摘要：介紹了離子注入技術(shù)的特點(diǎn)及其原理，在分析介紹其設(shè)備種類的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要概述了離子注入設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了影響注入工藝的各種因素，根據(jù)多年的設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)歸納了離子注入機(jī)的常見(jiàn)故障，并提出了各種故障的處理措施。
離子注入是現(xiàn)代集成電路制造中的一種非常重要的摻雜技術(shù)，它以離子加速的方式將摻雜元素注入到半導(dǎo)體晶片內(nèi)部，改變其導(dǎo)電特性并最終形成所需的器件結(jié)構(gòu)。離子注入工藝有許多優(yōu)點(diǎn)，已大規(guī)模取代了擴(kuò)散工藝，成為半導(dǎo)體工藝中最常見(jiàn)的摻雜技術(shù)。離子注入機(jī)的工作過(guò)程為：離子源將摻雜元素電離為帶正電荷的離子，由吸極把離子從源中提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)磁分析器分離，把所需的離子與其它離子分離出來(lái)，再由加速器將摻雜離子加速到所需能量，最后由聚焦掃描系統(tǒng)把離子注入半導(dǎo)體材料中。離子注入機(jī)是半導(dǎo)體工藝中最復(fù)雜的設(shè)備之一，其設(shè)備維修涉及物理、電氣、機(jī)械、機(jī)電一體化、自動(dòng)控制等多門(mén)學(xué)科知識(shí)。
1離子注入技術(shù)的特點(diǎn)及原理
1.1離子注入技術(shù)的特點(diǎn)
離子注入技術(shù)是一種純凈的表面處理技術(shù)，它無(wú)需在高溫環(huán)境下進(jìn)行，故不會(huì)改變加工工件的外形和表面光潔度。其主要特點(diǎn)如下：
（1）注入離子的純度高、能量單一，注入環(huán)境清潔、干燥，雜質(zhì)污染極低。
（2）注入離子的劑量可精確控制，因而摻雜的均勻性高。
（3）離子的注入可在常溫下進(jìn)行，因而對(duì)離子掩蔽層的要求不苛刻，二氧化硅、光刻膠等都可以作為掩蔽層。
（4）離子注入的摻雜濃度不受雜質(zhì)在襯底中的固溶度限制。不會(huì)改變化合物半導(dǎo)體材料的組份。
（5）離子注入的橫向摻雜效應(yīng)很小，有利于縮小芯片的面積，降低功耗。
（6）離子注入的缺點(diǎn)是高能離子的轟擊會(huì)對(duì)半導(dǎo)體材料的晶格結(jié)構(gòu)造成損傷。
1.2離子注入技術(shù)原理
離子注入是將離子源產(chǎn)生的離子分離提純，經(jīng)加速后高速射向材料表面并注入到材料體內(nèi)的一種技術(shù)。注入離子進(jìn)入材料表面，與材料中的原子碰撞，將其擠進(jìn)內(nèi)部，這些被撞離的原子再與其它原子碰撞，如此持續(xù)約數(shù)百納秒內(nèi)，將在材料中形成一個(gè)有數(shù)百個(gè)間隙原子和空位的區(qū)域（如圖1所示）。這種級(jí)聯(lián)碰撞會(huì)在材料表面形成一個(gè)注入元素的濃度峰，其分布為高斯分布。離子注入的深度是離子能量、質(zhì)量以及基體原子質(zhì)量的函數(shù)，能量愈高，注入愈深。一般情況下，離子越輕活基體原子越輕，注入越深。當(dāng)離子注入到材料內(nèi)部，離子便被材料吸收，成為材料的一部分，因而注入層不會(huì)脫落或剝離，注入的離子能夠與固體原子，或者彼此之間發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并使材料的表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，進(jìn)而優(yōu)化材料表面性能，獲得某些新的優(yōu)異性能。
