第四章 离子注入与快速热处理 1.下图为一个典型的离子注入系统。 （1）给出1-6数字标识部分的名称，简述其作用。 （2）阐述部件2的工作原理。 答：（1）1：离子源，用于产生注入用的离子； 2：分析磁块，用于将分选所需的离子； 3：加速器，使离子获得所需能量； 4：中性束闸与中性束阱，使中性原子束因直线前进不能达到靶室； 5：X & Y 扫描板，使离子在整个靶片上均匀注入； 6：法拉第杯，收集束流测量注入剂量。 （2）由离子源引出的离子流含有各种成分，其中大多数是电离的，离子束进入一个低压腔体内，该腔体内的磁场方向垂直于离子束的速度方向，利用磁场对荷质比不同的离子产生的偏转作用大小不同，偏转半径由公式： 决定。最后在特定半径位置采用一个狭缝，可以将所需的离子分离出来。 2.离子在靶内运动时，损失能量可分为核阻滞和电子阻滞，解释什么是核阻滞、电子阻滞？两种阻滞本领与注入离子能量具体有何关系？ 答：核阻滞即核碰撞，是注入离子与靶原子核之间的相互碰撞。因两者质量是同一数量级，一次碰撞可以损失很多能量，且可能发生大角度散射，使靶原子核离开原来的晶格位置，留下空位，形成缺陷。 电子阻滞即电子碰撞，是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的相互碰撞。因离子质量比电子质量大很多，每次碰撞损失的能量很少，且都是小角度散射，且方向随机，故经多次散射，离子运动方向基本不变。 在一级近似下，核阻滞本领与能量无关；电子阻滞本领与能量的平方根成正比。 1 2 3 4 5 6
3.什么是离子注入横向效应？同等能量注入时，As和B哪种横向效应更大？为什么？ 答：离子注入的横向效应是指，注入过程中，除了垂直方向外，离子还向横向掩膜下部分进行移动，导致实际注入区域大于掩膜窗口的效应。 B的横向效应更大，因为在能量一定的情况下，轻离子比重离子的射程要深且标准差更大。 4.热退火用于消除离子注入造成的损伤，温度要低于杂质热扩散的温度，然而，杂质纵向分布仍会出现高斯展宽与拖尾现象，解释其原因。 答：离子注入后会对晶格造成简单晶格损伤和非晶层形成；损伤晶体空位密度要大于非损伤晶体，且存在大量间隙原子核其他缺陷，使扩散系数增大，扩散效应增强；故虽然热退火温度低于热扩散温度，但杂质的扩散也是非常明显的，出现高斯展宽与拖尾现象。 5.什么是离子注入中常发生的沟道效应（Channeling）和临界角？怎样避免沟道效应？ 答：沟道效应，即当离子入射方向平行于主晶轴时，将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。由于沟道效应，使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾；对于轻原子注入到重原子靶内是，拖尾效应尤其明显。 临界角是用来衡量注入是否会发生沟道效应的一个阈值量，当离子的速度矢量与主要晶轴方向的夹角比临界角大得多的时候，则很少发生沟道效应。临界角可用下式表示： 6.什么是固相外延（SPE）及固相外延中存在的问题？ 答：固相外延是指半导体单晶上的非晶层在低于该材料的熔点或共晶点温度下外延再结晶的过程。热退火的过程就是一个固相外延的过程。 高剂量注入会导致稳定的位错环，非晶区在经过热退火固相外延后，位错环的最大浓度会位于非晶和晶体硅的界面处，这样的界面缺陷称为射程末端缺陷。若位错环位于PN结耗尽区附近，会产生大的漏电流，位错环与金属杂质结合时更严重。因此，选择的退火过程应当能够产生足够的杂质扩散，使位错环处于高掺杂区，同时又被阻挡在器件工作时的耗尽区之外。 7.离子注入在半导体工艺中有哪些常见应用？ 答：阱注入、VT调整注入，轻掺杂漏极（LDD），源漏离子注入，形成SOI结构。 8.简述RTP设备的工作原理，相对于传统高温炉管它有什么优势？ 答：RTP设备是利用加热灯管通过热辐射的方式选择性加热硅片，使得硅片在极短的时间内达到目标温度并稳定维持一段时间。相对于传统高温炉管，RTP设备热处理时间短，热预算小，冷壁工艺减少硅片污染。 9.简述RTP在集成电路制造中的常见应用。 答：RTP常用于退火后损失修复、杂质的快速热激活、介质的快速热加工、硅化物和接触的形成等。 10.采用无定形掩膜的情况下进行注入，若掩膜/衬底界面的杂质浓度减少至峰值
离子注入和快速退火工艺 离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程。注入能量介于1keV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm~10um，离子剂量变动范围从用于阈值电压调整的1012/cm3到形成绝缘层的1018/cm3。相对于扩散工艺，离子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。 高能的离子由于与衬底中电子和原子核的碰撞而失去能量，最后停在晶格内某一深度。平均深度由于调整加速能量来控制。杂质剂量可由注入时监控离子电流来控制。主要副作用是离子碰撞引起的半导体晶格断裂或损伤。因此，后续的退化处理用来去除这些损伤。 1 离子分布 一个离子在停止前所经过的总距离，称为射程R。此距离在入射轴方向上的
投影称为投影射程Rp。投影射程的统计涨落称为投影偏差σp。沿着入射轴的垂直的方向上亦有一统计涨落，称为横向偏差σ┷。 下图显示了离子分布，沿着入射轴所注入的杂质分布可以用一个高斯分布函数来近似： S为单位面积的离子注入剂量，此式等同于恒定掺杂总量扩散关系式。沿x 轴移动了一个Rp。回忆公式: 对于扩散，最大浓度为x＝0；对于离子注入，位于Rp处。在（x－Rp）＝±σp处，离子浓度比其峰值降低了40%。在±2σp处则将为10%。在±3σp处为1%。在±4σp处将为0.001%。沿着垂直于入射轴的方向上，其分布亦为高斯分布，可用: 表示。因为这种形式的分布也会参数某些横向注入。 2 离子中止 使荷能离子进入半导体衬底后静止有两种机制。 一是离子能量传给衬底原子核，是入射离子偏转，也使原子核从格点移出。设E是离子位于其运动路径上某点x处的能量，定义核原子中止能力：
