離子注入技術(shù)與設(shè)備常見故障分析

曹健

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊050051)

離子注入技術(shù)與設(shè)備常見故障分析

曹健

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊050051)

介紹了離子注入技術(shù)的特點(diǎn)及其原理，在分析介紹其設(shè)備種類的基礎(chǔ)上，簡要概述了離子注入設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了影響注入工藝的各種因素，根據(jù)多年的設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)歸納了離子注入機(jī)的常見故障，并提出了各種故障的處理措施。

離子注入；離子束；束流；聚焦與掃描

離子注入是現(xiàn)代集成電路制造中的一種非常重要的摻雜技術(shù)，它以離子加速的方式將摻雜元素注入到半導(dǎo)體晶片內(nèi)部，改變其導(dǎo)電特性并最終形成所需的器件結(jié)構(gòu)。離子注入工藝有許多優(yōu)點(diǎn)，已大規(guī)模取代了擴(kuò)散工藝，成為半導(dǎo)體工藝中最常見的摻雜技術(shù)。離子注入機(jī)的工作過程為：離子源將摻雜元素電離為帶正電荷的離子，由吸極把離子從源中提取出來，經(jīng)過磁分析器分離，把所需的離子與其它離子分離出來，再由加速器將摻雜離子加速到所需能量，最后由聚焦掃描系統(tǒng)把離子注入半導(dǎo)體材料中。離子注入機(jī)是半導(dǎo)體工藝中最復(fù)雜的設(shè)備之一，其設(shè)備維修涉及物理、電氣、機(jī)械、機(jī)電一體化、自動控制等多門學(xué)科知識。

1 離子注入技術(shù)的特點(diǎn)及原理

1.1 離子注入技術(shù)的特點(diǎn)

離子注入技術(shù)是一種純凈的表面處理技術(shù)，它無需在高溫環(huán)境下進(jìn)行，故不會改變加工工件的外形和表面光潔度。其主要特點(diǎn)如下：

（1）注入離子的純度高、能量單一，注入環(huán)境清潔、干燥，雜質(zhì)污染極低。

（2）注入離子的劑量可精確控制，因而摻雜的均勻性高。

（3）離子的注入可在常溫下進(jìn)行，因而對離子掩蔽層的要求不苛刻，二氧化硅、光刻膠等都可以作為掩蔽層。

（4）離子注入的摻雜濃度不受雜質(zhì)在襯底中的固溶度限制。不會改變化合物半導(dǎo)體材料的組份。

（5）離子注入的橫向摻雜效應(yīng)很小，有利于縮小芯片的面積，降低功耗。

（6）離子注入的缺點(diǎn)是高能離子的轟擊會對半導(dǎo)體材料的晶格結(jié)構(gòu)造成損傷。

1.2 離子注入技術(shù)原理

離子注入是將離子源產(chǎn)生的離子分離提純，經(jīng)加速后高速射向材料表面并注入到材料體內(nèi)的一種技術(shù)。注入離子進(jìn)入材料表面，與材料中的原子碰撞，將其擠進(jìn)內(nèi)部，這些被撞離的原子再與其它原子碰撞，如此持續(xù)約數(shù)百納秒內(nèi)，將在材料中形成一個(gè)有數(shù)百個(gè)間隙原子和空位的區(qū)域（如圖1所示）。這種級聯(lián)碰撞會在材料表面形成一個(gè)注入元素的濃度峰，其分布為高斯分布。離子注入的深度是離子能量、質(zhì)量以及基體原子質(zhì)量的函數(shù)，能量愈高，注入愈深。一般情況下，離子越輕活基體原子越輕，注入越深。當(dāng)離子注入到材料內(nèi)部，離子便被材料吸收，成為材料的一部分，因而注入層不會脫落或剝離，注入的離子能夠與固體原子，或者彼此之間發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并使材料的表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，進(jìn)而優(yōu)化材料表面性能，獲得某些新的優(yōu)異性能。

圖1 離子注入原理

2 離子注入機(jī)分類及設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.1 離子注入機(jī)分類

