《离子注入培训资料》PPT课件

1、离子注入各参数对注入结果的影响半导体离子注入是半导体芯片IC生产过程中的重要的一个环节，它的各个参数的调整直接影响产品质量和成品率的高低。那么究竟哪些因素是我们平时工作中应当考虑的呢？束流强度的稳定性和束能的稳定性决定了束流品质的好坏，一个稳定的离子束通过平稳聚焦与扫描在注入时间域里恒定注入衬底，让衬底单位面积获取趋于一致的剂量积分，从而实现注入的均匀性，否则衬底表面会出现积分偏差而影响均匀性。因此，应协调控制一些相关因素，尽量减小离子束的不稳定度来提高注入的均匀性 。1.注入机的真空度2.吸极与高压系统与其他残存能场3.衬底表面洁净度 4.聚焦与扫描5.束流大小的选择6.退火技术注入机系统真

2、空度的高低对束流品质的影注入机系统真空度的高低对束流品质的影响相当关键。响相当关键。如果真空度过低，就不会引出大束流，直如果真空度过低，就不会引出大束流，直接影响注入的速度接影响注入的速度; ;真空度底，示波器的聚真空度底，示波器的聚焦就不会很好，同时注入的纯度也达不到焦就不会很好，同时注入的纯度也达不到要求；同时真空度对注入均匀性也会有一要求；同时真空度对注入均匀性也会有一定的影响，因为离子束在加速的路径上会定的影响，因为离子束在加速的路径上会遇到一些杂散的气体分子的阻挡，导致注遇到一些杂散的气体分子的阻挡，导致注入深度不够，而相反的，未经阻挡的离子入深度不够，而相反的，未经阻挡的离子注入的

3、深度比较深，两部分的离子不在硅注入的深度比较深，两部分的离子不在硅片的同一层面上，注入的均匀性就比较差。片的同一层面上，注入的均匀性就比较差。离子束从离子源到注入靶要经历5 m长的路径，这对于整个光路系统的真空度提出了较高的要求。如果真空度偏低，系统内剩余气体含量偏高，离子束与这些剩余气体分子发生级联碰撞，产生许多低能电子和派生离子，发生能量转移，运动方向杂乱，这不仅对于离子束本身是一种污染，同时因碰撞的随机性，使得束内离子能量出现统计偏差，表现出较高的能散度。另外，派生离子存在有各种荷质比，对于这样的离子束在随后的聚焦扫描波形上会产生许多尘峰信号，严重时会使聚焦变得困难，这将直接影响注入时的

4、均匀性。特别是低能电子会中和离子束，降低离子束的离子产额，从而影响束流的稳定性。低能电子单位时间的产生额满足如下关系式：760)(PZLqIdtdNeB式中，P为真空度，为碰撞有效截面，Z为离子束传输距离，L为Loschmit常数，IB为束流值，q为离子的电荷量。由上式可知dNe/dt与真空度成正比关系，所以合适的真空度是必须考虑的，一般要求系统各段静态真空度优于610-4 Pa，这样剩余气体分子对束能的稳定性影响就可忽略。压力补偿压力补偿K K因子因子K K因子间接影响着注入结果因子间接影响着注入结果, ,通常表现为通常表现为RsRs达不到要求的结果达不到要求的结果. .K K值存在的话注入

5、后的值存在的话注入后的RsRs要比未设置要比未设置K K值的值的要大要大. .另外我们应该特别关注离子源这一部分的真空，如果真空度低会造成束流在吸极频繁打火,具体表现为束流不稳定,波形时有时无,而且有可能在波峰产生“尘峰”，这样会直接影响束流的品质。衬底表面洁净度对束能的间接影响衬底表面洁净度对束能的间接影响如果由于其他工序或者环境的原因，衬底如果由于其他工序或者环境的原因，衬底表面有尘埃和固体颗粒物，它会成为离子表面有尘埃和固体颗粒物，它会成为离子束的散射中心而降低注入离子的有效注入束的散射中心而降低注入离子的有效注入能量，产生局部横向扩散效应，使得注入能量，产生局部横向扩散效应，使得注入均

