離子注入機(jī)設(shè)備和工藝質(zhì)量改進(jìn)

引言：上個(gè)世紀(jì)，就有科學(xué)家提出了離子注入技術(shù)。起初，該技術(shù)被應(yīng)用于原子物理和核物理研究領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，該技術(shù)逐漸被應(yīng)用于半導(dǎo)體制造等行業(yè)。離子注入技術(shù)是一項(xiàng)獨(dú)特的表面改性技術(shù)，這是除此之外的其他方法難以企及的。因此，離子注入法在許多領(lǐng)域都發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來越高，在集成電路制造行業(yè)發(fā)揮重大作用的離子注入機(jī)也面臨著優(yōu)化改進(jìn)的問題。本文從離子注入機(jī)的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用三方面闡述離子注入機(jī)并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究離子注入機(jī)的設(shè)備和工藝質(zhì)量改進(jìn)。

隨著集成電路微型化，超大規(guī)模集成化的要求，線寬已經(jīng)發(fā)展到納米級(jí)，摻雜工藝非離子注入莫屬。如何精確控制結(jié)深，劑量，消除電荷積累對(duì)器件的損傷成為離子注入機(jī)設(shè)備和工藝改進(jìn)的關(guān)鍵。本文將通過對(duì)離子注入機(jī)的特點(diǎn)、原理及應(yīng)用的探討對(duì)現(xiàn)今的離子注入機(jī)的設(shè)備參數(shù)和工藝關(guān)聯(lián)問題進(jìn)行論述。

一、離子注入機(jī)的原理

（一）離子注入機(jī)的組成

離子注入機(jī)由離子源、離子束聚焦部分、靶室及終端臺(tái)三個(gè)主要部分構(gòu)成。此外，還包括質(zhì)量分析器、加速器和四級(jí)透鏡，以及反向偶合電子器。

（二）離子注入機(jī)的工作原理

離子注入機(jī)運(yùn)作原理是：當(dāng)某種離子束射向固體材料的時(shí)候，因?yàn)楦咚俚淖矒?，致使固體表面的分子或是原子的偏離，在一定角度下，粒子束會(huì)嵌入到固體材料一定深度，使被注入固體材料由于注入他種材料的離子形成新的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)而發(fā)生了性變，這樣的過程就叫做離子注入。離子機(jī)就是運(yùn)用這樣的原理實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件所需各種特性的目的。

集成電路制程中離子注入機(jī)起著極其重要的作用，尤其是制造的前期工序。作為關(guān)鍵設(shè)備，離子注入機(jī)運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)、與產(chǎn)品質(zhì)量有著密不可分的關(guān)聯(lián)，由于既涉及設(shè)備又涉及工藝，往往讓從業(yè)人員無所適從，因此備受關(guān)注。

二、離子注入機(jī)設(shè)備和工藝質(zhì)量改進(jìn)

離子注入機(jī)運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)工藝質(zhì)量有著極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，只有了解和懂得參數(shù)對(duì)應(yīng)的工藝問題，才能有效的調(diào)整設(shè)備和工藝菜單，達(dá)到高品質(zhì)的工藝改進(jìn)。

我們可以從以下幾個(gè)方面入手：

（一）設(shè)備的改進(jìn)

離子注入機(jī)的改進(jìn)應(yīng)從真空，離子源和離子束三個(gè)主要部分著手。

離子注入機(jī)的高真空有三個(gè)基本區(qū)段，離子源腔體，粒子束腔體和工藝腔體，由于離子源腔體由于有高溫通常用擴(kuò)散泵來實(shí)現(xiàn)高真空，近來由于發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散泵的泵油氣體會(huì)部分影響離子源的純凈，后改進(jìn)用低溫冷泵通過管道偏裝隔熱實(shí)現(xiàn)高真空，已經(jīng)被廣為采用。而工藝腔體的真空直接影響到工藝穩(wěn)定性而被高度重視，因此改用大口徑的低溫冷泵來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高真空，離子注入起始真空指的就是工藝腔體的真空。

離子源是產(chǎn)生參雜離子的發(fā)生器，如何保持燈絲與離子腔高阻隔離，燈絲材料對(duì)燈絲的壽命影響，燈絲形狀對(duì)電子發(fā)射以及提高撞擊雜質(zhì)分子幾率都至關(guān)重要，前兩者直接關(guān)聯(lián)離子源保養(yǎng)的次數(shù)，提高設(shè)備的利用率，第三者直接關(guān)聯(lián)離子產(chǎn)生幾率?，F(xiàn)代從業(yè)者已經(jīng)廣泛采用改良型的長(zhǎng)壽命燈絲提升設(shè)備的使用效率。

