批處理式離子注入機(jī)電荷交換效應(yīng)的防控

鄭剛

（上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司，上海，201206）

批處理式離子注入機(jī)電荷交換效應(yīng)的防控

鄭剛

（上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司，上海，201206）

本文研究了批處理式離子注入機(jī)工藝過程中的電荷交換效應(yīng)，該效應(yīng)使得注入雜質(zhì)濃度偏離設(shè)定值并且面內(nèi)分布變差；為防控此種不良模式，可以通過收緊腔室端真空容限范圍，但更為有效的方式是在注入中采用真空補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，采用優(yōu)化的真空補(bǔ)償系數(shù)可以在帶光阻的硅片上獲得更具良好重復(fù)性的摻雜濃度和更加均勻的面內(nèi)分布。

離子注入；摻雜；電荷交換；半導(dǎo)體制造

0 引言

離子注入是現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路制造中的關(guān)鍵工藝，批處理式注入機(jī)以其精確的摻雜工藝控制和高產(chǎn)出率獲得廣泛應(yīng)用。通常離子注入系統(tǒng)可分成三部分：離子源，加速管，終端臺(tái)【1】。含有注入物質(zhì)的氣體被傳送至離子源并進(jìn)行離化，然后工藝所需離子經(jīng)過加速管并被分析磁石篩選出，最后在終端臺(tái)目標(biāo)離子在高真空環(huán)境下被注入硅片。

但實(shí)際中批處理式注入機(jī)高真空環(huán)境是不完美的，一種情況是總有極少量氣體分子殘留在腔室中，比如等離子噴淋裝置需要使用小流量的AR或XE氣體，或是當(dāng)?shù)蜏乇媚芰Σ蛔阋约扒惑w有漏時(shí)；另一種情況是離子轟擊到帶光刻膠的硅片，打斷了光刻膠的有機(jī)分子，留下非揮發(fā)性的碳【2】，同時(shí)導(dǎo)致少量H2氣體的形成，從光刻膠表面逸出，從而導(dǎo)致終端臺(tái)氣壓上升。以上兩種情形造成離子束與氣體分子碰撞，從而引起離子所帶電荷價(jià)態(tài)發(fā)生改變，即電荷交換效應(yīng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的劑量誤差【3】。

目標(biāo)離子與氣體分子間的電荷交換可能使離子外層增加或者減少電子，從而使其與recipe中所設(shè)定的電荷價(jià)態(tài)不一致。如圖1所示，當(dāng)電荷交換效應(yīng)為中性化時(shí)，一定比例的入射離子與殘余氣體原子或熱電子復(fù)合產(chǎn)生中性粒子【4】，注入在硅片上中性粒子不會(huì)產(chǎn)生電流，因而不會(huì)被法拉第計(jì)數(shù)，結(jié)果導(dǎo)致過注入；當(dāng)電荷交換效應(yīng)為剝離電子時(shí)，一定比例的入射離子失去電子繼而變成更高價(jià)態(tài)，結(jié)果導(dǎo)致法拉第量測(cè)到的電荷增加了但實(shí)際注入的摻雜原子仍保持不變，造成欠注入。

批處理式注入機(jī)常應(yīng)用在高能量，大劑量注入場(chǎng)合，帶光刻膠的硅片被高功率離子束持續(xù)轟擊，導(dǎo)致腔室實(shí)時(shí)真空壓力的急劇變化；與此對(duì)應(yīng)，由于電荷交換效應(yīng)的影響，位于終端的法拉第檢測(cè)到的束電流也會(huì)快速波動(dòng)，因此在壓力和束電流間建立一種關(guān)聯(lián)就是真空補(bǔ)償pressure compensation(PCOMP)。補(bǔ)償量取決于通過真空計(jì)IG3實(shí)時(shí)量測(cè)到的真空度，當(dāng)然PCOM同時(shí)也和注入機(jī)硬件設(shè)計(jì)有關(guān)，比如低溫泵的數(shù)量和位置，IG3安裝位置。就同一種設(shè)備來說，PCOMP主要取決于離子類型，電荷狀態(tài)和能量大小，用公式描述如下。