離子注入設(shè)備是半導(dǎo)體制造中重要的工藝設(shè)備，按照使用工藝及離子的能量和離子束電流大小可分為高能量、高電流、中電流三種[1]。

（1）高能量注入機(jī)的離子束具有較高能量，一般可達(dá)到500 keV以上，但其摻雜濃度較低，主要用于材料襯底的深阱摻雜。

（2）高電流注入機(jī)能獲得較大的離子束電流，其摻雜濃度大，但注入深度較淺，主要用于器件的源漏區(qū)摻雜和LDD區(qū)摻雜。

（3）中電流注入機(jī)應(yīng)用比較廣泛，它的離子能量和束流大小遠(yuǎn)小于高能量和高電流注入機(jī)，被廣泛應(yīng)用于除深井摻雜和源漏摻雜以外幾乎所有的離子摻雜工藝。

2.2 離子注入機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)

離子注入機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)包括離子源、磁分析器、掃描系統(tǒng)、聚焦加速系統(tǒng)和注入系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 離子注入機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 離子源

離子源是離子注入機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其作用是使摻雜氣體電離為離子形成離子束。摻雜氣體通過管道進(jìn)入離子源的電弧反應(yīng)室，被反應(yīng)室中燈絲激發(fā)的熱電子轟擊，形成等離子體。這些等離子體在反應(yīng)室外的負(fù)電壓電極作用下，其中的正離子便從等離子體中分離出來，離幵電弧反應(yīng)室，形成具有一定能量的離子束。目前廣泛使用的離子源主要有BERNAS和IHC兩種[2]。

2.2.2 磁分析器

離子源中產(chǎn)生的離子通常是多種離子，而在實(shí)際工藝加工中只需要一種雜質(zhì)離子。因此，必須采取磁分析器對離子束進(jìn)行分離，選出所需的單一離子。在磁分析器中，離子束流在與磁場垂直的平面內(nèi)以恒定速度在真空中運(yùn)動，離子束中的粒子在洛侖茲力的作用下，作勻速圓周運(yùn)動。由于不同質(zhì)量的離子，其勻速圓周運(yùn)動的半徑是完全不同的，因此，磁分析器便將不同質(zhì)量的離子一一分離開來，只把所需要的雜質(zhì)挑選出來。通常磁分析器被制成70°至120°的彎曲腔體，內(nèi)壁兩側(cè)裝有石墨擋板。在與離子路徑垂直的方向上下，各有一個(gè)通電磁鐵，其作用是調(diào)節(jié)分析磁場的強(qiáng)度大小。

2.2.3 掃描系統(tǒng)

離子束是一條線狀高速離子流，必須通過掃描覆蓋整個(gè)注入?yún)^(qū)。常用的掃描方式有固定樣品移動離子束和固定離子束移動樣品兩種。

離子注入機(jī)的掃描系統(tǒng)有四種，分別是電子掃描、機(jī)械掃描、混合掃描以及平行掃描，目前最常用的是靜電掃描系統(tǒng)。靜電掃描系統(tǒng)由兩組平行的靜電偏轉(zhuǎn)板組成，一組進(jìn)行橫向偏轉(zhuǎn)，另一組進(jìn)行縱向偏轉(zhuǎn)。在平行電極板上施加電場，正離子就會向低電壓一側(cè)的電極板偏轉(zhuǎn)，改變電壓大小就可以改變離子束的偏轉(zhuǎn)角度。這種掃描的優(yōu)點(diǎn)是電子和中性離子不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能夠從束流中消除。其缺點(diǎn)是離子束不能垂直轟擊樣片，會導(dǎo)致注入掩膜圖形的陰影效應(yīng)，阻礙離子束的注入。

2.2.4 聚焦與加速系統(tǒng)

聚焦系統(tǒng)：從磁分析器加速出來的離子束由于都是正離子，相互排斥，因此離子束會有一個(gè)張角，為了減少束流損失，使離子束能均勻的分布于被注入的樣片表面，通常要用電磁透鏡加以聚焦。離子束的聚焦器一般由數(shù)對同電位極板組成，通過加載一定的電壓來調(diào)節(jié)離子束的聚集效果。

