批處理離子注入機臺錐角效應(yīng)及注入角度對產(chǎn)品的影響

朱紅波，周祖源，何永根，秦宏志

（1. 中芯國際集成電路制造（北京）有限公司，北京 100176；2. 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司，上海 201203）

批處理離子注入機臺錐角效應(yīng)及注入角度對產(chǎn)品的影響

朱紅波1，周祖源2，何永根2，秦宏志1

（1. 中芯國際集成電路制造（北京）有限公司，北京 100176；2. 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司，上海 201203）

研究主要聚焦在批處理離子注入機臺的溝道效應(yīng)和錐角效應(yīng)，以及闡述由于這些效應(yīng)導(dǎo)致的晶圓片上的均勻性問題和產(chǎn)品上的良率損失。對于高能量離子注入，如果離子注入角度設(shè)定為0°會導(dǎo)致嚴(yán)重的溝道效應(yīng)，但是大角度設(shè)定又會導(dǎo)致光刻膠的陰影效應(yīng)，所以對于注入角度的選取需要盡量小。對于越來越先進的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，線寬越來越小，合適角度設(shè)定將顯得尤其關(guān)鍵。運用二次離子質(zhì)譜分析研究了控片上離子注入的分布，通過產(chǎn)品電性合格測試全片多點驗證，表明了溝道效應(yīng)和錐角效應(yīng)的綜合影響；得出了對于不同錐角機臺合適的離子注入角度設(shè)定。

批處理離子注入機；錐角效應(yīng)；溝道效應(yīng)；均勻性

1 引言

進入300 mm晶圓的大批量生產(chǎn)以來，大部分生產(chǎn)機臺基本完成了從批處理機臺向單片處理機臺的轉(zhuǎn)換。對于離子注入機臺，現(xiàn)在只剩下高能量離子注入還有部分保留批處理機臺，在可預(yù)見的將來，它們也會逐步進入單片處理機臺時代。

離子注入工藝在半導(dǎo)體制造中引入用于晶圓硅材料中的摻雜，由于其對摻雜劑量、角度和摻雜形貌分布的完美表現(xiàn)，從其應(yīng)用第一天起就開始大量取代傳統(tǒng)擴散爐管工藝。由于晶圓單晶體的特性，對離子注入角度設(shè)定有著特別的工藝控制需求以確保離子注入均勻穩(wěn)定，首要的就是注入角度的選取以避免溝道效應(yīng)（channeling effect）， 經(jīng)典的設(shè)定是注入角度為7°[1,2]，如圖1所示。

圖1 阱區(qū)摻雜分布形貌圖示[1]

對于批處理機臺，眾所周知的是，由于在離子注入過程中離心力和晶圓均勻冷卻的考量，放置晶圓的靶盤設(shè)定了一個角度，也就是要重點討論到的錐角（Cone Angle），如圖2所示。

圖2 批處理離子注入機臺錐角和晶圓上注入角度變化

由于錐角的存在，就產(chǎn)生了一個所謂的錐角效應(yīng)（Cone Angle Effect），即在工藝程式設(shè)定一個固定注入角度的條件下，卻由于錐角產(chǎn)生的空間效應(yīng)使得實際在晶圓不同半徑位置上離子注入角度不同，從而導(dǎo)致整片晶圓上工藝的不一致性[3]。注入角度是0°的條件下，晶圓中間注入較深，而兩邊較淺，如圖3所示。

溝道效應(yīng)和錐角效應(yīng)在批處理機臺上的綜合影響，實驗晶圓片上熱波（TW-Thermal Wave）分析和二次離子質(zhì)譜（SIMS-Secondary Ion Mass Spectroscopy）分析表現(xiàn)為均勻性不一致，中間和邊緣差異較大。這種差異在產(chǎn)品上有時會導(dǎo)致嚴(yán)重的良率損失，見圖4。由于溝道效應(yīng)的影響，產(chǎn)品晶圓中間良率損失嚴(yán)重；但錐角效應(yīng)在這里產(chǎn)生一定的角度抑制了溝道效應(yīng)卻使得晶圓邊緣有較好的良率。

