1. Úvod
Implantácia iónov je jedným z hlavných procesov vo výrobe integrovaných obvodov. Vzťahuje sa na proces zrýchlenia iónového lúča na určitú energiu (zvyčajne v rozsahu keV až MeV) a jeho následné vstreknutie do povrchu pevného materiálu, aby sa zmenili fyzikálne vlastnosti povrchu materiálu. V procese integrovaného obvodu je pevným materiálom zvyčajne kremík a implantované ióny nečistôt sú zvyčajne ióny bóru, ióny fosforu, ióny arzénu, ióny india, ióny germánia atď. Implantované ióny môžu zmeniť vodivosť povrchu pevnej látky materiálu alebo tvoria PN prechod. Keď sa veľkosť funkcií integrovaných obvodov znížila na submikrónovú éru, proces iónovej implantácie sa široko používal.
V procese výroby integrovaného obvodu sa implantácia iónov zvyčajne používa pre hlboko uložené vrstvy, reverzne dopované jamky, úpravu prahového napätia, implantáciu rozšírenia zdroja a odtoku, implantáciu zdroja a odtoku, dopovanie polysilikónovej brány, vytváranie PN prechodov a rezistorov/kondenzátorov atď. V procese prípravy kremíkových substrátových materiálov na izolátoroch sa vrstva oxidu v zemi tvorí hlavne implantáciou kyslíkových iónov s vysokou koncentráciou alebo sa inteligentné rezanie dosiahne implantáciou vodíkových iónov s vysokou koncentráciou.
Implantáciu iónov vykonáva iónový implantátor a jej najdôležitejšie parametre procesu sú dávka a energia: dávka určuje konečnú koncentráciu a energia určuje rozsah (tj hĺbku) iónov. Podľa rôznych požiadaviek na dizajn zariadenia sa podmienky implantácie delia na vysokoenergetickú, strednú dávku, strednú dávku, nízkoenergetickú alebo vysokodávkovú nízkoenergetickú. Na dosiahnutie ideálneho efektu implantácie by mali byť rôzne implantátory vybavené pre rôzne požiadavky procesu.
Po implantácii iónov je vo všeobecnosti potrebné podstúpiť proces vysokoteplotného žíhania, aby sa opravilo poškodenie mriežky spôsobené implantáciou iónov a aktivovali sa ióny nečistôt. V tradičných procesoch integrovaných obvodov má síce teplota žíhania veľký vplyv na doping, ale teplota samotného procesu implantácie iónov nie je dôležitá. V technologických uzloch pod 14 nm je potrebné vykonať určité procesy implantácie iónov v prostredí s nízkou alebo vysokou teplotou, aby sa zmenili účinky poškodenia mriežky atď.
2. proces implantácie iónov
2.1 Základné princípy
Iónová implantácia je dopingový proces vyvinutý v 60. rokoch minulého storočia, ktorý je vo väčšine aspektov lepší ako tradičné difúzne techniky.
Hlavné rozdiely medzi iónovým implantačným dopingom a tradičným difúznym dopingom sú nasledovné:
(1) Distribúcia koncentrácie nečistôt v dopovanej oblasti je odlišná. Najvyššia koncentrácia nečistôt pri implantácii iónov sa nachádza vo vnútri kryštálu, zatiaľ čo najvyššia koncentrácia nečistôt z difúzie sa nachádza na povrchu kryštálu.
(2) Implantácia iónov je proces vykonávaný pri izbovej teplote alebo dokonca nízkej teplote a výrobný čas je krátky. Difúzny doping si vyžaduje dlhšie ošetrenie pri vysokej teplote.
(3) Implantácia iónov umožňuje flexibilnejší a presnejší výber implantovaných prvkov.
(4) Keďže nečistoty sú ovplyvnené tepelnou difúziou, tvar vlny vytvorený implantáciou iónov do kryštálu je lepší ako tvar vlny vytvorený difúziou v kryštáli.
(5) Iónová implantácia zvyčajne používa len fotorezist ako materiál masky, ale difúzne dopovanie vyžaduje rast alebo ukladanie filmu určitej hrúbky ako masky.
(6) Implantácia iónov v podstate nahradila difúziu a stala sa dnes hlavným dopingovým procesom pri výrobe integrovaných obvodov.