半导体工艺讲解（1）--掩模和光刻（上）概述 光刻工艺是半导体制造中最为重要的工艺步骤之一。主要作用是将掩膜板上的图形复制到硅片上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。光刻的成本约为整个硅片制造工艺的1/3，耗费时间约占整个硅片工艺的40?60% 光刻机是生产线上最贵的机台，5?15百万美元/台。主要是贵在成像系统 （由15?20个直径为200?300mm勺透镜组成）和定位系统（定位精度小于10nm。其折旧速度非常快，大约3?9万人民币/天，所以也称之为印钞机。光刻部分的主要机台包括两部分：轨道机（Tracker ），用于涂胶显影；扫描曝光机（Scanning ） 光刻工艺的要求：光刻工具具有高的分辨率；光刻胶具有高的光学敏感性; 准确 地对准；大尺寸硅片的制造；低的缺陷密度。 光刻工艺过程 一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。 1、硅片清洗烘干(Cleaning and Pre-Baking ) 方法：湿法清洗+去离子水冲洗+脱水烘焙（热板150?2500C,1?2分钟, 氮气保护） 目的：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；除去水 b、蒸气，是基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性（对光刻胶或者是HMD?六 甲基二硅胺烷）。 2、涂底（Priming） 方法：a、气相成底膜的热板涂底。HMD蒸气淀积，200?2500C,30秒钟; 优点：涂底均匀、避免颗粒污染；b、旋转涂底。缺点：颗粒污染、涂底不 均匀、HMD用量大。 目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。 3、旋转涂胶(Spin-on PR Coati ng ) 方法：a、静态涂胶（Static ）。硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占65?85%旋涂后约占10?20% ; b、动态 (Dynamic)。低速旋转 (500rpm_rotation per minute )、滴胶、加速旋转(3000rpm)、甩胶、挥发溶剂。
第三部分原理 瓦利安半导体设备有限公司 VIISta HCS 目录 章节章节编号 原理介绍…………………………………………………………………E82291210 控制原理………………………………………………---………………E82291220 离子注入操作原理………………………………………………………E82291230 第1页
介绍 第1页
VIISta HCS型高束流离子注入机是高自动化的生产工具。此离子注入机可以将单一离子类别掺杂剂的离子束注入到硅片中。 首先利用Varian 控制系统（VCS）产生工艺配方，在配方的基础上制定产生离子束的确切标准。工艺配方的设计目的包括：控制掺杂剂种类的选择，控制剂量、控制离子束的能量、注入角度等以及工艺步骤等等。 在阅读本章之前，请阅读第二章安全方面内容。 一、系统单元组成 VIISta HCS 可以分为三个有用的重要的单元：离子源单元、离子束线单元、工作站单元。 1、离子源单元 离子源子单元包括产生，吸出、偏转、控制，和聚焦，离子是有间接加热的阴极产生再由吸极取出（由D1电源与吸级装置构成），在取出工艺过程中，为了得到离子束更好的传输和低的离子束密度，离子束将被垂直聚焦。被取出的离子束通过一个四极的透镜，在进入90度离子束磁分析器之前离子束被聚焦，在磁分析器中，绝大多数不需要的离子将被分离出去。 离子源模块的主要结构，包括离子源围栏内部分和安全系统，支持分布各处的主要动力组件。还有离子源控制模块，源初始泵抽，涡轮分子泵抽，工艺气体柜，离子源和（套）管路。离子源围栏与安全系统要互锁，这是为了防止在正常注入操作过程中有人员接近。如果任何一扇门打开，或者任何维护、伺服面板被移动，高压电源和有害气体流就会通过互锁系统关闭。VIISts HCS 系统使用的不是高压工艺气体，就是需要安全输送系统的工艺气体。VSEA提供的标准工艺气体有三氟硼烷、砷烷和磷烷。 2、离子束线控制单元 离子束线控制子系统包括从90度磁偏转区域到70度磁偏转区域，在这些区域，离子束将会被减速、聚焦、分析、测量以及被修正为平行、均匀的离子束。从90度磁偏转区域到70度磁偏转区域中，离子束先被增速，再被减速。离子源与控制离子束线的四极透镜，协同D1、D1抑制极，D2、D2抑制极动力一起，提供水平与垂直聚焦控制。90度磁偏转协同判决光圈一起实现对离子的筛选分析。预设法拉第杯测量离子束强度。最终，离子束在70度偏转磁场中，协同多组磁极和顶部和底部的磁棒，被调整为方向平行，分布均匀的离子束。 离子束离开离子源模块之后进入离子束线模块。离子束首先通过离子源四极透镜（源四极透镜，Q1）调整离子束使其竖直方向 第1页
