大角度離子注入機中的顆粒污染

王迪平，孫 勇

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

在IC制造過程中，由于顆粒污染導致的成品率損失稱為功能成品率。而功能成品率是影響制造成品率的主要因素。顆粒的污染，會使閥電壓降低，使器件的速度降低，器件成品率下降，嚴重者，根本不能做器件。因此，有效的過程顆粒污染控制對成品率的提高至關重要。在半導體的生產過程中，顆粒污染有3個主要來源：生產環境；錯誤的圓片傳遞；生產線加工機臺。而由工藝設備產生的顆粒污染是成品率損失的最主要原因，也成為半導體制造中的最主要污染源。一般來說，由顆粒污染導致的功能成品率損失要占總成品率損失的80%。而且，顆粒污染的數目越多，圓片的成品率就會越低。在這里，主要針對離子注入機中的顆粒污染進行分析和探討。

1 顆粒污染分析及相應措施

在離子注入機整個光路通道中，分析研究顆粒污染產生的原因，尋找解決辦法，制定控制方案，確保大角度離子注入機顆粒污染控制在指標以下，主要技術要求：顆粒污染指標：0.1個/cm2＞0.16μm。

1.1 顆粒污染對注入摻雜的影響

在大規模晶片生產中，顆粒污染是離子注入過程中一個必然的相關產物，這種污染會對離子注入工藝的重復性與穩定性造成直接影響已是不爭的事實[1]。在晶片上一個大于0.1μm的塵埃，其作用就如同一片阻塞膜。如果設備本身的表面顆粒得不到有效控制，那么加上靜電吸附作用，將使污染變得更加嚴重。

如圖1所示，表面的顆粒污染會引起圖形缺陷、外延前線、影響布線的完整性以及鍵合強度和表面質量，嚴重的導致電極之間的短路，徹底損壞芯片。如果由于其他工序原因，襯底表面的顆粒污染，會成為離子束的散射中心而降低有效注入能量，產生局部橫向擴散效應，使得注入均勻性變壞。

圖1 顆粒污染對注入摻雜的影響

如今先進半導體器件產品的特征尺寸已經跨入65 nm技術時代，注入摻雜的能量要求越來越低，這使得那些會破壞器件功能并嚴重降低工藝成品率的“致命”缺陷的尺寸即臨界阻止顆粒尺寸也相應地減小，如圖2所示。國際半導體技術發展藍圖(ITRS)規定到2010年以后臨界表面顆粒的直徑要減小到20nm以下[1]，要控制這種尺寸的表面顆粒污染物就需要研究現在還顯得不太重要的顆粒粘附機理。

圖2 顆粒尺寸與注入能量關系圖

1.2 顆粒的產生和傳送

對于顆粒的產生和傳送來說，離子注入機是一個動態的系統。它的產生和傳送如圖3所示。主要是運動部件：傳輸交換機械手、動態密封、真空閥門、晶片處理、移動法拉第等運動時的機械摩擦，束流在光闌和管道上撞擊產生的飛濺物質、晶片上的抗蝕劑，起弧、微放電，分析縫腐蝕，離子源等方面產生顆粒。顆粒在注入機中的傳送：沖氣/初抽–高抽速時的絕熱膨脹、交換機械手–自動機械操作、靶臺轉動、靶室氣體流動、束流-靜電捕獲、晶片本身。

圖3 顆粒的產生和傳送示意圖

顆粒的產生取決于碎片的堆積物：由于不正確的注入機維護改變了束光路，使得物質堆積在分析縫上。

下面具體分析雜質顆粒產生的機理，顆粒污染來源于操作區的潔凈度、充氣的純度。

從以前樣品的背散射分析得出，晶片注入后，表面及體內均增加了一些其它顆粒，表面顆粒的產生歸于低能離子，低速中性原子對晶片的碰撞及粘附，體內的顆粒產生歸于高能離子和高速中性原子對晶片的摻雜。

離子注入機顆粒污染的產生主要來源于濺射污染區，離子束元素不純造成的雜質顆粒污染，真空系統內氣體分子、管壁放氣、高溫揮發物、硅片摩擦碰撞等方面。

注入時晶片的表面溫度很高，晶片盤表面會產生一些放氣、出氣、揮發和蒸發，它影響靶室的真空度。蒸發物、揮發物會污染晶片表面，靶室內的機械動作會產生一些碰撞、磨損，產生顆粒污染。