Keď dopadajúci iónový lúč s určitou energiou bombarduje pevný cieľ (zvyčajne plátok), ióny a atómy na povrchu cieľa podstúpia rôzne interakcie a určitým spôsobom prenesú energiu na cieľové atómy, aby sa excitovali alebo ionizovali. ich. Ióny môžu tiež stratiť určité množstvo energie prenosom hybnosti a nakoniec byť rozptýlené cieľovými atómami alebo sa zastaviť v cieľovom materiáli. Ak sú vstreknuté ióny ťažšie, väčšina iónov sa vstrekne do pevného terča. Naopak, ak sú injektované ióny ľahšie, mnohé z injektovaných iónov sa odrazia od cieľového povrchu. V zásade sa tieto vysokoenergetické ióny vstreknuté do terča v rôznej miere zrazia s atómami mriežky a elektrónmi v pevnom cieli. Spomedzi nich možno zrážku medzi iónmi a pevnými cieľovými atómami považovať za elastickú zrážku, pretože majú blízko k hmotnosti.
2.2 Hlavné parametre implantácie iónov
Iónová implantácia je flexibilný proces, ktorý musí spĺňať prísne požiadavky na dizajn a výrobu čipu. Dôležité parametre implantácie iónov sú: dávka, rozsah.
Dávka (D) sa vzťahuje na počet iónov vstreknutých na jednotku plochy povrchu kremíkového plátku v atómoch na štvorcový centimeter (alebo iónov na štvorcový centimeter). D možno vypočítať podľa nasledujúceho vzorca:
kde D je implantačná dávka (počet iónov/jednotka plochy); t je čas implantácie; I je prúd lúča; q je náboj prenášaný iónom (jeden náboj je 1,6 x 1019C[1]); a S je oblasť implantácie.
Jedným z hlavných dôvodov, prečo sa implantácia iónov stala dôležitou technológiou pri výrobe kremíkových plátkov, je to, že dokáže opakovane implantovať rovnakú dávku nečistôt do kremíkových plátkov. Implantátor dosahuje tento cieľ pomocou kladného náboja iónov. Keď kladné ióny nečistôt tvoria iónový lúč, jeho prietok sa nazýva prúd iónového lúča, ktorý sa meria v mA. Rozsah stredných a nízkych prúdov je 0,1 až 10 mA a rozsah vysokých prúdov je 10 až 25 mA.
Veľkosť prúdu iónového lúča je kľúčovou premennou pri definovaní dávky. Ak sa prúd zvyšuje, zvyšuje sa aj počet atómov nečistôt implantovaných za jednotku času. Vysoký prúd prispieva k zvýšeniu výťažku kremíkových plátkov (vstrekovanie väčšieho množstva iónov za jednotku času výroby), ale tiež spôsobuje problémy s rovnomernosťou.
3. zariadenie na implantáciu iónov
3.1 Základná štruktúra
Zariadenie na iónovú implantáciu obsahuje 7 základných modulov:
① iónový zdroj a absorbér;
② hmotnostný analyzátor (tj analytický magnet);
③ urýchľovacia trubica;
④ skenovanie disku;
⑤ elektrostatický neutralizačný systém;
⑥ procesná komora;
⑦ systém kontroly dávky.
AVšetky moduly sú vo vákuovom prostredí vytvorenom vákuovým systémom. Základná štrukturálna schéma iónového implantátora je znázornená na obrázku nižšie.
(1)Zdroj iónov:
Zvyčajne v rovnakej vákuovej komore ako sacia elektróda. Nečistoty, ktoré čakajú na vstreknutie, musia existovať v iónovom stave, aby ich elektrické pole ovládalo a urýchľovalo. Ionizáciou atómov alebo molekúl sa získavajú najčastejšie B+, P+, As+ atď.
Použité zdroje nečistôt sú BF3, PH3 a AsH3 atď. a ich štruktúry sú znázornené na obrázku nižšie. Elektróny uvoľnené vláknom sa zrážajú s atómami plynu za vzniku iónov. Elektróny sú zvyčajne generované zdrojom horúceho volfrámového vlákna. Napríklad Bernersov iónový zdroj, katódové vlákno je inštalované v oblúkovej komore s prívodom plynu. Vnútorná stena oblúkovej komory je anóda.
Keď sa zavedie zdroj plynu, vláknom prechádza veľký prúd a medzi kladnú a zápornú elektródu sa privedie napätie 100 V, čo vytvorí okolo vlákna elektróny s vysokou energiou. Po zrážke vysokoenergetických elektrónov s molekulami zdrojového plynu vznikajú kladné ióny.
