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 長沙 410111)

在IC制造過程中，由于顆粒污染導(dǎo)致的成品率損失稱為功能成品率。而功能成品率是影響制造成品率的主要因素。顆粒的污染，會(huì)使閥電壓降低，使器件的速度降低，器件成品率下降，嚴(yán)重者，根本不能做器件。因此，有效的過程顆粒污染控制對成品率的提高至關(guān)重要。在半導(dǎo)體的生產(chǎn)過程中，顆粒污染有3個(gè)主要來源：生產(chǎn)環(huán)境；錯(cuò)誤的圓片傳遞；生產(chǎn)線加工機(jī)臺(tái)。而由工藝設(shè)備產(chǎn)生的顆粒污染是成品率損失的最主要原因，也成為半導(dǎo)體制造中的最主要污染源。一般來說，由顆粒污染導(dǎo)致的功能成品率損失要占總成品率損失的80%。而且，顆粒污染的數(shù)目越多，圓片的成品率就會(huì)越低。在這里，主要針對離子注入機(jī)中的顆粒污染進(jìn)行分析和探討。

1 顆粒污染分析及相應(yīng)措施

在離子注入機(jī)整個(gè)光路通道中，分析研究顆粒污染產(chǎn)生的原因，尋找解決辦法，制定控制方案，確保大角度離子注入機(jī)顆粒污染控制在指標(biāo)以下，主要技術(shù)要求：顆粒污染指標(biāo)：0.1個(gè)/cm2＞0.16μm。

1.1 顆粒污染對注入摻雜的影響

在大規(guī)模晶片生產(chǎn)中，顆粒污染是離子注入過程中一個(gè)必然的相關(guān)產(chǎn)物，這種污染會(huì)對離子注入工藝的重復(fù)性與穩(wěn)定性造成直接影響已是不爭的事實(shí)[1]。在晶片上一個(gè)大于0.1μm的塵埃，其作用就如同一片阻塞膜。如果設(shè)備本身的表面顆粒得不到有效控制，那么加上靜電吸附作用，將使污染變得更加嚴(yán)重。

如圖1所示，表面的顆粒污染會(huì)引起圖形缺陷、外延前線、影響布線的完整性以及鍵合強(qiáng)度和表面質(zhì)量，嚴(yán)重的導(dǎo)致電極之間的短路，徹底損壞芯片。如果由于其他工序原因，襯底表面的顆粒污染，會(huì)成為離子束的散射中心而降低有效注入能量，產(chǎn)生局部橫向擴(kuò)散效應(yīng)，使得注入均勻性變壞。

圖1 顆粒污染對注入摻雜的影響

如今先進(jìn)半導(dǎo)體器件產(chǎn)品的特征尺寸已經(jīng)跨入65 nm技術(shù)時(shí)代，注入摻雜的能量要求越來越低，這使得那些會(huì)破壞器件功能并嚴(yán)重降低工藝成品率的“致命”缺陷的尺寸即臨界阻止顆粒尺寸也相應(yīng)地減小，如圖2所示。國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖(ITRS)規(guī)定到2010年以后臨界表面顆粒的直徑要減小到20nm以下[1]，要控制這種尺寸的表面顆粒污染物就需要研究現(xiàn)在還顯得不太重要的顆粒粘附機(jī)理。

圖2 顆粒尺寸與注入能量關(guān)系圖

1.2 顆粒的產(chǎn)生和傳送

對于顆粒的產(chǎn)生和傳送來說，離子注入機(jī)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)。它的產(chǎn)生和傳送如圖3所示。主要是運(yùn)動(dòng)部件：傳輸交換機(jī)械手、動(dòng)態(tài)密封、真空閥門、晶片處理、移動(dòng)法拉第等運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械摩擦，束流在光闌和管道上撞擊產(chǎn)生的飛濺物質(zhì)、晶片上的抗蝕劑，起弧、微放電，分析縫腐蝕，離子源等方面產(chǎn)生顆粒。顆粒在注入機(jī)中的傳送：沖氣/初抽–高抽速時(shí)的絕熱膨脹、交換機(jī)械手–自動(dòng)機(jī)械操作、靶臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、靶室氣體流動(dòng)、束流-靜電捕獲、晶片本身。