半导体离子注入工艺 --离子注入 离子注入法掺杂和扩散法掺杂对比来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。当前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。 1.离子注入原理: 离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。 离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量， 能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。离子通过与硅原子 的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒 子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。 杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。 2.离子射程 离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。 投影射程是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。 3.离子注入剂量 注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过
下面的公式计算得出 ，式中，Q 是剂量；I 是束流， 单位是安培；t 是注入时间，单位是秒；e 是电子电荷，1.6×10-19C ；n 是电荷数量；A 是注入面积，单位是 。 4.离子注入设备 离子注入机体积庞大，结构非常复杂。根据它所能提供 的离子束流大小和能量可分为高电流和中电流离子注入机以 及高能量、中能量和低能量离子注入机。 离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。 （1）离子源 离子源的任务是提供所需的杂质离子。在合适的气压 下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而电离，最常用的杂质 源有 和 等， （2）离子束吸取电极 吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。电 极由抑制电极和接地电极构成，电极上加了很高的电压，离 子受到弧光反应室侧壁的排斥作用和抑制电极的吸引作用，被分离出来形成离子束向吸取电极运动。 3）质量分析器 反应气体中可能会夹杂少量其它气体，这样，从离子源 吸取的离子中除了需要杂质离子外，还会有其它离子。因 此，需对从离子源出来的离子进行筛选，质量分析器就是来 enA It Q 62H B 3PH
离子注入技术工艺 中国科学院半导体研究所离子注入组 我们的离子注入机是中国电子科技集团公司第四十八研究所研制的LC–4 型离子注入机，中国科学院半导体研究所后对该注入机的真空系统、离子源、靶室等设施进行了升级改造，使该注入机在研究方面的性能和功能更加强大。 经过二十多年的运行，我们已为全国一百多家科研院所、大学和企业提供了离子注入技术工艺制作，来我们这里做离子注入工艺的不仅有中科院、北大、清华等众多内地著名单位而且还包括台湾和香港的多所大学；在国际上，美国、德国等西方国家的研究部门也多次来我们这里做离子注入，而我们对国外的收费一直是按照基本上与国际接轨的标准。从国内外的回头客情况看，他们对我们离子注入的质量水平感到满意，特别是，德国Paderborn大学的Wolf Sohler 教授2009年专门来我们这里参观，他说：“我们多次来你们这里做注入，经我们德方的实验测试，你们注入的质量很好”。这说明德国人来我们这里花费得到的技术工艺是物有所值的，也说明我们的离子注入技术经受住了国际方面的检验从而达到国际水平。 有关这台离子注入机的技术指标，其能量在15keV–600keV范围内连续可调，束流强度0.02μA–100μA。注入离子的种类可做铅以下所有离子，现做过的离子包括Al+、As+、Ar+、Ag+、Au+、B+、BF 2 +、Br+、Be+、Bi+ 、Ba+ 、C+、Cr+、Ga+、 Cu+、Ge+、Ca+、Co+、Ce+、Dy+、Eu+、Er+ 、Fe+、Gd+、H+、H 2 +、He+、I+、In+、La+、 Li+、Mg+、Mo+、Mn+、N+、N 2+、Ni+、Nb+、Nd+、Ne+、O+、O 2 +、P+、Pr+、Pt+、Pd+、 S+、Si+、Se+、Sb+、Sm+、SiF 2 +、Te+、Ti+、Tb+、Ta+、Tm+、V+、W+、Xe+、Y+、Yb+、Zr+、Zn+、Zr+等超过60种离子。我们可以实现重叠注入、垂直注入、大偏角或双偏角注入以及冷靶（液氮温度）或热靶（500 ℃以下）注入等，注入样品的形状可以是任意尺寸，最小可以是几个平方毫米，最大可达4英寸直径的圆片。 应用该机已在多种半导体器件、表面物理、半导体材料、金属材料、超导材料、生物材料、医学结构材料、地质矿藏材料、粮食种子改性、微生物品种改良等方面开展了研究，其中在很多方面已取得显著效果。 电子邮件：jml@https://www.doczj.com/doc/3113585081.html,（联系注入需通过发电子邮件网上预约，联系人：李建明） 地址：中国科学院半导体研究所,北京市海淀区清华东路甲35号4号实验楼102室 邮编：100083；电话/传真：（010）82304443