離子束與過濾器真空盒管壁的轟擊濺射，離子束對過濾光欄的轟擊濺射，離子束與加速管內電極的轟擊濺射，二次電子與電極及管壁的轟擊，離子束與高壓區管壁內氣體分子的碰撞，高速中性顆粒的產生，高壓電極內部的打火放電，都將產生高能顆粒和高速原子，它們被多次折射反射至晶片，注入到體內產生污染。

低能顆粒的污染來源于離子束對真空中殘余氣體分子的碰撞，離子束對低壓區真空管壁的碰撞、濺射，束復合產生的中性顆粒對管壁的碰撞等產生的顆粒折射到晶片上。靶室內離子束對靶腔體的轟擊。注入時的高溫放氣，運動部件的磨損，晶片裝卸過程的磨擦、晶片輸送過程與其它介質的碰撞，系統充氣帶來的污染等等，這些低能顆粒都會粘附在晶片的表面或較淺的位置。

另外還有大量的顆粒污染來自晶片本身，圖4列舉了一些常見的情況，可通過對晶片處理接觸點的認識幫助識別顆粒產生的源頭。

圖4 晶片處理中的一些常見情況

1.3 顆粒的測量和監控

在注入機關鍵的部位，對顆粒進行不間斷的監測，可以提高芯片的產量，而且盡可能減少對檢測芯片的需求。

該監測系統具有用于照射晶圓上點的激光器以及旋轉方向與離子注入操作相反的一對檢測器(如PMT或光電二極管)。計算機分析來自被照射晶圓檢測的散射光強度。可以識別晶圓上的顆粒或其它這類污染物，并協助確定這類污染物的來源。另外，對這類顆粒的數量或尺寸的閾值分析可以為停機或反饋控制提供系統聯鎖。

檢測：用圓片掃描儀檢查并標出測試前圓片上已有的顆粒；之后將掃描后的這種試片循環經過加工設備，模擬正常的圓片加工工藝環境；再次對試片進行掃描。記錄掃描后增加的顆粒數。

1.4 減少顆粒的產生途徑

針對上面的分析，首先從設計上采取相應的措施：

(1)優化束流傳輸系統的設計，降低顆粒污染。光路設計相當重要，各光路部件之間匹配優化，確保整個束包絡在很小的空間內，束與真空管壁和電極留有較大的位置，這樣可極大地減少束邊緣與管壁和電極的碰撞截面。高分辨率強聚束能力的質量分析器也很重要，提高分析器的分辨能力，適當減少分析光欄的尺寸，避免質量數相近的元素過分析光欄進入平行束透鏡。

(2)束線方向的濺射區，電極和光欄盡可能采用硅材料，基底充分冷卻散熱，避免燒蝕，對分析器真空盒內的接束板，磁偏真空盒內的接束板和靶區接束板，采用純硅制作，避免其它元素的散射離子產生，接束板位置盡量后移，遠離束包絡，避免濺射原子彌漫至束線通道，接束板最好做成接束筒，通水冷卻并旋轉掃描，改變離子束轟擊角度，減少濺射系數，以便減少散射離子的產生，效果更好些。光路內腔襯高純硅，避免轟擊時產生金屬顆粒污染，對光欄，應采用貼硅襯的方式避免濺射出金屬顆粒，對功率大的部件應考慮水冷充分散熱，對電極表面，盡量貼硅，最好不要使金屬材料裸露在束前面。

(3)光路部件的選材與加工。引束電極，加速管內屏蔽筒和加速電極，真空盒等選用耐高溫，濺射系數小的材料制作。電極表面，光潔度較高。引束電極與離子源引束口，要求嚴格對中，定位準確。高壓絕緣材料，要求純凈，有好的真空性能和絕緣性能。

(4)靶室的特殊設計及采用自動裝卸片系統。靶室要選用高溫放氣率小的材料。為避免長期運行的累計污染，對靶室設置自動清洗程序，采用自動裝卸片系統來減少晶片裝卸過程中帶入的顆粒污染。晶片裝卸要考慮輕觸式，晶片輸送應考慮減少碰撞產生的顆粒污染和碎片。

(5)提高系統的真空度。離子束在傳輸過程中，與氣體分子碰撞產生能量分散及雜散顆粒，這些顆粒與真空管壁發生碰撞產生顆粒污染。另外在加速區真空度過低容易引起打火，產生顆粒污染。

在離子源區，增加一臺抽速為700 L/s的分子泵，源三通區進行真空分區設計，(對使用間熱式陰極離子源時尤為重要，)提高抽束，便于離子源的大送氣量工作，減少源送氣等對系統的污染。

