大角度离子注入机的束纯度控制

王迪平，孙 勇

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南 长沙 410111)

离子束的能量不纯能导致分子离子分裂或束流中离子的充放电。在高能量和低能量的注入中束能量纯度的控制要求去除这些不想要的部分。传统的束线结构设计上，是通过在磁分析器后利用一个静电能量过滤器来完成。在90～65 nm大角度300mm束流离子注入机中，采用一个双分析磁体过滤系统用来去除能量污染。此外，对于不想要的束流成分,尽量做到在低能量时及早地移除，让它们远离晶片。在大角度离子注入机中由于减速模块的重新设计,在头部高压仓进行能量减速,使得低能量下束流得到了大幅提高,另外在头部和晶片之间没有直线对准线，因此减速模块中的能量污染也被有效去除。

1 束能量纯度控制

在目前研制的90～65 nm大角度300mm束流离子注入机中，对于使用多电荷离子来达到高能量离子注入和采用减速束来完成低能量注入方面，对这些束的能量纯度都提出了严格的要求。来自于分子分裂的能量污染或充电放电历来就是离子注入机获得最终注入能量纯度的两大限制因素。在传统的束线系统设计中，束流从离子源中引出，经过磁分析器分析筛选，然后加速或加速再减速到它的最终能量，然后掺杂注入到晶片。相对于原来的分析后加速或减速，目前使用的分析前加速或减速系统中，能量污染水平得到了大幅提升。

大角度离子注入机束线系统通过设计改进，大大提高了多电荷和减速离子束能量纯度。从弧室中引出的离子被预分析过滤，通过一个低解析（m/Δm）预分析过滤磁体的初步筛选，使得大多数不想要的离子束成分在低功率密度时就被移除。预分析过滤区域通过一个700 L/s的涡轮分子泵抽气，使得在离子源弧室和预分析过滤区域间有超过10倍的压差，大大减少了充放电的反应。加速管紧跟在预分析过滤磁体区域后，通过加载最高达到220 kV电压,将束能量提升到它的最终能量。减速模式下的减速束流，在它离开头部高压仓就发生减速，所以束流在进入高解析度的分析器磁场时仍处于最终能量。在磁分析器出口处，水平扫描系统之前安装有一个旋转的质量缝。在到达晶片之前，水平扫描束在平行透镜磁体中变为平行[1]。

新设计的束线系统结构在多电荷引束时束能量纯度的影响表示见图1。在图1的例子中，270keV p++是需要引出的束流。除开需要的p++束流之外，从弧室中还会引出包含了p+和p2+的离子流，而p2+由预分析过滤磁体去除，p+在预分析前由二聚物p2+分裂形成，它具有引出能量的一半能量，并有与p++相同的磁刚度，也会穿过预分析过滤磁体和加速管。当然，在它通过磁分析器时，会被磁分析器磁体筛选出来，不会到达晶片。因此，这种预分析过滤磁体和先加速后分析的束线系统设计有效地消除了束能量污染。

图1 束线系统结构在多电荷引束时对束能量纯度的影响示意图

2 实验手段

在300mm晶片注入掺杂后，使用动态SIMS分析来测试大角度离子注入机的各种束能量纯度。在需要测试的晶片上留出一块区域，涂上一层光刻胶用作SIMS分析。典型的光刻胶覆盖70%左右，不能涂覆成交叉线或环状的样式。

主要测量多电荷、漂移束和减速束的能量纯度。在注入的过程中对靶室的压力进行测量。为了与涂覆光刻胶的晶片做比较，最初的晶片（光片）也同时被注入。在大多数情况下，SIMS测量时会在晶片上的3个点进行，分别是中心和束水平扫描面的两边缘。

3 实验结果和结论

图2显示了300mm晶片在完成单电荷，双电荷及三电荷的能量为270 keV，剂量为1×1014分子数/cm2的p注入后的SIMS深度剖面数据。束流各自为 1.05，0.83，0.08 mA。在 p+和 p++注入时，靶室压力降到极限水平为（731.5～798.0）×10-5Pa，而在p+++注入时到达186.2×10-5Pa。图上也显示了单电荷注入光晶片后的SIMS剖面。SIMS分析的结果是，对于多电荷的光晶片（没显示）和单电荷晶片的注入结果有完全相同的精度。剖面表面附近的不同是人为的，主因是来自光刻胶的有机污染造成的[2]。深度信号上的差异只超过0.1μm，在噪声水平范围内。从SIMS数据上没有发现能量污染的迹象。

图2 能量为270 keV的P注入的4种SIMS数据图(包含光片注入)

图3 能量为270KeV的B注入的两种SIMS数据图

图3中显示了300mm晶片在完成单电荷，双电荷的能量为270 keV的B注入后的SIMS结果。显示出来的SIMS深度剖面数据来自能量为270 keV，剂量为1×1014分子数/cm2，在覆盖有70%光刻胶的晶片上注入单电荷，并与相同条件下双电荷注入后的SIMS剖面的左中右3点进行比较。B+注入的束流为3.5 mA，B++束流为0.1 mA。从SIMS数据上没有发现能量污染的迹象。

图4 能量为70 keV的P注入的两种SIMS数据图

能量为70 keV的P注入是在大角度离子注入机中既能在漂移模式又能在加速模式下运行的许多束之一。这里研究了两种模式下的能量纯度，结果在图4中显示。SIMS剖面数据对70 kV引出电压（束流4.4 mA）与40 kV引出电压加30 kV加速电压（束流3.3 mA），在剂量为5×1014分子数/cm2的情况下的注入结果比较。从SIMS数据上看仍然没有明显的能量污染迹象。

图5 能量为5 keV的B注入的SIMS数据图

减速束的能量纯度是在减速模式下对能量为5keV的B束注入进行研究，条件是引出电压为40kV，减速电压为5 kV，剂量为5×1014分子数/cm2，束流为0.3 mA。SIMS剖面数据在图5中显示，取样是300mm晶片上的3个位置。从剖面曲线可以看出，在B浓度接近1×1018分子数/cm3时的差异是由沟道剖面影响造成的[2]。在传统的束线系统结构中，来自于40 keV部分的能量污染主要表现在SIMS剖面曲线注入深度150nm左右。从图中可知，减速束的SIMS剖面曲线没有显示出能够测量到的能量污染。

4 结论

通过大量实验，在不同测试条件下获得的SIMS数据阐明了大角度离子注入机束线系统设计相对于传统的注入机束线结构，很好地控制了能量污染，有更优的束能量纯度。与设计时期望的结果一致，通过增加预分析过滤磁铁，先加速后分析筛选，分析出口增加质量分析缝等一系列改进，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.