批處理式離子注入機電荷交換效應的防控

鄭剛

（上海華虹宏力半導體制造有限公司，上海，201206）

批處理式離子注入機電荷交換效應的防控

鄭剛

（上海華虹宏力半導體制造有限公司，上海，201206）

本文研究了批處理式離子注入機工藝過程中的電荷交換效應，該效應使得注入雜質濃度偏離設定值并且面內分布變差；為防控此種不良模式，可以通過收緊腔室端真空容限范圍，但更為有效的方式是在注入中采用真空補償，實驗數據證明，采用優化的真空補償系數可以在帶光阻的硅片上獲得更具良好重復性的摻雜濃度和更加均勻的面內分布。

離子注入；摻雜；電荷交換；半導體制造

0 引言

離子注入是現代超大規模集成電路制造中的關鍵工藝，批處理式注入機以其精確的摻雜工藝控制和高產出率獲得廣泛應用。通常離子注入系統可分成三部分：離子源，加速管，終端臺【1】。含有注入物質的氣體被傳送至離子源并進行離化，然后工藝所需離子經過加速管并被分析磁石篩選出，最后在終端臺目標離子在高真空環境下被注入硅片。

但實際中批處理式注入機高真空環境是不完美的，一種情況是總有極少量氣體分子殘留在腔室中，比如等離子噴淋裝置需要使用小流量的AR或XE氣體，或是當低溫泵能力不足以及腔體有漏時；另一種情況是離子轟擊到帶光刻膠的硅片，打斷了光刻膠的有機分子，留下非揮發性的碳【2】，同時導致少量H2氣體的形成，從光刻膠表面逸出，從而導致終端臺氣壓上升。以上兩種情形造成離子束與氣體分子碰撞，從而引起離子所帶電荷價態發生改變，即電荷交換效應，導致嚴重的劑量誤差【3】。

目標離子與氣體分子間的電荷交換可能使離子外層增加或者減少電子，從而使其與recipe中所設定的電荷價態不一致。如圖1所示，當電荷交換效應為中性化時，一定比例的入射離子與殘余氣體原子或熱電子復合產生中性粒子【4】，注入在硅片上中性粒子不會產生電流，因而不會被法拉第計數，結果導致過注入；當電荷交換效應為剝離電子時，一定比例的入射離子失去電子繼而變成更高價態，結果導致法拉第量測到的電荷增加了但實際注入的摻雜原子仍保持不變，造成欠注入。

批處理式注入機常應用在高能量，大劑量注入場合，帶光刻膠的硅片被高功率離子束持續轟擊，導致腔室實時真空壓力的急劇變化；與此對應，由于電荷交換效應的影響，位于終端的法拉第檢測到的束電流也會快速波動，因此在壓力和束電流間建立一種關聯就是真空補償pressure compensation(PCOMP)。補償量取決于通過真空計IG3實時量測到的真空度，當然PCOM同時也和注入機硬件設計有關，比如低溫泵的數量和位置，IG3安裝位置。就同一種設備來說，PCOMP主要取決于離子類型，電荷狀態和能量大小，用公式描述如下。

圖1 電荷交換效應Idisk=Idose×e?KP

其中Idisk是disk法拉第實時測到的束流，Idose是真空很好時忽略電荷交換效應下的束流，P是真空計IG3所測得的腔室真空度，K是表征離子束與殘余氣體發生電荷交換的強弱程度,其與PCOMP的轉換關系如下：

當腔室壓力為10-4torr時，于是有以下簡化：

可見，PCOMP也就是假定真空在10-4torr時離子束流需要進行補償的比例。

本文通過尋找恰當的真空補償，在批處理式注入機上進行具體實驗，通過分析具體測試結果找到防控電荷交換效應的方式。

1 實驗方法及設定

為了獲得電荷交換效應對劑量偏差和均勻性的影響的定量描述，我們需要通過實驗獲得恰當的真空補償系數PCOMP，本文中采用交叉線測試法，這種方法理論依據是無論帶有光刻膠的硅片是否有outgassing，在恰當的真空補償作用下，其實際注入的劑量應該是相同的；在每輪實驗中通過4輪注入，其中2輪不采用真空補償分別對光片和帶光刻膠片進行注入，另外2輪采用過補償，也是分別對光片和帶光刻膠片進行注入，如表1所示。

