單晶圓注入機(jī)注入角度測(cè)量與補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁衛(wèi)華，鐘新華，彭立波

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111)

單晶圓注入機(jī)注入角度測(cè)量與補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁衛(wèi)華，鐘新華，彭立波

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111)

在超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)線寬45 nm及以下的注入工藝環(huán)節(jié)中，離子束注入晶圓角度精度控制變得愈顯重要，注入角度的細(xì)小差別引起摻雜元素在晶體管中的分布深度和范圍的變化，進(jìn)而導(dǎo)致器件參數(shù)和性能的巨大變化。研究表明注入角度控制取決于對(duì)注入離子束與晶圓面法線間水平和豎直方向角度測(cè)算的精確度；系統(tǒng)能精確測(cè)量出離子束注入角度，然后通過(guò)補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)到相應(yīng)需求的角度后注入，滿足工藝需求。

單晶圓；注入機(jī)；角度；測(cè)量；補(bǔ)償

當(dāng)前超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)特征線寬45 nm及以下工藝注入中，線寬的日趨縮小。如晶體管Halo注入、柵閾值調(diào)整（VTH）、LDD注入，其注入工藝的參數(shù)控制要求越來(lái)越嚴(yán)格，注入過(guò)程中，離子束對(duì)整個(gè)晶圓面的注入角度要求嚴(yán)格，由于注入角度的細(xì)小差別引起注入元素在晶體管中的分布深度和范圍的變化，可能導(dǎo)致器件性能參數(shù)的巨大變化。

在注入工藝中，隨著線寬減小導(dǎo)致柵極重疊－柵極長(zhǎng)度(Lg)微縮，橫向擴(kuò)散程度的降低，摻雜雜質(zhì)不能進(jìn)行充分的橫向擴(kuò)散，達(dá)不到源漏擴(kuò)展（SDE）/柵極橫向重疊的要求。為達(dá)到橫向重疊的要求，在源漏擴(kuò)展（SDE）和預(yù)先無(wú)定形化摻雜（PAI)注入時(shí)，要求離子投射角盡量小，以防止其變化引起區(qū)域摻雜分布變化帶來(lái)漏電流擴(kuò)大。在源漏注入工藝中，采用角度傾斜注入漏(LATID)結(jié)構(gòu)能很好地抑制漏電流帶來(lái)的熱載流效應(yīng)。由于注入離子束角度變化會(huì)導(dǎo)致不對(duì)稱源漏擴(kuò)展（SDE）離子注入，柵極結(jié)構(gòu)陰影效應(yīng)，特別是柵極－柵極之間的間隙區(qū)域，結(jié)果形成非對(duì)稱性晶體管，從而限制柵極長(zhǎng)度的縮小。因此對(duì)于大尺寸的單晶圓注入，離子束注入角度測(cè)量和補(bǔ)償?shù)木群椭貜?fù)性尤顯重要。

本文著重介紹單晶圓離子注入機(jī)注入離子束與晶圓面間水平和豎直方向角度的測(cè)量和補(bǔ)償系統(tǒng)（見圖1）。該單晶圓離子注入機(jī)采用帶狀平行離子束水平掃描與承載晶圓靶盤上下機(jī)械掃描結(jié)合。圖1中晶圓平面法線即X軸，β為離子束注入水平角度，α為注入豎直角度。

圖1 單晶圓注入機(jī)離子束注入角度簡(jiǎn)圖

1 離子束注入水平角度測(cè)量及補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 離子束注入水平角度測(cè)量原理

如圖2所示，離子束注入到晶片中，在晶片位置設(shè)置1個(gè)或多個(gè)固定法拉第，設(shè)移動(dòng)法拉第的寬度為W1，移動(dòng)法拉第的深度為L(zhǎng)，固定法拉第的寬度為W2，移動(dòng)法拉第與固定法拉第的前后距離為H。

圖2 離子束水平注入角度測(cè)量原理簡(jiǎn)圖

通過(guò)移動(dòng)法拉第遮擋離子束，利用束流陰影效應(yīng)，使固定法拉第形成電流曲線。將移動(dòng)法拉第從左到右移動(dòng)，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)到位置x1時(shí)，固定法拉第測(cè)得的束流開始減小，當(dāng)移動(dòng)法拉第運(yùn)動(dòng)到位置x2時(shí)，固定法拉第測(cè)得的束流恢復(fù)到最大值，x0為固定法拉第杯中點(diǎn)的位置，x3為固定法拉第發(fā)出的離子束中心線與移動(dòng)法拉第上沿相交的位置。