回顧了晶圓離子注入的溝道效應(yīng)和錐角效應(yīng)的影響，本篇的重點是討論在現(xiàn)今不斷進步的半導(dǎo)體工藝條件下，對于批處理機臺離子注入角度如何設(shè)定以得到更好的工藝一致性和穩(wěn)定性。

圖3 錐角效應(yīng)產(chǎn)生的晶圓工藝不一致性

圖4 產(chǎn)品晶圓上溝道效應(yīng)產(chǎn)生的嚴(yán)重良率損失

前面提到經(jīng)典的離子注入角度是7°，但在摩爾定律的推動下，晶圓生產(chǎn)工藝線寬、關(guān)鍵工藝尺寸不斷降低，現(xiàn)在國內(nèi)領(lǐng)先工廠已啟動了28 nm工藝項目，開始了28 nm多晶硅閘極（PolySiON）和28 nm高介電常數(shù)金屬閘極（HKMG）在內(nèi)的多項目晶圓（MPW）服務(wù)。由于線寬的降低，7°已經(jīng)不是最好的離子注入角度設(shè)定了，而要降低角度以避免注入時光刻膠（PR-photoresist）產(chǎn)生的陰影效應(yīng)，如圖5所示。

圖5 阱區(qū)光刻膠產(chǎn)生的陰影效應(yīng)對不同器件尺寸離子注入工藝的影響[1]

同樣的，圖6也給出了一個大角度的轉(zhuǎn)4次角度離子注入工藝和小角度單次離子注入工藝導(dǎo)致的N型阱區(qū)分布形貌和尺寸的差異比較。

圖6 不同注入角度下的阱區(qū)形貌[1]

從圖5、圖6可以看到，在先進的工藝技術(shù)上，大角度的阱區(qū)離子注入會直接導(dǎo)致阱區(qū)分布形貌的改變，滿足不了設(shè)計規(guī)則的需求。這就對我們的工藝控制提出了較高的要求，既要有一定的傾斜角度以避免溝道效應(yīng)，又要有較小的角度以避免陰影效應(yīng)的影響，需合理選取注入角度以達到優(yōu)化的產(chǎn)品均勻性要求。

2 實驗內(nèi)容和結(jié)果

我們先用實驗控片通過不同角度設(shè)定的程式，運用二次離子質(zhì)譜分析，實驗驗證了在批處理機臺上不同離子注入角度以及不同錐角的影響。

實驗條件：離子注入機臺分為兩種批處理機臺，差別在于錐角不一樣。分別為5°和1.5°，新型批處理機臺為減輕錐角效應(yīng)將機臺靶盤基座角度由5°減到了1.5°。離子注入程式設(shè)定選取了不同注入角度：0°和7°。

評估方法和方向：不同錐角的機臺在晶圓上不同半徑點上的SIMS分布是否一樣，從而預(yù)估對產(chǎn)品電性的影響。

圖7、圖8給出了不同錐角的機臺導(dǎo)致離子注入角度在晶圓上的實際分布，5°錐角機臺0±1.1°，1.5°錐角機臺0±0.33°。表1也同樣做了總結(jié)。

圖7 不同錐角機臺晶圓上的角度分布

表1 不同錐角機臺晶圓上的角度分布總結(jié)

圖8 不同錐角機臺晶圓上的角度分布示意圖

SIMS結(jié)果和分析一（離子注入程式設(shè)定：能量800 KeV，劑量1×1013ions·cm-2，注入角度為0°）：

（1）錐角5°機臺SIMS分析結(jié)果如圖9所示，在晶圓中間、左邊和右邊分別取樣測試的結(jié)果顯示，由于錐角5°的影響，3條曲線表現(xiàn)出明顯的差異；

