光刻与刻蚀工艺

E3
引
出
极
E2
当 E2 增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（ Ga 的场蒸发值为 15.2V/nm）时，液态金属在圆锥 顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。 其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉 出，形成离子束。
若改变 E2 的极性 ，则可排斥离子而拉出电子， 使这种源改变成电子束源。
7.1 离子注入系统
离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。 质量分析器：不同离子具有不同的电荷质量比，因而在分析器磁场中偏转的角 度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。 加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度 的一个重要参量。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。
。
1、等离子体型离子源
这里的 等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万 分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏 观上仍为电中性，但其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。
产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使 用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电 式等。
qs

qo
1
D G
2
或
qs

qo
1

D G

2
而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，
qo
1
D G
2


qs

qo
1
D G
2

以上各式可用于评价
质E量分析B器的分辨本领。
2、磁质量分析器
光阑1
v
B
Fm r
光阑2
1
Fm

qvB


x
y
0 z
射程：离子从入射点到静止点所通过的总路程。
平均射程：射程的平均值，记为 R 。 投影射程：射程在入射方向上的投影长度，记为 xp 。 平均投影射程：投影射程的平均值，记为 RP 。 标准偏差：
2
Rp xp Rp
zp x
y
yp
0
xp
z
平均投影射程与初始能量的关系 入射离子能量损失的原因是受到 核阻挡 与 电子阻挡。
在
质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有
中性粒子。E磁质B量分析器则相反，所需离子要改变方向，但其优点是中性粒子束不
能通过。
7.2 平均投影射程
离子注入过程：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。
对所引出的离子再进行质量分析，就可获得所需的离子。
二、质量分析系统
1、
质量分析器
EB
由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E 与 B 的方向相互垂直。
y dv
Vf
O
B
E
Fe Fm
光阑

j
D
Db z
i
k
Lf
Ld
y
Vf
v
O
B
d
E
Fe Fm
光阑

j
D
Db z
i
k
Lf
Ld
Fe

qE

q Vf d
( j ),
Fm qv B qvB( j )
1
由 qVa

1 2
mv2
得
v


2qVa m
2
,
代入
Fm ,
得：
1
Fm


2qVa m
2
qB(
j)
1
当 Fe

Fm
时，即当
q
Vf d


2qVa m
2
qB
时，

离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的 荷质比 qo 为
聚焦系统：用来将加速后的离子聚集成直径为数 毫米的离子束。
偏转扫描系统：用来实现离子束 x、y 方向的一
定面积内进行扫描。
工作室：放置样品的地方，其位置可调。
离子注入系统示意图
离子注入系统事物图
一、离子源
作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。 分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。
E2 是针尖与引出极之间的电压，用以调节
引 出
E2
针尖表面上液态金属的形状，并将离子引
出；E3 是加热器电源。
极
E1
针尖的曲率半径为 ro = 1 ~ 5 m，改变 E2 可以调节针尖与引出极之间的电场 ，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级 ，这就是 LMIS 能产生小束斑离子束的关键。
的其它离子
Db y Lf y Lf Ld


B

2qsVa

1 2
Vf d



1 4

L2f Va

1 2
Ld Lf Va

y
Vf
v
O
B
d
E
Fe Fm
光阑

j
D
Db z
i
k
Lf
Ldቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
将前面的 B 的表达式
代入 Db ，得
B
核阻挡 电子阻挡
Sn

dEn dx
Se

dEe dx
ke
E
一个入射离子在 dx 射程内，由于与核及电子碰撞而失去的总能量为
dE dEn dEe Sn Se dx
由此可得平均投影射程为
RP
RP dx
0
0 dE
E0 dE dx
0 dE E0 Sn Se
（特别是：重杂质原子，如P和As等）。
微电子工艺学
Microelectronic Processing
邓卫之
content
• 1.概述 • 2.薄膜 • 3.CMOS flow简介 • 4.fail module 简介 • 5.
1.1 概述
微电子单项工艺
掺杂 平坦化 薄膜制备
图形转移 清洗
扩散掺杂 离子注入掺杂
diffusion implant
Vf
1
d (2qoVa )2
Db