離子束的控制影響產(chǎn)品參雜純凈，工藝時(shí)間長(zhǎng)短，以及電荷積累的消除等非常重要的環(huán)節(jié)，它包含有質(zhì)量分析器、加速器和四級(jí)透鏡，以及反向偶合電子器。

質(zhì)量分析器通過偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)過濾掉大部分不需要的雜質(zhì)離子，從而保證離子的純凈，如何保證其偏轉(zhuǎn)通道的干凈和暢通是關(guān)鍵。加速器決定參雜能量，定期校正是必須的。反向耦合電子器往往被業(yè)者人士忽略，在低束低能量低劑量參雜時(shí)，它的作用不明顯，但在高劑量高能量注入時(shí)，由于目標(biāo)靶不能及時(shí)釋放電荷而在硅片表面產(chǎn)生電荷積累，形成電壓，會(huì)對(duì)元器件造成電路擊穿。因此必須采用反向電子耦合器發(fā)出的電子來中和掉積累的電荷。

此外還有為了測(cè)定離子束的大小而使用的法拉第系統(tǒng)。控制注入角度的機(jī)械控制系統(tǒng)等類似的許多裝置都是為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能而存在的。

設(shè)備高真空度發(fā)揮著很大的作用。當(dāng)真空度過低的時(shí)候，離子束就不會(huì)達(dá)到要求，會(huì)影響離子注入的速度，進(jìn)而使得設(shè)備內(nèi)離子的純凈度受到影響，當(dāng)真空度低于要求時(shí)，測(cè)定結(jié)果通常電阻下降；當(dāng)真空度太高一方面影響設(shè)備使用效率，另一方面測(cè)定結(jié)果電阻上升。最后的結(jié)果就是工藝參數(shù)得不到滿足。通過生產(chǎn)實(shí)踐和工藝結(jié)果證明，現(xiàn)代注入起始真空度需要達(dá)到4×10-6Torr以上，此時(shí)的真空度就算比較理想。

（二）工藝技術(shù)的改進(jìn)

離子注入工藝技術(shù)人員必須明確掌握注入機(jī)設(shè)備參數(shù)與工藝結(jié)果的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在編輯工藝菜單時(shí)，反復(fù)試驗(yàn)每一種工藝需求，比如：產(chǎn)品實(shí)際需要的注入能量（對(duì)應(yīng)結(jié)深），注入劑量（對(duì)應(yīng)電阻率），起始注入真空度（對(duì)應(yīng)設(shè)備效率，間接影響電阻率），調(diào)整所需的反向電子電流（過大過小都會(huì)損傷產(chǎn)品），設(shè)備特殊參數(shù)的監(jiān)控（SPC），防止參雜物質(zhì)的相互污染，參與產(chǎn)品從零件到成品的所有環(huán)節(jié)，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，技術(shù)人員的能力、態(tài)度可以說是問題的源泉。首先，能夠進(jìn)入該團(tuán)隊(duì)，說明都是一些有能力之人。因此，在具備相關(guān)知識(shí)能力的基礎(chǔ)上，工作人員應(yīng)該端正自己的態(tài)度，杜絕粗心大意，防微杜漸，將來可能出現(xiàn)的問題，潛在因素扼殺在孕育的過程中。

其次在產(chǎn)品檢查的時(shí)候，常常會(huì)因?yàn)闄z查人員的檢查力度，從而忽略很多的細(xì)節(jié)，為了防止工作中的隨意性導(dǎo)致的一系列問題，應(yīng)該設(shè)立與之相關(guān)的條文，這樣有利于提高工作人員的積極性，防止因人而異所造成的質(zhì)量失控。

（三）其他方面的改進(jìn)

除了工作人員和設(shè)備本身的問題，影響離子機(jī)質(zhì)量的原因還包括：法則、物料和環(huán)境。其中法則就包括在整個(gè)制造過程中，使用的工藝指導(dǎo)書、工序指引、生產(chǎn)產(chǎn)品使用的模型圖紙、相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)以及在操作過程中的規(guī)程等等。離子注入機(jī)設(shè)備精密，因此，在生產(chǎn)過程中要遵循相應(yīng)的規(guī)章制度，不能有絲毫差錯(cuò)的。走好每一步，才能生產(chǎn)出完美的產(chǎn)品

設(shè)備的穩(wěn)定性是衡量工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的一大標(biāo)準(zhǔn)。而環(huán)境對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性有著極大的影響。設(shè)備周圍的溫度、濕度和清潔度等環(huán)境問題也應(yīng)該受到關(guān)注和改進(jìn)。

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作者簡(jiǎn)介

劉志民，男，出生年月1957.5，民族：漢，學(xué)歷：本科。

（作者單位：上海先進(jìn)半導(dǎo)體制造股份有限公司）