大角度离子注入机中的颗粒污染

王迪平，孙 勇

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南 长沙 410111)

在IC制造过程中，由于颗粒污染导致的成品率损失称为功能成品率。而功能成品率是影响制造成品率的主要因素。颗粒的污染，会使阀电压降低，使器件的速度降低，器件成品率下降，严重者，根本不能做器件。因此，有效的过程颗粒污染控制对成品率的提高至关重要。在半导体的生产过程中，颗粒污染有3个主要来源：生产环境；错误的圆片传递；生产线加工机台。而由工艺设备产生的颗粒污染是成品率损失的最主要原因，也成为半导体制造中的最主要污染源。一般来说，由颗粒污染导致的功能成品率损失要占总成品率损失的80%。而且，颗粒污染的数目越多，圆片的成品率就会越低。在这里，主要针对离子注入机中的颗粒污染进行分析和探讨。

1 颗粒污染分析及相应措施

在离子注入机整个光路通道中，分析研究颗粒污染产生的原因，寻找解决办法，制定控制方案，确保大角度离子注入机颗粒污染控制在指标以下，主要技术要求：颗粒污染指标：0.1个/cm2＞0.16μm。

1.1 颗粒污染对注入掺杂的影响

在大规模晶片生产中，颗粒污染是离子注入过程中一个必然的相关产物，这种污染会对离子注入工艺的重复性与稳定性造成直接影响已是不争的事实[1]。在晶片上一个大于0.1μm的尘埃，其作用就如同一片阻塞膜。如果设备本身的表面颗粒得不到有效控制，那么加上静电吸附作用，将使污染变得更加严重。

如图1所示，表面的颗粒污染会引起图形缺陷、外延前线、影响布线的完整性以及键合强度和表面质量，严重的导致电极之间的短路，彻底损坏芯片。如果由于其他工序原因，衬底表面的颗粒污染，会成为离子束的散射中心而降低有效注入能量，产生局部横向扩散效应，使得注入均匀性变坏。

图1 颗粒污染对注入掺杂的影响

如今先进半导体器件产品的特征尺寸已经跨入65 nm技术时代，注入摻杂的能量要求越来越低，这使得那些会破坏器件功能并严重降低工艺成品率的“致命”缺陷的尺寸即临界阻止颗粒尺寸也相应地减小，如图2所示。国际半导体技术发展蓝图(ITRS)规定到2010年以后临界表面颗粒的直径要减小到20nm以下[1]，要控制这种尺寸的表面颗粒污染物就需要研究现在还显得不太重要的颗粒粘附机理。

图2 颗粒尺寸与注入能量关系图

1.2 颗粒的产生和传送

对于颗粒的产生和传送来说，离子注入机是一个动态的系统。它的产生和传送如图3所示。主要是运动部件：传输交换机械手、动态密封、真空阀门、晶片处理、移动法拉第等运动时的机械摩擦，束流在光阑和管道上撞击产生的飞溅物质、晶片上的抗蚀剂，起弧、微放电，分析缝腐蚀，离子源等方面产生颗粒。颗粒在注入机中的传送：冲气/初抽–高抽速时的绝热膨胀、交换机械手–自动机械操作、靶台转动、靶室气体流动、束流-静电捕获、晶片本身。

图3 颗粒的产生和传送示意图

颗粒的产生取决于碎片的堆积物：由于不正确的注入机维护改变了束光路，使得物质堆积在分析缝上。

下面具体分析杂质颗粒产生的机理，颗粒污染来源于操作区的洁净度、充气的纯度。

从以前样品的背散射分析得出，晶片注入后，表面及体内均增加了一些其它颗粒，表面颗粒的产生归于低能离子，低速中性原子对晶片的碰撞及粘附，体内的颗粒产生归于高能离子和高速中性原子对晶片的掺杂。

离子注入机颗粒污染的产生主要来源于溅射污染区，离子束元素不纯造成的杂质颗粒污染，真空系统内气体分子、管壁放气、高温挥发物、硅片摩擦碰撞等方面。

注入时晶片的表面温度很高，晶片盘表面会产生一些放气、出气、挥发和蒸发，它影响靶室的真空度。蒸发物、挥发物会污染晶片表面，靶室内的机械动作会产生一些碰撞、磨损，产生颗粒污染。