（2）錐角1.5°機臺SIMS分析結(jié)果如圖10所示，在晶圓中間、左邊和右邊分別取樣測試的結(jié)果顯示，雖然由于錐角1.5°的影響，3條曲線略有差異，也體現(xiàn)出中間和旁邊的差異，但是已經(jīng)有了明顯的改善。

圖9 錐角5°的機臺晶圓上不同點的SIMS分布

圖10 錐角1.5°的機臺晶圓上不同點的SIMS分布

SIMS結(jié)果和分析二（離子注入程式設(shè)定：能量800 KeV，劑量1×1013ions·cm-2, 注入角度為7°）：

錐角5°和1.5°機臺SIMS分析結(jié)果分別如圖11、圖12所示，在晶圓中間、左邊和右邊分別取樣測試的結(jié)果顯示，由于離子注入角度選取為7°，錐角效應(yīng)基本被消除，SMIS的分布沒有了中間和旁邊的差異。機臺間的差異也基本被掩蓋。

圖11 錐角5°的機臺晶圓上不同點的SIMS分布

我們也在先進的45 nm產(chǎn)品上做了分析試驗，在45 nm工藝技術(shù)上的機臺間工藝匹配實驗給我們以啟發(fā)和角度設(shè)定的方向。實驗結(jié)果顯示兩種機臺電性驗收測試（WAT， wafer acceptance test）參數(shù)匹配基本一致，但出現(xiàn)了一些沒有預(yù)料到的結(jié)果。錐角1.5°的高能量離子注入機上生產(chǎn)的產(chǎn)品均勻性并沒有像預(yù)料中的好于錐角5°的高能量離子注入機上生產(chǎn)的產(chǎn)品，反倒略差，結(jié)電容標(biāo)準(zhǔn)方差略大，如表2所示。

表2 不同錐角機臺WAT電性參數(shù)比較

圖12 錐角1.5°的機臺晶圓上不同點的SIMS分布

進一步的產(chǎn)品電性合格測試全片多點驗證也表明，溝道效應(yīng)和錐角效應(yīng)的綜合影響使得兩種機臺的結(jié)電容表現(xiàn)不一樣，如圖13、圖14所示各有3片晶圓可重復(fù)的結(jié)果。而且錐角1.5°的高能量離子注入機體現(xiàn)出來的結(jié)果略差。

圖13 錐角5°的機臺產(chǎn)品上電性全片分布分析

圖14 錐角1.5°的機臺產(chǎn)品上電性全片分布分析

綜上，我們可以推導(dǎo)出機臺上合適的角度設(shè)定范圍以優(yōu)化工藝參數(shù)，改進產(chǎn)品均勻性品質(zhì)和良率水平：

（1）錐角5°機臺：晶圓內(nèi)角度范圍1.1°，錐角5°，考慮到注入角度的工藝窗口范圍±0.5°[4]，離子注入角度不超過3°，可選離子注入角度為1.6°~3.4°（3°）。合適的角度設(shè)定為2°或3°。

（2）錐角1.5°機臺： 晶圓內(nèi)角度范圍0.3°，錐角1.5°，考慮到注入角度的工藝窗口范圍±0.5°，離子注入角度不超過3°，可選離子注入角度為2.3°~3°。合適的角度設(shè)定為3°。

（3）對于單片處理機臺，則由于沒有了錐角的制約，只需要在一定程度上抑制溝道效應(yīng)。相應(yīng)合適的角度設(shè)定可選取1°、2°或3°。

如圖15所示，我們在產(chǎn)品上做的角度影響分析實驗，分布曲線表明：角度0°溝道效應(yīng)明顯，分布離散；1°則能明顯改善，分布收斂；3°以后就基本消除了溝道效應(yīng)的影響。