6、匀性变坏，这就要求注入前必须对衬底均匀性变坏，这就要求注入前必须对衬底表面进行净化处理。表面进行净化处理。在注入开始前预检查过程中当发现在注入开始前预检查过程中当发现WAFERWAFER上上有附着颗粒是应及时通知工艺人员有附着颗粒是应及时通知工艺人员吸极与高压系统与其他残存能场吸极与高压系统与其他残存能场1.1.离子源的工作状态离子源的工作状态2.2.加速电压的稳定性加速电压的稳定性3.3.硅片表面电荷积累形成的残存电场硅片表面电荷积累形成的残存电场注入机使用的是热阴极离子源，灯丝电流最高可达150 A，源内温度相当高，由于过热，灯丝阻值会渐渐变大；因灯丝(钽)与灯丝座(铜)的热胀系数不同，紧

7、固螺钉时有松动，接触电阻增加，这些都会损失灯丝电流，使灯丝发射电子的能力减弱，气体电离效率降低，这是弧流不稳定的原因之一。随着离子源工作时间的延长，电离室内壁和引出孔长期遭受等离子体溅射，内壁常有异物淀积；灯丝绝缘子表面有污斑或者金属化；引出孔孔径因离子轰击而渐渐变大，这些原因可能使阳极与阴极间电场畸变，也可能使阳极与灯丝发生瞬时短路，造成弧压不稳，启弧间断。特别是引出孔径的变大，让启弧放电变得相当困难，增加源气流量又会缩短离子源的寿命。这是弧流不稳定的原因之二。由于离子源外罩要经受25 kV高压，表面不应有尖锐点和凸出部分，以防止尖端放电，否则引出束流会呈现非稳定性。同样的原因，初聚电极表面

8、应确保光滑避免粗糙。此外，离子源进气量(BF3或PH3)应该稳定控制，使源内动态真空度符合正常工作时的要求，源磁场电流应仔细调节，以保证源气达最佳电离状态；冷却系统必须畅通无阻，让高温部分充分冷却。 加速电压的稳定性加速电压的稳定性离子注入机使用的是高压静电场加速法，两极间离子注入机使用的是高压静电场加速法，两极间是加速管，中间接插有精密兆欧电阻，由于振动是加速管，中间接插有精密兆欧电阻，由于振动等原因，电阻常出现松动或脱落现象，这会导致等原因，电阻常出现松动或脱落现象，这会导致静电场径向不均匀，打破了原有的平衡，导致电静电场径向不均匀，打破了原有的平衡，导致电场集中而发生场集中而发生“电晕电

9、晕”放电，这使得高压出现瞬放电，这使得高压出现瞬时不稳定而影响束流的稳定。另外因环境条件的时不稳定而影响束流的稳定。另外因环境条件的限制，静电吸附效应场区有尘埃吸附，严重时发限制，静电吸附效应场区有尘埃吸附，严重时发生高压打火，同样会使束流不稳定。这就要求注生高压打火，同样会使束流不稳定。这就要求注意实时检查，保证场区的清洁卫生，让设备所处意实时检查，保证场区的清洁卫生，让设备所处环境保持温度约为环境保持温度约为25 25 ，湿度不大于，湿度不大于50%50%，以防，以防止高压不稳定现象发生。止高压不稳定现象发生。硅片表面电荷积累形成的残存电场硅片表面电荷积累形成的残存电场束流的成份中正离子占

10、了绝大部分束流的成份中正离子占了绝大部分, , 由于正离子由于正离子大量地注入到硅片上就累积了很高的电势大量地注入到硅片上就累积了很高的电势, ,这会这会对硅片造成很坏的影响对硅片造成很坏的影响, ,它将击穿硅片内的电路它将击穿硅片内的电路而使之成为废品而使之成为废品. .另一方面另一方面, ,由于正离子间的相互作用而发生了所由于正离子间的相互作用而发生了所谓谓“束流膨胀束流膨胀”, ,这对设备和注入工艺也都会带这对设备和注入工艺也都会带来不好的影响来不好的影响. .为了控制这种情况的发生为了控制这种情况的发生, ,我们在束流的未端设我们在束流的未端设置了电子淋浴器置了电子淋浴器, ,它会产生