Vonkajší magnet aplikuje magnetické pole paralelne s vláknom na zvýšenie ionizácie a stabilizáciu plazmy. V oblúkovej komore je na druhom konci vzhľadom na vlákno negatívne nabitý reflektor, ktorý odráža elektróny späť, aby sa zlepšila tvorba a účinnosť elektrónov.
(2)Absorpcia:
Používa sa na zhromažďovanie kladných iónov generovaných v oblúkovej komore iónového zdroja a ich formovanie do iónového lúča. Keďže oblúková komora je anóda a katóda je na sacej elektróde pod tlakom, generované elektrické pole riadi kladné ióny, čo spôsobuje, že sa pohybujú smerom k sacej elektróde a sú vyťahované z iónovej štrbiny, ako je znázornené na obrázku nižšie. . Čím väčšia je intenzita elektrického poľa, tým väčšiu kinetickú energiu získajú ióny po zrýchlení. Na sacej elektróde je tiež odrušovacie napätie, aby sa zabránilo interferencii elektrónov v plazme. Súčasne môže supresívna elektróda formovať ióny do iónového lúča a zaostrovať ich do paralelného prúdu iónového lúča tak, aby prechádzal cez implantátor.
(3)Hmotnostný analyzátor:
Z iónového zdroja môže byť generovaných mnoho druhov iónov. Pri zrýchlení anódového napätia sa ióny pohybujú vysokou rýchlosťou. Rôzne ióny majú rôzne jednotky atómovej hmotnosti a rôzne pomery hmotnosti k náboju.
(4)Rúrka urýchľovača:
Na dosiahnutie vyššej rýchlosti je potrebná vyššia energia. Okrem elektrického poľa poskytovaného anódou a hmotnostným analyzátorom je na zrýchlenie potrebné aj elektrické pole poskytované v urýchľovacej trubici. Urýchľovacia trubica pozostáva zo série elektród izolovaných dielektrikom a záporné napätie na elektródach sa postupne zvyšuje prostredníctvom sériového zapojenia. Čím vyššie je celkové napätie, tým väčšiu rýchlosť získajú ióny, to znamená, že tým väčšia je prenášaná energia. Vysoká energia môže umožniť, aby ióny nečistôt boli vstreknuté hlboko do kremíkového plátku, aby vytvorili hlboké spojenie, zatiaľ čo nízka energia môže byť použitá na vytvorenie plytkého spojenia.
(5)Skenovanie disku
Fokusovaný iónový lúč má zvyčajne veľmi malý priemer. Priemer bodu lúča implantátora so stredným lúčovým prúdom je asi 1 cm a priemer implantátora s veľkým lúčovým prúdom je asi 3 cm. Celý kremíkový plátok musí byť pokrytý skenovaním. Opakovateľnosť implantácie dávky sa určuje skenovaním. Zvyčajne existujú štyri typy systémov skenovania implantátorov:
① elektrostatické skenovanie;
② mechanické skenovanie;
③ hybridné skenovanie;
④ paralelné skenovanie.
(6)Systém neutralizácie statickej elektriny:
Počas procesu implantácie narazí iónový lúč na kremíkový plátok a spôsobí nahromadenie náboja na povrchu masky. Výsledná akumulácia náboja mení rovnováhu náboja v iónovom lúči, čím sa bod lúča zväčšuje a distribúcia dávky je nerovnomerná. Môže dokonca preraziť povrchovú oxidovú vrstvu a spôsobiť poruchu zariadenia. Teraz sú kremíkový plátok a iónový lúč zvyčajne umiestnené v stabilnom prostredí s vysokou hustotou plazmy nazývanom plazmový elektrónový sprchový systém, ktorý môže riadiť nabíjanie kremíkového plátku. Táto metóda extrahuje elektróny z plazmy (zvyčajne argón alebo xenón) v oblúkovej komore umiestnenej v dráhe iónového lúča a blízko kremíkového plátku. Plazma je filtrovaná a na povrch kremíkového plátku sa môžu dostať iba sekundárne elektróny, aby neutralizovali kladný náboj.
