【推荐】浅谈离子注入机的能量污染
引言离子注入机是集成电路制造的核心装备之一，主要用于集成电路制造中的掺杂（Doping）工艺，即将特定元素（B、P、As等）以离子形式加速到预定能量后注入至半导体材料（Si、Ge、SiC等）之中，并按预定方式改变材料电性能，制成包括晶体管在内的集成电路基本单元。用于集成电路的离子注入机最早于上世纪70年代初出现。与传统的扩散掺杂工艺相比，离子注人具有掺杂参数控制精度高的优点。由于集成电路工艺本身一些发展因素的影响，使得离子注入后期开始逐渐替代热护散成为掺杂的标准工艺。尤其是为了满足特征尺寸不断缩小、晶圆尺寸不断增大、污染控制水平不断提高等工艺发展需求，离子注入机向功能更强大、系统更复杂的方向发展。离子注入机分类离子注入有两个基本参数，离子能量和注入剂量。其中离子能量决定掺杂深度。纳米级的浅结注入需要百eV级能量，微米级的深结注入需要兆eV级能量。注入剂量决定掺杂浓度。范围覆盖 e11~e17 量级。基于能量、剂量两个参数，离子注入机主要分为：大束流（HC） 、中束流（MC） 和高能（HE) 离子注入机。大束流离子注入机又分为低能大束流和中能大束流两种，其中低能大束流主要用于浅结大剂量注入，是大束流离子注入机的主要发展方向。中束流离子注入机适用于中低剂量掺杂和精确角度的工艺，适应于大批量生产。高能离子注入机主要用于深阱掺杂或深埋层。详细应用可以参考下图。束线系统简介束线（Beamline）是离子注入机核心的传输系统，负责将离子源产生的离子束进行筛选、加速、聚焦并最终引导至晶圆表面，确保离子束的能量、纯度和空间分布满足工艺要求。因此重点介绍下束线系统各部分功能。▶离子源（Ion Source） ：用于离子束的产生，一般通过阴极放电产生包含所需离子种类的等离子体，并通过外加电场将离子从等离子体中引出形成离子束。离子束形态为斑点状或较宽的带状。▶质量分析磁铁（Mass Analyzer Magnet）：由于从离子源中引出的离子束一般包含不止一种离子，可以通过质量分析磁铁可筛选出所需的特定离子种类，即不同质荷比的离子在磁场中的偏转半径不同实现特定离子种类的筛选。▶加(减)速管（Acceleration/Deceleratioin Tube）：其赋予离子最终能量，是不同离子注入机机型的关键特征模块之一。对于低能大束流，离子束在减速管前保持较高能量以实现较高的传输效率，有利于获得较大流强的低能离子束。另外减速往往还附带偏转功能，以消除减速过程中产生的能量污染。对于中能大束流、中束流和高能离子注入机，通过加速管将离子束能量进一步提升至最终较高的目标能量，同时加速管也可工作于减速模式以获得较高流强的低能离子束。中能大束流和中束流离子注入机一般采用常规的静电加速结构。高能离子注入机采用 RF 加速或 Tandem 静电加速结构，其中 RF 加速方式由于具有流强大、可靠性和稳定性较好、能量拓展性较好等优点，是目前高能离子注入机采用的主流技术。▶聚焦透镜（Focusing Lenses）：包括各种结构的静电透镜和磁四极透镜，用于辅助离子束尺寸和角度的控制。▶束流准直器（Beam Collimator）：将入射束流角度调节为基本一致，以满足工艺对于注入角度一致性的要求。▶等离子淋浴枪（PFG）：使用等离子体源提供低能电子使离子束保持整体近似电中性状态，避免在晶圆表面产生过高的电荷积累而导致器件损伤。离子束纯度离子束纯度（Ion Beam Purity）是影响离子注入晶圆污染控制的核心因素之一。离子束纯度不足会直接导致杂质离子被注入晶圆，引发材料缺陷、电学性能劣化及可靠性下降。先抛开杂质离子的来源，先来看一个例子。上图是分析磁铁的表观质荷比（Apparent m/z）质谱扫描图。其中离子源电弧室内壁含有Mo，通入BF3和Ar的混合气实现等离子体电离。我们发现离子束中有多种类型离子，其中包括BF2+、BF+这样的多原子离子（Multi-atomic ion），B+、F+、Ar+和Mo+这样的单原子离子，B++、Ar++和Mo++这样的多电荷离子（Muti-charged ion），还有Ar+转化为Ar++的双电荷离子（红圈）。需要特别注意的是，转化Ar++表观质荷比为10，而不是原生Ar++实际质荷比为20。这种多原子离子和多电荷离子被总称为阿斯顿频带（Aston Bands）。阿斯顿频带中大量的转化离子很可能会出现很多意料之外的能量污染，最终导致转化离子随束线系统到达晶圆。我们再来看一个例子，使用BF3气体以BF2+（质荷比49）实现离子注入。钨作为离子源灯丝的重要材料，往往会被等离子体溅射成为多电荷离子（如W++、W2++）或反应生成多原子离子（如WF+、WF++、WC+等），这些均是可能的能量污染来源。◆W+→W++，若为186钨，转化离子的表观质荷比为46.5。◆W2++→W++，若为186钨，转化离子的表观质荷比为46.5。◆(WC)+→(WC)++，若为184钨，转化离子的表观质荷比为49。◆(WF)+→(WF)++，若为184钨，转化离子的表观质荷比为50.7。只有在束线上增加能量过滤器（Energy Filter），将束线进行一定角度偏转，才能避免这种能量污染。如今能量过滤装置在商品化离子注入机中被广泛使用，如AMAT公司它被称为EPM（Energy Purity Module），在Axcelis公司被称为AEF（Angular Energy Filter），在SMIT公司被称为EEF（Electrostatic Energy Filter）。凡事必有两面。要知道，在相同的加速电压条件下，同一元素的离子所带电荷越多（即电离价态越高），其被加速后获得的动能会越大。之前介绍过Axcelis公司超高能离子注入机拥有一种名为Boost技术，本质是将离子源产生的低价离子转化成为更高价态离子。如今看来这种逆向思路，不由地佩服起离子注入机研发人员的水平之高。
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