加速器：從離子源吸出的雜質(zhì)離子，必須通過一個(gè)具有強(qiáng)電場作用的加速器進(jìn)行加速或減速，以獲得工藝加工所需的離子能量。在磁分析器之前，離子獲得的加速通常稱為“前加速”，通過磁分析器后，離子可以再次獲另外一段加速或減速，通常稱之為“后加速或減速”。離子注入機(jī)常用的后加速或減速方式有直流和射頻兩種，加速器主要由真空室和高壓電源組成。

2.2.5 注入系統(tǒng)

離子注入機(jī)的內(nèi)部腔體需要維持在極低的真空狀態(tài)下，通常其腔體壓力小于5×10-7t。這是為了避免離子束從電離產(chǎn)生到最后的掃描注入受到空間其它粒子的干擾。離子注入機(jī)的真空系統(tǒng)由干泵、分子泵和冷泵組成。另外，離子源的真空也需要保持在極低壓力下，若壓力高出要求，則電弧腔和吸極間極易放電，造成離子束不穩(wěn)定。若離子注入機(jī)內(nèi)部腔體的真空壓力過高，將會引起離子和殘余氣體分子的碰撞，造成離子束電流降低，還會造成電荷交換形成能量污染。

3 影響離子注入工藝的因素和設(shè)備常見故障處理

3.1 影響離子注入工藝的因素

影響離子注入工藝均勻性的因素很多，其中最主要的有四種。

3.1.1 注入系統(tǒng)的真空度

注入機(jī)系統(tǒng)的真空度對其束流品質(zhì)有非常大的影響。如果真空度過低，一方面會導(dǎo)致注入機(jī)的束流比較小，致使注入的速度降低；另一方面，將導(dǎo)致離子流的聚焦不好，注入的純度達(dá)不到要求。另外，真空度對注入的均勻性也有一定的影響，因?yàn)殡x子束在加速的路徑上被一些雜散的氣體分子阻擋，導(dǎo)致同一片樣品中離子注入深度的均勻性變差。

離子束從離子源到注入靶要經(jīng)歷較長的路徑，這對于整個(gè)系統(tǒng)的真空度提出了較高的要求。如果真空度不夠，則離子束將與系統(tǒng)內(nèi)殘余的氣體分子發(fā)生級聯(lián)碰撞，產(chǎn)生許多低能電子和派生離子，導(dǎo)致離子運(yùn)動方向雜亂。這不僅對于離子束本身是一種污染，同時(shí)因?yàn)榕鲎驳碾S機(jī)性，使得離子束的能量統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)偏差，表現(xiàn)出較高的能散度。

3.1.2 樣品表面的潔凈度

離子注入對顆粒污染非常敏感，樣片表面的顆粒會阻礙離子流的注入。通常注入的束流越大越容易產(chǎn)生更多顆粒，雖然注入后這些顆粒可以清洗掉，但其對注入的遮擋將在樣品的注入層中產(chǎn)生一些致命的缺陷。大多數(shù)顆粒的產(chǎn)生是由其它工序或者環(huán)境因素導(dǎo)致的，另外，實(shí)際工藝中各種操作的規(guī)范性及正確性也非常關(guān)鍵。不正確的拿取樣品、不正確的抽真空步驟以及在系統(tǒng)充氣時(shí)使用未經(jīng)過濾的氣體等都產(chǎn)生較多顆粒[3]。

3.1.3 聚焦與掃描

從離子源加速管吸出的離子流是發(fā)散的，其束流密度很不均勻，必須進(jìn)行聚焦合軸處理，為隨后的掃描提供細(xì)小的優(yōu)質(zhì)束斑，掃描面內(nèi)的束流信號才能對稱一致，注入層雜質(zhì)分布才能均勻。

3.1.4 束流大小的選擇

離子束入射到絕緣材料晶片上，會在這些材料表面形成電荷積累層，這種現(xiàn)象叫做晶片電荷積累。晶片表面的積累電荷對注入的離子會產(chǎn)生散射作用，影響注入的均勻性。注入的束流越大，晶片的電荷積累越嚴(yán)重，因此，在工藝加工中，應(yīng)根據(jù)需要盡量選擇較小的束流。