离子注入实验报告 材料科学与工程 1 实验目的：（1）了解离子注入原理，掌握注入完成后的退火仪器原理及操作。 （2）学会在样品上制作欧姆接触，四探针法测量样品退火前后的薄层电阻；用热电笔法测量退火前后样品的导电类型，熟悉霍尔 测量的原理和装置。 2 离子注入原理： 离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。一般的说,离子能量在1－5KeV的称为离子镀；0.1-50KeV称作离子溅射；10－几百KeV称为离子注入。离子注入在半导体掺杂领域有很多优点：注入杂质不受把材料固溶度的限制，杂质的面密度和掺杂深度精确可控)，横向扩散小，大面积均匀性好，掺杂纯度高，能够穿透一定的掩蔽膜，在化合物半导体工艺中有特殊意义。同时离子注入还可应用于金属改性和加工，生物研究等领域。 3离子注入设备 离子注入设备通常由离子源、分析器、加速聚焦体系统和靶室等组成。如下图所示： 1．离子源：由产生高密度等离子体的腔体和引出部分（吸极）组成。通常使用的有高频等离子源、电子振荡型等离子源（潘宁源）、双等离子源等、双彭源、转荷型负离子源、溅射型负离子源等。
2．加速器：产生强的电场，将离子源出来的离子加速到所需要的能量。 3．分析器：离子分选器。离子源产生的离子束中往往有几种离子。用分析器可以从这些离子中选择出所需要的。 磁分析器：在离子通道上加磁场，离子在磁场中偏转。磁场一定时离子在磁场中的运动半径由离子的荷质比和能量决定。让选中离子的偏转半径正好可以准直地进入管道。 4．偏转扫描 离子注入机中应该保持高真空。实际上其中不可避免的有残留的气体分子，离子在行进过程中可能和其碰撞并且交换电荷变成中性原子。中性原子的能量、电荷属性和离子不同，注入到靶材料上会引起注入不均匀。 偏转扫描是在离子束进入靶室前给其施加电场，电场使其中的离子偏转进入靶室，中性原子则不被偏转而不进入靶室。从而去掉了中性粒子。 5．X,Y扫描器 离子束束斑很小，一般只有微米量级。给离子束施加磁场或电场，使其在X,Y方向扫描。在靶上均匀扫描。 6．靶室 放置、取出样品。可以有给样品加温的装置。 4 实验内容： 由小组四人合作完成以下内容： （a）A角的任务：完成接收样品；用四探针法测量样品退火前后的薄层电阻；用热电笔法测量退火前后样品的导电类型。记录：样品的注入条件；样品退火前后的薄层电阻；退火前后样品的导电类型；上述活动中的现象。 （b）B角的任务：熟悉退火仪器的原理和操作；操作退火装置，完成样品的退火；归置退火装置。B角应该记录：样品的退火条件；退火过程。 （c）C角的任务：练习在硅片上用铟制作欧姆接触，能够在正式样品上制作出合格的欧姆接触。C角应该记录上述活动的过程。 （d）D角的任务：熟悉霍尔测量的原理和装置；负责操作霍尔测量装置测出样品的数据。D角应该记录：样品的薄层电阻；注入层载流子的面密度。 4．1四探针及冷热笔测量 4.1.1实验样品： P型Si衬底上注P。注入条件：E=20keV 、D=3*1014atom/cm2、束流10mA、R P=253、ΔR P=119 4.1.2四探针法测量原理 四探针法是经常采用的一种测量半导体材料电阻率的方法，原理简单，数据处理简便。优点在于探针与半导体样品之间不必要求制备合金电极，这样给测量
请回答以下问题： 题目：（1）请回答以下几个概念：【20分】 （1）场区、（2）有源区、（3）键合、（4）负载效应、（5）钝化。 题目：（2）集成电路工艺主要分为哪几大部分，每一部分中包括哪些主要工艺、并简述各工艺的主要作用。 【20分】 题目：（3）在离子注入工艺中,有一道工艺是”沟道器件轻掺杂源(漏)区”,其目的是减小电场峰植和热电子效应!请详尽解释其原理!【15分】 题目：（4）在电极形成或布线工艺中,用到金属Ti,请详尽说明金属Ti的特性、金属Ti 的相关工艺、以及金属Ti在电路中的作用!【15分】 题目：（5）在光刻胶工艺中要进行，软烘，曝光后烘焙和坚膜烘焙，请详细说明这三步工艺的目的和条件。【15分】 题目：（6）请对Si（以一种含有Cl元素的刻蚀气体为例）和SiO2（以一种含有F元素的刻蚀气体为例）刻蚀工艺进行描述，并给出主要的化学反应方程式。【15分】 参考答案： 题目一答案: (1) 场区是指一种很厚的氧化层,位于芯片上不做晶体管、电极接触的区域,可以起到隔 离晶体管的作用 (2) 有源区是指硅片上做有源器件的区域,有源区主要针对MOS而言,只要源极,漏极以 及导电沟道所覆盖的区域称为有源区. (3) 键合是指将芯片表面的铝压点和引线框架上或基座上的电极内端(有时称为柱)进 行电连接最常用的方法,常用的键合方法有热压键合、超声键合、热超声键合. (4) 刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度称为刻蚀速率,它通常正比于刻蚀剂的浓度, 要刻蚀硅片表面的大面积区域,则会耗尽刻蚀剂浓度使刻蚀速率慢下来;如果刻蚀的面积比较小,则刻蚀就会快些.这称为负载效应. (5) 钝化是使金属表面转化为不易被氧化的状态，而延缓金属的腐蚀速度的方法.热生长SiO2的一个主要优点是可以通过束缚硅的悬挂键,从而降低它的表面态密度,这种效果称为表面钝化,它能防止电性能的退化并减少由潮湿、离子或其它外部沾污物引起的漏电流通路. 题目二答案: 答:集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作。简而言之，这些操作可分为六大基本类：晶片制造、薄膜制作、刻印、刻蚀、掺杂、封装。
常用术语翻译 active region 有源区 2.active component有源器件 3.Anneal退火 4.atmospheric pressure CVD (APCVD) 常压化学气相淀积 5.BEOL（生产线）后端工序 6.BiCMOS双极CMOS 7.bonding wire 焊线，引线 8.BPSG 硼磷硅玻璃 9.channel length沟道长度 10.chemical vapor deposition (CVD) 化学气相淀积 11.chemical mechanical planarization (CMP)化学机械平坦化 12.damascene 大马士革工艺 13.deposition淀积 14.diffusion 扩散 15.dopant concentration掺杂浓度 16.dry oxidation 干法氧化 17.epitaxial layer 外延层 18.etch rate 刻蚀速率 19.fabrication制造 20.gate oxide 栅氧化硅 21.IC reliability 集成电路可靠性
