離子注入機離子束生成系統(tǒng)的原理及維修

文黎波，張海明，王秀海，趙英偉

( 中國電子科技集團公司第十三研究所， 河北石家莊 050051)

半導(dǎo)體摻雜技術(shù)作為半導(dǎo)體制造的基本工藝之一，對集成電路的性能具有重要的影響。離子注入技術(shù)是將要摻雜的物質(zhì)進行電離，通過加速、分析、聚焦等將正離子分離并射入晶片內(nèi)部。與傳統(tǒng)的擴散技術(shù)相比，離子注入技術(shù)具有無需高溫環(huán)境、劑量控制精度高、均勻性好、時間短、可使用掩膜類型多、橫向擴散小等優(yōu)點，已基本取代了擴散成為最主要的摻雜工藝[1]。

離子注入機是實現(xiàn)離子注入的設(shè)備，離子束生成系統(tǒng)用于產(chǎn)生并引出正離子，是離子注入機的核心部件[2]。相對于其它部件，離子束生成系統(tǒng)使用環(huán)境較為惡劣，故障率較高。作為集成電路生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備，離子注入機一旦出現(xiàn)故障，整條生產(chǎn)線都會跟著停擺，所以掌握此類設(shè)備維修技術(shù)以快速定位并解決故障就顯得尤為重要。國內(nèi)關(guān)于離子注入機維修技術(shù)的相關(guān)技術(shù)文章較少，因此，對其故障診斷與維修技術(shù)的研究具有一定的意義。

1 離子注入機的整體結(jié)構(gòu)

離子注入機利用特定離子對晶片特定部位進行特定深度的注入，實現(xiàn)柵閾值調(diào)整、Halo 注入、源漏極的形成、多晶硅柵極的摻雜、N/P 阱形成、倒摻雜阱形成等。其結(jié)構(gòu)主要包括源氣體供給系統(tǒng)、離子源、吸極、質(zhì)量分析器、加速管、掃描系統(tǒng)和靶室，如圖1 所示。源氣體供給系統(tǒng)為離子源提供雜質(zhì)源，離子源將雜質(zhì)源電離形成等離子體從而產(chǎn)生所需的離子，吸極用于將正離子從等離子體中引出并加速，利用質(zhì)量分析器對加速后的離子進行篩選，只有特定質(zhì)荷比的離子可以通過，而后利用加速管對離子進行后加速，掃描系統(tǒng)用于將離子均勻地分布于晶片內(nèi)，最后離子進入靶室完成晶片的離子注入。離子束生成系統(tǒng)包括源氣體供給系統(tǒng)、離子源、吸極及其相關(guān)的電源、控制電路等，是離子注入機的核心部件之一。

圖1 離子注入機整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 離子束生成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 源氣體供給系統(tǒng)

源氣體是提供摻雜離子的工藝氣體，源氣體通常儲存在高壓鋼瓶內(nèi)，通過閥門和管道通入離子源內(nèi)被電離形成等離子體。圖2 所示為典型的源氣體供給系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)包含3 組源氣體供給管路，源氣體儲存于高壓鋼瓶內(nèi)，依次在氣瓶頂閥、高壓力表、減壓閥、低壓力表、氣動閥、針閥和源氣體隔離閥的控制下進入離子源，其中減壓閥用于調(diào)節(jié)進入離子源的氣體壓力，氣動閥用于選擇源氣體類型，針閥用于控制氣體流量，源氣體隔離閥用于開啟或關(guān)閉源氣體供應(yīng)。利用熱偶規(guī)監(jiān)測進入離子源氣體管路的真空度。

圖2 典型的離子束生成系統(tǒng)示意圖

2.2 離子源

離子源是使中性原子、分子或原子團蔟電離并從中引出離子束的裝置，離子注入機常見的離子源有Bernas 和IHC 兩種。

Bernas 和IHC 均屬于電子碰撞型離子源，其基本原理是電子碰撞氣體分子使之電離形成等離子體，通過施加電場使得正離子從離子源中加速引出。Bernas 離子源結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示，包括放電室、吸極、電源、供氣系統(tǒng)、磁鐵等組成，利用螺旋型燈絲加熱產(chǎn)生電子，弧室外壁與燈絲間施加起弧電壓加速電子運動，整個放電室置于一外加磁場中，燈絲發(fā)射的電子同時在起弧電壓、燈絲電流產(chǎn)生的磁場和外加磁場的作用下進行復(fù)雜的螺旋運動，從而大大增加電子的運動軌跡，提高電子與氣體分子碰撞幾率[3]。Bernas 離子源在弧室與燈絲相對的位置設(shè)置了一塊反射板，用于反射電子，進一步增加了電子運動軌跡。放電室與吸極之間施加強電場，一般為數(shù)萬電子伏，正離子從放電室與吸極中心的圓孔或狹縫中被引出。

