復(fù)旦集成電路工藝課件-10

1、集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.021集成電路工藝原理 仇志軍邯鄲校區(qū)物理樓435室集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.022大綱大綱 第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)第第三章三章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 熱氧化熱氧化第六章第六章 熱擴(kuò)散熱擴(kuò)散第七章第七章 離子注入離子注入第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積第九章第九章 刻蝕刻蝕第十章第十章 后端工藝與集成后端工藝與集成第十一章第十一章 未來(lái)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)未來(lái)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)集成電路工

2、藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.023有關(guān)擴(kuò)散方面的主要內(nèi)容有關(guān)擴(kuò)散方面的主要內(nèi)容費(fèi)克第二定律的運(yùn)用和特殊解費(fèi)克第二定律的運(yùn)用和特殊解特征擴(kuò)散長(zhǎng)度的物理含義特征擴(kuò)散長(zhǎng)度的物理含義非本征擴(kuò)散非本征擴(kuò)散常用雜質(zhì)的擴(kuò)散特性及與點(diǎn)缺陷的相互作用常用雜質(zhì)的擴(kuò)散特性及與點(diǎn)缺陷的相互作用常用擴(kuò)散摻雜方法常用擴(kuò)散摻雜方法常用擴(kuò)散摻雜層的質(zhì)量測(cè)量常用擴(kuò)散摻雜層的質(zhì)量測(cè)量Distribution according to error functionDtxCtxCs2erfc,DtxDtQtxCT4exp,2Distribution accordingto Gaussi

3、an function集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.024實(shí)實(shí)際際工工藝藝中中二二步步擴(kuò)擴(kuò)散散第一步第一步 為恒定表面濃度的擴(kuò)散（為恒定表面濃度的擴(kuò)散（Pre-deposition） （稱為預(yù)沉積或預(yù)擴(kuò)散）（稱為預(yù)沉積或預(yù)擴(kuò)散） 控制摻入的雜質(zhì)總量控制摻入的雜質(zhì)總量1112tDCQ 第二步第二步 為有限源的擴(kuò)散（為有限源的擴(kuò)散（Drive-in），往往同時(shí)氧化），往往同時(shí)氧化 （稱為主擴(kuò)散或再分布）（稱為主擴(kuò)散或再分布） 控制擴(kuò)散深度和表面濃度控制擴(kuò)散深度和表面濃度221112222tDtDCtDQC集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入

4、原離子注入原理理 (上上)INFO130024.025什么是離子注入什么是離子注入離化后的原子在強(qiáng)電場(chǎng)的加速作用下，注射進(jìn)入靶材料的離化后的原子在強(qiáng)電場(chǎng)的加速作用下，注射進(jìn)入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì) 離子注入的基本過(guò)程離子注入的基本過(guò)程v將某種元素的原子或攜將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電的離子變成帶電的離子v在強(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得在強(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得較高的動(dòng)能后，射入材較高的動(dòng)能后，射入材料表層（靶）料表層（靶）v以改變這種材料表層的以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)物理或化學(xué)性質(zhì)集成電路工藝原

5、理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.026離子注入特點(diǎn)離子注入特點(diǎn)可通過(guò)精確控制摻雜劑量（可通過(guò)精確控制摻雜劑量（1011-1018 cm-2）和能量（）和能量（1-400 keV）來(lái)）來(lái)達(dá)到各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度達(dá)到各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（1% variation across an 8 wafer）表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度 或深結(jié)高濃度或深結(jié)高濃度注入元素可以非常純，雜質(zhì)單一性注入元素可以非常純，雜質(zhì)單一性可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻

6、膠、介質(zhì)；可防止玷污，自由可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻膠、介質(zhì)；可防止玷污，自由度大度大離子注入屬于低溫過(guò)程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高離子注入屬于低溫過(guò)程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高溫過(guò)程引起的熱擴(kuò)散溫過(guò)程引起的熱擴(kuò)散橫向效應(yīng)比氣固相擴(kuò)散小得多，有利于器件尺寸的縮小橫向效應(yīng)比氣固相擴(kuò)散小得多，有利于器件尺寸的縮小會(huì)產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進(jìn)會(huì)產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進(jìn)設(shè)備相對(duì)復(fù)雜、相對(duì)昂貴（設(shè)備相對(duì)復(fù)雜、相對(duì)昂貴（尤其是超低能量離子注入機(jī)尤其是超低能量離子注入機(jī)）有不安全因素，如高壓、有毒氣體有不安全因素，如高壓、有毒氣體集成電路工