22.interlayer dielectric 层间介质（ILD） 23.ion implanter 离子注入机 24.magnetron sputtering 磁控溅射 25.metalorganic CVD(MOCVD)金属有机化学气相淀积 26.pc board 印刷电路板 27.plasma enhanced CVD(PECVD) 等离子体增强CVD 28.polish 抛光 29.RF sputtering 射频溅射 30.silicon on insulator绝缘体上硅（SOI） 第一章半导体产业介绍 1. 什么叫集成电路？写出集成电路发展的五个时代及晶体管的数量？(15分) 集成电路：将多个电子元件集成在一块衬底上，完成一定的电路或系统功能。集成电路芯片/元件数产业周期 无集成 1 1960年前 小规模(SSI) 2到50 20世纪60年代前期 中规模(MSI) 50到5000 20世纪60年代到70年代前期
半导体离子注入工艺 09电科A柯鹏程 0915221019 离子注入法掺杂和扩散法掺杂对比来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。当前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。离子注入是一种将带点的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程。注入能量介于1eV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm~10um。相对扩散工艺，粒子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质参杂、可重复性和较低的工艺温度。 1.离子注入原理: 离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。 离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量， 能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。离子通过与硅原子 的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒 子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。 杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。 2.离子射程 离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。 投影射程是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。
3.离子注入剂量 注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过 下面的公式计算得出 Q=It/enA ，式中，Q是剂量；I是束流， 单位是安培；t是注入时间，单位是秒；e是电子电荷，1.6×10-19C；n是电荷数量；A是注入面积，单位是。 4.离子注入工艺 （1）沟道效应 入射离子与wafer之间有不同的相互作用方式，若离子 能量够高，则多数被注入到wafer内部；反之，则大部分离 子被反射而远离wafer。注入内部的原子会与晶格原子发生 不同程度的碰撞，离子运动过程中若未与任何粒子碰撞，它 就可到达wafer内部相当深的地方，这就是沟道效应。 沟道效应将使离子注入的可控性降低，甚至使得器件失效。因此，在离子注入时需要抑制这种沟道效应。在wafer表面淀积一层非晶格结构材料或事先破坏掉wafer 表面较薄的一层结晶层等都可降低沟道效应。2）退火 离子注入会对晶格造成损伤，注入剂量较大时，wafer 将会由单晶变成非晶，通过退火能修复晶格缺陷。 缺陷修复需要500℃的温度，杂质的激活需要950℃ 的高温，有高温炉退火和快速热退化两种方法。高温炉退火 是在800～1000℃的高温下加热30分钟，因会导致杂质再 分布，不常采用；快速热退火采用快速升温并在1000℃的 高温下保持很短的时间，可达到最佳效果。 （3）颗粒污染 离子注入对颗粒污染非常敏感，wafer表面的颗粒会阻碍离子束的注入，大电流的注入会产生更多颗粒，必要时需 采取纠正措施。 （4）离子注入工艺有以下特点： 注入的离子经过质量分析器的分析，纯度很高、能量单一。而且注入环境清洁、干燥，大大降低了杂质污染。 注入剂量可精确控制，杂质均匀度高达±1%； 注入在中低温度下进行，二氧化硅、光刻胶、氮化硅等都可以作为注入时的掩蔽层。衬底温度低，就避免了高温扩散所引起的热缺陷； 离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底中的固溶 度限制； 对于化合物半导体采用离子注入技术，可不该变组分而 达到掺杂的目的； 离子注入的横向掺杂效应比扩散大大减少了； 离子注入最大的缺点就是高能离子轰击wafer对晶格结 构造成的损伤； （5）离子注入工艺的应用 改变导电类型，形成PN结，如形成源、漏以及阱等； 改变起决定作用的载流子浓度，以调整器件工作条件；改变衬底结构；合成化合物。
