单晶圆注入机注入角度测量与补偿系统设计

袁卫华，钟新华，彭立波

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111)

单晶圆注入机注入角度测量与补偿系统设计

袁卫华，钟新华，彭立波

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111)

在超大规模集成电路生产线宽45 nm及以下的注入工艺环节中，离子束注入晶圆角度精度控制变得愈显重要，注入角度的细小差别引起掺杂元素在晶体管中的分布深度和范围的变化，进而导致器件参数和性能的巨大变化。研究表明注入角度控制取决于对注入离子束与晶圆面法线间水平和竖直方向角度测算的精确度；系统能精确测量出离子束注入角度，然后通过补偿驱动旋转靶台到相应需求的角度后注入，满足工艺需求。

单晶圆；注入机；角度；测量；补偿

当前超大规模集成电路生产特征线宽45 nm及以下工艺注入中，线宽的日趋缩小。如晶体管Halo注入、栅阈值调整（VTH）、LDD注入，其注入工艺的参数控制要求越来越严格，注入过程中，离子束对整个晶圆面的注入角度要求严格，由于注入角度的细小差别引起注入元素在晶体管中的分布深度和范围的变化，可能导致器件性能参数的巨大变化。

在注入工艺中，随着线宽减小导致栅极重叠－栅极长度(Lg)微缩，横向扩散程度的降低，掺杂杂质不能进行充分的横向扩散，达不到源漏扩展（SDE）/栅极横向重叠的要求。为达到横向重叠的要求，在源漏扩展（SDE）和预先无定形化掺杂（PAI)注入时，要求离子投射角尽量小，以防止其变化引起区域掺杂分布变化带来漏电流扩大。在源漏注入工艺中，采用角度倾斜注入漏(LATID)结构能很好地抑制漏电流带来的热载流效应。由于注入离子束角度变化会导致不对称源漏扩展（SDE）离子注入，栅极结构阴影效应，特别是栅极－栅极之间的间隙区域，结果形成非对称性晶体管，从而限制栅极长度的缩小。因此对于大尺寸的单晶圆注入，离子束注入角度测量和补偿的精度和重复性尤显重要。

本文着重介绍单晶圆离子注入机注入离子束与晶圆面间水平和竖直方向角度的测量和补偿系统（见图1）。该单晶圆离子注入机采用带状平行离子束水平扫描与承载晶圆靶盘上下机械扫描结合。图1中晶圆平面法线即X轴，β为离子束注入水平角度，α为注入竖直角度。

图1 单晶圆注入机离子束注入角度简图

1 离子束注入水平角度测量及补偿机构设计

1.1 离子束注入水平角度测量原理

如图2所示，离子束注入到晶片中，在晶片位置设置1个或多个固定法拉第，设移动法拉第的宽度为W1，移动法拉第的深度为L，固定法拉第的宽度为W2，移动法拉第与固定法拉第的前后距离为H。

图2 离子束水平注入角度测量原理简图

通过移动法拉第遮挡离子束，利用束流阴影效应，使固定法拉第形成电流曲线。将移动法拉第从左到右移动，当其运动到位置x1时，固定法拉第测得的束流开始减小，当移动法拉第运动到位置x2时，固定法拉第测得的束流恢复到最大值，x0为固定法拉第杯中点的位置，x3为固定法拉第发出的离子束中心线与移动法拉第上沿相交的位置。

得出离子束水平角度测量公式：

由式(1)、式(2)得：

由式(3)和式(4)得：

离子束角度为：控制移动法拉第从左到右移动，从固定法拉第上获得如图2所示的电流曲线图，根据图示计算出x1'和x2'两点，x1'和x2'为固定法拉第杯电流峰值50%的两点位置。

由图3可知：

将式(7)代入式(6)即可计算出离子束水平角度。

图3 固定法拉第束流曲线图

1.2 离子束注入水平角度补偿

单晶圆注入机离子束水平注入角度β，是以晶圆平面法线（图1中的X轴）与束流入射水平方向夹角为0时位置设置为0°，角度补偿机构采用连杆驱动，驱动电机采用分辨率为500线光学编码器，即电机每转输出500个脉冲；驱动电机带减速机，输出减速比为1∶10和电机驱动器电子齿轮比1∶2，算出光学编码器每转输出10 000个脉冲，即水平注入控制角度精度（360/10000）＝0.036°。先测算出离子束水平注入角度，再由控制系统驱动电机，带动连杆旋转靶台在水平方向所需要的补偿角度注入即可（见图4）。

2 离子束竖直注入角度测量及补偿机构设计

2.1 离子束注入竖直角度测量

图4 注入水平角度补偿机构简图

离子束注入竖直角度测量方法为：如图5所示，由于在束角度检测之前，法拉第筒放置于水平位置，即与束流入射水平面的夹角α=0°，首先，驱动控制法拉第筒向下运动到-α，法拉第筒与水平面的夹角由高精度旋转编码器实时测量所得，并反馈给运动控制器，形成位置闭环运动控制；然后，驱动控制法拉第筒从-α位置向上作俯仰运动到+α，并在-α位置开始直到运动到+α，每运动Δα，由运动控制器向束流实时测量控制器发一个触发脉冲，触发束流实时测量控制器采集一次法拉第筒捕获的束流；最后，从采集所有的束流值中，找出最大束流值Imax所对应的角度α即为竖直方向的束角度，所以测得最大束流值时所对应的法拉第筒的角度即为竖直方向束角度。