圖1 電荷交換效應(yīng)Idisk=Idose×e?KP

其中Idisk是disk法拉第實(shí)時(shí)測(cè)到的束流，Idose是真空很好時(shí)忽略電荷交換效應(yīng)下的束流，P是真空計(jì)IG3所測(cè)得的腔室真空度，K是表征離子束與殘余氣體發(fā)生電荷交換的強(qiáng)弱程度,其與PCOMP的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

當(dāng)腔室壓力為10-4torr時(shí)，于是有以下簡(jiǎn)化：

可見，PCOMP也就是假定真空在10-4torr時(shí)離子束流需要進(jìn)行補(bǔ)償?shù)谋壤?/p>

本文通過尋找恰當(dāng)?shù)恼婵昭a(bǔ)償，在批處理式注入機(jī)上進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)，通過分析具體測(cè)試結(jié)果找到防控電荷交換效應(yīng)的方式。

1 實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)定

為了獲得電荷交換效應(yīng)對(duì)劑量偏差和均勻性的影響的定量描述，我們需要通過實(shí)驗(yàn)獲得恰當(dāng)?shù)恼婵昭a(bǔ)償系數(shù)PCOMP，本文中采用交叉線測(cè)試法，這種方法理論依據(jù)是無論帶有光刻膠的硅片是否有outgassing，在恰當(dāng)?shù)恼婵昭a(bǔ)償作用下，其實(shí)際注入的劑量應(yīng)該是相同的；在每輪實(shí)驗(yàn)中通過4輪注入，其中2輪不采用真空補(bǔ)償分別對(duì)光片和帶光刻膠片進(jìn)行注入，另外2輪采用過補(bǔ)償，也是分別對(duì)光片和帶光刻膠片進(jìn)行注入，如表1所示。

表1 交叉線法：4輪注入

在帶光刻膠片的注入中，采用充填率模擬光阻占比，比如光阻coverage ratio是80%，則在滿批次為13枚的機(jī)臺(tái)上使用10枚涂光刻膠（10/13≈80%），其余3枚為光片來獲得近似；每輪注入保證有一枚光片為控片，注入完成后，將四枚控片進(jìn)行收集，然后一起經(jīng)過1100℃ 30s（N2 ambient）的高溫快速熱退火，再使用四探針測(cè)量?jī)xRS75進(jìn)行方塊電阻RS測(cè)定，條件是面內(nèi)49點(diǎn),距邊緣5mm的。根據(jù)以上測(cè)量的方塊電阻均值畫出兩條連線，其交叉點(diǎn)決定最佳的真空補(bǔ)償值，如圖2所示，同時(shí)也可根據(jù)面內(nèi)49點(diǎn)測(cè)量結(jié)果計(jì)算每片面內(nèi)均勻性，做出等值圖線。

圖2 交叉線法：交叉點(diǎn)決定最佳PCOMP值

本文中采用AXCELIS廠商的GSD型批處理式高電流和高能注入機(jī)，依照上述方法進(jìn)行注入，可依次對(duì)不同注入recipe設(shè)定和不同光刻膠占比情況下的真空補(bǔ)償進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)我們對(duì)這些注入中的終端腔室真空度，法拉第檢測(cè)束流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，并依此評(píng)估這些情況下的電荷交換效應(yīng)嚴(yán)重程度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同真空interlock下電荷交換情形的比較

在進(jìn)行AS+ 110KEV 1E15的注入時(shí)，采用三種方式進(jìn)行注入比較：模擬光刻膠占比80%的情形下分別關(guān)閉和開啟真空interlock，并與全光片注入進(jìn)行比較，當(dāng)開啟真空interlock時(shí)設(shè)定上限在1.5E-4Torr，分別記錄這三種注入過程中終端腔室壓力波動(dòng)和faraday cup實(shí)時(shí)檢測(cè)到的束流，如圖3所示。