圖15 批處理機臺不同注入角度產(chǎn)品電性分布分析

3 結(jié)論

本文總結(jié)了批處理離子注入機臺的溝道效應(yīng)和錐角效應(yīng)，以及由于這些效應(yīng)導(dǎo)致的晶圓片上的均勻性問題和產(chǎn)品上的良率損失。我們運用二次離子質(zhì)譜分析和產(chǎn)品電性合格測試全片多點驗證，表明了溝道效應(yīng)和錐角效應(yīng)的綜合影響；得出了對于不同錐角機臺合適的離子注入角度設(shè)定，以得到更好的產(chǎn)品均勻性。

致謝

感謝中芯國際集成電路制造 (上海) 有限公司、中芯國際集成電路制造 (北京) 有限公司離子注入制程部同仁在技術(shù)和數(shù)據(jù)收集上的幫助，感謝中芯國際集成電路制造 (上海) 有限公司技術(shù)研究與發(fā)展部門同仁的指導(dǎo)和幫助。

[1] Y Hai, E N Shauly. Influence of batch-to-batch substrate variation and cone effect on high energy implant distribution profile[C]. Ion Implantation Technology. 2002. Proceedings of the 14th International Conference. Date of Conference: 27-27 Sept. 2002.287-290.

[2] Lee Kang Hai. The effect of implant angle and resist shadowing in submicron implant technology[D]. Thesis submitted in fulfillment of the requirements for MasterDegree, University Sains Malaysia 2006, 2-6.

[3] Mary A Jones, Frank Sinclair. Across-wafer channeling variations on batch implanters: A graphical technique to analyze spinning disk systems[C]. Ion Implantation Technology. Proceedings of the 11th International Conference. Date of Conference: 16-21 Jun. 1996. 264-267.

[4] D Lenoble, F Wacquant, E Josse, F Arnaud. Impact of tilt angle variation on device performance[C]. Ion Implantation Technology. 2002. Proceedings of the 14th International Conference. Date of Conference: 27-27 Sept. 2002.44-47.

作者簡介：

張鵬輝（1983—），男，河南永城人，工程師，畢業(yè)于西安交通大學(xué)電氣工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)在中國電子科技集團第58研究所從事集成電路測試技術(shù)研究工作。

作者簡介：

蘆 ?。?974—），男，研究員高工，東南大學(xué)博士，專業(yè)方向為集成電路自動化測試設(shè)備研發(fā)，曾獲中國電子科技集團公司科技進步一等獎。

Cone Angle Effect of Batch Type Implanter and Implant Angle Selection to Prevent from Production Non-uniformity

ZHU Hongbo1, ZHOU Zuyuan2, HE Yonggen2, QIN Hongzhi1

（1.Semiconductor Manufacturing International(Beijing)Corp.,Beijing100176,China；2.Semiconductor Manufacturing International(Shanghai)Corp.,Shanghai201203,China）

The study focus on the channeling effect and cone angle effect of ion implantation as processed on batch type implanter, the within wafer uniformity and production yield impact are also investigated. It’s well know that for high energy implantation, low tilt angle is necessary to avoid photoresist shadowing, but too low, like zero degree IMP angle will cause worse dopant channeling. The proper implantation angle setting is critical to move the advanced CMOS devices to smaller and smaller dimension. In the work, different angle conditions of implantation are used both on blank control wafers and production pattern wafers. These wafers were analyzed by SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy) and WAT(Wafer Acceptance Test) respectively. The results showed the reasonable and practicable IMP angle setting to be selected.

batch type implanter; cone angle effect; channeling effect; uniformity

TN306

A

1681-1070（2014）12-0037-05

朱紅波（1975—），男，湖北漢川人，1999年本科畢業(yè)于武漢科技大學(xué)無機非金屬材料專業(yè)，2004年碩士畢業(yè)于東華大學(xué)材料加工工程專業(yè)，現(xiàn)在中芯國際集成電路制造 (北京) 有限公司/中芯北方集成電路制造 (北京)有限公司從事離子注入制程的工藝維護、技術(shù)改進方面的研究工作。

2014-09-26