7、藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.027磁分析器磁分析器離離子子源源加速管加速管聚焦聚焦掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)靶靶rdtqIAQ1BF3：B+，B+，BF2+，F(xiàn)+, BF+，BF+B10B11集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.028源（源（Source）：）：在半導(dǎo)體應(yīng)用中，為了操作方便，在半導(dǎo)體應(yīng)用中，為了操作方便， 一般采用一般采用氣體源氣體源，如，如 BF3，BCl3，PH3，AsH3等。等。如用固體或液體做源材料，一般先加熱，得到它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)。

8、們的蒸汽，再導(dǎo)入放電區(qū)。b) 離子源（離子源（Ion Source）：）：燈絲（燈絲（filament）發(fā)出的）發(fā)出的自由電子在電磁場(chǎng)作用下，獲得足夠的能量后撞自由電子在電磁場(chǎng)作用下，獲得足夠的能量后撞擊源分子或原子，使它們電離成離子，再經(jīng)吸極擊源分子或原子，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，射向磁分析器吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器氣體源：氣體源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，.離子源：離子源：B ， As，Ga，Ge，Sb，P，.集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.029離子注入過(guò)程

9、是一個(gè)離子注入過(guò)程是一個(gè)非平衡非平衡過(guò)程，高能離子進(jìn)入過(guò)程，高能離子進(jìn)入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失能量，最后停下來(lái)。停下來(lái)的位置是隨機(jī)的，大能量，最后停下來(lái)。停下來(lái)的位置是隨機(jī)的，大部分不在晶格上，因而沒(méi)有電活性。部分不在晶格上，因而沒(méi)有電活性。集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0210注入離子如何在體內(nèi)靜止？注入離子如何在體內(nèi)靜止？LSS理論理論對(duì)在對(duì)在非晶靶非晶靶中注入離子的射程分布的研究中注入離子的射程分布的研究 1963年，年，Lindhard, Scharff and Sch

10、iott首先確立了注入離首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論，簡(jiǎn)稱子在靶內(nèi)分布理論，簡(jiǎn)稱 LSS理論。理論。 該理論認(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)該理論認(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)立的過(guò)程立的過(guò)程 (1) 核阻止（核阻止（nuclear stopping） (2) 電子阻止電子阻止 （electronic stopping） 總能量損失為兩者的和總能量損失為兩者的和集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0211 核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)-LSS理論理論阻止本領(lǐng)（阻止本領(lǐng)（stopping powe

11、r）：材料中注入離子的能量損失大小：材料中注入離子的能量損失大小單位路程上注入離子由于核阻止和電子阻止所損失的能量單位路程上注入離子由于核阻止和電子阻止所損失的能量 (Sn(E), Se(E) )。q 核阻止本領(lǐng)核阻止本領(lǐng)：來(lái)自靶原子核的阻止，經(jīng)典兩體碰撞理論。：來(lái)自靶原子核的阻止，經(jīng)典兩體碰撞理論。q 電子阻止本領(lǐng)電子阻止本領(lǐng)：來(lái)自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。：來(lái)自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0212 ESESNdxdEen-dE/dx：能量隨距離損失的平均速率：能量隨距離損失的平均速率E：注入離子在其

12、運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)：注入離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x處的能量處的能量Sn(E)：核阻止本領(lǐng)：核阻止本領(lǐng)/截面截面 (eVcm2)Se(E)：電子阻止本領(lǐng)：電子阻止本領(lǐng)/截面（截面（eVcm2)N: 靶原子密度靶原子密度 5 1022 cm-3 for Si eenndxdENESdxdENES1,1LSS理論理論能量能量E的函數(shù)的函數(shù)能量為能量為E的的入射粒子在入射粒子在密度為密度為N的的靶內(nèi)走過(guò)靶內(nèi)走過(guò)x距離后損失距離后損失的能量的能量集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0213核阻止本領(lǐng)核阻止本領(lǐng)注入離子與靶內(nèi)原子核之間注入離子與靶內(nèi)原子核之間