圖中右段(901~1101*0.2s)為光片注入，可見此過程中由于沒有光刻膠outgassing,基本沒有電荷交換效應(yīng)，無論是束流還是真空壓力都很平穩(wěn)。左端（1~201*0.2s）為interlock OFF時(shí)的帶膠片注入，可見注入束流和真空壓力呈現(xiàn)反向關(guān)聯(lián),這是因?yàn)楣杵系墓饪棠z被離子轟擊時(shí)outgassing嚴(yán)重導(dǎo)致真空變差，導(dǎo)致一定比例的離子被中性化，法拉第檢測(cè)到的束流變??；每次掃描至硅片中心時(shí)，光刻膠面積最大，outgassing更加嚴(yán)重，電荷交換效應(yīng)更明顯，從而檢測(cè)到的束流最小，后續(xù)隨著靶盤的周期性上下掃描，束流呈現(xiàn)周期性波動(dòng)。中段（201~901*0.2s）為interlock ON時(shí)的帶膠片注入，此時(shí)一旦outgassing導(dǎo)致真空變差到設(shè)定上限，注入被自動(dòng)暫停，隨后隨著低溫泵繼續(xù)吸附掉腔內(nèi)的殘留氣體，真空隨之降低，注入工藝?yán)^續(xù)，因此體現(xiàn)在束流頻繁間斷，在這種方式下通過interlock防止了真空惡化，但造成工藝時(shí)間延長(zhǎng)，犧牲了產(chǎn)出率。

圖3 AS+ 110Kev 1E15注入終端腔室壓力和束流實(shí)時(shí)采樣

圖4 三種情形下AS+ 110Kev 1E15注入束流采樣值分布及對(duì)應(yīng)方塊電阻

從圖4可以看到，帶光刻膠80%占比的注入中離子的中性化最大導(dǎo)致了實(shí)時(shí)檢測(cè)到的束流降低了30%，對(duì)應(yīng)的方塊電阻從正常時(shí)79.8ohm/sq降至71.6ohm/sq，面內(nèi)均勻性從0.4%惡化到1.5%；當(dāng)采用了interlock避免真空過于惡化，其水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的方塊電阻也在77.2ohm/sq，與bare wafer注入差異不明顯，但由于注入中頻繁的中斷，無法保證良好的工藝連續(xù)性，面內(nèi)均勻性只有1.9%。本實(shí)驗(yàn)說明，在實(shí)際有outgassing的產(chǎn)品注入中，僅靠interlock來防止真空惡化并減少劑量偏差，效果是極其有限的。

2.2 能量下電荷交換情形的比較

分別在不同的離子種和注入能量下：利用高能注入機(jī)在300kev,500kev,

800kev,1000kev進(jìn)行一價(jià)B+和P+注入，在800kev,1000kev, 1400kev,1700kev進(jìn)行二價(jià)B++和P++注入，劑量設(shè)定2E13 ion/ cm2；利用高電流注入機(jī)在30kev,50kev,70kev,110kev進(jìn)行一價(jià)B+,P+和AS+注入，劑量設(shè)定1E15 ion/cm2,以上全部選取光刻膠占比80%的涂膠硅片充填方式，利用上述交叉線法找出恰當(dāng)?shù)腜COMP系數(shù)，如圖5（高能），圖6（高電流）所示。

圖5 高能注入機(jī)PCOMP隨能量的變化

圖6 高電流注入機(jī)PCOMP隨能量的變化

由圖中PCOMP可以視為為了彌補(bǔ)電荷交換效應(yīng)所采取的補(bǔ)償系數(shù)，其絕對(duì)值越大代表電荷交換效應(yīng)越強(qiáng)。在低能量區(qū)段0～110Kev，如圖6，也就是通常高電流注入機(jī)工作的能量范圍,離子束與終端腔室中殘氣分子間主要發(fā)生的電荷交換過程會(huì)降低可偵測(cè)的beam current，如前述模型a，也就是以電中性為主，體現(xiàn)在PCOMP均為正值；但隨著能量的提高，中性化的離子比例有所降低，對(duì)應(yīng)PCOMP少許有降低趨勢(shì)。隨著能量的提高，在高能注入機(jī)工作的能量范圍，如圖5，情況會(huì)發(fā)生變化，前述模型b的情形，即電子剝離效應(yīng)逐漸突出，并代替中性化占據(jù)主要地位，對(duì)應(yīng)PCOMP逐漸降低，繼而由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值；這個(gè)臨界點(diǎn)發(fā)生在一價(jià)的B+700kev，P+400kev附近，以及二價(jià)的P++1700kev附近，因此僅從注入工藝條件來看，電荷交換效應(yīng)主要受離子種和能量大小的決定。