离子束与过滤器真空盒管壁的轰击溅射，离子束对过滤光栏的轰击溅射，离子束与加速管内电极的轰击溅射，二次电子与电极及管壁的轰击，离子束与高压区管壁内气体分子的碰撞，高速中性颗粒的产生，高压电极内部的打火放电，都将产生高能颗粒和高速原子，它们被多次折射反射至晶片，注入到体内产生污染。

低能颗粒的污染来源于离子束对真空中残余气体分子的碰撞，离子束对低压区真空管壁的碰撞、溅射，束复合产生的中性颗粒对管壁的碰撞等产生的颗粒折射到晶片上。靶室内离子束对靶腔体的轰击。注入时的高温放气，运动部件的磨损，晶片装卸过程的磨擦、晶片输送过程与其它介质的碰撞，系统充气带来的污染等等，这些低能颗粒都会粘附在晶片的表面或较浅的位置。

另外还有大量的颗粒污染来自晶片本身，图4列举了一些常见的情况，可通过对晶片处理接触点的认识帮助识别颗粒产生的源头。

图4 晶片处理中的一些常见情况

1.3 颗粒的测量和监控

在注入机关键的部位，对颗粒进行不间断的监测，可以提高芯片的产量，而且尽可能减少对检测芯片的需求。

该监测系统具有用于照射晶圆上点的激光器以及旋转方向与离子注入操作相反的一对检测器(如PMT或光电二极管)。计算机分析来自被照射晶圆检测的散射光强度。可以识别晶圆上的颗粒或其它这类污染物，并协助确定这类污染物的来源。另外，对这类颗粒的数量或尺寸的阈值分析可以为停机或反馈控制提供系统联锁。

检测：用圆片扫描仪检查并标出测试前圆片上已有的颗粒；之后将扫描后的这种试片循环经过加工设备，模拟正常的圆片加工工艺环境；再次对试片进行扫描。记录扫描后增加的颗粒数。

1.4 减少颗粒的产生途径

针对上面的分析，首先从设计上采取相应的措施：

(1)优化束流传输系统的设计，降低颗粒污染。光路设计相当重要，各光路部件之间匹配优化，确保整个束包络在很小的空间内，束与真空管壁和电极留有较大的位置，这样可极大地减少束边缘与管壁和电极的碰撞截面。高分辨率强聚束能力的质量分析器也很重要，提高分析器的分辨能力，适当减少分析光栏的尺寸，避免质量数相近的元素过分析光栏进入平行束透镜。

(2)束线方向的溅射区，电极和光栏尽可能采用硅材料，基底充分冷却散热，避免烧蚀，对分析器真空盒内的接束板，磁偏真空盒内的接束板和靶区接束板，采用纯硅制作，避免其它元素的散射离子产生，接束板位置尽量后移，远离束包络，避免溅射原子弥漫至束线通道，接束板最好做成接束筒，通水冷却并旋转扫描，改变离子束轰击角度，减少溅射系数，以便减少散射离子的产生，效果更好些。光路内腔衬高纯硅，避免轰击时产生金属颗粒污染，对光栏，应采用贴硅衬的方式避免溅射出金属颗粒，对功率大的部件应考虑水冷充分散热，对电极表面，尽量贴硅，最好不要使金属材料裸露在束前面。

(3)光路部件的选材与加工。引束电极，加速管内屏蔽筒和加速电极，真空盒等选用耐高温，溅射系数小的材料制作。电极表面，光洁度较高。引束电极与离子源引束口，要求严格对中，定位准确。高压绝缘材料，要求纯净，有好的真空性能和绝缘性能。

(4)靶室的特殊设计及采用自动装卸片系统。靶室要选用高温放气率小的材料。为避免长期运行的累计污染，对靶室设置自动清洗程序，采用自动装卸片系统来减少晶片装卸过程中带入的颗粒污染。晶片装卸要考虑轻触式，晶片输送应考虑减少碰撞产生的颗粒污染和碎片。

(5)提高系统的真空度。离子束在传输过程中，与气体分子碰撞产生能量分散及杂散颗粒，这些颗粒与真空管壁发生碰撞产生颗粒污染。另外在加速区真空度过低容易引起打火，产生颗粒污染。

