸气压。例如，金和硅的熔点分别为1063和1404

8、，在此温度下它们的蒸汽压分别为10-3托和10-1托。当合金由适当的成分组成时，它的熔点下降到370。在这个温度下，金和硅的蒸汽压分别只有10-19托和10-22托。这符合LMIS的要求。对提取的离子进行质量分析后，可以获得所需的离子。电子爱好者电子技术论坛，2。质量分析系统1。质量分析仪由一组静电偏转器和一组磁偏转器组成，E和B的方向相互垂直。，Aperture，电子技术论坛，电子爱好者电子技术论坛，离子不偏转。因此，可以求解未偏转离子的荷质比qo。对于具有一定荷质比Q0的期望离子，偏转电压Vf或偏转磁场b可以被调节以满足以下公式，使得离子可以穿过隔膜而不被偏转。通常调整Vf而不是B.电子爱

9、好者电子技术论坛，当荷质比Q0的离子不发生偏转时，荷质比qs=q/ms的其他离子的偏转量Db为、电子爱好者电子技术论坛，将以前的b表达式替换为Db、电子爱好者电子技术论坛，讨论(1)屏蔽荷质比qs的离子，振膜半径d必须满足以下要求：(2)如果d固定，离子的荷质比如下电子爱好者电子技术论坛，2。磁性质量分析仪，振膜1，振膜2，向心力，使离子作圆周运动，半径为电子爱好者电子技术论坛，从以上公式可以看出，满足荷质比的离子可以通过振膜2。或者对于具有荷质比Q0的给定离子，可以调节磁场b以满足以下等式，使得离子可以穿过隔膜2。此外，如果r和Va是固定的，通过连续改变b，具有不同荷质比的离子可以依次通过隔

10、膜2，并且可以测量这些具有不同荷质比的离子束的强度，以获得入射离子束的质谱分布。剩余的离子不能通过隔膜2，从而达到分选离子的目的。电子爱好者电子技术论坛，两种质量分析器的比较在质量分析器中，所需的离子不会改变方向，但是中性粒子很容易包含在输出离子束中。另一方面，磁质量分析仪需要离子改变方向，但它的优点是中性粒子束不能通过。电子爱好者电子技术论坛，离子注入过程：入射离子不断与半导体(目标)的原子核和电子碰撞，方向改变，能量减少，经过一段曲折的路程后，由于动能耗尽，在某处停止。7.2平均投影距离，电子爱好者电子技术论坛，范围：离子从入射点到静止点的总距离。平均范围：平均范围，记录为R.投射范围：投

11、射范围在入射方向上的长度，记录为xp。平均投影范围：投影范围的平均值，记录为RP。标准差：，电子技术论坛，电子爱好者，硒的计算相对简单，离子对电子的阻力与离子的速度成正比。锡的计算复杂，无法得到分析结果。下图是数值计算得到的曲线结果。Sn=Se，电子爱好者电子技术论坛，(2)当E0远大于E2对应的能量值时，Sn主要被电子阻挡，此时散射角小，离子近似直线移动，范围分布集中。随着离子能量的减少，它逐渐过渡到核阻塞，离子范围的末端部分成为一条虚线。(1)当入射离子的初始能量E0小于对应于E2的能量值时，锡硒以核阻塞为主。此时，散射角较大，离子运动方向大大偏转，范围分布更加分散。在实际工作中，平均投影

12、范围RP()和标准偏差RP()与注入能量(KeV)之间的关系可以从下图(下表)中找到。电子爱好者电子技术论坛，电子爱好者电子技术论坛，7.3离子注入特性，1。特征可以独立地控制杂质分布(离子能量)和杂质浓度(离子电流密度和注入时间)。各向异性掺杂易于获得高浓度掺杂(特别是：重杂质原子如磷和砷等)。)。电子爱好者电子技术论坛，2。比较离子注入和扩散，扩散，离子注入，电子技术论坛电子爱好者，2。植入和扩散的比较，电子爱好者电子技术论坛，3。离子注入控制，离子束密度和注入时间控制杂质浓度(注入离子剂量)离子能量控制结深杂质分布各向异性，电子爱好者电子技术论坛，4。阻挡机制：典型的离子能量：5500千

13、电子伏离子被注入衬底，与晶格原子碰撞，逐渐失去能量，最终停止两种阻挡机制：核碰撞和电子碰撞，电子爱好者电子技术论坛，大角度散射(离子和目标原子的质量是同一个数量级)可能导致晶格损伤(间隙原子和空位)。电子阻挡与晶格原子的自由电子和束缚电子碰撞。离子路径基本不变，能量损失很小。晶格损伤可以忽略。4.封锁机制，两个封锁机制，电子技术电子爱好者论坛，4。阻断机制，总阻断能力：斯托塔尔=Sn Se Sn:核阻断，Se:电子阻断，低能区：核阻断能力占据主要的中能区：两者都是同等重要的高能区：电子阻断能力占据的电子在主要固体中可视为电子气，这类似于粘性气体的阻力，而电子阻断能力与注入离子的速度成正比；空气

14、阻力正比于速度的平方，电子技术论坛电子爱好者，4。阻挡机制、反向散射、通道、自由碰撞、电子爱好者电子技术论坛、阻挡能力和离子速度、阻挡能力、核阻挡、电子阻挡、离子速度、电子爱好者电子技术论坛、植入离子分布、RP:投影范围、平均范围、电子爱好者电子技术论坛、阻挡200千电子伏离子束的阻挡层厚度、典型能量：5500千电子伏、掩模厚度、电子爱好者电子技术论坛、5。注入过程：注入通道，如果入射角恰到好处，离子可以移动很长的距离，而不与晶格原子碰撞，这将导致不可控的杂质分布，大量的碰撞和很少的碰撞，电子技术论坛电子爱好者，6。通道效应，通道中的核阻塞很小，电子密度也很低。电子爱好者电子技术论坛，碰撞后的

15、沟道效应，碰撞后的沟道效应，碰撞，沟道，碰撞，电子爱好者电子技术论坛，注入工艺：沟道效应，避免沟道效应倾斜晶片的方法，7最常用的屏蔽氧化层(非晶)是注入前的预非晶。遮蔽效应离子被掩模结构阻止在注入后旋转晶片和扩散。电子爱好者电子技术论坛，7。遮蔽效应，粒子束，电子爱好者电子技术论坛，遮蔽效应消除，电子爱好者电子技术论坛，问题，当离子能量不高时，为什么不利用沟道效应产生深结？电子爱好者电子技术论坛，答案，离子束并不完全平行。在许多离子被注入衬底后，会发生许多核碰撞，只有少数会进入很深的距离。电子爱好者电子技术论坛，7.4植入损伤，植入离子将能量转移到晶格原子，产生自由原子(空位缺陷对)，自由原子与其他晶格原子碰撞，使更多的晶格原子变成自由原子，直到所有自由原子停止，损伤停止。一个高能离子可以导致数千个晶格原子移动。电子爱好者电子技术论坛，由离子、轻离子、重离子引起的晶格损伤，电子爱好者电子技术论坛，注入损伤过程，离子与晶格原子碰撞，使它们脱离晶格衬底的注入区，成为非晶结构，注入前后，电子爱好者电子技术论坛，7.5退火，杂质原子必须在单晶结构中，与四个硅原