摘要: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:
?。?)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。
?。?)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。
?。?)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。
?。?)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。
?。?)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有數(shù)百個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。
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]。
?。?)高能量注入機(jī)的離子束具有較高能量,一般可達(dá)到500keV以上,但其摻雜濃度較低,主要用于材料襯底的深阱摻雜。
?。?)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。
?。?)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。
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,同時因?yàn)榕鲎驳碾S機(jī)性,使得離子束的能量統(tǒng)計出現(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??梢郧逑吹簦鋵ψ⑷氲恼趽鯇⒃跇悠返淖⑷雽又挟a(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),通常有以下幾項措施:
?。?)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,要及時更換。
?。?)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:
?。?)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。
?。?)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。
?。?)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。