在离子源区，增加一台抽速为700 L/s的分子泵，源三通区进行真空分区设计，(对使用间热式阴极离子源时尤为重要，)提高抽束，便于离子源的大送气量工作，减少源送气等对系统的污染。

在扫描与平行束装置区域，加大泵的抽速，将口径φ200mm改为φ250mm，提高真空度，减少离子的复合，提高离子束的传输效率。

在靶室区域，由于增加了偏束单元，而晶片处理量又很大(230片/时)，加上快速垂直扫描，靶盘轴的运动气隙，气浮轴承高压气体对轴的吸附，使靶室内的增量气负荷很大，为减少污染，提高真空度，需增加1台φ250mm的低温泵。

(6)减少打开真空系统的时间，充气过程中，维持真空管道内N2气压略高于大气，N2外溢，防止尘埃物质进入真空系统。

(7)全系统气体过滤，在源气体输送管道和系统各进气口装有小于0.3μm的气体过滤器，防止颗粒从气路中进入系统。

(8)SMIF接口和局部净化

在装卸片区顶端设置100级净化层流罩，周围为1000级净化区域，以提高装卸片区域的洁净度。采用SMIF接口，片盒操作区和SMIF片盒式对接，使晶片输送区的洁净度达10级以上。

1.5 颗粒污染的预防

颗粒污染的预防主要从以下四方面着手：

(1)仔细检查外部因素，包括周围环境，外部和空气中的晶片操作：

·洁净室是否达标或者在修建中 (空气完全流动，湿度、温度达到要求)

·片盒或片盒箱是否变脏

·是否过多地操作晶片

·每次PM计划表中靶室传片部件是否清洁(主要是晶片爪，缺口定位器等)

·层流罩不均衡或设置了错误的流动比率

·靶室门关闭缓冲区安装了门帘

·靶室冲气清洁在正确的位置

·晶片移动到片盒或SMIF时靶室是否有振动

·外部机械人动作平缓，确认没有晶片撞击或拖曳

·晶片标记边沿是否有碎屑

·用颗粒绘图显示指定区域数目（高或低），位置可重复

(2)检查注入机上可能存在的问题：

·最近执行了离子源的PM

·离子源部件用旧了

·石墨部件显示了过多的束流撞击和磨损的痕迹

·在不同的区域石墨部件显示了束撞击的迹象

·过多的偏压在引出电极的一半上

·束流调节不在正常的数值之内

·离子源没有正确对中

·束流在分析器磁场内撞击

·清洁了加速管

·电极用旧了，对中是否正确

·抽气室容纳了来自破碎晶片的残骸

·分析光阑有过多的磨损

·从冷泵散发出明显的碳黑(检查冷泵入口的下缘)

·处理腔室需要清洁。里面存在明显的破碎晶片

·靶室或电梯真空锁装置有真空泄露

·机器人没对中撞击或拖曳了晶片

·靶室靶台上的水有泄露

·束线到靶室的阀门有泄露

(3)程序上：程序和辅助系统

·使用正确的机器冲气程序

·冲气的氮气变脏或缺少

·真空片盒冲气压力太高

(4)定期检修(PM)

·定期检修(PM)是预防和减少颗粒的最重要的程序，对注入机的各个部件要列出详细的检修计划表。根据具体情况进行小修，大修(一年一次)或每季的维护。

·定期检修（PM）必须遵循正确的备档程序：机器冲气，初抽；部件复位；使用洁净的材料；PM后的恢复处理。

2 总结

大角度离子注入机从研制到上大生产线生产，我们花费了大量的时间来从事颗粒污染的研究，不但从设计上做好了周密的考虑，而且在生产过程中花费了长达几个月的时间来收集每次经过离子注入工艺处理后晶片表面上所沉积的颗粒计数(PWP)数据，并对它进行统计分析来判定PWP数据的明显降低是否与设计和预防中考虑的相关联，进而为以后的设备研制和生产积累经验，打好基础。通过不断地改进和完善，PWP基本上都能控制在50个以下，完全能够达到指标的要求。

[1]Julie Strain，Steve Moffatt，and Michael Current.Characteriz－ing and Reducing Particle Contamination in Ion Implantation Procession[J].Microcontamination，1989，May，47-51.

[2]陈毅功.离子注入机靶室尘埃污染与系统改造[J].电子工业专用设备，2002，31（2）：103-105.