图5 离子束竖直注入角度测量方法示意图

离子束竖直注入角度测量机构，如图6所示，包括用于束流采集的法拉第筒，法拉第筒由外电极筒、内电极板和石墨侧板构成，内电极和外电极与石墨侧板绝缘；承载法拉第筒并带动法拉第筒作仰俯运动的传动装置，传动装置采用带轮加减速器实现；直流伺服驱动电机；用于角度测量的高精度旋转编码器，测量精度为0.01°；运动控制器，采用基于嵌入式的动动控制模块；用于束流实时测量控制器，法拉第筒采集的电流信号通过调理放大成0～ 10 V的电压信号后输入实时测量控制器；运动控制器和束流实时测量控制器进行位置与束流采集间的同步，运动控制器向束流实时测量控制器发同步脉冲，实时测量控制器每一个同步脉冲采集一次此时角度与之对应的束流值，法拉第筒每次转动0.1°，即从-2.5°到+2.5°；从测量的束流值中找到最大束流值Imax对应的法拉第筒的角度，即为当前的离子束在竖直方向的束角度。

图6 离子束竖直注入角度测量机构示意图

2.2 离子束竖直注入角度补偿

单晶圆注入机离子束竖直注入角度α（图1中α），以晶片平面法线（图1中的与Y轴垂直的X轴）与束流入射竖直方向夹角为0时设定为竖直注入角度α为0°。由竖直角度补偿驱动机构即图7中X轴旋转机构采用同步带传动，驱动主带轮安装在带编码器的直流伺服电机轴上，同步带传递输出扭矩到从动轮，从动轮与X轴旋转轴相连。

先测量出离子束竖直注入角度，再由控制系统发送指令，驱动电机，旋转到在竖直方向所需要的补偿角度注入即可。

3 实验及结论

通过搭载了该注入角度测算与补偿系统的单晶圆注入机在水平与垂直方向理论零度值的-2.5°到+2.5°区间内，以0.1°为间隔补偿，注入多片晶圆，热波探针测试注入后的晶圆，如图8所示，测试结果，图8(a)表明机构水平注入角度的绝对零度在0°，相应的水平注入角度的补偿值为0°；图8(b)表明机构垂直注入角度的绝对零度在0.2°，相应的垂直注入角度的补偿值为-0.2°。

图7 注入竖直角度控制机构简图

目前，该单晶圆离子注入机注入角度测量与补偿系统已成功应用于国家02重大科技专项的“90/65 nm、300 mm中束流离子注入机”和“45/22 nm、300 mm低能大束流离子注入机”；搭载了该系统的两型单晶圆注入机已成功进行集成电路商业生产流片，共计超百万片，该系统运行稳定，注入角度测量与补偿精确可靠。

图8 注入角度热波探针测试值简图

[1] 北京市辐射中心.离子注入机原理与技术[M].北京：北京出版社，1982.

[2] 罗宏洋，孙勇，谢均宇，等.一种平行束注入角度测量方法[P].中国专利：CN200610072964.2，2006-11-15.

[3] 钟新华，易文杰，王迪平，等.一种离子注入机竖直方向离子束角度测控系统及测量方法[P].中国专利：CN201310699334.2，2014-04-09.

[4] 一种离子注入机束水平方向注入角度测控装置及方法[P].袁卫华；钟新华，彭立波；孙雪平，易文杰，许波涛，中国CN201310685659.0，2015-04-22.

Design of Injection Angle Measurement and Compensation System for Ion Implanter by Single Wafer

YUAN Weihua，ZHONG Xinhua，PENG Libo
(The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China)

In the production process of wide 45 nm and the following link into the ultra large scale integrated circuit of ion beam implantation wafer angle precision control becomes more and more important，with small difference angle caused by the change of the distribution of the depth and range of doping elements in the transistor，which leads to great changes in device parameters and performance.Study on analysis of injection angle control depends on the measurement of ion beam implantation and wafer surface normals between horizontal and vertical angle accuracy，the device can accurately measure the ion beam angle，and then to the injection angle corresponding demand by compensation driven rotary wafer，meet the technical requirements.

Single wafer；Ion implanter；Angle；measure；Compensate

TN305

A

1004-4507(2017)02-0011-05

袁卫华（1982-），男，湖南新化，工程师，主要从事半导体设备的研发。

2017-01-18

钟新华（1975-），男，湖南衡南，高级工程师，硕士，主要从事半导体设备的研发和数值计算工作。

彭立波（1972-），男，湖南涟源，高级工程师，主要从事半导体设备的研发。