(7)Procesná dutina:
Injekcia iónových lúčov do kremíkových plátkov prebieha v procesnej komore. Procesná komora je dôležitou súčasťou implantátora vrátane skenovacieho systému, koncovej stanice s vákuovým uzáverom na nakladanie a odoberanie kremíkových plátkov, systému na prenos kremíkových plátkov a počítačového riadiaceho systému. Okrem toho existujú niektoré zariadenia na monitorovanie dávok a kontrolu kanálových účinkov. Ak sa použije mechanické skenovanie, koncová stanica bude relatívne veľká. Vákuum v procesnej komore sa čerpá na spodný tlak požadovaný procesom viacstupňovým mechanickým čerpadlom, turbomolekulárnym čerpadlom a kondenzačným čerpadlom, ktoré je všeobecne asi 1 x 10-6 Torr alebo menej.
(8)Systém kontroly dávkovania:
Monitorovanie dávky v reálnom čase v iónovom implantátore sa vykonáva meraním iónového lúča dosahujúceho kremíkový plátok. Prúd iónového lúča sa meria pomocou senzora nazývaného Faradayov pohár. V jednoduchom Faradayovom systéme je v dráhe iónového lúča snímač prúdu, ktorý meria prúd. To však predstavuje problém, pretože iónový lúč reaguje so senzorom a vytvára sekundárne elektróny, ktoré budú mať za následok chybné údaje o prúde. Faradayov systém môže potlačiť sekundárne elektróny pomocou elektrických alebo magnetických polí, aby sa získal skutočný údaj o prúde lúča. Prúd meraný systémom Faraday sa privádza do elektronického regulátora dávky, ktorý funguje ako akumulátor prúdu (ktorý nepretržite akumuluje nameraný prúd lúča). Regulátor sa používa na priradenie celkového prúdu k zodpovedajúcemu času implantácie a výpočet času potrebného na určitú dávku.
3.2 Oprava poškodenia
Implantácia iónov vyrazí atómy z mriežkovej štruktúry a poškodí mriežku kremíkového plátku. Ak je implantovaná dávka veľká, implantovaná vrstva sa stane amorfnou. Okrem toho implantované ióny v podstate neobsadzujú mriežkové body kremíka, ale zostávajú v pozíciách mriežkovej medzery. Tieto intersticiálne nečistoty je možné aktivovať až po procese žíhania pri vysokej teplote.
Žíhanie môže zahriať implantovaný kremíkový plátok na opravu defektov mriežky; môže tiež presunúť atómy nečistôt do bodov mriežky a aktivovať ich. Teplota potrebná na opravu defektov mriežky je asi 500 °C a teplota potrebná na aktiváciu atómov nečistôt je asi 950 °C. Aktivácia nečistôt súvisí s časom a teplotou: čím dlhší čas a čím vyššia je teplota, tým viac sa nečistoty aktivujú. Existujú dva základné spôsoby žíhania kremíkových plátkov:
① žíhanie v peci pri vysokej teplote;
② rýchle tepelné žíhanie (RTA).
Žíhanie v peci pri vysokej teplote: Žíhanie v peci pri vysokej teplote je tradičná metóda žíhania, ktorá využíva vysokoteplotnú pec na zahriatie kremíkového plátku na 800-1000 ℃ a jeho udržiavanie 30 minút. Pri tejto teplote sa atómy kremíka pohybujú späť do polohy mriežky a atómy nečistôt môžu tiež nahradiť atómy kremíka a vstúpiť do mriežky. Tepelné spracovanie pri takejto teplote a čase však povedie k difúzii nečistôt, čo je niečo, čo moderný priemysel výroby IC nechce vidieť.
Rýchle tepelné žíhanie: Rýchle tepelné žíhanie (RTA) spracováva kremíkové doštičky s extrémne rýchlym nárastom teploty a krátkym trvaním pri cieľovej teplote (zvyčajne 1000 °C). Žíhanie implantovaných kremíkových plátkov sa zvyčajne vykonáva v rýchlom tepelnom procesore s Ar alebo N2. Rýchly proces zvyšovania teploty a krátke trvanie môže optimalizovať opravu defektov mriežky, aktiváciu nečistôt a inhibíciu difúzie nečistôt. RTA môže tiež znížiť prechodnú zvýšenú difúziu a je najlepším spôsobom kontroly hĺbky spojenia v implantátoch s plytkým spojením.
——————————————————————————————————————————————————— ————————————-
Semicera môže poskytnúťgrafitové časti, mäkká/tuhá plsť, diely z karbidu kremíka, CVD diely z karbidu kremíka, aDiely potiahnuté SiC/TaCs do 30 dní.
Ak máte záujem o vyššie uvedené polovodičové produkty,prosím, neváhajte nás kontaktovať prvýkrát.
Tel: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Čas odoslania: 31. augusta 2024