1. Uvod
Ionska implantacija je jedan od glavnih procesa u proizvodnji integriranih kola. Odnosi se na proces ubrzanja snopa jona do određene energije (obično u rasponu od keV do MeV) i zatim ubrizgavanja u površinu čvrstog materijala kako bi se promijenila fizička svojstva površine materijala. U procesu integriranog kola, čvrsti materijal je obično silicijum, a implantirani ioni nečistoće su obično ioni bora, fosforni ioni, joni arsena, indijevi ioni, ioni germanija, itd. Implantirani ioni mogu promijeniti provodljivost površine čvrste tvari. materijala ili formiraju PN spoj. Kada je veličina karakteristika integrisanih kola smanjena na submikronsku eru, proces ionske implantacije je bio naširoko korišćen.
U procesu proizvodnje integriranog kola, ionska implantacija se obično koristi za duboko ukopane slojeve, reverzno dopirane bunare, podešavanje praga napona, implantaciju proširenja izvora i drena, implantaciju izvora i drena, dopiranje polisilikonskih kapija, formiranje PN spojeva i otpornika/kondenzatora, itd. U procesu pripreme silicijumskih supstratnih materijala na izolatorima, ukopani oksidni sloj se uglavnom formirana implantacijom iona kiseonika visoke koncentracije, ili inteligentno sečenje se postiže implantacijom jona vodonika visoke koncentracije.
Implantaciju jona izvodi ionski implantator, a njegovi najvažniji parametri procesa su doza i energija: doza određuje konačnu koncentraciju, a energija određuje raspon (tj. dubinu) jona. Prema različitim zahtjevima dizajna uređaja, uvjeti implantacije se dijele na visoke doze visoke energije, srednje doze srednje energije, srednje doze niske energije ili visoke doze niske energije. Da bi se postigao idealan efekat implantacije, različiti implantatori bi trebali biti opremljeni za različite zahtjeve procesa.
Nakon ionske implantacije, općenito je potrebno podvrgnuti visokotemperaturnom procesu žarenja kako bi se popravilo oštećenje rešetke uzrokovano implantacijom jona i aktivirali nečistoće iona. U tradicionalnim procesima integriranih kola, iako temperatura žarenja ima veliki utjecaj na doping, temperatura samog procesa ionske implantacije nije važna. Na tehnološkim čvorovima ispod 14nm, određeni procesi ionske implantacije moraju se izvoditi u okruženjima niske ili visoke temperature kako bi se promijenili efekti oštećenja rešetke, itd.
2. proces ionske implantacije
2.1 Osnovni principi
Ionska implantacija je proces dopinga razvijen 1960-ih koji je u većini aspekata superiorniji od tradicionalnih tehnika difuzije.
Glavne razlike između dopinga ionskom implantacijom i tradicionalnog difuzijskog dopinga su sljedeće:
(1) Raspodjela koncentracije nečistoća u dopiranom području je različita. Maksimalna koncentracija nečistoća pri implantaciji jona nalazi se unutar kristala, dok se vršna koncentracija nečistoća difuzije nalazi na površini kristala.
(2) Ionska implantacija je proces koji se izvodi na sobnoj ili čak niskoj temperaturi, a vrijeme proizvodnje je kratko. Difuzijsko dopiranje zahtijeva duži tretman na visokim temperaturama.
(3) Ionska implantacija omogućava fleksibilniji i precizniji odabir implantiranih elemenata.
(4) Pošto na nečistoće utiče termička difuzija, talasni oblik formiran implantacijom jona u kristal je bolji od talasnog oblika formiranog difuzijom u kristalu.
(5) Ionska implantacija obično koristi samo fotorezist kao materijal maske, ali difuzijsko dopiranje zahtijeva rast ili taloženje filma određene debljine kao maske.
(6) Ionska implantacija je u osnovi zamijenila difuziju i postala glavni doping proces u proizvodnji integriranih kola danas.