11、一定数量的电子进入它会产生一定数量的电子进入到束流中到束流中, ,使束流对外呈中性使束流对外呈中性, ,这样一方面它消除这样一方面它消除了硅片正电势的累积了硅片正电势的累积, ,另一方面起到聚拢正离子另一方面起到聚拢正离子的作用的作用. . 离子束聚焦离子束聚焦在离子源工作状态正常的情况下，从加速管出来在离子源工作状态正常的情况下，从加速管出来的高能束是发散的，离子束流密度不均匀，需要的高能束是发散的，离子束流密度不均匀，需要对束进行聚焦合轴处理，为随后的扫描提供细小对束进行聚焦合轴处理，为随后的扫描提供细小的优质束斑，扫描面内的束流信号才能对称一致，的优质束斑，扫描面内的束流信号才能对称一致

12、，注入才能均匀化。如发散的离子束撞击真空管壁，注入才能均匀化。如发散的离子束撞击真空管壁，将产生二次电子并污染原离子束，中和离子电荷，将产生二次电子并污染原离子束，中和离子电荷，降低束流强度，导致束流不稳定。因此，应仔细降低束流强度，导致束流不稳定。因此，应仔细调节各聚焦旋钮，让中心法拉第测得的束流强度调节各聚焦旋钮，让中心法拉第测得的束流强度(Ic)(Ic)最大，使它与主法拉第测得的束流强度最大，使它与主法拉第测得的束流强度(Im)(Im)之比之比(Ic/Im)(Ic/Im)大于大于3 3，这是聚焦是否成功的判据。，这是聚焦是否成功的判据。离子束扫描离子束扫描 机械扫描和静电扫描机械扫描和静

13、电扫描机械扫描指的是：束流不动，机械扫描指的是：束流不动，waferwafer移动。移动。静电扫描指的是：静电扫描指的是：waferwafer不动，束流移动。不动，束流移动。后者注入结果均匀性通常要比前者差。后者注入结果均匀性通常要比前者差。以以350D350D为例：扫描波形是通过扫描监视器为例：扫描波形是通过扫描监视器来显示的，来显示的，Y Y轴为主法拉第信号，轴为主法拉第信号，X X轴为水轴为水平平x x方向或垂直方向或垂直y y方向的扫描电压信号，标方向的扫描电压信号，标准扫描波形如下图所示。准扫描波形如下图所示。 束流与x或y方向扫描电压的关系曲线a为过扫描线，左右或上下是对称平衡的；

14、b说明扫描面的边界束流是下降的；c说明扫描面内束流是平滑一致的；d所示凹处显示的是中心法拉第信号，凹处越深聚焦越好，当衬底片被装上后，凹处会自然消失，这时情况如点线所示。这一波形告诉我们，扫描面积一定要大于注入面积，即所谓过扫描注入，衬底置于c+d+c区域，有利于注入均匀性的改善。对于5英寸基片，扫描面积预置数应大于136 cm2。如果扫描图形比起标准波形有所偏离，则应反复调节聚焦旋钮和扫描幅度，一致化以后方可注入。束流大小的选择束流大小的选择离子束入射到绝缘材料如离子束入射到绝缘材料如SiO2SiO2及光刻胶的及光刻胶的晶片上，就会在这些绝缘材料表面形成电晶片上，就会在这些绝缘材料表面形成电荷积累层，这种现象叫做晶片电荷积累。荷积累层，这种现象叫做晶片电荷积累。在大束流注入中，晶片电荷积累是很严重在大束流注入中，晶片电荷积累是很严重的，它将影响束斑的大小，从而影响注入的，它将影响束斑的大小，从而影响注入的均匀性。的均匀性。如果束流偏大，注入时间不大于10 s就会影响1%或更多的注入均匀性。为此，对于中低剂量的注入，束流值的大小不得不加以限定，如果注入束流过小，就会降低设备的使