3.2 注入機(jī)常見故障及處理

離子注入機(jī)常見故障主要有四類，分別是部件老化、真空問題、電源問題和系統(tǒng)污染。

3.2.1 部件老化

國內(nèi)注入機(jī)大多是引進(jìn)國外生產(chǎn)線的二手設(shè)備，所以部件老化是經(jīng)常遇到的故障問題。在注入機(jī)系統(tǒng)的維修中，要仔細(xì)分析判斷，對其真空部件、高低電位控制光纖和一些經(jīng)常動作的運(yùn)動部件等，要進(jìn)行定期檢查維護(hù)，及時(shí)更換老化部件，緊固松動的螺釘?shù)取?/p>

3.2.2 真空問題

注入機(jī)設(shè)備系統(tǒng)真空的好壞，是影響注入質(zhì)量的重要因素。對注入系統(tǒng)真空的維護(hù)，通常有以下幾項(xiàng)措施：

（1）定期維護(hù)保養(yǎng)，要經(jīng)常定期更換各腔體連接處的密封圈。例如，注入靶室的真空密封圈，經(jīng)常由于碎片或雜物劃傷而導(dǎo)致漏氣，要及時(shí)更換。

（2）定期維護(hù)保養(yǎng)真空泵組。經(jīng)常檢查機(jī)械泵的油面是否合適；觀察冷泵壓縮機(jī)壓力是否偏低，及時(shí)更換吸附桶，冷泵正常溫度是否維持在13K以下；定期維護(hù)保養(yǎng)分子泵，保證本體真空度。

3.2.3 電源問題

注入機(jī)的電源主要有高壓電源、吸極電源、燈絲電源、磁分析電源和掃描電源等。進(jìn)行電源的檢修時(shí)要注意電源的負(fù)載是否正常，先分析定位發(fā)生故障的電源模塊，然后再逐步排查導(dǎo)致故障的原因，在搞懂各單元電路的工作原理后，再進(jìn)行直流和穩(wěn)壓、穩(wěn)流過程分析。

3.2.4 系統(tǒng)污染

導(dǎo)致注入系統(tǒng)污染的原因，主要有以下幾種：

（1）離子源污染。措施：檢查離子源真空系統(tǒng)是否漏氣；檢查所用源材料純度是否滿足要求。

（2）質(zhì)量分析中離子束被污染。措施：檢查系統(tǒng)真空是否漏氣；檢查質(zhì)量分析器的窄峰是否合適；檢查離子能量過濾系統(tǒng)；檢查系統(tǒng)是否被金屬沾污。

（3）系統(tǒng)部件污染。主要有：離子束撞擊電機(jī)產(chǎn)生的濺射金屬；樣品表面光刻膠的堿性元素沾污；法拉第杯的鋁；同一注入機(jī)注入不同元素的交互污染等。

4 結(jié)束語

離子注入機(jī)作為半導(dǎo)體工藝中最復(fù)雜的設(shè)備之一，其維修是一項(xiàng)結(jié)合多門學(xué)科知識的復(fù)雜工作。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對離子注入技術(shù)的精度和均勻性提出了更高的要求，其設(shè)備復(fù)雜程度也越來越高，維修工作也會越來越復(fù)雜、困難，對于我們每一位維修人員，一定要理清思路、順藤摸瓜，這樣，任何問題都將迎刃而解。

[1] 張淵.半導(dǎo)體制造工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 羅宏洋.狀態(tài)機(jī)在離子注入機(jī)中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2009，38(9)：49-53.

[3] 梁瑞林.半導(dǎo)體器件新工藝[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

Ion Implantation Technology and Equipment of Common Fault Analysis

CAO Jian

(The 13thResearch Institute，CETC，Shijiazhuang 050051，China)

This paper introduces the characteristics and principle of ion implantation technology，based on the analysis of species on the basis of the equipment are introduced，a brief overview of the basic structure of the ion injection equipment，the various factors influencing the injection process is analyzed in detail，based on years of experience in equipment maintenance，sums up the common faults of the ion implantation machine，and puts forward the treatment measures of various kinds of faults.

Ion implantation；Ion beam；Beam；Focusing and scanning

TN305.3

B

1004-4507(2015)05-0025-05

曹?。?981-）男，工程師，河北人，畢業(yè)于天津大學(xué)，主要從事于半導(dǎo)體設(shè)備的維修和維護(hù)工作。

2015-04-13