离子注入工艺中等离子喷淋技术

摘 要：阐述等离子喷淋技术的工作原理，在离子注入工艺上的应用；分析等离子喷淋器对注入工艺中的电荷累积以及注入均匀性改善。并提出在先进制程下对等离子喷淋技术的要求。

关键词：离子注入；等离子喷淋；电荷累积；注入均匀性

引言

随着半导体技术的发展，晶圆尺寸不断增大，线宽不断变窄，对离子注入的要求越来越高，包括工艺的均匀性，重复性和生产效率。一个较为典型的问题就是在晶圆注入的过程中，晶圆的表面出现电荷累积的现象。当电荷累积到一定程度，对注入的多项参数都会产生严重的影响，均匀性，重复性下降，乃至注入的剂量都受到影响，绝缘层击穿的概率会上升，产品的良品率下降。另外，随着半导体制造工艺跨过90nm，乃至65nm、45nm的技术节点，浅结和超浅结深的低能大束流注入工艺进入广泛应用，注入的能量低至200eV，剂量达到1015/cm2。为了获得高的生产效率，要求注入的离子束流达到几十毫安。但在这种低能量大束流的状态下，束流传输的空间电荷效应更加突出，大大降低离子束的传输效率，限制低能大束流注入工艺生产效率提高。

采用电中和技术是解决这些问题非常有效的方法，但是原有的电子喷淋技术由于依靠钨丝热电子加速后打到阳极靶上产生二次电子产生喷淋电子，存在中和程度控制困难，较高过中和负电荷积累电压，金属污染和热辐射大等缺点，已经不能适应新一代半导体工艺要求。而等离子喷淋技术具有电荷中和程度自动调节，中和效率高，电子能量低，极低的金属污染等特点，成为离子注入工艺控制晶圆电荷积累的标准。同时，将等离子喷淋技术应用到浅结、超浅结的注入工艺，对低能大束流离子束进行中和，可降低空间电荷效应，提高束流传输效率，进而提高现代工艺水平下的浅结，超浅结的大剂量注入的生产效率。

1 系统构成和工作原理

1.1 等离子喷淋系统构成

主要由三部分组成：电源系统、喷淋枪和配气系统。其中，电源系统提供产生等离子体所需的电源，配气系统提供产生等离子体所需原料，Ar或者Xe，而由于Xe比Ar所需解离的能量更低的优点，在目前主流的注入机上普遍使用，Ar只有在某些中束流注入机上使用；喷淋枪是系统核心，产生所需要的等离子体的。

1.2 等离子噴淋系统的工作原理

给喷淋枪内的钨丝加上3V左右的电压，产生热电子并在弧压的作用下，撞击Xe分子，产生高浓度等离子体。一部分等离子体流到弧室外面的喷淋室内。当有束流经过喷淋室时，就会产生一个动态的自我调节过程：等离子体内的电子受到束流正电位的吸引，进入离子束一起传输，对束流起中和作用。在喷淋初期，束流电位较高，吸引大量电子，随着中和过程进程，束流电位下降，吸引较少电子。

2 离子注入工艺中等离子喷淋

2.1 等离子喷淋对晶圆表面电荷中和效应分析

由于半导体工艺线宽越来越窄，栅氧化层变薄，大束流注入下晶片电荷积累对器件的影响也越来越大。研究表明，当离子注入时偏压大于10V时，就可以击穿厚度为0.01um的栅氧化层[2]。国外80年代采用电子喷淋控制晶片表面的电荷积累，90年代以后，由于栅氧化层越来越薄，注入束流越来越大，最大束流达30mA，电子喷淋器的缺点越来越明显，于是各离子注入机厂家纷纷采用在晶片附近充人等离子体的方法来控制晶片电荷的积累，取得了良好的效果，利用等离子枪产生浓度很高的等离子体，对晶圆累积电荷进行中和。等离子体控制晶圆电荷积累的过程是：如果器件充电，器件的电势高于束等离子体电势，将等离子体内的电子吸引到器件上，中和器件表面积累的正电荷，如果器件的电势低于等离子电势，电场阻止电子向晶片运动，电子流减少。因此，等离子体控制晶片的电荷积累过程是可以自动调节的。由于电子能量低于5eV，过负冲电的危险已不存在。