13、兩體碰撞兩體碰撞兩粒子之間的相互作用力是兩粒子之間的相互作用力是電荷作用電荷作用摘自摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295核阻止能力的一階近似為：核阻止能力的一階近似為：例如：磷離子例如：磷離子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅注入硅Z2 = 14, m2 = 28,計(jì)算可得：計(jì)算可得：Sn 550 keV-m mm2m質(zhì)量，質(zhì)量， Z原子序數(shù)原子序數(shù)下標(biāo)下標(biāo)1離子，下標(biāo)離子，下標(biāo)2靶靶 22113223212115cmeV108 . 2mmmZZZZESn對(duì)心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移：對(duì)心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移：

14、E)m(mmmETrans221214 集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0214集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0215電子阻止本領(lǐng)電子阻止本領(lǐng)把固體中的電子看成自由電子氣，電子的阻止就類(lèi)似于粘滯氣把固體中的電子看成自由電子氣，電子的阻止就類(lèi)似于粘滯氣體的阻力（一階近似）。電子阻止本領(lǐng)和注入離子的能量的平體的阻力（一階近似）。電子阻止本領(lǐng)和注入離子的能量的平方根成正比。方根成正比。非局部電子阻止非局部電子阻止局部電子阻止局部電子阻止 22/1152/1cmeV102 . 0, kkECv

15、ESione不改變?nèi)肷潆x子運(yùn)動(dòng)方向不改變?nèi)肷潆x子運(yùn)動(dòng)方向電荷電荷/動(dòng)量交換導(dǎo)致入射離子運(yùn)動(dòng)量交換導(dǎo)致入射離子運(yùn)動(dòng)方向的改變（動(dòng)方向的改變（500 keVnnne集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0218表面處晶格表面處晶格損傷較小損傷較小射程終點(diǎn)（射程終點(diǎn)（EOR）處晶格損傷大處晶格損傷大集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0219R：射程（：射程（range） 離子離子在靶內(nèi)的總路線長(zhǎng)度在靶內(nèi)的總路線長(zhǎng)度 Rp：投影射程：投影射程（projected range） R在入射方向上的投影在入射

16、方向上的投影 Rp：標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)偏差（偏差（Straggling），），投影射程的平均偏差投影射程的平均偏差 R ：橫向：橫向標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)偏差（偏差（Traverse straggling）, 垂直于入射方向垂直于入射方向平面上的標(biāo)準(zhǔn)偏差。平面上的標(biāo)準(zhǔn)偏差。射程分布射程分布：平均投影射：平均投影射程程Rp，標(biāo)準(zhǔn)偏差，標(biāo)準(zhǔn)偏差 Rp，橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差 R 非晶靶非晶靶中注入離子的濃度分布中注入離子的濃度分布集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0220集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0221 0

17、001EenRpESESdENdxRp投影射程投影射程Rp:Rp Rp R Rp Rp R Rp Rp R 集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0222注入離子的濃度分布注入離子的濃度分布在忽略橫向離散效應(yīng)和一級(jí)近似下，注入離子在在忽略橫向離散效應(yīng)和一級(jí)近似下，注入離子在靶內(nèi)的縱向濃度分布可近似取高斯函數(shù)形式靶內(nèi)的縱向濃度分布可近似取高斯函數(shù)形式 221expppPRRxCxC200 keV 注入注入元素元素 原子質(zhì)量原子質(zhì)量Sb 122As 74P 31B 11 Cp集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO13

18、0024.0223 ppCRdxxCQ2Q：為離子注入劑量（：為離子注入劑量（Dose）, 單位為單位為 ions/cm2，可以，可以從測(cè)量積分束流得到從測(cè)量積分束流得到22exp2)(pppRRxRQxCppPRQRQC4 . 02由由 ， 可以得到：可以得到：集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0224Q可以精確控制可以精確控制dtqIAQ1A為注入面積，為注入面積，I為硅片背面搜集到的束為硅片背面搜集到的束流（流（Farady Cup），），t為積分時(shí)間，為積分時(shí)間，q為為離子所帶的電荷。離子所帶的電荷。例如：當(dāng)例如：當(dāng)A2020 cm2

