利用在线二次离子质谱技术改善种植过程控制。
文/李玮缇，莎拉·冈田，劳伦斯·鲁尼，张锋本杰明·希
在半导体工业中，离子注入工艺已经扩展到广泛的应用范围，其剂量和能量跨越几个数量级。
离子注入是一个非常复杂的过程，有许多参数和因素会影响离子注入的性能。例如，光刻胶开口高展径比带来的阴影效应、植入体角度变化带来的离子通道或去通道效应、剂量和植入体能量精度都是实现均匀器件性能和良好产品收率的重要因素。此外，目前的工艺控制是在测试晶圆上以一定的时间间隔进行的，其中破碎的样品片被送到晶圆厂外进行SIMS分析。
周转时间一般较长，结果往往不能反映实际生产情况。众所周知，在某些情况下，虽然控制图处于良好状态，但产品未能满足其规格。对一致性植入材料的需求越来越重要。因此，迫切需要更好的种植过程控制。
本文探讨了如何利用二次离子质谱(SIMS)在线测量峰值浓度、峰值深度和剂量，同时提供更好的种植过程控制。
背景介绍
离子的注入，主要是硼、磷和砷，在半导体制造中有很长的使用历史。通过在半导体材料中植入电离原子，可以产生n孔或p孔，从而改变材料的导电性，这种技术通常用于控制MOSFET器件的阈值电压。通过离子注入产生p-n结可以防止电流流向衬底。或者，离子注入可以创建接触，以降低接触电阻和防止二极管的形成。在半导体工业中，离子注入工艺已经扩展到广泛的应用领域，如图1所示，剂量和能量跨越了几个数量级。根据器件的不同，在制造工艺流程中可能需要大量的植入操作。
图1。不同剂量和注入能量的离子注入在硅技术中的应用。
注入后，注入离子在材料内部的浓度分布类似Pearson IV分布，峰值深度受注入能量控制，浓度受注入剂量控制。由于注入离子的皮尔逊IV分布，唯一能够同时测量峰值浓度、峰值深度和剂量的计量方法是次级离子质谱(SIMS)。通过向下溅射穿过材料，可以测量注入原子的深度轮廓，给出注入离子分布的形状、振幅和深度的完整外观。
图2显示了使用TRIM/ srm蒙特卡罗模拟植入硼在硅中的分布。
图2。利用TRIM/ slim， (a)离子注入的蒙特卡罗模拟，(b)注入硼原子在硅中的分布。
离子植入计量挑战
离子注入是一个非常复杂的过程，有许多参数和因素会影响离子注入的性能。例如，光刻胶开口高展径比带来的阴影效应、植入体角度变化带来的离子通道或去通道效应、剂量和植入体能量精度都是实现均匀器件性能和良好产品收率的重要因素。此外，目前的工艺控制是在测试晶圆上以一定的时间间隔进行的，其中破碎的样品片被送到晶圆厂外进行SIMS分析。周转时间一般较长，结果往往不能反映实际生产情况。众所周知，在某些情况下，虽然控制图处于良好状态，但产品未能满足其规格。对一致性植入材料的需求越来越重要。因此，迫切需要更好的种植过程控制。
Nova的METRION是一款300毫米晶圆级直列SIMS计量系统，旨在与自动化大批量制造(HVM)晶圆厂环境无缝集成。这是一款全自动配方驱动的计量工具，利用磁扇形质量分析仪提供高质量的动态SIMS深度剖面。它有一个O2离子源，光束能量范围从低到中高，适用于各种应用。由于METRION®利用低压二次离子提取场，可以在产品晶圆上的50um x 50um计量垫内实现稳定和可重复的测量。通过多个并行探测器，METRION®可以通过整个薄膜堆栈同时测量多个物种，提供能够实现更高深度分辨率的高数据密度。
内置薄膜分析和配方管理的过程自动化使系统易于使用，缩短了获取数据的时间。
B-implant应用程序
硼是半导体中最常见的注入物之一。它比硅少一个价电子，在植入后，形成p型半导体。如图1所示，硼植入体被广泛应用于逻辑和存储空间的所有类型的设备中。
图3。在能量分别为5,10,20和30keV的Si晶圆中植入1e+15剂量B的METRION vs Lab SIMS结果。
图3比较了METRION和实验室设备之间的各种B-implant SIMS配置文件。可以看到，METRION的硼浓度与深度曲线与实验室模拟实验的结果非常吻合。凭借完整的晶圆测量功能，可以轻松地从晶圆上多个位置的测量中生成晶圆图，从而实现晶圆均匀性过程控制图。
图4显示了10keV注入B样品的硼峰值浓度在晶圆上变化的晶圆图示例。
图4。B峰浓度硅片图，10keV植入。
作为HVM计量工具，测量精度是一项重要的计量指标。在图5中，在相邻位置作为重复性测试代理进行测量的五个剖面被叠加在一起。可以看到，所有的配置文件彼此匹配得非常好，证明了METRION SIMS测量的稳定性。对于大多数植入剂，通常可以达到<2%的相对标准偏差(RSD)。
图5。叠加5倍重复B-implant剖面
总结
Nova的METRION系统是为Fab环境设计的创新SIMS平台，无缝集成到自动化工厂工作流程中。该系统旨在为逻辑和存储设备的过程控制提供基于晶圆的高精度测量结果，如离子植入应用所示。这使得离子植入工艺参数的统计过程控制(SPC)成为可能，并提供与电气性能相关的在线数据。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
留下回复