离子注入均匀的工艺控.doc

离子注入均匀性的工艺控制曾庆高摘要：叙述了影响离子注入均匀性的几个主要因素，其中包括束流品质，离子束聚焦与扫描以及束流大小选择等。同时介绍了如何控制这些因素来获取优异的注入均匀性，通过这些控制手段，均匀性可以优于1%，结果令人满意。关键词：半导体工艺离子注入薄膜技术均匀性中图分类号：TN305.3文献标识码：A文章编号：1001-5868(1999)04-0262-03Technological control for uniformity of ion implantationZENG Qing-gao(Chongqing Optoelectronics Research Institute,Chongqing 400060,China)Abstract:In this paper a few primary factors which have influence on implant dose uniformity are described,including the quality of beam current,focusing and scanning of ion-beam,as well as the selection of beam current big or small,etc.And to obtain fine uniformity how to control the factors mentioned above is presented as well.The satisfactory uniformity of 1% is obtained by means of these control methods.Keywords:semiconductor technology,ion implantation,films technology,uniformity1引言离子注入具有许多共知的优点，一次注入或多次注入成为许多器件设计者首选的掺杂工艺，注入均匀性指标是衡量注入工艺质量的重要参数。离子注入设备由许多工艺控制系统组成，因而影响均匀性的可变因素较多，研究如何保证注入均匀性具有重要的意义。本文以IM-200M型中能离子注入机为例，重点阐述影响注入均匀性的几个关键因素及其质量控制方法，并给出有关实验结果。2束流品质束流强度的稳定性和束能的稳定性决定了束流品质的好坏，一个稳定的离子束通过平稳聚焦与扫描在注入时间域里恒定注入衬底，让衬底单位面积获取趋于一致的剂量积分，从而实现注入的均匀性，否则衬底表面会出现积分偏差而影响均匀性。因此，应协调控制一些相关因素，尽量减小离子束的不稳定度来提高注入的均匀性。2.1束流稳定性与控制2.1.1离子源的工作状态IM-200M型注入机使用的是热阴极离子源，灯丝电流最高可达150 A，源内温度相当高，由于过热，灯丝阻值会渐渐变大；因灯丝(钽)与灯丝座(铜)的热胀系数不同，紧固螺钉时有松动，接触电阻增加，这些都会损失灯丝电流，使灯丝发射电子的能力减弱，气体电离效率降低，这是弧流不稳定的原因之一。随着离子源工作时间的延长，电离室内壁和引出孔长期遭受等离子体溅射，内壁常有异物淀积；灯丝绝缘子表面有污斑或者金属化；引出孔孔径因离子轰击而渐渐变大，这些原因可能使阳极与阴极间电场畸变，也可能使阳极与灯丝发生瞬时短路，造成弧压不稳，启弧间断。特别是引出孔径的变大，让启弧放电变得相当困难，增加源气流量又会缩短离子源的寿命。这是弧流不稳定的原因之二。由于离子源外罩要经受25 kV高压，表面不应有尖锐点和凸出部分，以防止尖端放电，否则引出束流会呈现非稳定性。同样的原因，初聚电极表面应确保光滑避免粗糙。此外，离子源进气量(BF3或PH3)应该稳定控制，使源内动态真空度符合正常工作时的要求，源磁场电流应仔细调节，以保证源气达最佳电离状态；冷却系统必须畅通无阻，让高温部分充分冷却。离子源有效工作时间每隔1420 h,应彻底清洗一次。用200#1 200#砂纸、稠布、玻纤刷和真空吸尘器等洁净工具，对离子源部件进行打磨、抛光、擦拭及吸尘处理，检查各电极紧固螺钉是否松动，对那些失去功能的部件进行更换，让离子源恢复其正常的工作状态。经过这样处理后，束流稳定度可保持在10%左右，表1为离子源的典型工作参数。表1离子源典型工作参数Tab.1Typical operating parameters of ion source离子种类源气弧压/A典型弧流/A最大弧流/A源磁电流/A源真空度/Pa11B+BF31001.82.00.62.410-331P+20%PH3+80%H21001.01.00.54.310-32.1.2加速电压的稳定性离子注入机使用的是高压静电场加速法，两极间是等梯度加速管，各梯度间接插有精密兆欧电阻，由于振动等原因，电阻常出现松动或脱落现象，这会导致静电场径向不均匀，打破了原有的等梯度平衡，导致电场集中而发生“电晕”放电，这使得高压出现瞬时不稳定而影响束流的稳定。