得出離子束水平角度測(cè)量公式：

由式(1)、式(2)得：

由式(3)和式(4)得：

離子束角度為：控制移動(dòng)法拉第從左到右移動(dòng)，從固定法拉第上獲得如圖2所示的電流曲線圖，根據(jù)圖示計(jì)算出x1'和x2'兩點(diǎn)，x1'和x2'為固定法拉第杯電流峰值50%的兩點(diǎn)位置。

由圖3可知：

將式(7)代入式(6)即可計(jì)算出離子束水平角度。

圖3 固定法拉第束流曲線圖

1.2 離子束注入水平角度補(bǔ)償

單晶圓注入機(jī)離子束水平注入角度β，是以晶圓平面法線（圖1中的X軸）與束流入射水平方向夾角為0時(shí)位置設(shè)置為0°，角度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)采用連桿驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用分辨率為500線光學(xué)編碼器，即電機(jī)每轉(zhuǎn)輸出500個(gè)脈沖；驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶減速機(jī)，輸出減速比為1∶10和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電子齒輪比1∶2，算出光學(xué)編碼器每轉(zhuǎn)輸出10 000個(gè)脈沖，即水平注入控制角度精度（360/10000）＝0.036°。先測(cè)算出離子束水平注入角度，再由控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)連桿旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)在水平方向所需要的補(bǔ)償角度注入即可（見圖4）。

2 離子束豎直注入角度測(cè)量及補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 離子束注入豎直角度測(cè)量

圖4 注入水平角度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

離子束注入豎直角度測(cè)量方法為：如圖5所示，由于在束角度檢測(cè)之前，法拉第筒放置于水平位置，即與束流入射水平面的夾角α=0°，首先，驅(qū)動(dòng)控制法拉第筒向下運(yùn)動(dòng)到-α，法拉第筒與水平面的夾角由高精度旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量所得，并反饋給運(yùn)動(dòng)控制器，形成位置閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制；然后，驅(qū)動(dòng)控制法拉第筒從-α位置向上作俯仰運(yùn)動(dòng)到+α，并在-α位置開始直到運(yùn)動(dòng)到+α，每運(yùn)動(dòng)Δα，由運(yùn)動(dòng)控制器向束流實(shí)時(shí)測(cè)量控制器發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖，觸發(fā)束流實(shí)時(shí)測(cè)量控制器采集一次法拉第筒捕獲的束流；最后，從采集所有的束流值中，找出最大束流值Imax所對(duì)應(yīng)的角度α即為豎直方向的束角度，所以測(cè)得最大束流值時(shí)所對(duì)應(yīng)的法拉第筒的角度即為豎直方向束角度。

圖5 離子束豎直注入角度測(cè)量方法示意圖

離子束豎直注入角度測(cè)量機(jī)構(gòu)，如圖6所示，包括用于束流采集的法拉第筒，法拉第筒由外電極筒、內(nèi)電極板和石墨側(cè)板構(gòu)成，內(nèi)電極和外電極與石墨側(cè)板絕緣；承載法拉第筒并帶動(dòng)法拉第筒作仰俯運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置采用帶輪加減速器實(shí)現(xiàn)；直流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)；用于角度測(cè)量的高精度旋轉(zhuǎn)編碼器，測(cè)量精度為0.01°；運(yùn)動(dòng)控制器，采用基于嵌入式的動(dòng)動(dòng)控制模塊；用于束流實(shí)時(shí)測(cè)量控制器，法拉第筒采集的電流信號(hào)通過(guò)調(diào)理放大成0～ 10 V的電壓信號(hào)后輸入實(shí)時(shí)測(cè)量控制器；運(yùn)動(dòng)控制器和束流實(shí)時(shí)測(cè)量控制器進(jìn)行位置與束流采集間的同步，運(yùn)動(dòng)控制器向束流實(shí)時(shí)測(cè)量控制器發(fā)同步脈沖，實(shí)時(shí)測(cè)量控制器每一個(gè)同步脈沖采集一次此時(shí)角度與之對(duì)應(yīng)的束流值，法拉第筒每次轉(zhuǎn)動(dòng)0.1°，即從-2.5°到+2.5°；從測(cè)量的束流值中找到最大束流值Imax對(duì)應(yīng)的法拉第筒的角度，即為當(dāng)前的離子束在豎直方向的束角度。

