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第一章绪论第二章现代CMOS工艺技术第三章晶体生长与衬底制备第四章加工环境与基片清洗第五章光刻第六章热氧化第七章扩散掺杂第八章离子注入掺杂第九章薄膜淀积第十章刻蚀第十一章后段工艺与集成1微电子工艺学122第八章离子注入掺杂8.1概述离子注入的基本过程：¾将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电离子¾在强电场中加速，获得较高动能后，射入材料表层（靶）¾以改变这种材料表层的物理或化学性质•注入能量：1keV~1MeV•杂质分布的平均深度：10nm~10μm•掺杂浓度在晶片内呈现峰值分布，分布形状主要取决于掺杂离子的质量和注入时离子所带能量。离子注入优点掺杂浓度不受杂质源纯度的影响，工艺过程无污染注入晶片中的掺杂原子数精确可控（离子束电流＆注入时间）结深（入射离子能量）、杂质分布可控，突变型杂质分布、浅结非平衡过程，不受杂质固溶度限制，原则上对各种材料均可掺杂低温工艺，掩蔽膜选择余地大、易于实施化合物半导体掺杂垂直入射，横向扩散几乎不存在，有利于器件特征尺寸的缩小缺点会在晶体中引入晶格损伤产率低设备复杂，投资大与扩散掺杂相比，离子注入掺杂具有如下不同的特点：34控制杂质浓度和深度VVIonsourceAnalyzingmagnetPumpResolvingaperatureAcceleratorFocusNeutralbeamgateNeutraltrapX&YscanplatesWaferFaradaycupQ0-30keV0-200keV8.2离子注入系统离子注入系统：应具备合适的可调能量范围和束流强度，能满足多种离子的注入，有好的注入均匀性以及无污染等性能。离子注入系统通常分为三部分：离子源、加速器和终端台。5AsH3PH3BF2in15%H2,allverytoxicForlowEimplantnoacceleration661.离子发生器：a.将含有注入杂质的化合物或单质元素，以气态、液态或固态的形式引入离子源发生器，经离化作用产生所需离子；b.将离子从离子源中引出，形成离子束；光微波射频掩模离子注入：需要大面积平行离子束源，典型有效源尺寸为100μm；聚焦离子注入：需要高亮度小束斑离子源，典型有效源尺寸为5~500nm。一、离子源决定能注入何种离子能注入何种离子&&提供多大束流强度提供多大束流强度Ga、In、Au、Sn等钨针引出极液态金属（LMIS）低熔点低蒸汽压77离子发生器中通常会产生多种离子，质量分析器的作用就是将所需离子从离子束中分离出来，而将不需要的离子偏离除掉。磁分析器2.质量分析器性能参数：偏转半径、磁感应强度和质量分辨率。⋅×GGmυF==qυBr2r=VmqB12/LorentzforceCentrifugalforce离子通过引出电场被加速：2E=qV=mυ12如果D大于离子束的宽度加出口狭缝的宽度，则两种质量的离子被分辨开。当r大而m小时，分辨率最高。⎡⎤⎢⎥⎣⎦rmLD=cossinmrΔ1−+2ϕϕm+Δm的离子将产生位移距离：质荷比R~1mBF3：B、B＋、BF2＋、F－8线性加速器加速管能量：MeV电流：mA形成电场，使离子在电场作用下加速而得到一定的能量。此外，还具有聚焦离子束的功能，使离子束在预定的空间内运动。二、加速器E=nVΔΔeVE=nVkΔΔ=1×100=100离子的电荷数加速器两端电压差例如，如果一个正电荷离子经过电势差为100kV的加速器加速，它的能量为：剂量与能量图9典型注入参数离子：P,As,Sb,B,In,O剂量：1011~1018cm-2能量：1~400keV可重复性和均匀性:±1%温度：室温流量：1012~1014cm-2s-1离子与真空系统中剩余气体原子碰撞会导致掺杂离子的中和：。这些中性粒子可能导致掺杂不均匀，同时由于它们无法被设备探测计数，会导致掺杂量的计数不准确。抑制中性粒子流的方法是加静电偏转板将离子束弯曲。10101.聚焦系统：避免相同电荷排斥作用导致发散，确保离子束能传输到靶室并具有合适的束斑大小和形状。