另外因环境条件的限制，静电吸附效应场区有尘埃吸附，严重时发生高压打火，同样会使束流不稳定。这就要求操作人员注意实时检查，保证场区的清洁卫生，让设备所处环境保持温度约为25 ，湿度不大于50%，以防止高压不稳定现象发生。2.2束能稳定性与控制离子束从离子源到注入靶要经历5 m长的路径，这对于整个光路系统的真空度提出了较高的要求。如果真空度偏低，系统内剩余气体含量偏高，离子束与这些剩余气体分子发生级联碰撞，产生许多低能电子和派生离子，发生能量转移，运动方向杂乱，这不仅对于离子束本身是一种污染，同时因碰撞的随机性，使得束内离子能量出现统计偏差，表现出较高的能散度。另外，派生离子存在有各种荷质比，对于这样的离子束在随后的聚焦扫描波形上会产生许多尘峰信号，严重时会使聚焦变得困难，这将直接影响注入时的均匀性。特别是低能电子会中和离子束，降低离子束的离子产额，从而影响束流的稳定性。低能电子单位时间的产生额满足如下关系式1： (1)式中，P为真空度，为碰撞有效截面，Z为离子束传输距离，L为Loschmit常数，IB为束流值，q为离子的电荷量。由式(1)可知dNe/dt与真空度成正比关系，所以合适的真空度是必须考虑的，一般要求系统各段静态真空度优于610-4 Pa，这样剩余气体分子对束能的稳定性影响就可忽略。还需要考虑的是衬底表面洁净度对束能的间接影响。如果由于其他工序原因，衬底表面有尘埃和固体颗粒物，它会成为离子束的散射中心而降低注入离子的有效注入能量，产生局部横向扩散效应，使得注入均匀性变坏，这就要求注入前必须对衬底表面进行净化处理。3聚焦与扫描3.1离子束聚焦在离子源工作状态正常的情况下，从加速管出来的高能束是发散的，离子束流密度不均匀，需要对束进行聚焦合轴处理，为随后的扫描提供细小的优质束斑，扫描面内的束流信号才能对称一致，注入才能均匀化。如发散的离子束撞击真空管壁，将产生二次电子并污染原离子束，中和离子电荷，降低束流强度，导致束流不稳定。因此，应仔细调节各聚焦旋钮，让中心法拉第测得的束流强度(Ic)最大，使它与主法拉第测得的束流强度(Im)之比(Ic/Im)大于3，这是聚焦是否成功的判据。3.2离子束扫描扫描波形是通过扫描监视器来显示的，Y轴为主法拉第信号，X轴为水平x方向或垂直y方向的扫描电压信号，标准扫描波形如图1所示。 图1束流与x或y方向扫描电压的关系曲线Fig1.Curve of beam current vs the x or y scanning voltage图1中a为过扫描线，左右或上下是对称平衡的；b说明扫描面的边界束流是下降的；c说明扫描面内束流是平滑一致的；d所示凹处显示的是中心法拉第信号，凹处越深聚焦越好，当衬底片被装上后，凹处会自然消失，这时情况如点线所示。这一波形告诉我们，扫描面积一定要大于注入面积，即所谓过扫描注入，衬底置于c+d+c区域，有利于注入均匀性的改善。对于3英寸(7.62 cm)基片，扫描面积预置数应大于60 cm2。如果扫描图形比起标准波形有所偏离，则应反复调节聚焦旋钮和扫描幅度，一致化以后方可注入。4束流大小选择离子束入射到绝缘材料如SiO2及光刻胶的晶片上，就会在这些绝缘材料表面形成电荷积累层，这种现象叫做晶片电荷积累。在大束流注入中，晶片电荷积累是很严重的，它将影响束斑的大小，从而影响注入的均匀性。具体地，如果束流较大，束空间电势就高，晶片表面充电，因库仑场的作用，使束斑扩大。晶片表面电势又将束中低能电子拉至表面，经过一定时间，正负电荷实现中和，束斑又恢复原来大小。离子束斑在注入过程中不断地扩散-恢复-再扩散，这样周而复始，就会影响注入的均匀性。如果束流偏大，注入时间不大于10 s就会影响1%或更多的注入均匀性。为此，对于中低剂量的注入，束流值的大小不得不加以限定，如果注入束流过小，就会降低设备的使用效率。综合考虑，在实际注入中，选取束流的原则是使注入时间不低于20 s。T与I，S满足以下关系T.I=S.D1.610-23(2)式中，S为扫描面积(cm2)，D为剂量(cm-2)，T为注入时间(s)，I为束流值(A)。由T的大小，根据式(2)就可计算出I的大小，最后调节狭缝宽度，使束流满足计算值。5实验结果用=713 .cm的 p 型(100) Si 单晶片，11B+注入能量为80 keV，剂量11014 cm-2，束流50 A，按文中论及的控制方法进行注入，注入后在1 040 进行5 s+20 s快速退火，最后用四探针测量方块电阻(R)，测试点在衬底表面是均匀分布的。图2是方块电阻的测试结果，经过计算=128.24 ，标准偏差R=1.13 ，注入均匀性=R/为0.90%。 图2R的测试结果Fig.2Measured results of R6结束语上述几种主要控制手段之间互相协调配合，经过多次均匀性试验，证明该工艺控制方法对于保证注入均匀性是行之有效的，特别对中低剂量