圖3 顆粒的產(chǎn)生和傳送示意圖

顆粒的產(chǎn)生取決于碎片的堆積物：由于不正確的注入機(jī)維護(hù)改變了束光路，使得物質(zhì)堆積在分析縫上。

下面具體分析雜質(zhì)顆粒產(chǎn)生的機(jī)理，顆粒污染來源于操作區(qū)的潔凈度、充氣的純度。

從以前樣品的背散射分析得出，晶片注入后，表面及體內(nèi)均增加了一些其它顆粒，表面顆粒的產(chǎn)生歸于低能離子，低速中性原子對晶片的碰撞及粘附，體內(nèi)的顆粒產(chǎn)生歸于高能離子和高速中性原子對晶片的摻雜。

離子注入機(jī)顆粒污染的產(chǎn)生主要來源于濺射污染區(qū)，離子束元素不純造成的雜質(zhì)顆粒污染，真空系統(tǒng)內(nèi)氣體分子、管壁放氣、高溫?fù)]發(fā)物、硅片摩擦碰撞等方面。

注入時(shí)晶片的表面溫度很高，晶片盤表面會(huì)產(chǎn)生一些放氣、出氣、揮發(fā)和蒸發(fā)，它影響靶室的真空度。蒸發(fā)物、揮發(fā)物會(huì)污染晶片表面，靶室內(nèi)的機(jī)械動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生一些碰撞、磨損，產(chǎn)生顆粒污染。

離子束與過濾器真空盒管壁的轟擊濺射，離子束對過濾光欄的轟擊濺射，離子束與加速管內(nèi)電極的轟擊濺射，二次電子與電極及管壁的轟擊，離子束與高壓區(qū)管壁內(nèi)氣體分子的碰撞，高速中性顆粒的產(chǎn)生，高壓電極內(nèi)部的打火放電，都將產(chǎn)生高能顆粒和高速原子，它們被多次折射反射至晶片，注入到體內(nèi)產(chǎn)生污染。

低能顆粒的污染來源于離子束對真空中殘余氣體分子的碰撞，離子束對低壓區(qū)真空管壁的碰撞、濺射，束復(fù)合產(chǎn)生的中性顆粒對管壁的碰撞等產(chǎn)生的顆粒折射到晶片上。靶室內(nèi)離子束對靶腔體的轟擊。注入時(shí)的高溫放氣，運(yùn)動(dòng)部件的磨損，晶片裝卸過程的磨擦、晶片輸送過程與其它介質(zhì)的碰撞，系統(tǒng)充氣帶來的污染等等，這些低能顆粒都會(huì)粘附在晶片的表面或較淺的位置。

另外還有大量的顆粒污染來自晶片本身，圖4列舉了一些常見的情況，可通過對晶片處理接觸點(diǎn)的認(rèn)識幫助識別顆粒產(chǎn)生的源頭。

圖4 晶片處理中的一些常見情況

1.3 顆粒的測量和監(jiān)控

在注入機(jī)關(guān)鍵的部位，對顆粒進(jìn)行不間斷的監(jiān)測，可以提高芯片的產(chǎn)量，而且盡可能減少對檢測芯片的需求。

該監(jiān)測系統(tǒng)具有用于照射晶圓上點(diǎn)的激光器以及旋轉(zhuǎn)方向與離子注入操作相反的一對檢測器(如PMT或光電二極管)。計(jì)算機(jī)分析來自被照射晶圓檢測的散射光強(qiáng)度。可以識別晶圓上的顆?；蚱渌@類污染物，并協(xié)助確定這類污染物的來源。另外，對這類顆粒的數(shù)量或尺寸的閾值分析可以為停機(jī)或反饋控制提供系統(tǒng)聯(lián)鎖。

檢測：用圓片掃描儀檢查并標(biāo)出測試前圓片上已有的顆粒；之后將掃描后的這種試片循環(huán)經(jīng)過加工設(shè)備，模擬正常的圓片加工工藝環(huán)境；再次對試片進(jìn)行掃描。記錄掃描后增加的顆粒數(shù)。

