離子注入機離子束生成系統的原理及維修

文黎波，張海明，王秀海，趙英偉

( 中國電子科技集團公司第十三研究所， 河北石家莊 050051)

半導體摻雜技術作為半導體制造的基本工藝之一，對集成電路的性能具有重要的影響。離子注入技術是將要摻雜的物質進行電離，通過加速、分析、聚焦等將正離子分離并射入晶片內部。與傳統的擴散技術相比，離子注入技術具有無需高溫環境、劑量控制精度高、均勻性好、時間短、可使用掩膜類型多、橫向擴散小等優點，已基本取代了擴散成為最主要的摻雜工藝[1]。

離子注入機是實現離子注入的設備，離子束生成系統用于產生并引出正離子，是離子注入機的核心部件[2]。相對于其它部件，離子束生成系統使用環境較為惡劣，故障率較高。作為集成電路生產線關鍵設備，離子注入機一旦出現故障，整條生產線都會跟著停擺，所以掌握此類設備維修技術以快速定位并解決故障就顯得尤為重要。國內關于離子注入機維修技術的相關技術文章較少，因此，對其故障診斷與維修技術的研究具有一定的意義。

1 離子注入機的整體結構

離子注入機利用特定離子對晶片特定部位進行特定深度的注入，實現柵閾值調整、Halo 注入、源漏極的形成、多晶硅柵極的摻雜、N/P 阱形成、倒摻雜阱形成等。其結構主要包括源氣體供給系統、離子源、吸極、質量分析器、加速管、掃描系統和靶室，如圖1 所示。源氣體供給系統為離子源提供雜質源，離子源將雜質源電離形成等離子體從而產生所需的離子，吸極用于將正離子從等離子體中引出并加速，利用質量分析器對加速后的離子進行篩選，只有特定質荷比的離子可以通過，而后利用加速管對離子進行后加速，掃描系統用于將離子均勻地分布于晶片內，最后離子進入靶室完成晶片的離子注入。離子束生成系統包括源氣體供給系統、離子源、吸極及其相關的電源、控制電路等，是離子注入機的核心部件之一。

圖1 離子注入機整體結構示意圖

2 離子束生成系統的結構與工作原理

2.1 源氣體供給系統

源氣體是提供摻雜離子的工藝氣體，源氣體通常儲存在高壓鋼瓶內，通過閥門和管道通入離子源內被電離形成等離子體。圖2 所示為典型的源氣體供給系統示意圖，該系統包含3 組源氣體供給管路，源氣體儲存于高壓鋼瓶內，依次在氣瓶頂閥、高壓力表、減壓閥、低壓力表、氣動閥、針閥和源氣體隔離閥的控制下進入離子源，其中減壓閥用于調節進入離子源的氣體壓力，氣動閥用于選擇源氣體類型，針閥用于控制氣體流量，源氣體隔離閥用于開啟或關閉源氣體供應。利用熱偶規監測進入離子源氣體管路的真空度。

圖2 典型的離子束生成系統示意圖

2.2 離子源

離子源是使中性原子、分子或原子團蔟電離并從中引出離子束的裝置，離子注入機常見的離子源有Bernas 和IHC 兩種。

Bernas 和IHC 均屬于電子碰撞型離子源，其基本原理是電子碰撞氣體分子使之電離形成等離子體，通過施加電場使得正離子從離子源中加速引出。Bernas 離子源結構示意圖如圖3 所示，包括放電室、吸極、電源、供氣系統、磁鐵等組成，利用螺旋型燈絲加熱產生電子，弧室外壁與燈絲間施加起弧電壓加速電子運動，整個放電室置于一外加磁場中，燈絲發射的電子同時在起弧電壓、燈絲電流產生的磁場和外加磁場的作用下進行復雜的螺旋運動，從而大大增加電子的運動軌跡，提高電子與氣體分子碰撞幾率[3]。Bernas 離子源在弧室與燈絲相對的位置設置了一塊反射板，用于反射電子，進一步增加了電子運動軌跡。放電室與吸極之間施加強電場，一般為數萬電子伏，正離子從放電室與吸極中心的圓孔或狹縫中被引出。

圖3 Bernas 離子源結構示意圖

間熱式陰極（Indirectly Heated Cathode，IHC）離子源是在Bernas 離子源的基礎上進行改進的，IHC 離子源與Bernas 離子源的區別是前者增加了一個陰極，燈絲被該陰極包圍在放電室外，其結構示意圖如圖4 所示。熱燈絲發出電子與陰極碰撞從而加熱陰極使陰極向放電室發出電子，電子在弧壓、磁場和反射板的作用下螺旋運動，與雜質原子碰撞電離形成等離子體。燈絲與陰極之間施加偏置電壓，電子在偏壓的作用下加速運動，最終撞擊到陰極的背面，電子的動能轉化為陰極的熱能。由于燈絲不與等離子體直接接觸，避免了燈絲被放電室正離子轟擊，提高了燈絲使用壽命，延長了離子源維護周期[4]。

圖4 IHC 離子源結構示意圖

2.3 吸極

吸極即引出電極，用于將正離子從放電室中引出并加速，為了優化離子束的軌跡，吸極電極通常可以改變位置。吸極電極與放電室之間通常設置負電位的抑制電極，可防止二次電子回流進離子源而造成離子源工作不穩定。

圖5 所示為典型的離子束生成系統電源示意圖，主要包括燈絲電源、起弧電源、吸極電源、源磁場電源和抑制電源。燈絲電源采用大電流恒流源來加熱燈絲。起弧電源施加電壓于燈絲和放電室之間，引起弧光放電，其電流與放電室內等離子體密度成正比。吸極電源在放電室和吸極電極之間建立強電場，其電流與離子束流成正比。源磁場電源為磁鐵提供電流建立磁場，抑制電源為抑制電極建立負電位。離子束生成系統處于高壓端，以后加速電壓為參考地，可高達數十萬伏，設備通過隔離變壓器對其進行供電，為了進行電氣隔離，控制臺與離子束生成系統通常采用光纖通信[5]。

圖5 離子束生成系統電源示意圖

隨著使用時間和強度的增加，離子束生成系統的吸極會由于絕緣柱臟污、去離子水電導率過高、真空度過低等原因而出現“打火”現象；源氣體供給系統會由于氣動閥門或針閥故障等原因出現無法起弧、無束流或弧室真空度明顯降低等現象。離子源生成系統三大組成部分構成一個相互關聯的工作系統，一個故障現象可能包含若干種可能原因，一個部件的故障也會導致多種現象，這在一定程度上增加了維修此類設備的難度。

3 常見故障與排除

在統計近5 年離子注入機故障的基礎上，對離子束生成系統每種故障的幾種可能原因與相應的處理方法進行歸納與總結，如表1 所示。電源與電路板級故障根據離子注入機廠商與型號的不同有所區別，此處不進行詳細說明，僅給出故障排查方向。

4 結束語

離子注入機結構復雜，包括機械系統、電氣系統、真空系統、氣動系統、加熱與冷卻系統等，其部件繁多，維修和保養較為頻繁。對離子束生成系統的維修應在熟練掌握其結構與工作原理的基礎上，對以往發生過的故障進行統計，對每種故障現象的可能原因進行總結分析，以便對未來故障進行快速診斷和維修。

表1 離子束生成系統的常見故障與處理方法