王迪平，孫 勇

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111)

離子束的能量不純能導(dǎo)致分子離子分裂或束流中離子的充放電。在高能量和低能量的注入中束能量純度的控制要求去除這些不想要的部分。傳統(tǒng)的束線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，是通過在磁分析器后利用一個(gè)靜電能量過濾器來完成。在90～65 nm大角度300mm束流離子注入機(jī)中，采用一個(gè)雙分析磁體過濾系統(tǒng)用來去除能量污染。此外，對(duì)于不想要的束流成分,盡量做到在低能量時(shí)及早地移除，讓它們遠(yuǎn)離晶片。在大角度離子注入機(jī)中由于減速模塊的重新設(shè)計(jì),在頭部高壓倉進(jìn)行能量減速,使得低能量下束流得到了大幅提高,另外在頭部和晶片之間沒有直線對(duì)準(zhǔn)線，因此減速模塊中的能量污染也被有效去除。

1 束能量純度控制

在目前研制的90～65 nm大角度300mm束流離子注入機(jī)中，對(duì)于使用多電荷離子來達(dá)到高能量離子注入和采用減速束來完成低能量注入方面，對(duì)這些束的能量純度都提出了嚴(yán)格的要求。來自于分子分裂的能量污染或充電放電歷來就是離子注入機(jī)獲得最終注入能量純度的兩大限制因素。在傳統(tǒng)的束線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，束流從離子源中引出，經(jīng)過磁分析器分析篩選，然后加速或加速再減速到它的最終能量，然后摻雜注入到晶片。相對(duì)于原來的分析后加速或減速，目前使用的分析前加速或減速系統(tǒng)中，能量污染水平得到了大幅提升。

大角度離子注入機(jī)束線系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)改進(jìn)，大大提高了多電荷和減速離子束能量純度。從弧室中引出的離子被預(yù)分析過濾，通過一個(gè)低解析（m/Δm）預(yù)分析過濾磁體的初步篩選，使得大多數(shù)不想要的離子束成分在低功率密度時(shí)就被移除。預(yù)分析過濾區(qū)域通過一個(gè)700 L/s的渦輪分子泵抽氣，使得在離子源弧室和預(yù)分析過濾區(qū)域間有超過10倍的壓差，大大減少了充放電的反應(yīng)。加速管緊跟在預(yù)分析過濾磁體區(qū)域后，通過加載最高達(dá)到220 kV電壓,將束能量提升到它的最終能量。減速模式下的減速束流，在它離開頭部高壓倉就發(fā)生減速，所以束流在進(jìn)入高解析度的分析器磁場(chǎng)時(shí)仍處于最終能量。在磁分析器出口處，水平掃描系統(tǒng)之前安裝有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量縫。在到達(dá)晶片之前，水平掃描束在平行透鏡磁體中變?yōu)槠叫衃1]。

新設(shè)計(jì)的束線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在多電荷引束時(shí)束能量純度的影響表示見圖1。在圖1的例子中，270keV p++是需要引出的束流。除開需要的p++束流之外，從弧室中還會(huì)引出包含了p+和p2+的離子流，而p2+由預(yù)分析過濾磁體去除，p+在預(yù)分析前由二聚物p2+分裂形成，它具有引出能量的一半能量，并有與p++相同的磁剛度，也會(huì)穿過預(yù)分析過濾磁體和加速管。當(dāng)然，在它通過磁分析器時(shí)，會(huì)被磁分析器磁體篩選出來，不會(huì)到達(dá)晶片。因此，這種預(yù)分析過濾磁體和先加速后分析的束線系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效地消除了束能量污染。

圖1 束線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在多電荷引束時(shí)對(duì)束能量純度的影響示意圖

2 實(shí)驗(yàn)手段

在300mm晶片注入摻雜后，使用動(dòng)態(tài)SIMS分析來測(cè)試大角度離子注入機(jī)的各種束能量純度。在需要測(cè)試的晶片上留出一塊區(qū)域，涂上一層光刻膠用作SIMS分析。典型的光刻膠覆蓋70%左右，不能涂覆成交叉線或環(huán)狀的樣式。

主要測(cè)量多電荷、漂移束和減速束的能量純度。在注入的過程中對(duì)靶室的壓力進(jìn)行測(cè)量。為了與涂覆光刻膠的晶片做比較，最初的晶片（光片）也同時(shí)被注入。在大多數(shù)情況下，SIMS測(cè)量時(shí)會(huì)在晶片上的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行，分別是中心和束水平掃描面的兩邊緣。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