圖6 離子束豎直注入角度測(cè)量機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 離子束豎直注入角度補(bǔ)償

單晶圓注入機(jī)離子束豎直注入角度α（圖1中α），以晶片平面法線（圖1中的與Y軸垂直的X軸）與束流入射豎直方向夾角為0時(shí)設(shè)定為豎直注入角度α為0°。由豎直角度補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)即圖7中X軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用同步帶傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)主帶輪安裝在帶編碼器的直流伺服電機(jī)軸上，同步帶傳遞輸出扭矩到從動(dòng)輪，從動(dòng)輪與X軸旋轉(zhuǎn)軸相連。

先測(cè)量出離子束豎直注入角度，再由控制系統(tǒng)發(fā)送指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)到在豎直方向所需要的補(bǔ)償角度注入即可。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

通過(guò)搭載了該注入角度測(cè)算與補(bǔ)償系統(tǒng)的單晶圓注入機(jī)在水平與垂直方向理論零度值的-2.5°到+2.5°區(qū)間內(nèi)，以0.1°為間隔補(bǔ)償，注入多片晶圓，熱波探針測(cè)試注入后的晶圓，如圖8所示，測(cè)試結(jié)果，圖8(a)表明機(jī)構(gòu)水平注入角度的絕對(duì)零度在0°，相應(yīng)的水平注入角度的補(bǔ)償值為0°；圖8(b)表明機(jī)構(gòu)垂直注入角度的絕對(duì)零度在0.2°，相應(yīng)的垂直注入角度的補(bǔ)償值為-0.2°。

圖7 注入豎直角度控制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

目前，該單晶圓離子注入機(jī)注入角度測(cè)量與補(bǔ)償系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國(guó)家02重大科技專項(xiàng)的“90/65 nm、300 mm中束流離子注入機(jī)”和“45/22 nm、300 mm低能大束流離子注入機(jī)”；搭載了該系統(tǒng)的兩型單晶圓注入機(jī)已成功進(jìn)行集成電路商業(yè)生產(chǎn)流片，共計(jì)超百萬(wàn)片，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，注入角度測(cè)量與補(bǔ)償精確可靠。

圖8 注入角度熱波探針測(cè)試值簡(jiǎn)圖

[1] 北京市輻射中心.離子注入機(jī)原理與技術(shù)[M].北京：北京出版社，1982.

[2] 羅宏洋，孫勇，謝均宇，等.一種平行束注入角度測(cè)量方法[P].中國(guó)專利：CN200610072964.2，2006-11-15.

[3] 鐘新華，易文杰，王迪平，等.一種離子注入機(jī)豎直方向離子束角度測(cè)控系統(tǒng)及測(cè)量方法[P].中國(guó)專利：CN201310699334.2，2014-04-09.

[4] 一種離子注入機(jī)束水平方向注入角度測(cè)控裝置及方法[P].袁衛(wèi)華；鐘新華，彭立波；孫雪平，易文杰，許波濤，中國(guó)CN201310685659.0，2015-04-22.

Design of Injection Angle Measurement and Compensation System for Ion Implanter by Single Wafer

YUAN Weihua，ZHONG Xinhua，PENG Libo
(The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China)

In the production process of wide 45 nm and the following link into the ultra large scale integrated circuit of ion beam implantation wafer angle precision control becomes more and more important，with small difference angle caused by the change of the distribution of the depth and range of doping elements in the transistor，which leads to great changes in device parameters and performance.Study on analysis of injection angle control depends on the measurement of ion beam implantation and wafer surface normals between horizontal and vertical angle accuracy，the device can accurately measure the ion beam angle，and then to the injection angle corresponding demand by compensation driven rotary wafer，meet the technical requirements.

Single wafer；Ion implanter；Angle；measure；Compensate

TN305

A

1004-4507(2017)02-0011-05

袁衛(wèi)華（1982-），男，湖南新化，工程師，主要從事半導(dǎo)體設(shè)備的研發(fā)。

2017-01-18

鐘新華（1975-），男，湖南衡南，高級(jí)工程師，碩士，主要從事半導(dǎo)體設(shè)備的研發(fā)和數(shù)值計(jì)算工作。

彭立波（1972-），男，湖南漣源，高級(jí)工程師，主要從事半導(dǎo)體設(shè)備的研發(fā)。