表1 交叉線法：4輪注入

在帶光刻膠片的注入中，采用充填率模擬光阻占比，比如光阻coverage ratio是80%，則在滿批次為13枚的機臺上使用10枚涂光刻膠（10/13≈80%），其余3枚為光片來獲得近似；每輪注入保證有一枚光片為控片，注入完成后，將四枚控片進行收集，然后一起經過1100℃ 30s（N2 ambient）的高溫快速熱退火，再使用四探針測量儀RS75進行方塊電阻RS測定，條件是面內49點,距邊緣5mm的。根據以上測量的方塊電阻均值畫出兩條連線，其交叉點決定最佳的真空補償值，如圖2所示，同時也可根據面內49點測量結果計算每片面內均勻性，做出等值圖線。

圖2 交叉線法：交叉點決定最佳PCOMP值

本文中采用AXCELIS廠商的GSD型批處理式高電流和高能注入機，依照上述方法進行注入，可依次對不同注入recipe設定和不同光刻膠占比情況下的真空補償進行測試，同時我們對這些注入中的終端腔室真空度，法拉第檢測束流等參數進行實時收集，并依此評估這些情況下的電荷交換效應嚴重程度。

2 實驗結果及分析

2.1 不同真空interlock下電荷交換情形的比較

在進行AS+ 110KEV 1E15的注入時，采用三種方式進行注入比較：模擬光刻膠占比80%的情形下分別關閉和開啟真空interlock，并與全光片注入進行比較，當開啟真空interlock時設定上限在1.5E-4Torr，分別記錄這三種注入過程中終端腔室壓力波動和faraday cup實時檢測到的束流，如圖3所示。

圖中右段(901~1101*0.2s)為光片注入，可見此過程中由于沒有光刻膠outgassing,基本沒有電荷交換效應，無論是束流還是真空壓力都很平穩。左端（1~201*0.2s）為interlock OFF時的帶膠片注入，可見注入束流和真空壓力呈現反向關聯,這是因為硅片上的光刻膠被離子轟擊時outgassing嚴重導致真空變差，導致一定比例的離子被中性化，法拉第檢測到的束流變小；每次掃描至硅片中心時，光刻膠面積最大，outgassing更加嚴重，電荷交換效應更明顯，從而檢測到的束流最小，后續隨著靶盤的周期性上下掃描，束流呈現周期性波動。中段（201~901*0.2s）為interlock ON時的帶膠片注入，此時一旦outgassing導致真空變差到設定上限，注入被自動暫停，隨后隨著低溫泵繼續吸附掉腔內的殘留氣體，真空隨之降低，注入工藝繼續，因此體現在束流頻繁間斷，在這種方式下通過interlock防止了真空惡化，但造成工藝時間延長，犧牲了產出率。

圖3 AS+ 110Kev 1E15注入終端腔室壓力和束流實時采樣

圖4 三種情形下AS+ 110Kev 1E15注入束流采樣值分布及對應方塊電阻

從圖4可以看到，帶光刻膠80%占比的注入中離子的中性化最大導致了實時檢測到的束流降低了30%，對應的方塊電阻從正常時79.8ohm/sq降至71.6ohm/sq，面內均勻性從0.4%惡化到1.5%；當采用了interlock避免真空過于惡化，其水準對應的方塊電阻也在77.2ohm/sq，與bare wafer注入差異不明顯，但由于注入中頻繁的中斷，無法保證良好的工藝連續性，面內均勻性只有1.9%。本實驗說明，在實際有outgassing的產品注入中，僅靠interlock來防止真空惡化并減少劑量偏差，效果是極其有限的。

2.2 能量下電荷交換情形的比較

分別在不同的離子種和注入能量下：利用高能注入機在300kev,500kev,

800kev,1000kev進行一價B+和P+注入，在800kev,1000kev, 1400kev,1700kev進行二價B++和P++注入，劑量設定2E13 ion/ cm2；利用高電流注入機在30kev,50kev,70kev,110kev進行一價B+,P+和AS+注入，劑量設定1E15 ion/cm2,以上全部選取光刻膠占比80%的涂膠硅片充填方式，利用上述交叉線法找出恰當的PCOMP系數，如圖5（高能），圖6（高電流）所示。