1.4 減少顆粒的產(chǎn)生途徑

針對上面的分析，首先從設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)的措施：

(1)優(yōu)化束流傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低顆粒污染。光路設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，各光路部件之間匹配優(yōu)化，確保整個(gè)束包絡(luò)在很小的空間內(nèi)，束與真空管壁和電極留有較大的位置，這樣可極大地減少束邊緣與管壁和電極的碰撞截面。高分辨率強(qiáng)聚束能力的質(zhì)量分析器也很重要，提高分析器的分辨能力，適當(dāng)減少分析光欄的尺寸，避免質(zhì)量數(shù)相近的元素過分析光欄進(jìn)入平行束透鏡。

(2)束線方向的濺射區(qū)，電極和光欄盡可能采用硅材料，基底充分冷卻散熱，避免燒蝕，對分析器真空盒內(nèi)的接束板，磁偏真空盒內(nèi)的接束板和靶區(qū)接束板，采用純硅制作，避免其它元素的散射離子產(chǎn)生，接束板位置盡量后移，遠(yuǎn)離束包絡(luò)，避免濺射原子彌漫至束線通道，接束板最好做成接束筒，通水冷卻并旋轉(zhuǎn)掃描，改變離子束轟擊角度，減少濺射系數(shù)，以便減少散射離子的產(chǎn)生，效果更好些。光路內(nèi)腔襯高純硅，避免轟擊時(shí)產(chǎn)生金屬顆粒污染，對光欄，應(yīng)采用貼硅襯的方式避免濺射出金屬顆粒，對功率大的部件應(yīng)考慮水冷充分散熱，對電極表面，盡量貼硅，最好不要使金屬材料裸露在束前面。

(3)光路部件的選材與加工。引束電極，加速管內(nèi)屏蔽筒和加速電極，真空盒等選用耐高溫，濺射系數(shù)小的材料制作。電極表面，光潔度較高。引束電極與離子源引束口，要求嚴(yán)格對中，定位準(zhǔn)確。高壓絕緣材料，要求純凈，有好的真空性能和絕緣性能。

(4)靶室的特殊設(shè)計(jì)及采用自動(dòng)裝卸片系統(tǒng)。靶室要選用高溫放氣率小的材料。為避免長期運(yùn)行的累計(jì)污染，對靶室設(shè)置自動(dòng)清洗程序，采用自動(dòng)裝卸片系統(tǒng)來減少晶片裝卸過程中帶入的顆粒污染。晶片裝卸要考慮輕觸式，晶片輸送應(yīng)考慮減少碰撞產(chǎn)生的顆粒污染和碎片。

(5)提高系統(tǒng)的真空度。離子束在傳輸過程中，與氣體分子碰撞產(chǎn)生能量分散及雜散顆粒，這些顆粒與真空管壁發(fā)生碰撞產(chǎn)生顆粒污染。另外在加速區(qū)真空度過低容易引起打火，產(chǎn)生顆粒污染。

在離子源區(qū)，增加一臺(tái)抽速為700 L/s的分子泵，源三通區(qū)進(jìn)行真空分區(qū)設(shè)計(jì)，(對使用間熱式陰極離子源時(shí)尤為重要，)提高抽束，便于離子源的大送氣量工作，減少源送氣等對系統(tǒng)的污染。

在掃描與平行束裝置區(qū)域，加大泵的抽速，將口徑φ200mm改為φ250mm，提高真空度，減少離子的復(fù)合，提高離子束的傳輸效率。

在靶室區(qū)域，由于增加了偏束單元，而晶片處理量又很大(230片/時(shí))，加上快速垂直掃描，靶盤軸的運(yùn)動(dòng)氣隙，氣浮軸承高壓氣體對軸的吸附，使靶室內(nèi)的增量氣負(fù)荷很大，為減少污染，提高真空度，需增加1臺(tái)φ250mm的低溫泵。

(6)減少打開真空系統(tǒng)的時(shí)間，充氣過程中，維持真空管道內(nèi)N2氣壓略高于大氣，N2外溢，防止塵埃物質(zhì)進(jìn)入真空系統(tǒng)。

(7)全系統(tǒng)氣體過濾，在源氣體輸送管道和系統(tǒng)各進(jìn)氣口裝有小于0.3μm的氣體過濾器，防止顆粒從氣路中進(jìn)入系統(tǒng)。

