大角度離子注入機的束純度控制

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)

離子束的能量不純能導致分子離子分裂或束流中離子的充放電。在高能量和低能量的注入中束能量純度的控制要求去除這些不想要的部分。傳統的束線結構設計上，是通過在磁分析器后利用一個靜電能量過濾器來完成。在90～65 nm大角度300mm束流離子注入機中，采用一個雙分析磁體過濾系統用來去除能量污染。此外，對于不想要的束流成分,盡量做到在低能量時及早地移除，讓它們遠離晶片。在大角度離子注入機中由于減速模塊的重新設計,在頭部高壓倉進行能量減速,使得低能量下束流得到了大幅提高,另外在頭部和晶片之間沒有直線對準線，因此減速模塊中的能量污染也被有效去除。

1 束能量純度控制

在目前研制的90～65 nm大角度300mm束流離子注入機中，對于使用多電荷離子來達到高能量離子注入和采用減速束來完成低能量注入方面，對這些束的能量純度都提出了嚴格的要求。來自于分子分裂的能量污染或充電放電歷來就是離子注入機獲得最終注入能量純度的兩大限制因素。在傳統的束線系統設計中，束流從離子源中引出，經過磁分析器分析篩選，然后加速或加速再減速到它的最終能量，然后摻雜注入到晶片。相對于原來的分析后加速或減速，目前使用的分析前加速或減速系統中，能量污染水平得到了大幅提升。

大角度離子注入機束線系統通過設計改進，大大提高了多電荷和減速離子束能量純度。從弧室中引出的離子被預分析過濾，通過一個低解析（m/Δm）預分析過濾磁體的初步篩選，使得大多數不想要的離子束成分在低功率密度時就被移除。預分析過濾區域通過一個700 L/s的渦輪分子泵抽氣，使得在離子源弧室和預分析過濾區域間有超過10倍的壓差，大大減少了充放電的反應。加速管緊跟在預分析過濾磁體區域后，通過加載最高達到220 kV電壓,將束能量提升到它的最終能量。減速模式下的減速束流，在它離開頭部高壓倉就發生減速，所以束流在進入高解析度的分析器磁場時仍處于最終能量。在磁分析器出口處，水平掃描系統之前安裝有一個旋轉的質量縫。在到達晶片之前，水平掃描束在平行透鏡磁體中變為平行[1]。

新設計的束線系統結構在多電荷引束時束能量純度的影響表示見圖1。在圖1的例子中，270keV p++是需要引出的束流。除開需要的p++束流之外，從弧室中還會引出包含了p+和p2+的離子流，而p2+由預分析過濾磁體去除，p+在預分析前由二聚物p2+分裂形成，它具有引出能量的一半能量，并有與p++相同的磁剛度，也會穿過預分析過濾磁體和加速管。當然，在它通過磁分析器時，會被磁分析器磁體篩選出來，不會到達晶片。因此，這種預分析過濾磁體和先加速后分析的束線系統設計有效地消除了束能量污染。

圖1 束線系統結構在多電荷引束時對束能量純度的影響示意圖

2 實驗手段

在300mm晶片注入摻雜后，使用動態SIMS分析來測試大角度離子注入機的各種束能量純度。在需要測試的晶片上留出一塊區域，涂上一層光刻膠用作SIMS分析。典型的光刻膠覆蓋70%左右，不能涂覆成交叉線或環狀的樣式。

主要測量多電荷、漂移束和減速束的能量純度。在注入的過程中對靶室的壓力進行測量。為了與涂覆光刻膠的晶片做比較，最初的晶片（光片）也同時被注入。在大多數情況下，SIMS測量時會在晶片上的3個點進行，分別是中心和束水平掃描面的兩邊緣。

3 實驗結果和結論

圖2顯示了300mm晶片在完成單電荷，雙電荷及三電荷的能量為270 keV，劑量為1×1014分子數/cm2的p注入后的SIMS深度剖面數據。束流各自為 1.05，0.83，0.08 mA。在 p+和 p++注入時，靶室壓力降到極限水平為（731.5～798.0）×10-5Pa，而在p+++注入時到達186.2×10-5Pa。圖上也顯示了單電荷注入光晶片后的SIMS剖面。SIMS分析的結果是，對于多電荷的光晶片（沒顯示）和單電荷晶片的注入結果有完全相同的精度。剖面表面附近的不同是人為的，主因是來自光刻膠的有機污染造成的[2]。深度信號上的差異只超過0.1μm，在噪聲水平范圍內。從SIMS數據上沒有發現能量污染的跡象。

圖2 能量為270 keV的P注入的4種SIMS數據圖(包含光片注入)

圖3 能量為270KeV的B注入的兩種SIMS數據圖

圖3中顯示了300mm晶片在完成單電荷，雙電荷的能量為270 keV的B注入后的SIMS結果。顯示出來的SIMS深度剖面數據來自能量為270 keV，劑量為1×1014分子數/cm2，在覆蓋有70%光刻膠的晶片上注入單電荷，并與相同條件下雙電荷注入后的SIMS剖面的左中右3點進行比較。B+注入的束流為3.5 mA，B++束流為0.1 mA。從SIMS數據上沒有發現能量污染的跡象。

圖4 能量為70 keV的P注入的兩種SIMS數據圖

能量為70 keV的P注入是在大角度離子注入機中既能在漂移模式又能在加速模式下運行的許多束之一。這里研究了兩種模式下的能量純度，結果在圖4中顯示。SIMS剖面數據對70 kV引出電壓（束流4.4 mA）與40 kV引出電壓加30 kV加速電壓（束流3.3 mA），在劑量為5×1014分子數/cm2的情況下的注入結果比較。從SIMS數據上看仍然沒有明顯的能量污染跡象。

圖5 能量為5 keV的B注入的SIMS數據圖

減速束的能量純度是在減速模式下對能量為5keV的B束注入進行研究，條件是引出電壓為40kV，減速電壓為5 kV，劑量為5×1014分子數/cm2，束流為0.3 mA。SIMS剖面數據在圖5中顯示，取樣是300mm晶片上的3個位置。從剖面曲線可以看出，在B濃度接近1×1018分子數/cm3時的差異是由溝道剖面影響造成的[2]。在傳統的束線系統結構中，來自于40 keV部分的能量污染主要表現在SIMS剖面曲線注入深度150nm左右。從圖中可知，減速束的SIMS剖面曲線沒有顯示出能夠測量到的能量污染。

4 結論

通過大量實驗，在不同測試條件下獲得的SIMS數據闡明了大角度離子注入機束線系統設計相對于傳統的注入機束線結構，很好地控制了能量污染，有更優的束能量純度。與設計時期望的結果一致，通過增加預分析過濾磁鐵，先加速后分析篩選，分析出口增加質量分析縫等一系列改進，有效地去除了能量污染。

[1]A.Renau.The Beamline Architecture of the Medium Current Ion Implanter[C].Proc.of 12th Int.Conf.on Ion Implantation Technology,Kyoto,Japan,June,1998.

[2]D.Downey.private customer communication on 65 nm and 90nm targets[J].Electrochem.Soc.Spring Meet.,PV 99-10,1999,May:151.