2離子注入機(jī)分類及設(shè)備結(jié)構(gòu)
2.1離子注入機(jī)分類
離子注入設(shè)備是半導(dǎo)體制造中重要的工藝設(shè)備，按照使用工藝及離子的能量和離子束電流大小可分為高能量、高電流、中電流三種[1]。
（1）高能量注入機(jī)的離子束具有較高能量，一般可達(dá)到500keV以上，但其摻雜濃度較低，主要用于材料襯底的深阱摻雜。
（2）高電流注入機(jī)能獲得較大的離子束電流，其摻雜濃度大，但注入深度較淺，主要用于器件的源漏區(qū)摻雜和LDD區(qū)摻雜。
（3）中電流注入機(jī)應(yīng)用比較廣泛，它的離子能量和束流大小遠(yuǎn)小于高能量和高電流注入機(jī)，被廣泛應(yīng)用于除深井摻雜和源漏摻雜以外幾乎所有的離子摻雜工藝。
2.2離子注入機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)
離子注入機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)包括離子源、磁分析器、掃描系統(tǒng)、聚焦加速系統(tǒng)和注入系統(tǒng)，如圖2所示。
2.2.1離子源
離子源是離子注入機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其作用是使摻雜氣體電離為離子形成離子束。摻雜氣體通過(guò)管道進(jìn)入離子源的電弧反應(yīng)室，被反應(yīng)室中燈絲激發(fā)的熱電子轟擊，形成等離子體。這些等離子體在反應(yīng)室外的負(fù)電壓電極作用下，其中的正離子便從等離子體中分離出來(lái)，離幵電弧反應(yīng)室，形成具有一定能量的離子束。目前廣泛使用的離子源主要有BERNAS和IHC兩種[2]。
2.2.2磁分析器
離子源中產(chǎn)生的離子通常是多種離子，而在實(shí)際工藝加工中只需要一種雜質(zhì)離子。因此，必須采取磁分析器對(duì)離子束進(jìn)行分離，選出所需的單一離子。在磁分析器中，離子束流在與磁場(chǎng)垂直的平面內(nèi)以恒定速度在真空中運(yùn)動(dòng)，離子束中的粒子在洛侖茲力的作用下，作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。由于不同質(zhì)量的離子，其勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑是完全不同的，因此，磁分析器便將不同質(zhì)量的離子一一分離開(kāi)來(lái)，只把所需要的雜質(zhì)挑選出來(lái)。通常磁分析器被制成70°至120°的彎曲腔體，內(nèi)壁兩側(cè)裝有石墨擋板。在與離子路徑垂直的方向上下，各有一個(gè)通電磁鐵，其作用是調(diào)節(jié)分析磁場(chǎng)的強(qiáng)度大小。
2.2.3掃描系統(tǒng)
離子束是一條線狀高速離子流，必須通過(guò)掃描覆蓋整個(gè)注入?yún)^(qū)。常用的掃描方式有固定樣品移動(dòng)離子束和固定離子束移動(dòng)樣品兩種。離子注入機(jī)的掃描系統(tǒng)有四種，分別是電子掃描、機(jī)械掃描、混合掃描以及平行掃描，目前最常用的是靜電掃描系統(tǒng)。靜電掃描系統(tǒng)由兩組平行的靜電偏轉(zhuǎn)板組成，一組進(jìn)行橫向偏轉(zhuǎn)，另一組進(jìn)行縱向偏轉(zhuǎn)。在平行電極板上施加電場(chǎng)，正離子就會(huì)向低電壓一側(cè)的電極板偏轉(zhuǎn)，改變電壓大小就可以改變離子束的偏轉(zhuǎn)角度。這種掃描的優(yōu)點(diǎn)是電子和中性離子不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能夠從束流中消除。其缺點(diǎn)是離子束不能垂直轟擊樣片，會(huì)導(dǎo)致注入掩膜圖形的陰影效應(yīng)，阻礙離子束的注入。