圖5 高能注入機PCOMP隨能量的變化

圖6 高電流注入機PCOMP隨能量的變化

由圖中PCOMP可以視為為了彌補電荷交換效應所采取的補償系數，其絕對值越大代表電荷交換效應越強。在低能量區段0～110Kev，如圖6，也就是通常高電流注入機工作的能量范圍,離子束與終端腔室中殘氣分子間主要發生的電荷交換過程會降低可偵測的beam current，如前述模型a，也就是以電中性為主，體現在PCOMP均為正值；但隨著能量的提高，中性化的離子比例有所降低，對應PCOMP少許有降低趨勢。隨著能量的提高，在高能注入機工作的能量范圍，如圖5，情況會發生變化，前述模型b的情形，即電子剝離效應逐漸突出，并代替中性化占據主要地位，對應PCOMP逐漸降低，繼而由正值轉為負值；這個臨界點發生在一價的B+700kev，P+400kev附近，以及二價的P++1700kev附近，因此僅從注入工藝條件來看，電荷交換效應主要受離子種和能量大小的決定。

2.3 不同光刻膠占比下真空補償的改善比較

實驗選取了部分注入條件，兼顧包含了不同離子種以及高電流，高能注入工作范圍內的能量：B+50kev_1E15，P+70kev_1E15，AS+70kev_1E15，B+300kev_2E13，P+800kev_2E13，五組條件分別在其不采用（w/o）PCOMP補償和采用(with)恰當的PCOMP補償下進行注入，同時本實驗中使用了不同數量比例的涂膠片充填近似模擬光刻膠占比30%，60%和90%的情形，按照前述的方法完成注入后，并對需量測方塊電阻的控片進行高溫退火，并進行面內49點RS測定。圖7是采用PCOMP前后RS shift的對比，圖8是采用PCOMP前后面內均勻性的對比

圖7 不同注入條件采用PCOMP前后對RS shift的比較

圖8 不同注入條件采用PCOMP前后對RS面內均勻性的比較

可見在不采用PCOMP進行真空補償時，隨著光刻膠占比的增加，RS shift趨向更加嚴重，最大的B+50kev條件在光刻膠占比90%時甚至達到12%左右，這在離子注入工藝上是不可接受的程度，同時面內均勻性也逐漸變差，在2%~4.5%；這是因為光刻膠占比越大，注入中outgassing現象愈加嚴重，電荷交換效應更加強烈，導致了明顯惡化。對此對應的另一組數值，采用了恰當PCOMP補償后的結果改善明顯，無論光刻膠占比的高低，RS shift不超過1.5%，最大的差異是高能注入，也在1.3%；面內均勻性也有了明顯改善，不超過1.5%，這是因為在PCOMP作用下，有效地克服了真空惡化所帶來電荷交換效應，滿足了注入工藝所要求的dose高精確度要求。

3 總結

批處理式高能高電流注入工藝中，由于光刻膠的outgassing造成真空惡化，導致電荷交換效應，使得注入雜質濃度偏離設定值并且面內分布變差；為防控此種模式對產品注入的不良影響，本文通過實驗具體研究了真空補償（PCOMP）方法，由數據可見實際注入中法拉第偵測電流隨終端腔室真空壓力瞬時而變，采用真空補償比收緊腔室端真空interlock更為有效；它主要受離子種和注入能量所決定；優化的真空補償（PCOMP）可以在帶光刻膠硅片注入中明顯減小RS shift，同時獲得更加均勻的RS面內分布。

[1] J.W.Mayer,L.Erickson,and J.A.Davies,Ion Implantation in Semiconductors,Silicon and Germanium,AcademicPress,New York,1970.

[2] T.C.Smith, “Wafer Cooling and Photoresist Masking Problems in Ion Implantation,”in Ion Implantation Equipment and Techniques,H.Ryssel and H.Glawischni g,eds.,vol.11,Springer Series in Electrophysics,Springer-Verlag,New York,1983,p.196.

[3] P.Burggraaf,“Resist Implant Problems:Some Solved,Others Not,”Semiconductor Int.15:66(1992).

[4] H.Glawischnig and K.Noack,Ion Implantation System Concepts,”in Ion Implantation Science and Technology,J.F.Ziegler,ed.,Academic Press,Orlando,1984.

Prevention and control of charge exchange effect in batch ion implanter

Zheng Gang
(Shanghai Huahong grace Semiconductor Manufacturing Co., Ltd.,Shanghai,201206)

The charge exchange effect in batch mode implanter process was studied in this paper and it will cause dose shift and bad uniformity within wafer. In order to prevent this effect, we can tighten the end station chamber vacuum interlock and use the pressure compensation factors during implantation which is more effective method. Experiment data show that better dose repeatability and better uniformity on resist coating wafers can be achieved by using optimized pressure compensation factor.

Ion implantation;doping;charge exchange; semiconductor manufacture