Varian公司在As束流，注入能量20keV，束流大小16mA时利用Quantox测试的不同等离子喷淋系统设定的晶圆表面的结果，在没有等离子喷淋下，偏压大于10V，而优化设置下，可以很好控制晶圆表面电势。

在实际晶圆注入中，等离子喷淋系统对晶圆进行中和的过程，当离子束在注入晶圆前，等离子喷淋系统提供电子对束流进行中和，当束流注入到晶圆上时，晶圆表面累积电荷，系统自动调节提供更多电子对晶圆中和。

2.2 等离子喷淋与晶圆注入均匀性分析

由离子束空间电荷产生的从束中心到真空管壁的电势差称为束空间电荷电势。研究表明：如不外加低能电子，晶圆上的绝缘层将达到束流空间电荷电势。束流捕获一定量的低能电子会使束空间电荷电势降低，在没有喷淋器的情况下，低能电子主要来源于离子束与剩余气体的碰撞来达到自中和，即：A+ + B→A+ + B+ + e-。

晶圆电荷积累对注入均匀性的影响过程如下：如果离子束空间电荷电势过高，晶圆表面充电，晶片表面上电势将束流中低能电子拉到晶片表面，以中和表面正电荷，这时由于束空间电荷电势增大而使离子束斑扩大。但经过一定时间后离子束达到自中和，束斑又恢复到原来的大小。此离子束不断地扩张-恢复-再扩张，当离子束斑变化超过一定值时，就会影响注入的均匀性。

2.3 提高束流传输效率

由于空间电荷效应的作用，离子束传输通道允许通过的最大束流Imax遵循公式Imax=8.98×10-7×（d/L）2×（E3/AMU）1/2[1]。式中：AMU为离子质量数；E为能量；d为传输通道直径；L为传输通道长度。为了达到较大的Imax以提高生产率，在注入机硬件结构一定的情况下，对于相同的离子束种类，则能量E越高，束流越大。但随着工艺水平进入nm，浅节超浅节的出现，则要求低能量大束流注入工艺，对提高束流传输效率增加了新的课题。

目前大多数注入机采用先加速提高束流传输效率，再减速达到所需低能量的方法。这一方法解决了目前工艺水平的基本要求，但加减速过程中离子产生的能量裂变使得能量污染风险增加，需要做出适当的抉择。另外一种提高束流传输效率的方法就是减少空间电荷效应，通过等离子喷淋技术对离子束先中和再传输，就大大降低空间电荷效应的影响，提高束流传输效率（图1）。

3 先进制程下对等离子喷淋系统的要求

随着半导体制造技术的发展，各大晶圆厂28nm工艺已经量产，而业界领先的公司都进入了14/16nm量产准备阶段。晶圆尺寸也毫无疑问也会进入到450毫米。这些都对注入机的等离子喷淋提出了新的要求：更高的等离子体浓度，更大尺寸的均匀的电子分布。针对目前主流大束流注入机等离子喷淋系统的研究，提出新的等离子喷淋系统思路。在双等离子枪的基础上，在等离子弧室和喷淋室之间加入电子导流板，导流板上不均匀分布的缝隙使得电子被经过喷淋室的束流均匀析出。

4 结束语

等离子喷淋技术是半导体离子注入工艺中，解决晶圆电荷积累，改善注入均匀性和提高低能大束流传输效率的有效手段。随着半导体工艺的发展，等离子技术的重要性也越来越突出，在等离子体浓度，均匀性，热辐射，金属污染等方面的控制要求也越来越高，更加高效的等离子喷淋系统也会出现。

参考文献

[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]陈林.等离子体——大束流注入下晶片的保护神[J].半导体情报，1998.

作者简介：裴雷洪（1975-），男，上海人，学历：本科，工作单位：上海华力微电子有限公司，工艺与生产制造的专业技术人员。