2.2.4聚焦與加速系統(tǒng)
聚焦系統(tǒng)：從磁分析器加速出來(lái)的離子束由于都是正離子，相互排斥，因此離子束會(huì)有一個(gè)張角，為了減少束流損失，使離子束能均勻的分布于被注入的樣片表面，通常要用電磁透鏡加以聚焦。離子束的聚焦器一般由數(shù)對(duì)同電位極板組成，通過(guò)加載一定的電壓來(lái)調(diào)節(jié)離子束的聚集效果。
加速器：從離子源吸出的雜質(zhì)離子，必須通過(guò)一個(gè)具有強(qiáng)電場(chǎng)作用的加速器進(jìn)行加速或減速，以獲得工藝加工所需的離子能量。在磁分析器之前，離子獲得的加速通常稱為“前加速”，通過(guò)磁分析器后，離子可以再次獲另外一段加速或減速，通常稱之為“后加速或減速”。離子注入機(jī)常用的后加速或減速方式有直流和射頻兩種，加速器主要由真空室和高壓電源組成。
2.2.5注入系統(tǒng)
離子注入機(jī)的內(nèi)部腔體需要維持在極低的真空狀態(tài)下，通常其腔體壓力小于5×10-7t。這是為了避免離子束從電離產(chǎn)生到最后的掃描注入受到空間其它粒子的干擾。離子注入機(jī)的真空系統(tǒng)由干泵、分子泵和冷泵組成。另外，離子源的真空也需要保持在極低壓力下，若壓力高出要求，則電弧腔和吸極間極易放電，造成離子束不穩(wěn)定。若離子注入機(jī)內(nèi)部腔體的真空壓力過(guò)高，將會(huì)引起離子和殘余氣體分子的碰撞，造成離子束電流降低，還會(huì)造成電荷交換形成能量污染。
3影響離子注入工藝的因素和設(shè)備常見(jiàn)故障處理
3.1影響離子注入工藝的因素
影響離子注入工藝均勻性的因素很多，其中最主要的有四種。
3.1.1注入系統(tǒng)的真空度
注入機(jī)系統(tǒng)的真空度對(duì)其束流品質(zhì)有非常大的影響。如果真空度過(guò)低，一方面會(huì)導(dǎo)致注入機(jī)的束流比較小，致使注入的速度降低；另一方面，將導(dǎo)致離子流的聚焦不好，注入的純度達(dá)不到要求。另外，真空度對(duì)注入的均勻性也有一定的影響，因?yàn)殡x子束在加速的路徑上被一些雜散的氣體分子阻擋，導(dǎo)致同一片樣品中離子注入深度的均勻性變差。
離子束從離子源到注入靶要經(jīng)歷較長(zhǎng)的路徑，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的真空度提出了較高的要求。如果真空度不夠，則離子束將與系統(tǒng)內(nèi)殘余的氣體分子發(fā)生級(jí)聯(lián)碰撞，產(chǎn)生許多低能電子和派生離子，導(dǎo)致離子運(yùn)動(dòng)方向雜亂。這不僅對(duì)于離子束本身是一種污染，同時(shí)因?yàn)榕鲎驳碾S機(jī)性，使得離子束的能量統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)偏差，表現(xiàn)出較高的能散度。
3.1.2樣品表面的潔凈度
離子注入對(duì)顆粒污染非常敏感，樣片表面的顆粒會(huì)阻礙離子流的注入。通常注入的束流越大越容易產(chǎn)生更多顆粒，雖然注入后這些顆粒可以清洗掉，但其對(duì)注入的遮擋將在樣品的注入層中產(chǎn)生一些致命的缺陷。大多數(shù)顆粒的產(chǎn)生是由其它工序或者環(huán)境因素導(dǎo)致的，另外，實(shí)際工藝中各種操作的規(guī)范性及正確性也非常關(guān)鍵。不正確的拿取樣品、不正確的抽真空步驟以及在系統(tǒng)充氣時(shí)使用未經(jīng)過(guò)濾的氣體等都產(chǎn)生較多顆粒[3]。
3.1.3聚焦與掃描