在掃描與平行束裝置區域，加大泵的抽速，將口徑φ200mm改為φ250mm，提高真空度，減少離子的復合，提高離子束的傳輸效率。

在靶室區域，由于增加了偏束單元，而晶片處理量又很大(230片/時)，加上快速垂直掃描，靶盤軸的運動氣隙，氣浮軸承高壓氣體對軸的吸附，使靶室內的增量氣負荷很大，為減少污染，提高真空度，需增加1臺φ250mm的低溫泵。

(6)減少打開真空系統的時間，充氣過程中，維持真空管道內N2氣壓略高于大氣，N2外溢，防止塵埃物質進入真空系統。

(7)全系統氣體過濾，在源氣體輸送管道和系統各進氣口裝有小于0.3μm的氣體過濾器，防止顆粒從氣路中進入系統。

(8)SMIF接口和局部凈化

在裝卸片區頂端設置100級凈化層流罩，周圍為1000級凈化區域，以提高裝卸片區域的潔凈度。采用SMIF接口，片盒操作區和SMIF片盒式對接，使晶片輸送區的潔凈度達10級以上。

1.5 顆粒污染的預防

顆粒污染的預防主要從以下四方面著手：

(1)仔細檢查外部因素，包括周圍環境，外部和空氣中的晶片操作：

·潔凈室是否達標或者在修建中 (空氣完全流動，濕度、溫度達到要求)

·片盒或片盒箱是否變臟

·是否過多地操作晶片

·每次PM計劃表中靶室傳片部件是否清潔(主要是晶片爪，缺口定位器等)

·層流罩不均衡或設置了錯誤的流動比率

·靶室門關閉緩沖區安裝了門簾

·靶室沖氣清潔在正確的位置

·晶片移動到片盒或SMIF時靶室是否有振動

·外部機械人動作平緩，確認沒有晶片撞擊或拖曳

·晶片標記邊沿是否有碎屑

·用顆粒繪圖顯示指定區域數目（高或低），位置可重復

(2)檢查注入機上可能存在的問題：

·最近執行了離子源的PM

·離子源部件用舊了

·石墨部件顯示了過多的束流撞擊和磨損的痕跡

·在不同的區域石墨部件顯示了束撞擊的跡象

·過多的偏壓在引出電極的一半上

·束流調節不在正常的數值之內

·離子源沒有正確對中

·束流在分析器磁場內撞擊

·清潔了加速管

·電極用舊了，對中是否正確

·抽氣室容納了來自破碎晶片的殘骸

·分析光闌有過多的磨損

·從冷泵散發出明顯的碳黑(檢查冷泵入口的下緣)

·處理腔室需要清潔。里面存在明顯的破碎晶片

·靶室或電梯真空鎖裝置有真空泄露

·機器人沒對中撞擊或拖曳了晶片

·靶室靶臺上的水有泄露

·束線到靶室的閥門有泄露

(3)程序上：程序和輔助系統

·使用正確的機器沖氣程序

·沖氣的氮氣變臟或缺少

·真空片盒沖氣壓力太高

(4)定期檢修(PM)

·定期檢修(PM)是預防和減少顆粒的最重要的程序，對注入機的各個部件要列出詳細的檢修計劃表。根據具體情況進行小修，大修(一年一次)或每季的維護。

·定期檢修（PM）必須遵循正確的備檔程序：機器沖氣，初抽；部件復位；使用潔凈的材料；PM后的恢復處理。

2 總結

大角度離子注入機從研制到上大生產線生產，我們花費了大量的時間來從事顆粒污染的研究，不但從設計上做好了周密的考慮，而且在生產過程中花費了長達幾個月的時間來收集每次經過離子注入工藝處理后晶片表面上所沉積的顆粒計數(PWP)數據，并對它進行統計分析來判定PWP數據的明顯降低是否與設計和預防中考慮的相關聯，進而為以后的設備研制和生產積累經驗，打好基礎。通過不斷地改進和完善，PWP基本上都能控制在50個以下，完全能夠達到指標的要求。

[1]Julie Strain，Steve Moffatt，and Michael Current.Characteriz－ing and Reducing Particle Contamination in Ion Implantation Procession[J].Microcontamination，1989，May，47-51.

[2]陳毅功.離子注入機靶室塵埃污染與系統改造[J].電子工業專用設備，2002，31（2）：103-105.