1．引言 (2) 2．离子注入工艺 (2) 2.1简介 (2) 2.2 离子注入的分类 (3) 2.3 离子注入的要求 (3) 3．离子注入工艺的特点 (4) 4. 离子注入工艺中应注意的几个问题 (6) 4.1 离子沟道 (6) 4.2 损伤 (6) 4.3 退火 (7) 4.4 预防沾污 (7) 5. 结束语 (7)
1．引言 离子注入是现代集成电路制造中的一种非常重要的技术,其利用离子注入机实现半导体的掺杂,即将特定的杂质原子（Dopant）以离子加速的方式注入硅半导体晶体内改变其导电特性并最终形成晶体管结构。随着半导体集成电路的高速发展,对工艺提出了更高的要求,特别是对关键工艺的影响更大。本文对半导体集成电路工艺中的离子注入工艺的主要特点、工艺中存在的几个问题及在化合物半导体集成电路工艺中的应用等方面进行了重点阐述。 2．离子注入工艺 2.1简介 现代的半导体制造工艺中制造一个完整的半导体器件一般要用到许多步（15～25步）的离子注入。离子注入的最主要工艺参数是杂质种类,注入能量和掺杂剂量。杂质种类是指选择何种原子注入硅基体,一般杂质种类可以分为N型和P型两类,N型主要包括磷,砷,锑等,而P型则主要包括硼,铟等。注入能量决定了杂质原子注入硅晶体的深度,高能量注入得深,而低能量注入得浅。掺杂剂量是指杂质原子注入的浓度,其决定了掺杂层导电的强弱。通常半导体器件的设计者需要根据具体的目标器件特性为每一步离子注入优化以上这些工艺参数。图1给出了130nm器件上离子注入后和回火后的B、BF2的深度和浓度变化。
2.2 离子注入的分类 离子注入设备根据具体的应用分为三类：中束流,大束流和高能量。这三种离子注入设备在半导体工艺中各有其特殊的应用。中束流（MC）离子注入设备用于那些掺杂剂量适中或较低但精度控制要求非常重要的掺杂工艺,其在半导体器件制造中的具体应用例如栅阀值调整（Threshold Adjust）,Halo 注入等;大束流（HC）离子注入设备用于掺杂剂量很高且精度控制不重要的场合,例如源极,漏极的形成和多晶硅栅极的掺杂。高能量（HE）离子注入设备用于杂质原子注入硅基体深度需要很深的场合。随着晶体管的缩小,高能量注入逐步减少,其中N/P井的形成,尤其是倒掺杂井（retrograde well）,主要需要HE注入设备。 2.3 离子注入的要求 离子注入的工艺要求主要包括均匀性和可重复性,能量纯度,注入角度准确性,杂质微粒（particle）,污染等等。高度敏感的器件要求离子注入的剂量尽可能的均匀一致。典型的均匀性指标上限可以是3倍标准方差波动1.5％。这样的要求必须在300mm直径的晶圆上始终如一地得到满足。晶圆之间（wafer-to-wafer）和批次之间(lot-to-lot)的可重复性也同等地重要。离子入射角度不同将造成离子注入深度改变而影响器件的电参数,因此对于离子束入射角度的控制非常必要。污染包括能量污染,金属污染,以及交叉污染。先前注入杂质的原子可能被溅射到晶圆表面形成交叉污染（cross-contamination）,或是注入的虽然是正确的杂质但是却是错误的能量或电荷状态形成能量污染（energy contamination）,或者通常来自于电子束流通路组件的溅射而形成的金属污染（metallic contamination）。杂质微粒（Particle）既可能通过离子束的运动带至晶圆表面,也可能在晶圆传送的过程中产生。即使是象120nm那么小的微粒也足以导致器件产出的损失。现代半导体器件对这些问题是如此敏感以至于工艺工程师需要不停地监控这些工艺参数确保它们在设定范围之内。 随着半导体工业的进步,半导体器件的尺寸不断缩小,要求源极、漏极以及源极前延和漏极前延（Source/Drain Extension）相应地变浅,这大大地增加了对低能量离子注入的需求,见图2。由于低能量的离子本身就难以萃取;加上低能量离子束行进速度慢,其由于空间电荷自排斥而产生的离子束扩散使得更多的萃取离子损失在路径中,如何增加能量在10keV以下的离子束电流以增加生产力成为离子注入设备的最大挑战之一。
半导体工艺 --离子注入 离子注入法掺杂相比扩散法掺杂来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。目前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。 1.离子注入原理 离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。 离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量， 能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。离子通过与硅原子 的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒 子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。 杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。 2.离子射程 离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。 投影射程是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。 3.离子注入剂量 注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过