四极透镜结构及场分布三、终端台：聚焦和扫描系统、靶室、中和系统、终端分析→BeB+−1111+1111静电离子束扫描大束流机机械扫描2.扫描系统：通常离子流截面较小（约在mm2量级），且密度和能量分布不均匀。因此，必须利用扫描方式，使离子流均匀地扫过晶片表面，以达到均匀注入的目的。3.靶室：实际的离子注入发生在靶室内，也称为终端舱室。室内有安装靶片的样品架以及进出机械装置。样品架上备有对靶片进行加热或冷却的装置并与电荷积分仪相连以检测注入剂量。功能：中和靶表面正电荷，避免衬底充电。12二次电子喷淋等离子喷淋4.中和系统5.终端分析：探测离子束能量、离子束电流大小。离子束撞击硅片导致正电荷积累，使束斑扩大，剂量分布不均匀，还会造成靶放电损伤、栅氧化层击穿。测量到达硅片的离子束几百eV20eV低能1313离子注入过程是一个非平衡过程，带有一定能量的入射离子在靶材内同靶原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。注入离子在靶内的能量损失分为两个独立的过程：a.核阻滞（nuclearstopping）b.电子阻滞（electronicstopping）总能量损失为两者之和。8.3离子注入原理入射离子与靶原子的碰撞入射离子电子碰撞原子碰撞移位原子X射线靶晶格射程分布（Lindhard,ScharffandSchiott，LSS）理论1414在dx射程内，注入离子损失的能量：如果已知Sn(E)和Se(E)，则可得到注入离子在靶内运动的总路程：⎛⎞⎜⎟⎝⎠()nndESENdx1=⎛⎞⎜⎟⎝⎠1eedESENdx()=[]nedE=NSESEdx−()+()∫∫∫11REEnenedEdER=dxNSESENSESE00000=−=()+()()+()阻滞能力（stoppingpower）：材料中注入离子的能量损失大小−dE/dx：能量随距离损失的平均速率E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量Sn(E)：核阻滞能力/截面(eVcm2)Se(E)：电子阻滞能力/截面（eVcm2)N:靶原子密度～5×1022cm-3forSi能量E的函数能量为E的入射粒子在密度为N的靶内走过x距离后损失的能量能量为E的入射粒子在密度为N的靶内走过x距离后损失的能量（E0为注入离子起始能量）1515•三维空间：只要入射离子出现在与靶原子相距r，宽度为dp的圆环范围内，就会被靶原子以角θ散射；•有效势场：碰撞不是简单的有形碰撞，只要在两粒子的互作用势（库仑势）范围内碰撞就会发生；•电子屏蔽作用：两粒子核外电子交互作用对库仑力的屏蔽。Sn(E)的计算较复杂，无法得到解析解，通过数值计算可得到曲线形式的结果。E1/2dEdxSn(E)1.核阻滞Elasticcollisions核阻滞过程可以看作是一个入射离子硬球与靶核硬球之间的弹性碰撞。但实际的离子注入系统，情况比两硬球碰撞复杂得多：1616≈3/21-151212232/32/31212(0.210eV(+)2eZZMMkcmMMZZ+)∝×2.电子阻滞DielectricMediumRetardingE-fieldVionVionTargete-NonlocalLocalDragforcecausedbychargedioninseaofelectrons(non-localelectronicstopping).Collisionswithelectronsaroundatomstransfermomentumandresultinlocalelectronicstopping.把固体中的电子看成自由电子气，电子的阻滞就类似于粘滞气体的阻力（一阶近似）。电子阻滞能力和注入离子能量的平方根成正比。()1/2eioneSE=cv=kE,对非晶靶，ke为常数1717¾离子注入能量可分为三个区域：低能、中能&高能区；¾Sn(E)和Se(E)的能量变化曲线都有最大值：分别在低能区和高能区；¾两条曲线交点存在一个临界能量E2：也称为Ec，不同靶和注入离子，Ec值不同。