1 Vf Lf 2 Vad

Ld

Lf 2



qs qo
1
G
es eo
1
G
讨论 (1) 为屏蔽荷质比为 qs 的离子，光阑半径 D 必须满足
D G
qs qo
1
(2) 若 D 固定，则具有下列荷质比 的离子可被屏蔽，
qo

q m

Vf2 2d 2B2Va
对于某种荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或偏转磁场 B ，
使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。
1
Vf dB(2qoVa )2 ,
或 B
Vf
1
d (2qoVa )2
通常是调节 Vf 而不是调节 B。
当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为qs = q/ms 的偏转量 Db 为
掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的
有效源尺寸为 100 m ，亮度为 10 ~ 100 A/cm2.sr。
聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS）出现后才得
以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为 5 ~ 500 nm，亮度为 106 ~ 107 A/cm2.sr
Sn 的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。下图是数值计算得到 的曲线形式的结果。
Se 的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。
dE
dx
dE ( dx )e
0
E1 E2
在 E E2 处，Sn = Se
dE ( dx )n
E
(1) 当入射离子的初始能量 E0 小于 E2 所对应的能量值时， Sn > Se ， 以核阻挡为主，此时散射角较大，离子运动方向发生较大偏折，射程分布 较为分散。
掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是 生产效率高，设备相对简单，控制容易， 所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是 需要制作掩蔽膜。
2、聚焦方式（扫描方式)
聚焦方式的优点是 不需掩模，图形形成灵活。缺点是 生产效率低，设备复杂， 控制复杂。实现聚焦方式的关键技术是
1、高亮度小束斑长寿命高稳定的离子源； 2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。
E1
共晶合金 LMIS
通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法 制成单体 LMIS 。
根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这 种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。
例如，金和硅的熔点分别为 1063oC 和 1404oC，它们在此温度时的蒸汽压分 别为 10-3 Torr 和 10-1 Torr。当以适当组分组成合金时，其熔点降为 370 oC ，在此 温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为 10-19 Torr 和 10-22 Torr。这就满足了 LMIS 的要 求。
CMP 物理气相淀积 化学气相淀积
CMP PVD CVD
外延
EPI
光刻 刻蚀 酸洗/碱洗 去离子水
Litho/photo Dry etch wet etch/strip scrubber
离子注入概述
• 最早应用于原子物理和核物理研究 • 提出于1950’s • 1970’s中期引入半导体制造领域
离子注入
使该种离子通过光阑 2，
1
B


2Va qor 2
2
其余的离子则不能通过光阑 2，由此达到分选离子的目的。
另外，若固定 r 和 Va ，通过连续改变 B ，可使具有不同荷质比的离子依次 通过光阑 2，测量这些不同荷质比的离子束流的强度，可得到入射离子束的质谱分 布。
两种质量分析器的比较
E < 10 KeV ，刻蚀、镀膜
E = 10 ~ 50 KeV，曝光
E > 50 KeV，注入掺杂
离子束加工方式可分为
1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束（
FIB）方式）
1、掩模方式（投影方式）
掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽 膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的掩蔽膜必须是 SiO2 膜，而离子注入的掩 蔽膜可以是 SiO2 膜，也可以是光刻胶等其他薄膜。
液态金属 钨针
对液态金属的要求
(1) 与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润； (3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不 蒸发。 能同时满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少数几种，其中 Ga 是最常用的一种。
E3
E1 是主高压，即离子束的加速电压；
(2) 当 E0 远大于 E2 所对应的能量值时，Sn < Se ，以电子阻挡为主，此时散射 角较小，离子近似作直线运动，射程分布较集中。随着离子能量的降低，逐渐过渡 到以核阻挡为主，离子射程的末端部分又变成为折线。
rp xp
rp xp
在实际工作中，平均投影射程 RP (Å) 及标准偏差 RP (Å)与注入能量 (KeV) 的关系可从下图 （下表）查到。
2、液态金属离子源（LMIS）
LMIS 是近几年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 米量级的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得 以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻 蚀等。
LMIS 的类型、结构和发射机理
V形
针形
类
螺旋形
型 同轴形
毛细管形
2qVa m
2
qB
为向心力，使离子作圆周运动，
半径为
1
1
r

mv qB


2mVa qB2
2


2Va qo B2
2
从上式可知，满足荷质比
qo的离r子22V可Ba通2 过光阑 2。
或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场 B 使之满足下式，从而
入射能量
20
40
注入硅中的
离子
60
80
100 120 140 160 180
B
RP
714 1413 207 2695 327 3802 4284 4745 517
4
5
7
RP
276
443
562 653 726 713 855 910 959
P
RP
255 488
729 976 122 1483 1740 1996 225
8
6
RP
90
161
226 293 350 405 459 509 557
As
RP
151 263
368 471 574 677 781 855 991
RP
34
59
81 102 122 143 161 180 198
7.3 离子注入的特点
1.特点 • 可以独立控制杂质分布（离子能量）
和杂质浓度（离子流密度和注入时间） • 各向异性掺杂 • 容易获得高浓度掺杂
离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。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（称为 “靶” ）而实现掺杂 。…
离子束的性质
离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在高压 下加速而获得很高的动能。
离子束的用途 掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需 要不同的离子能量 E ：