1.2西安微晶微电子有限公司 陕西省 西安市 710000
3.西安应用光学研究所 陕西省 西安市 710065
摘 要： 本文描述了影响较小剂量离子注入过程均匀性的几个主要因素，其中包括束流品质、离子束聚焦与扫描以及束流大小的选择等。同时介绍了如何调控这些因素来获取优异注入均匀性的方法。通过使用这些控制方法，可以得到优于1%的离子注入均匀性。
关键词： 半导体工艺 离子注入 束流 均匀性
1 前言
离子注入是现代集成电路制造中的一种非常重要的技术，它是利用离子注入机将特定的杂质原子以离子加速的方式注入硅半导体晶体内改变其导电特性并最终形成晶体管结构，实现半导体的掺杂。现代硅片制造过程中，离子注入主要用于掺杂半导体材料。它能够重复控制杂质的浓度和深度，已成为硅片制作要求的标准工艺。
本文以Etxrion 500型中束流离子注入机为例，重点阐述影响注入均匀性的几个关键因素及其质量控制方法，并给出有关实验结果。
2 束流品质
影响束流品质好坏的主要因素是束流强度的稳定性，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Si晶圆，让Si晶圆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，尽量提高离子束的稳定性来增加注入的均匀性。
2.1 束流稳定性与控制
2.1.1 离子源的工作状态
Etxrion 500型注入机使用的是热阴极离子源，灯丝电流最高可达200A，源内温度相当高，由于过热，灯丝阻值会渐渐变大，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；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，起弧间断。特别是孔径变大，让起弧放电变的相当困难，增加源气流量又会缩短离子源的寿命，这是弧流不稳的原因之二。
2.2 束能稳定性与控制
离子束从离子源到注入靶要经历数米长的路径，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均匀性。同时还需要考虑的是衬底表面洁净度对束能的间接影响。
3 聚焦与扫描
3.1 离子束扫描
扫描波形是通过扫描监视器来显示，Y轴为主法拉第信号，X轴为水平x方向或垂直y方向的扫描信号，标准扫描波形如图1所示。
图1中a为过扫描线，左右或上下是对称平衡的；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6英寸基片，扫描面积预置数应大314cm2。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。
4 束流大小选择
离子束入射到绝缘材料如SiO2及光刻胶的晶片上，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。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，从而影响注入的均匀性。具体地，如果束流较大，束空间电势就高，晶片表面充电，因库仑场的作用，使束斑扩大。晶片表面电势又将束中低能电子拉至表面，经过一定时间，正负电荷实现中和，束斑又恢复原来大小。离子束斑在注入过程中不断地扩散-恢复-再扩散，这样周而复始，就会影响注入的均匀性。如果束流偏大，注入时间不大于10s就会影响1%或更多的注入均匀性。在实际注入中，选取束流的原则是使注入时间不低于20s。
T与I，S满足以下关系
(1)
式中，S为扫描面积(cm2)，D为剂量(cm-2)，T为注入时间(s)，I为束流值(μA)。由T的大小，根据式(1)就可计算出I的大小，最后调节狭缝宽度，使束流满足计算设定值。
5 实验方法及结果
用ρ=4~7Ω·cm的N-type(100)Si单晶片，分三次作业，每次作业3片。作业条件为：11B+注入能量为60 keV，剂量5×1013 cm-2，束流500μA，按文中论及的控制方法进行注入，注入完成后使用快速退火炉在1025℃退火25s，最后用四探针测量方块电阻(R□)，测试点在衬底表面是均匀分布的。表1是Si单晶注入后的方块电阻(Rs)及均匀性(STD)，分次作业的Si单晶片Rs变化较小，而且片内均匀性均小于0.5%。
6 结束语
上述几种主要控制手段之间互相协调配合，经过多次均匀性试验，证明该工艺控制方法对于保证注入均匀性是行之有效的，特别对中低剂量注入，它能使注入均匀性得到较大程度的改善，其结果优于1%，注入质量基本能满足器件设计人员的要求。需要指出的是这种控制方法对改善注入重复性也很有帮助。
参考文献
[1] 陈林. LC-11型强流子注入机晶片电荷积累效应分析[J].微细加工技术，1998，2:14~16.
[2] 吴明华. 中束流高能离子注入机Extrion500[J]. 微细加工技术，1992（3）：84~88.
论文作者:王莎莎1,吴茜2,翁锴强3
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/29
标签：均匀论文; 离子束论文; 离子论文; 衬底论文; 晶片论文; 的是论文; 电荷论文; 《科学与技术》2019年第09期论文;