從離子源加速管吸出的離子流是發(fā)散的，其束流密度很不均勻，必須進(jìn)行聚焦合軸處理，為隨后的掃描提供細(xì)小的優(yōu)質(zhì)束斑，掃描面內(nèi)的束流信號(hào)才能對(duì)稱一致，注入層雜質(zhì)分布才能均勻。
3.1.4束流大小的選擇
離子束入射到絕緣材料晶片上，會(huì)在這些材料表面形成電荷積累層，這種現(xiàn)象叫做晶片電荷積累。晶片表面的積累電荷對(duì)注入的離子會(huì)產(chǎn)生散射作用，影響注入的均勻性。注入的束流越大，晶片的電荷積累越嚴(yán)重，因此，在工藝加工中，應(yīng)根據(jù)需要盡量選擇較小的束流。
3.2注入機(jī)常見(jiàn)故障及處理
離子注入機(jī)常見(jiàn)故障主要有四類，分別是部件老化、真空問(wèn)題、電源問(wèn)題和系統(tǒng)污染。
3.2.1部件老化
國(guó)內(nèi)注入機(jī)大多是引進(jìn)國(guó)外生產(chǎn)線的二手設(shè)備，所以部件老化是經(jīng)常遇到的故障問(wèn)題。在注入機(jī)系統(tǒng)的維修中，要仔細(xì)分析判斷，對(duì)其真空部件、高低電位控制光纖和一些經(jīng)常動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)部件等，要進(jìn)行定期檢查維護(hù)，及時(shí)更換老化部件，緊固松動(dòng)的螺釘?shù)取?/p>
3.2.2真空問(wèn)題
注入機(jī)設(shè)備系統(tǒng)真空的好壞，是影響注入質(zhì)量的重要因素。對(duì)注入系統(tǒng)真空的維護(hù)，通常有以下幾項(xiàng)措施：
（1）定期維護(hù)保養(yǎng)，要經(jīng)常定期更換各腔體連接處的密封圈。例如，注入靶室的真空密封圈，經(jīng)常由于碎片或雜物劃傷而導(dǎo)致漏氣，要及時(shí)更換。
（2）定期維護(hù)保養(yǎng)真空泵組。經(jīng)常檢查機(jī)械泵的油面是否合適；觀察冷泵壓縮機(jī)壓力是否偏低，及時(shí)更換吸附桶，冷泵正常溫度是否維持在13K以下；定期維護(hù)保養(yǎng)分子泵，保證本體真空度。
3.2.3電源問(wèn)題
注入機(jī)的電源主要有高壓電源、吸極電源、燈絲電源、磁分析電源和掃描電源等。進(jìn)行電源的檢修時(shí)要注意電源的負(fù)載是否正常，先分析定位發(fā)生故障的電源模塊，然后再逐步排查導(dǎo)致故障的原因，在搞懂各單元電路的工作原理后，再進(jìn)行直流和穩(wěn)壓、穩(wěn)流過(guò)程分析。
3.2.4系統(tǒng)污染
導(dǎo)致注入系統(tǒng)污染的原因，主要有以下幾種：
（1）離子源污染。措施：檢查離子源真空系統(tǒng)是否漏氣；檢查所用源材料純度是否滿足要求。
（2）質(zhì)量分析中離子束被污染。措施：檢查系統(tǒng)真空是否漏氣；檢查質(zhì)量分析器的窄峰是否合適；檢查離子能量過(guò)濾系統(tǒng)；檢查系統(tǒng)是否被金屬沾污。
（3）系統(tǒng)部件污染。主要有：離子束撞擊電機(jī)產(chǎn)生的濺射金屬；樣品表面光刻膠的堿性元素沾污；法拉第杯的鋁；同一注入機(jī)注入不同元素的交互污染等。
4結(jié)束語(yǔ)
離子注入機(jī)作為半導(dǎo)體工藝中最復(fù)雜的設(shè)備之一，其維修是一項(xiàng)結(jié)合多門(mén)學(xué)科知識(shí)的復(fù)雜工作。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)離子注入技術(shù)的精度和均勻性提出了更高的要求，其設(shè)備復(fù)雜程度也越來(lái)越高，維修工作也會(huì)越來(lái)越復(fù)雜、困難，對(duì)于我們每一位維修人員，一定要理清思路、順藤摸瓜，這樣，任何問(wèn)題都將迎刃而解。