離子注入工藝中等離子噴淋技術

摘 要：闡述等離子噴淋技術的工作原理，在離子注入工藝上的應用；分析等離子噴淋器對注入工藝中的電荷累積以及注入均勻性改善。并提出在先進制程下對等離子噴淋技術的要求。

關鍵詞：離子注入；等離子噴淋；電荷累積；注入均勻性

引言

隨著半導體技術的發展，晶圓尺寸不斷增大，線寬不斷變窄，對離子注入的要求越來越高，包括工藝的均勻性，重復性和生產效率。一個較為典型的問題就是在晶圓注入的過程中，晶圓的表面出現電荷累積的現象。當電荷累積到一定程度，對注入的多項參數都會產生嚴重的影響，均勻性，重復性下降，乃至注入的劑量都受到影響，絕緣層擊穿的概率會上升，產品的良品率下降。另外，隨著半導體制造工藝跨過90nm，乃至65nm、45nm的技術節點，淺結和超淺結深的低能大束流注入工藝進入廣泛應用，注入的能量低至200eV，劑量達到1015/cm2。為了獲得高的生產效率，要求注入的離子束流達到幾十毫安。但在這種低能量大束流的狀態下，束流傳輸的空間電荷效應更加突出，大大降低離子束的傳輸效率，限制低能大束流注入工藝生產效率提高。

采用電中和技術是解決這些問題非常有效的方法，但是原有的電子噴淋技術由于依靠鎢絲熱電子加速后打到陽極靶上產生二次電子產生噴淋電子，存在中和程度控制困難，較高過中和負電荷積累電壓，金屬污染和熱輻射大等缺點，已經不能適應新一代半導體工藝要求。而等離子噴淋技術具有電荷中和程度自動調節，中和效率高，電子能量低，極低的金屬污染等特點，成為離子注入工藝控制晶圓電荷積累的標準。同時，將等離子噴淋技術應用到淺結、超淺結的注入工藝，對低能大束流離子束進行中和，可降低空間電荷效應，提高束流傳輸效率，進而提高現代工藝水平下的淺結，超淺結的大劑量注入的生產效率。

1 系統構成和工作原理

1.1 等離子噴淋系統構成

主要由三部分組成：電源系統、噴淋槍和配氣系統。其中，電源系統提供產生等離子體所需的電源，配氣系統提供產生等離子體所需原料，Ar或者Xe，而由于Xe比Ar所需解離的能量更低的優點，在目前主流的注入機上普遍使用，Ar只有在某些中束流注入機上使用；噴淋槍是系統核心，產生所需要的等離子體的。

1.2 等離子噴淋系統的工作原理

給噴淋槍內的鎢絲加上3V左右的電壓，產生熱電子并在弧壓的作用下，撞擊Xe分子，產生高濃度等離子體。一部分等離子體流到弧室外面的噴淋室內。當有束流經過噴淋室時，就會產生一個動態的自我調節過程：等離子體內的電子受到束流正電位的吸引，進入離子束一起傳輸，對束流起中和作用。在噴淋初期，束流電位較高，吸引大量電子，隨著中和過程進程，束流電位下降，吸引較少電子。

2 離子注入工藝中等離子噴淋

2.1 等離子噴淋對晶圓表面電荷中和效應分析

由于半導體工藝線寬越來越窄，柵氧化層變薄，大束流注入下晶片電荷積累對器件的影響也越來越大。研究表明，當離子注入時偏壓大于10V時，就可以擊穿厚度為0.01um的柵氧化層[2]。國外80年代采用電子噴淋控制晶片表面的電荷積累，90年代以后，由于柵氧化層越來越薄，注入束流越來越大，最大束流達30mA，電子噴淋器的缺點越來越明顯，于是各離子注入機廠家紛紛采用在晶片附近充人等離子體的方法來控制晶片電荷的積累，取得了良好的效果，利用等離子槍產生濃度很高的等離子體，對晶圓累積電荷進行中和。等離子體控制晶圓電荷積累的過程是：如果器件充電，器件的電勢高于束等離子體電勢，將等離子體內的電子吸引到器件上，中和器件表面積累的正電荷，如果器件的電勢低于等離子電勢，電場阻止電子向晶片運動，電子流減少。因此，等離子體控制晶片的電荷積累過程是可以自動調節的。由于電子能量低于5eV，過負沖電的危險已不存在。