19、，I0.1 m mA時(shí)，時(shí)，satoms/cm1056. 129AqItQ而對(duì)于一般而對(duì)于一般NMOS的的VT調(diào)節(jié)的劑量為：調(diào)節(jié)的劑量為：B 1-51012 cm-2注入時(shí)間為注入時(shí)間為30分鐘分鐘對(duì)比一下：如果采用預(yù)淀積擴(kuò)散（對(duì)比一下：如果采用預(yù)淀積擴(kuò)散（1000 C），表面濃度），表面濃度為固溶度為固溶度1020 cm-3時(shí)，時(shí)，D10-14 cm2/s每秒劑量達(dá)每秒劑量達(dá)1013/cm2I0.01 m mAmADtCQs2集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0225常用注入離子在不同注入能量下的特性常用注入離子在不同注入能量下的特性平均投

20、影射程平均投影射程Rp標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差 Rp集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0226已知注入離子的能量和劑量，已知注入離子的能量和劑量，估算注入離子在靶中的估算注入離子在靶中的 濃度和結(jié)深濃度和結(jié)深問(wèn)題：?jiǎn)栴}：140 keV的的B+離子注入到直徑為離子注入到直徑為150 mm的硅靶中。的硅靶中。 注入注入 劑量劑量Q=510 14/cm2（襯底濃度（襯底濃度21016 /cm3） 1) 試估算注入離子的投影射程，投影射程標(biāo)準(zhǔn)偏差、試估算注入離子的投影射程，投影射程標(biāo)準(zhǔn)偏差、 峰峰 值濃度、結(jié)深值濃度、結(jié)深 2) 如注入時(shí)間為如注入時(shí)間為1分

21、鐘，估算所需束流。分鐘，估算所需束流。集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0227【解】【解】1) 從查圖或查表從查圖或查表 得得 Rp=4289 =0.43 m mm Rp855 855 0.086 m0.086 mm 峰值濃度峰值濃度 Cp=0.4Q/ R Rp p=0.451014/(0.08610-4)=2.341019 cm-3 襯底濃度襯底濃度CB21016 cm-3 xj=0.734 m mm 2) 注入的總離子數(shù)注入的總離子數(shù) Q摻雜劑量摻雜劑量硅片面積硅片面積 51014 (15/2)2=8.81016 離子數(shù)離子數(shù) IqQ/

22、t (1.61019C)(8.81016)/60 sec=0.23 mA 221expppjpBjRRxCCxC集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0228注入離子的真實(shí)分布注入離子的真實(shí)分布v 真實(shí)分布非常復(fù)雜，不服從嚴(yán)格的高斯分布真實(shí)分布非常復(fù)雜，不服從嚴(yán)格的高斯分布v 當(dāng)輕離子硼（當(dāng)輕離子硼（B）注入到硅中，會(huì)有較多的硼離子受到大）注入到硅中，會(huì)有較多的硼離子受到大角度的散射（背散射），會(huì)引起在峰值位置與表面一側(cè)有角度的散射（背散射），會(huì)引起在峰值位置與表面一側(cè)有較多的離子堆積；重離子散射得更深。較多的離子堆積；重離子散射得更深。集成電路

23、工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0229橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)指的是注入橫向效應(yīng)指的是注入離子在離子在垂直于入射方垂直于入射方向平面向平面內(nèi)的分布情況內(nèi)的分布情況橫向效應(yīng)影響橫向效應(yīng)影響MOS晶體晶體管的有效溝道長(zhǎng)度。管的有效溝道長(zhǎng)度。221exp2)(),(RyRxCyxC R （m）集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.023035 keV As注入注入120 keV As注入注入集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0231注入掩蔽層注入掩蔽層掩蔽層應(yīng)該多厚？掩蔽層應(yīng)該多厚？BmPmCRRxCxCPP2*2*2exp)(*如果要求掩膜層能完全阻擋離子如果要求掩膜層能完全阻擋離子xm為恰好能夠完全阻擋離子的為恰好能夠完全阻擋離子的掩膜厚度掩膜厚度Rp*為離子在掩蔽層中的平均為離子在掩蔽層中的平均射程，射程， Rp*為離子在掩蔽層中為離子在掩蔽層中的射程標(biāo)準(zhǔn)偏差的射程標(biāo)準(zhǔn)偏差集成電路工藝原理第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)INFO130024.0232*ln2PPBPPPmRmRCCRRx解出所需的掩膜層厚度：解出所需的掩膜層厚度：穿過(guò)掩膜層的劑量：穿過(guò)掩膜層的劑量： *2*2erfc221exp2pPm