圖3 Bernas 離子源結(jié)構(gòu)示意圖

間熱式陰極（Indirectly Heated Cathode，IHC）離子源是在Bernas 離子源的基礎(chǔ)上進行改進的，IHC 離子源與Bernas 離子源的區(qū)別是前者增加了一個陰極，燈絲被該陰極包圍在放電室外，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。熱燈絲發(fā)出電子與陰極碰撞從而加熱陰極使陰極向放電室發(fā)出電子，電子在弧壓、磁場和反射板的作用下螺旋運動，與雜質(zhì)原子碰撞電離形成等離子體。燈絲與陰極之間施加偏置電壓，電子在偏壓的作用下加速運動，最終撞擊到陰極的背面，電子的動能轉(zhuǎn)化為陰極的熱能。由于燈絲不與等離子體直接接觸，避免了燈絲被放電室正離子轟擊，提高了燈絲使用壽命，延長了離子源維護周期[4]。

圖4 IHC 離子源結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 吸極

吸極即引出電極，用于將正離子從放電室中引出并加速，為了優(yōu)化離子束的軌跡，吸極電極通?？梢愿淖兾恢?。吸極電極與放電室之間通常設(shè)置負(fù)電位的抑制電極，可防止二次電子回流進離子源而造成離子源工作不穩(wěn)定。

圖5 所示為典型的離子束生成系統(tǒng)電源示意圖，主要包括燈絲電源、起弧電源、吸極電源、源磁場電源和抑制電源。燈絲電源采用大電流恒流源來加熱燈絲。起弧電源施加電壓于燈絲和放電室之間，引起弧光放電，其電流與放電室內(nèi)等離子體密度成正比。吸極電源在放電室和吸極電極之間建立強電場，其電流與離子束流成正比。源磁場電源為磁鐵提供電流建立磁場，抑制電源為抑制電極建立負(fù)電位。離子束生成系統(tǒng)處于高壓端，以后加速電壓為參考地，可高達數(shù)十萬伏，設(shè)備通過隔離變壓器對其進行供電，為了進行電氣隔離，控制臺與離子束生成系統(tǒng)通常采用光纖通信[5]。

圖5 離子束生成系統(tǒng)電源示意圖

隨著使用時間和強度的增加，離子束生成系統(tǒng)的吸極會由于絕緣柱臟污、去離子水電導(dǎo)率過高、真空度過低等原因而出現(xiàn)“打火”現(xiàn)象；源氣體供給系統(tǒng)會由于氣動閥門或針閥故障等原因出現(xiàn)無法起弧、無束流或弧室真空度明顯降低等現(xiàn)象。離子源生成系統(tǒng)三大組成部分構(gòu)成一個相互關(guān)聯(lián)的工作系統(tǒng)，一個故障現(xiàn)象可能包含若干種可能原因，一個部件的故障也會導(dǎo)致多種現(xiàn)象，這在一定程度上增加了維修此類設(shè)備的難度。

3 常見故障與排除

在統(tǒng)計近5 年離子注入機故障的基礎(chǔ)上，對離子束生成系統(tǒng)每種故障的幾種可能原因與相應(yīng)的處理方法進行歸納與總結(jié)，如表1 所示。電源與電路板級故障根據(jù)離子注入機廠商與型號的不同有所區(qū)別，此處不進行詳細(xì)說明，僅給出故障排查方向。

4 結(jié)束語

離子注入機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、加熱與冷卻系統(tǒng)等，其部件繁多，維修和保養(yǎng)較為頻繁。對離子束生成系統(tǒng)的維修應(yīng)在熟練掌握其結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，對以往發(fā)生過的故障進行統(tǒng)計，對每種故障現(xiàn)象的可能原因進行總結(jié)分析，以便對未來故障進行快速診斷和維修。

表1 離子束生成系統(tǒng)的常見故障與處理方法