圖2顯示了300mm晶片在完成單電荷，雙電荷及三電荷的能量為270 keV，劑量為1×1014分子數(shù)/cm2的p注入后的SIMS深度剖面數(shù)據(jù)。束流各自為 1.05，0.83，0.08 mA。在 p+和 p++注入時(shí)，靶室壓力降到極限水平為（731.5～798.0）×10-5Pa，而在p+++注入時(shí)到達(dá)186.2×10-5Pa。圖上也顯示了單電荷注入光晶片后的SIMS剖面。SIMS分析的結(jié)果是，對(duì)于多電荷的光晶片（沒顯示）和單電荷晶片的注入結(jié)果有完全相同的精度。剖面表面附近的不同是人為的，主因是來自光刻膠的有機(jī)污染造成的[2]。深度信號(hào)上的差異只超過0.1μm，在噪聲水平范圍內(nèi)。從SIMS數(shù)據(jù)上沒有發(fā)現(xiàn)能量污染的跡象。

圖2 能量為270 keV的P注入的4種SIMS數(shù)據(jù)圖(包含光片注入)

圖3 能量為270KeV的B注入的兩種SIMS數(shù)據(jù)圖

圖3中顯示了300mm晶片在完成單電荷，雙電荷的能量為270 keV的B注入后的SIMS結(jié)果。顯示出來的SIMS深度剖面數(shù)據(jù)來自能量為270 keV，劑量為1×1014分子數(shù)/cm2，在覆蓋有70%光刻膠的晶片上注入單電荷，并與相同條件下雙電荷注入后的SIMS剖面的左中右3點(diǎn)進(jìn)行比較。B+注入的束流為3.5 mA，B++束流為0.1 mA。從SIMS數(shù)據(jù)上沒有發(fā)現(xiàn)能量污染的跡象。

圖4 能量為70 keV的P注入的兩種SIMS數(shù)據(jù)圖

能量為70 keV的P注入是在大角度離子注入機(jī)中既能在漂移模式又能在加速模式下運(yùn)行的許多束之一。這里研究了兩種模式下的能量純度，結(jié)果在圖4中顯示。SIMS剖面數(shù)據(jù)對(duì)70 kV引出電壓（束流4.4 mA）與40 kV引出電壓加30 kV加速電壓（束流3.3 mA），在劑量為5×1014分子數(shù)/cm2的情況下的注入結(jié)果比較。從SIMS數(shù)據(jù)上看仍然沒有明顯的能量污染跡象。

圖5 能量為5 keV的B注入的SIMS數(shù)據(jù)圖

減速束的能量純度是在減速模式下對(duì)能量為5keV的B束注入進(jìn)行研究，條件是引出電壓為40kV，減速電壓為5 kV，劑量為5×1014分子數(shù)/cm2，束流為0.3 mA。SIMS剖面數(shù)據(jù)在圖5中顯示，取樣是300mm晶片上的3個(gè)位置。從剖面曲線可以看出，在B濃度接近1×1018分子數(shù)/cm3時(shí)的差異是由溝道剖面影響造成的[2]。在傳統(tǒng)的束線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，來自于40 keV部分的能量污染主要表現(xiàn)在SIMS剖面曲線注入深度150nm左右。從圖中可知，減速束的SIMS剖面曲線沒有顯示出能夠測(cè)量到的能量污染。

4 結(jié)論

通過大量實(shí)驗(yàn)，在不同測(cè)試條件下獲得的SIMS數(shù)據(jù)闡明了大角度離子注入機(jī)束線系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)的注入機(jī)束線結(jié)構(gòu)，很好地控制了能量污染，有更優(yōu)的束能量純度。與設(shè)計(jì)時(shí)期望的結(jié)果一致，通過增加預(yù)分析過濾磁鐵，先加速后分析篩選，分析出口增加質(zhì)量分析縫等一系列改進(jìn)，有效地去除了能量污染。

[1]A.Renau.The Beamline Architecture of the Medium Current Ion Implanter[C].Proc.of 12th Int.Conf.on Ion Implantation Technology,Kyoto,Japan,June,1998.

[2]D.Downey.private customer communication on 65 nm and 90nm targets[J].Electrochem.Soc.Spring Meet.,PV 99-10,1999,May:151.