Kada upadni snop jona s određenom energijom bombardira čvrstu metu (obično pločicu), ioni i atomi na površini mete će proći kroz različite interakcije i prenijeti energiju ciljnim atomima na određeni način kako bi se pobudili ili ionizirali. njima. Joni također mogu izgubiti određenu količinu energije putem prijenosa momenta i konačno biti raspršeni od strane ciljnih atoma ili se zaustaviti u ciljnom materijalu. Ako su ubrizgani joni teži, većina iona će biti ubrizgana u čvrstu metu. Naprotiv, ako su ubrizgani joni lakši, mnogi od ubrizganih jona će se odbiti od ciljne površine. U osnovi, ovi visokoenergetski joni ubrizgani u metu će se sudariti sa atomima rešetke i elektronima u čvrstoj meti u različitom stepenu. Među njima, sudar između jona i čvrstih ciljnih atoma može se smatrati elastičnim sudarom jer su po masi bliske.
2.2 Glavni parametri ionske implantacije
Ionska implantacija je fleksibilan proces koji mora zadovoljiti stroge zahtjeve dizajna i proizvodnje čipova. Važni parametri ionske implantacije su: doza, opseg.
Doza (D) se odnosi na broj ubrizganih jona po jedinici površine površine silicijumske pločice, u atomima po kvadratnom centimetru (ili jonima po kvadratnom centimetru). D se može izračunati po sljedećoj formuli:
gdje je D doza implantacije (broj jona/jedinična površina); t je vrijeme implantacije; I je struja snopa; q je naelektrisanje koje nosi jon (jedno punjenje je 1,6×1019C[1]); i S je područje implantacije.
Jedan od glavnih razloga zašto je ionska implantacija postala važna tehnologija u proizvodnji silikonskih pločica je taj što se može više puta implantirati ista doza nečistoća u silikonske pločice. Implantator ovaj cilj postiže uz pomoć pozitivnog naboja jona. Kada pozitivni ioni nečistoća formiraju snop jona, njegov protok se naziva struja jonskog snopa, koja se mjeri u mA. Raspon srednjih i malih struja je od 0,1 do 10 mA, a raspon velikih struja je 10 do 25 mA.
Veličina struje jonskog snopa je ključna varijabla u definiranju doze. Ako se struja poveća, povećava se i broj atoma nečistoća implantiranih u jedinici vremena. Visoka struja pogoduje povećanju prinosa silicijumske pločice (ubrizgavanje više jona po jedinici vremena proizvodnje), ali takođe uzrokuje probleme ujednačenosti.
3. oprema za ionsku implantaciju
3.1 Osnovna struktura
Oprema za ionsku implantaciju uključuje 7 osnovnih modula:
① izvor jona i apsorber;
② analizator mase (tj. analitički magnet);
③ cijev za ubrzavanje;
④ disk za skeniranje;
⑤ sistem elektrostatičke neutralizacije;
⑥ procesna komora;
⑦ sistem kontrole doze.
ASvi moduli su u vakuumskom okruženju koje uspostavlja vakuum sistem. Osnovni strukturni dijagram ionskog implantatora prikazan je na donjoj slici.
(1)Izvor jona:
Obično u istoj vakuumskoj komori kao i usisna elektroda. Nečistoće koje čekaju da budu ubrizgane moraju postojati u ionskom stanju kako bi bile kontrolirane i ubrzane električnim poljem. Najčešće korišćeni B+, P+, As+ itd. dobijaju se jonizacijom atoma ili molekula.
Korišteni izvori nečistoća su BF3, PH3 i AsH3, itd., a njihove strukture su prikazane na donjoj slici. Elektroni koje oslobađa filament sudaraju se s atomima plina i stvaraju ione. Elektrone obično stvara izvor vruće volframove niti. Na primjer, kod Bernersovog izvora jona, katodna nit je ugrađena u lučnu komoru s ulazom za plin. Unutrašnji zid lučne komore je anoda.
Kada se uvede izvor plina, velika struja prolazi kroz filament, a napon od 100 V se primjenjuje između pozitivne i negativne elektrode, što će generirati elektrone visoke energije oko filamenta. Pozitivni ioni nastaju nakon što se elektroni visoke energije sudare s izvornim molekulama plina.