Varian公司在As束流，注入能量20keV，束流大小16mA時利用Quantox測試的不同等離子噴淋系統設定的晶圓表面的結果，在沒有等離子噴淋下，偏壓大于10V，而優化設置下，可以很好控制晶圓表面電勢。

在實際晶圓注入中，等離子噴淋系統對晶圓進行中和的過程，當離子束在注入晶圓前，等離子噴淋系統提供電子對束流進行中和，當束流注入到晶圓上時，晶圓表面累積電荷，系統自動調節提供更多電子對晶圓中和。

2.2 等離子噴淋與晶圓注入均勻性分析

由離子束空間電荷產生的從束中心到真空管壁的電勢差稱為束空間電荷電勢。研究表明：如不外加低能電子，晶圓上的絕緣層將達到束流空間電荷電勢。束流捕獲一定量的低能電子會使束空間電荷電勢降低，在沒有噴淋器的情況下，低能電子主要來源于離子束與剩余氣體的碰撞來達到自中和，即：A+ + B→A+ + B+ + e-。

晶圓電荷積累對注入均勻性的影響過程如下：如果離子束空間電荷電勢過高，晶圓表面充電，晶片表面上電勢將束流中低能電子拉到晶片表面，以中和表面正電荷，這時由于束空間電荷電勢增大而使離子束斑擴大。但經過一定時間后離子束達到自中和，束斑又恢復到原來的大小。此離子束不斷地擴張-恢復-再擴張，當離子束斑變化超過一定值時，就會影響注入的均勻性。

2.3 提高束流傳輸效率

由于空間電荷效應的作用，離子束傳輸通道允許通過的最大束流Imax遵循公式Imax=8.98×10-7×（d/L）2×（E3/AMU）1/2[1]。式中：AMU為離子質量數；E為能量；d為傳輸通道直徑；L為傳輸通道長度。為了達到較大的Imax以提高生產率，在注入機硬件結構一定的情況下，對于相同的離子束種類，則能量E越高，束流越大。但隨著工藝水平進入nm，淺節超淺節的出現，則要求低能量大束流注入工藝，對提高束流傳輸效率增加了新的課題。

目前大多數注入機采用先加速提高束流傳輸效率，再減速達到所需低能量的方法。這一方法解決了目前工藝水平的基本要求，但加減速過程中離子產生的能量裂變使得能量污染風險增加，需要做出適當的抉擇。另外一種提高束流傳輸效率的方法就是減少空間電荷效應，通過等離子噴淋技術對離子束先中和再傳輸，就大大降低空間電荷效應的影響，提高束流傳輸效率（圖1）。

3 先進制程下對等離子噴淋系統的要求

隨著半導體制造技術的發展，各大晶圓廠28nm工藝已經量產，而業界領先的公司都進入了14/16nm量產準備階段。晶圓尺寸也毫無疑問也會進入到450毫米。這些都對注入機的等離子噴淋提出了新的要求：更高的等離子體濃度，更大尺寸的均勻的電子分布。針對目前主流大束流注入機等離子噴淋系統的研究，提出新的等離子噴淋系統思路。在雙等離子槍的基礎上，在等離子弧室和噴淋室之間加入電子導流板，導流板上不均勻分布的縫隙使得電子被經過噴淋室的束流均勻析出。

4 結束語

等離子噴淋技術是半導體離子注入工藝中，解決晶圓電荷積累，改善注入均勻性和提高低能大束流傳輸效率的有效手段。隨著半導體工藝的發展，等離子技術的重要性也越來越突出，在等離子體濃度，均勻性，熱輻射，金屬污染等方面的控制要求也越來越高，更加高效的等離子噴淋系統也會出現。

參考文獻

[1]RENAU A，SCHEYER J T.Comparison of plasma doping and beamline technologies for low energy implantation. （Ion Implantation Technology， Proceeding of 14th International Conference on 2002.

[2]陳林.等離子體——大束流注入下晶片的保護神[J].半導體情報，1998.

作者簡介：裴雷洪（1975-），男，上海人，學歷：本科，工作單位：上海華力微電子有限公司，工藝與生產制造的專業技術人員。