2.3 不同光刻膠占比下真空補(bǔ)償?shù)母纳票容^

實(shí)驗(yàn)選取了部分注入條件，兼顧包含了不同離子種以及高電流，高能注入工作范圍內(nèi)的能量：B+50kev_1E15，P+70kev_1E15，AS+70kev_1E15，B+300kev_2E13，P+800kev_2E13，五組條件分別在其不采用（w/o）PCOMP補(bǔ)償和采用(with)恰當(dāng)?shù)腜COMP補(bǔ)償下進(jìn)行注入，同時(shí)本實(shí)驗(yàn)中使用了不同數(shù)量比例的涂膠片充填近似模擬光刻膠占比30%，60%和90%的情形，按照前述的方法完成注入后，并對(duì)需量測(cè)方塊電阻的控片進(jìn)行高溫退火，并進(jìn)行面內(nèi)49點(diǎn)RS測(cè)定。圖7是采用PCOMP前后RS shift的對(duì)比，圖8是采用PCOMP前后面內(nèi)均勻性的對(duì)比

圖7 不同注入條件采用PCOMP前后對(duì)RS shift的比較

圖8 不同注入條件采用PCOMP前后對(duì)RS面內(nèi)均勻性的比較

可見在不采用PCOMP進(jìn)行真空補(bǔ)償時(shí)，隨著光刻膠占比的增加，RS shift趨向更加嚴(yán)重，最大的B+50kev條件在光刻膠占比90%時(shí)甚至達(dá)到12%左右，這在離子注入工藝上是不可接受的程度，同時(shí)面內(nèi)均勻性也逐漸變差，在2%~4.5%；這是因?yàn)楣饪棠z占比越大，注入中outgassing現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，電荷交換效應(yīng)更加強(qiáng)烈，導(dǎo)致了明顯惡化。對(duì)此對(duì)應(yīng)的另一組數(shù)值，采用了恰當(dāng)PCOMP補(bǔ)償后的結(jié)果改善明顯，無論光刻膠占比的高低，RS shift不超過1.5%，最大的差異是高能注入，也在1.3%；面內(nèi)均勻性也有了明顯改善，不超過1.5%，這是因?yàn)樵赑COMP作用下，有效地克服了真空惡化所帶來電荷交換效應(yīng)，滿足了注入工藝所要求的dose高精確度要求。

3 總結(jié)

批處理式高能高電流注入工藝中，由于光刻膠的outgassing造成真空惡化，導(dǎo)致電荷交換效應(yīng)，使得注入雜質(zhì)濃度偏離設(shè)定值并且面內(nèi)分布變差；為防控此種模式對(duì)產(chǎn)品注入的不良影響，本文通過實(shí)驗(yàn)具體研究了真空補(bǔ)償（PCOMP）方法，由數(shù)據(jù)可見實(shí)際注入中法拉第偵測(cè)電流隨終端腔室真空壓力瞬時(shí)而變，采用真空補(bǔ)償比收緊腔室端真空interlock更為有效；它主要受離子種和注入能量所決定；優(yōu)化的真空補(bǔ)償（PCOMP）可以在帶光刻膠硅片注入中明顯減小RS shift，同時(shí)獲得更加均勻的RS面內(nèi)分布。

[1] J.W.Mayer,L.Erickson,and J.A.Davies,Ion Implantation in Semiconductors,Silicon and Germanium,AcademicPress,New York,1970.

[2] T.C.Smith, “Wafer Cooling and Photoresist Masking Problems in Ion Implantation,”in Ion Implantation Equipment and Techniques,H.Ryssel and H.Glawischni g,eds.,vol.11,Springer Series in Electrophysics,Springer-Verlag,New York,1983,p.196.

[3] P.Burggraaf,“Resist Implant Problems:Some Solved,Others Not,”Semiconductor Int.15:66(1992).

[4] H.Glawischnig and K.Noack,Ion Implantation System Concepts,”in Ion Implantation Science and Technology,J.F.Ziegler,ed.,Academic Press,Orlando,1984.

Prevention and control of charge exchange effect in batch ion implanter

Zheng Gang
(Shanghai Huahong grace Semiconductor Manufacturing Co., Ltd.,Shanghai,201206)

The charge exchange effect in batch mode implanter process was studied in this paper and it will cause dose shift and bad uniformity within wafer. In order to prevent this effect, we can tighten the end station chamber vacuum interlock and use the pressure compensation factors during implantation which is more effective method. Experiment data show that better dose repeatability and better uniformity on resist coating wafers can be achieved by using optimized pressure compensation factor.

Ion implantation;doping;charge exchange; semiconductor manufacture