Vanjski magnet primjenjuje magnetsko polje paralelno sa filamentom kako bi povećao jonizaciju i stabilizirao plazmu. U lučnoj komori, na drugom kraju u odnosu na filament, nalazi se negativno nabijeni reflektor koji reflektira elektrone natrag kako bi se poboljšalo stvaranje i efikasnost elektrona.
(2)Apsorpcija:
Koristi se za prikupljanje pozitivnih jona nastalih u lučnoj komori izvora jona i njihovo formiranje u snop jona. Budući da je lučna komora anoda, a katoda je pod negativnim tlakom na usisnoj elektrodi, generirano električno polje kontrolira pozitivne ione, uzrokujući da se kreću prema usisnoj elektrodi i izvlače iz ionskog proreza, kao što je prikazano na donjoj slici. . Što je jačina električnog polja veća, to je veća kinetička energija koju ioni dobijaju nakon ubrzanja. Na usisnoj elektrodi postoji i supresioni napon kako bi se spriječile smetnje od elektrona u plazmi. U isto vrijeme, supresiona elektroda može formirati ione u snop jona i fokusirati ih u paralelni tok snopa jona tako da prođe kroz implantator.
(3)Analizator mase:
Može postojati mnogo vrsta jona nastalih iz izvora jona. Pod ubrzanjem anodnog napona, joni se kreću velikom brzinom. Različiti ioni imaju različite jedinice atomske mase i različite omjere mase i naboja.
(4)Cijev akceleratora:
Da bi se postigla veća brzina, potrebna je veća energija. Osim električnog polja koje osigurava anodni i maseni analizator, za ubrzanje je potrebno i električno polje u cijevi akceleratora. Cijev akceleratora se sastoji od niza elektroda izoliranih dielektrikom, a negativni napon na elektrodama se uzastopno povećava kroz serijsku vezu. Što je veći ukupni napon, veća je brzina koju dobijaju joni, odnosno veća je energija koju prenose. Visoka energija može omogućiti da se ioni nečistoća ubrizgaju duboko u silicijumsku ploču kako bi se formirao duboki spoj, dok se niska energija može koristiti za stvaranje plitkog spoja.
(5)Skeniranje diska
Fokusirani snop jona je obično vrlo malog prečnika. Prečnik tačke snopa kod implantatora srednje struje snopa je oko 1 cm, a kod implantatora velike struje snopa je oko 3 cm. Cijela silikonska pločica mora biti pokrivena skeniranjem. Ponovljivost implantacije doze utvrđuje se skeniranjem. Obično postoje četiri tipa sistema za skeniranje implantata:
① elektrostatičko skeniranje;
② mehaničko skeniranje;
③ hibridno skeniranje;
④ paralelno skeniranje.
(6)Sistem neutralizacije statičkog elektriciteta:
Tokom procesa implantacije, snop jona pogađa silikonsku pločicu i uzrokuje nakupljanje naboja na površini maske. Rezultirajuća akumulacija naboja mijenja ravnotežu naboja u jonskom snopu, čineći točku snopa većom i raspodjelu doze neujednačenom. Može čak probiti površinski sloj oksida i uzrokovati kvar uređaja. Sada se silicijumska ploča i jonski snop obično postavljaju u stabilno okruženje plazme visoke gustine koje se naziva plazma elektronski tuš sistem, koji može da kontroliše punjenje silicijumske pločice. Ova metoda izdvaja elektrone iz plazme (obično argona ili ksenona) u lučnoj komori koja se nalazi na putu jonskog snopa i blizu silikonske pločice. Plazma je filtrirana i samo sekundarni elektroni mogu doći do površine silikonske pločice kako bi neutralizirali pozitivan naboj.
(7)Procesna šupljina:
Injektiranje snopa jona u silikonske pločice se dešava u procesnoj komori. Procesna komora je važan deo implantatora, uključujući sistem za skeniranje, terminalnu stanicu sa vakuum bravom za utovar i istovar silicijumskih pločica, sistem za prenos silicijumskih pločica i kompjuterski kontrolni sistem. Osim toga, postoje neki uređaji za praćenje doza i kontrolu efekata kanala. Ako se koristi mehaničko skeniranje, terminalna stanica će biti relativno velika. Višestepena mehanička pumpa, turbomolekularna pumpa i kondenzaciona pumpa pumpa vakum procesne komore do donjeg pritiska koji je potreban za proces, što je obično oko 1×10-6Torr ili manje.