下面的公式计算得出 ，式中，Q 是剂量；I 是束流， 单位是安培；t 是注入时间，单位是秒；e 是电子电荷，1.6×10-19C ；n 是电荷数量；A 是注入面积，单位是 。 4.离子注入设备 离子注入机体积庞大，结构非常复杂。根据它所能提供 的离子束流大小和能量可分为高电流和中电流离子注入机以 及高能量、中能量和低能量离子注入机。 离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。 （1）离子源 离子源的任务是提供所需的杂质离子。在合适的气压 下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而电离，最常用的杂质 源有 和 等， （2）离子束吸取电极 吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。电 极由抑制电极和接地电极构成，电极上加了很高的电压，离 子受到弧光反应室侧壁的排斥作用和抑制电极的吸引作用，被分离出来形成离子束向吸取电极运动。 3）质量分析器 反应气体中可能会夹杂少量其它气体，这样，从离子源 吸取的离子中除了需要杂质离子外，还会有其它离子。因 此，需对从离子源出来的离子进行筛选，质量分析器就是来 enA It Q 62H B 3PH
杭州电子科技大学研究生考试卷（B卷）
共页第页 1、什么是CMOS器件的闩锁效应描述三种阻止闩锁效应的制造技术。（12分） 答：闩锁效应就是指CMOS器件所固有的寄生双极晶体管（又称寄生可控硅，简称SCR）被触发导通，在电源和地之间形成低阻抗大电流的通路，导致器件无法正常工作，甚至烧毁器件的现象。这种寄生双极晶体管存在CMOS器件内的各个部分，包括输入端、输出端、内部反相器等。当外来干扰噪声使某个寄生晶体管被触发导通时，就可能诱发闩锁，这种外来干扰噪声常常是随机的，如电源的浪涌脉冲、静电放电、辐射等。闩锁效应往往发生在芯片中某一局部区域，有两种情况：一种是闩锁只发生在外围与输入、输出有关的地方，另一种是闩锁可能发生在芯片的任何地方，在使用中前一种情况遇到较多。 2、为什么要用区熔法生长硅晶体比较FZ和CZ优缺点。（10分） 答：（1）原因：因为区熔法可以得到低至1011cm-1的载流子浓度。区熔生长技术的基本特点是样品的熔化部分是完全由固体部分支撑的，不需要坩埚。柱状的高纯多晶材料固定于卡盘，一个金属线圈沿多晶长度方向缓慢移动并通过柱状多晶，在金属线圈中通过高功率的射频电流，射频功率技法的电磁场将在多晶柱中引起涡流，产生焦耳热，通过调整线圈功率，可以使得多晶柱紧邻线圈的部分熔化，线圈移过后，熔料在结晶为为单晶。另一种使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦电子束。整个区熔生长装置可置于真空系统中，或者有保护气氛的封闭腔室内 （2）CZ和FZ区别：CZ是直拉法，就是首先把多晶硅置于坩埚内加热熔化，然后采用小的结晶“种子”——籽晶，再慢慢向上提升、结晶，获得大的单晶锭。 （3）CZ和FZ优缺点比较：FZ是水平区域熔化生长法，就是水平放置、采用感应线圈加热、并进行晶体生长的技术。直拉法在Si单晶的制备中更为常用，占75％以上。直拉法制备Si单晶的优点是：1）成本低；2）能制备更大的圆片尺寸，6英寸（150mm）及以上的Si单晶制备均采用直拉法，目前直拉法已制备出400mm（16英寸）的商用Si单晶；3）制备过程中的剩余原材料可重复使用；4）直拉法制备的Si单晶位错密度低，0～104cm-2。直拉法制备Si单晶的主要缺点是，由于使用坩埚，Si单晶的纯度不如区熔法。区熔法制备Si单晶的主要优点是，由于不使用坩锅，可制备高纯度的硅单晶，电阻率高达2000Ω-mm，因此区熔法制备的Si单晶主要用于功率器件及电路。区熔法制备Si单晶的缺点是：1）成本高； 3、什么是LOCOS和STI为什么在高级IC工艺中，STI取代了LOCOS（12分） 答：（1）LOCOS：即“硅的局部氧化”技术（Local Oxidation of Silicon）CMOS工艺最常用的隔
离子注入技术的发展 及其在材料方面的应用
摘要 离子注入是一项新兴的材料表面改性技术。它可以使材料表面的机械、物理、化学、电学等性能发生变化。有效地提高材料表面的硬度以及耐磨擦、耐磨损、抗腐蚀、抗疲劳等能力，延长材料使用寿命，增加经济收益。本文介绍了离子注入的基本原理以及技术特点，描述了离子注入在金属材料表面改性、半导体材料以及超导方面的技术应用，并展望了离子注入的应用前景。 关键词：离子注入；材料；表面改性；半导体；超导
一、绪论 离子注入技术于七十年代初首先成功地应用于半导体工业，成为制备大规模集成电路必不可少的手段之一。八十年代起人们把离子注入技术开始用于金属材料的表面改性。由于该项技术本身的独特优点、良好的改性效果以及潜在的巨大经济效益，近年来吸引了愈来愈多的研究者开始从事该项技术的开发研究。日前，随着应用围的日益扩大和理论研究的不断深入，离子注入技术日趋成熟。 近年来离子注入的方式也更加多样化，除了常规离子注入外，由此派生出的其它注入方法有：反冲注入、动态反冲注入、离子束混合等。注入方式的多样化完善了注入实验手段，使人们对各种具体情况可以选择恰当的注入方式，以满足不同的要求。 在实际应用中，很多方面都需要固体材料有较好的表面性能，如耐腐蚀性，抗磨损性，较高的硬度和抗氧化性等，而这些性能都直接与固体材料表面成分，结构组态，化台物相等有关，离于注入技术是最重要的手段之一。 离子注入技术应用于金属材料的改性，从碳素工具钢、硬质合金刚到人造或天然金刚石制造的量具、刃具、刀具、模具和工件等，通过表面改性，可提高使用寿命。经离子注入后，材料(或工件)韵表面硬度、耐磨损性能、抗腐蚀能力及使用寿命等，一般可提高几倍到十几倍。目前，离子注入已经发展成为一门核技术与金属学之间新兴的边缘学科——“离子注入冶金学” (Ion Implantation Metallurgy)。各发达国家都十分关注这门学科的发展和应用。 二、关于离子注入的简单介绍 （一）离子注入的定义 离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。一般的说,离子能量在1－5KeV 的称为离子镀；0.1-50KeV称作离子溅射；一般称10－几百KeV的称为离子注入。注入到材料中的离子具有很高的能量，足以使注入层的化学组分和原子结构发生变化，这样使得材料表面的机械、物理、化学、电学等性能也随之改变．从而达到材料表面改性的目的。 简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一