Sn(E)和Se(E)的理论曲线3.射程估算低能中能高能E2E0EcSeSnE0EcSnSeEnergyloss(keV祄-1)101001000101001000Energy(keV)AsNBNSEPNnnneB~17keVAs,Sb700keVP~150keV射程R（range）：注入离子从进入晶片到停止在晶体内所经过的总距离；投影射程Rp（projectedrange）：射程R在入射轴线方向的投影；投影偏差ΔRp（Straggling）：投影射程的平均偏差；横向投影偏差ΔR⊥（Traversestraggling）：垂直入射方向平面上的投影偏差。18188.4注入离子在靶中的浓度分布非晶靶中注入离子的浓度分布注入离子的二维浓度分布Atitsheartionimplantationisarandomprocess.离子少→分散分布离子多→统计规律分布1919C(x)：距靶表面x处的离子浓度（ions/cm3）；QT：单位面积的离子注入剂量（ions/cm2）；21()exp22pTppxRQCxRRπ⎡⎤⎛⎞−⎢⎥=−⎜⎟⎜⎟Δ⎢⎥Δ⎝⎠⎣⎦一、纵向分布在一级近似下，注入离子在非晶靶内的纵向浓度分布可用高斯函数表示：纵向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，即峰值浓度CP为x=Rp处的离子浓度C(x)：0.4()2QQCCRRRπ==≈ΔΔTTPppp注入离子的剂量QT越大，峰值浓度CP越高；注入离子的能量E越大（RP、ΔRP越大），CP越低。RpCP2(,)exp4TQxCxtDtDtπ⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠10211020101710191018Concentration(cm-3)00.20.40.60.81Depth(µm)SbAsPB0.606CPΔRPRP2.注入杂质的表面浓度:3.结深:21(0)exp2ppRCCR⎡⎤⎛⎞⎢⎥=−⎜⎟⎜⎟Δ⎢⎥⎝⎠⎣⎦P2021()exp2jbxRCxCCR⎡⎤⎛⎞−⎢⎥=−=⎜⎟⎜⎟Δ⎢⎥⎝⎠⎣⎦jpPp2lnCxRRC⎛⎞=±Δ⎜⎟⎝⎠Pjppb4.在x=RP的两侧，注入离子浓度对称地下降，且下降速度越来越快：•（x－Rp）=±ΔRp，离子浓度减小40％；•±2ΔRp，离子浓度降低一个数量级；•±3ΔRp，离子浓度降低两个数量级；•±4.8ΔRp，离子浓度降低五个数量级。离峰值位置较远时有较大偏离200keV注入12274311121()exp22pTppxRQCxRRπ⎡⎤⎛⎞−⎢⎥=−⎜⎟⎜⎟Δ⎢⎥Δ⎝⎠⎣⎦Q可以精确控制：∫=dtqIAQ1A为注入面积，I为硅片背面搜集到的束流（FaradyCup），t为积分时间，q为离子所带的电荷。例如：当A＝20×20cm2，I＝0.1mA时，921.5610atoms/cmsQItAq==×而对于一般NMOS的VT调节的剂量为：B＋1~5×1012cm-2注入时间为~30分钟对比一下：如果采用预淀积扩散（1000°C），表面浓度为固溶度1020cm-3时，D~10−14cm2/s每秒剂量达1013/cm2I＝0.01μA~mA2sCQDtπ=Doses1×1012cm-2to1×1016cm-2usedinMOSICs21常用注入离子在不同注入能量下的特性平均投影射程Rp投影偏差ΔRp能量损失越大射程越小，同时投影射程和偏差随离子能量的增加而增加。PhosAsSbBoronEnergy(keV)Range(µm)StdDev(µm)Range(µm)StdDev(µm)Range(µm)StdDev(µm)Range(µm)StdDev(µm)100.01990.00640.00840.00430.01210.00580.04730.0249200.03420.01250.01560.00750.02190.01000.08260.0384300.04730.01790.02260.01020.03060.0