(8)Sistem kontrole doziranja:
Praćenje doze u realnom vremenu u ionskom implantatoru postiže se mjerenjem snopa jona koji stiže do silikonske pločice. Struja jonskog snopa se mjeri pomoću senzora koji se zove Faraday cup. U jednostavnom Faradejevom sistemu, na putu jonskog snopa postoji senzor struje koji mjeri struju. Međutim, ovo predstavlja problem, jer snop jona reaguje sa senzorom i proizvodi sekundarne elektrone koji će rezultirati pogrešnim očitanjima struje. Faradayev sistem može potisnuti sekundarne elektrone koristeći električna ili magnetna polja da bi dobio pravo očitavanje struje snopa. Struja mjerena Faradayjevim sistemom se dovodi u elektronski regulator doze, koji djeluje kao akumulator struje (koji kontinuirano akumulira izmjerenu struju snopa). Kontroler se koristi za povezivanje ukupne struje sa odgovarajućim vremenom implantacije i izračunavanje vremena potrebnog za određenu dozu.
3.2 Popravka oštećenja
Ionska implantacija će izbaciti atome iz strukture rešetke i oštetiti rešetku silicijumske pločice. Ako je implantirana doza velika, implantirani sloj će postati amorfan. Osim toga, implantirani ioni u osnovi ne zauzimaju rešetkaste tačke silicijuma, već ostaju u pozicijama zazora rešetke. Ove intersticijske nečistoće mogu se aktivirati samo nakon procesa žarenja na visokoj temperaturi.
Žarenje može zagrijati implantiranu silikonsku pločicu kako bi se popravili defekti rešetke; takođe može pomeriti atome nečistoće do tačaka rešetke i aktivirati ih. Temperatura potrebna da se poprave defekti rešetke je oko 500°C, a temperatura potrebna za aktiviranje atoma nečistoća je oko 950°C. Aktivacija nečistoća povezana je s vremenom i temperaturom: što je duže vrijeme i što je temperatura viša, nečistoće se potpunije aktiviraju. Postoje dvije osnovne metode za žarenje silikonskih pločica:
① visokotemperaturno žarenje peći;
② brzo termičko žarenje (RTA).
Žarenje u visokotemperaturnoj peći: Visokotemperaturno žarenje u peći je tradicionalna metoda žarenja, koja koristi visokotemperaturnu peć za zagrijavanje silikonske pločice na 800-1000 ℃ i zadržavanje 30 minuta. Na ovoj temperaturi, atomi silicija se vraćaju u položaj rešetke, a atomi nečistoće također mogu zamijeniti atome silicija i ući u rešetku. Međutim, termička obrada na takvoj temperaturi i vremenu će dovesti do difuzije nečistoća, što je nešto što moderna proizvodna industrija IC ne želi da vidi.
Brzo termičko žarenje: Brzo termičko žarenje (RTA) tretira silikonske pločice s izuzetno brzim porastom temperature i kratkim trajanjem na ciljnoj temperaturi (obično 1000°C). Žarenje implantiranih silicijumskih pločica se obično izvodi u brzom termičkom procesoru sa Ar ili N2. Brzi proces porasta temperature i kratko trajanje mogu optimizirati popravak defekata rešetke, aktivaciju nečistoća i inhibiciju difuzije nečistoća. RTA također može smanjiti prolaznu poboljšanu difuziju i najbolji je način za kontrolu dubine spoja u implantatima s plitkim spojem.
—————————————————————————————————————————————————— ————————————
Semicera može pružitigrafitnih dijelova, mekani/čvrsti filc, dijelovi od silicijum karbida, CVD dijelovi od silicijum karbida, iDijelovi obloženi SiC/TaCsa za 30 dana.
Ako ste zainteresovani za gore navedene poluprovodničke proizvode,molimo ne ustručavajte se kontaktirati nas prvi put.
Tel: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Vrijeme objave: 31.08.2024