半导体工艺讲解(1)--掩模和光刻（上） 概述 光刻工艺是半导体制造中最为重要的工艺步骤之一。主要作用是将掩膜板上的图形复制到硅片上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。光刻的成本约为整个硅片制造工艺的1/3，耗费时间约占整个硅片工艺的40～60%。 光刻机是生产线上最贵的机台，5～15百万美元/台。主要是贵在成像系统（由15～20个直径为200～300mm的透镜组成）和定位系统（定位精度小于10nm）。其折旧速度非常快，大约3～9万人民币/天，所以也称之为印钞机。光刻部分的主要机台包括两部分：轨道机（Tracker），用于涂胶显影；扫描曝光机（Scanning ) 光刻工艺的要求：光刻工具具有高的分辨率；光刻胶具有高的光学敏感性；准确地对准；大尺寸硅片的制造；低的缺陷密度。 光刻工艺过程 一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。 1、硅片清洗烘干（Cleaning and Pre-Baking） 方法：湿法清洗＋去离子水冲洗＋脱水烘焙（热板150～2500C,1～2分钟，氮气保护） 目的：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，是基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性（对光刻胶或者是HMDS-〉六甲基二硅胺烷）。 2、涂底（Priming) 方法：a、气相成底膜的热板涂底。HMDS蒸气淀积，200～2500C,30秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒污染； b、旋转涂底。缺点：颗粒污染、涂底不均匀、HMDS用量大。 目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。 3、旋转涂胶（Spin-on PR Coating） 方法：a、静态涂胶（Static）。硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占65～85%,旋涂后约占10～20%）；
离子注入技术 摘要 离子注入技术是当今半导体行业对半导体进行掺杂的最主要方法。本文从对该技术的基本原理、基本仪器结构以及一些具体工艺等角度做了较为详细的介绍，同时介绍了该技术的一些新的应用领域。 关键字 离子注入技术 半导体 掺杂 1 绪论 离子注入技术提出于上世纪五十年代，刚提出时是应用在原子物理和核物理究领域。后来，随着工艺的成熟，在1970年左右，这种技术被引进半导体制造行业。离子注入技术有很多传统工艺所不具备的优点，比如：是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺杂种类广泛，并且易于自动化。 离子注入技术的应用，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展，从而使集成电路的生产进入了大规模及超大规模时代（ULSI ）。由此看来，这种技术的重要性不言而喻。因此，了解这种技术进行在半导体制造行业以及其他新兴领域的应用是十分必要的。 2 基本原理和基本结构 2.1 基本原理 离子注入是对半导体进行掺杂的一种方法。它是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，注入到硅中而实现掺杂。 离子具体的注入过程是：入射离子与半导体（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某处。在这一过程中，涉及到“离子射程”、“”等几个问题，下面来具体分析。 2.1.1 离子射程 x p y p z
图2.1.1（a ） 离子射程模型图 图2.1.1（a ）是离子射入硅中路线的模型图。其中，把离子从入射点到静止点所 通过的总路程称为射程；射程的平均值，记为R ，简称平均射程 ；射程在入射方向上的投影长度，记为p x ,简称投影射程；投影射程的平均值，记为p R ，简称平均投影射程。 入射离子能量损失是由于离子受到核阻挡与电子阻挡。定义在位移 x 处这两种能量损失率分别为n S 和 e S ： n n x dE S d = （1） e e dE S k dx == （2） 则在dx 内总的能量损失为： ()n e n e dE dE dE S S dx =+=+ （3） P 000 0P 0 n e d d d d d R E E E E R x E x S S ===+? ?? （4） n S 的计算比较复杂，而 且无法得到解析形式的结果。图2.1.1(b)是数值计算得到的曲线形式的结果。e S 的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。 左图中，2E E =时， n e S S = 图2.1.1（b ）离子总能量损失率数值计算曲线 y p x p r p r d d E x e d ()d E x n d ()d E x