(8)SMIF接口和局部凈化

在裝卸片區(qū)頂端設(shè)置100級凈化層流罩，周圍為1000級凈化區(qū)域，以提高裝卸片區(qū)域的潔凈度。采用SMIF接口，片盒操作區(qū)和SMIF片盒式對接，使晶片輸送區(qū)的潔凈度達(dá)10級以上。

1.5 顆粒污染的預(yù)防

顆粒污染的預(yù)防主要從以下四方面著手：

(1)仔細(xì)檢查外部因素，包括周圍環(huán)境，外部和空氣中的晶片操作：

·潔凈室是否達(dá)標(biāo)或者在修建中 (空氣完全流動(dòng)，濕度、溫度達(dá)到要求)

·片盒或片盒箱是否變臟

·是否過多地操作晶片

·每次PM計(jì)劃表中靶室傳片部件是否清潔(主要是晶片爪，缺口定位器等)

·層流罩不均衡或設(shè)置了錯(cuò)誤的流動(dòng)比率

·靶室門關(guān)閉緩沖區(qū)安裝了門簾

·靶室沖氣清潔在正確的位置

·晶片移動(dòng)到片盒或SMIF時(shí)靶室是否有振動(dòng)

·外部機(jī)械人動(dòng)作平緩，確認(rèn)沒有晶片撞擊或拖曳

·晶片標(biāo)記邊沿是否有碎屑

·用顆粒繪圖顯示指定區(qū)域數(shù)目（高或低），位置可重復(fù)

(2)檢查注入機(jī)上可能存在的問題：

·最近執(zhí)行了離子源的PM

·離子源部件用舊了

·石墨部件顯示了過多的束流撞擊和磨損的痕跡

·在不同的區(qū)域石墨部件顯示了束撞擊的跡象

·過多的偏壓在引出電極的一半上

·束流調(diào)節(jié)不在正常的數(shù)值之內(nèi)

·離子源沒有正確對中

·束流在分析器磁場內(nèi)撞擊

·清潔了加速管

·電極用舊了，對中是否正確

·抽氣室容納了來自破碎晶片的殘骸

·分析光闌有過多的磨損

·從冷泵散發(fā)出明顯的碳黑(檢查冷泵入口的下緣)

·處理腔室需要清潔。里面存在明顯的破碎晶片

·靶室或電梯真空鎖裝置有真空泄露

·機(jī)器人沒對中撞擊或拖曳了晶片

·靶室靶臺(tái)上的水有泄露

·束線到靶室的閥門有泄露

(3)程序上：程序和輔助系統(tǒng)

·使用正確的機(jī)器沖氣程序

·沖氣的氮?dú)庾兣K或缺少

·真空片盒沖氣壓力太高

(4)定期檢修(PM)

·定期檢修(PM)是預(yù)防和減少顆粒的最重要的程序，對注入機(jī)的各個(gè)部件要列出詳細(xì)的檢修計(jì)劃表。根據(jù)具體情況進(jìn)行小修，大修(一年一次)或每季的維護(hù)。

·定期檢修（PM）必須遵循正確的備檔程序：機(jī)器沖氣，初抽；部件復(fù)位；使用潔凈的材料；PM后的恢復(fù)處理。

2 總結(jié)

大角度離子注入機(jī)從研制到上大生產(chǎn)線生產(chǎn)，我們花費(fèi)了大量的時(shí)間來從事顆粒污染的研究，不但從設(shè)計(jì)上做好了周密的考慮，而且在生產(chǎn)過程中花費(fèi)了長達(dá)幾個(gè)月的時(shí)間來收集每次經(jīng)過離子注入工藝處理后晶片表面上所沉積的顆粒計(jì)數(shù)(PWP)數(shù)據(jù)，并對它進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來判定PWP數(shù)據(jù)的明顯降低是否與設(shè)計(jì)和預(yù)防中考慮的相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而為以后的設(shè)備研制和生產(chǎn)積累經(jīng)驗(yàn)，打好基礎(chǔ)。通過不斷地改進(jìn)和完善，PWP基本上都能控制在50個(gè)以下，完全能夠達(dá)到指標(biāo)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]陳毅功.離子注入機(jī)靶室塵埃污染與系統(tǒng)改造[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2002，31（2）：103-105.