1. Úvod
Iontová implantace je jedním z hlavních procesů při výrobě integrovaných obvodů. Týká se procesu urychlení iontového paprsku na určitou energii (obecně v rozsahu keV až MeV) a následného vstřikování do povrchu pevného materiálu, aby se změnily fyzikální vlastnosti povrchu materiálu. V procesu integrovaného obvodu je pevným materiálem obvykle křemík a implantovanými ionty nečistot jsou obvykle ionty boru, ionty fosforu, ionty arsenu, ionty india, ionty germania atd. Implantované ionty mohou změnit vodivost povrchu pevné látky. materiálu nebo tvoří PN přechod. Když byla velikost vlastností integrovaných obvodů redukována na submikronové éry, byl široce používán proces iontové implantace.
V procesu výroby integrovaných obvodů se implantace iontů obvykle používá pro hluboko uložené vrstvy, reverzně dopované jímky, úpravu prahového napětí, implantaci rozšíření zdroje a drenáže, implantaci zdroje a drenáže, dopování polysilikonového hradla, vytváření PN přechodů a rezistorů/kondenzátorů atd. V procesu přípravy materiálů křemíkového substrátu na izolátorech je vrstva oxidu ukrytá převážně tvořena implantací iontů kyslíku s vysokou koncentrací, nebo se inteligentního řezání dosahuje pomocí vodíku s vysokou koncentrací iontová implantace.
Iontovou implantaci provádí iontový implantátor a její nejdůležitější parametry procesu jsou dávka a energie: dávka určuje konečnou koncentraci a energie určuje rozsah (tj. hloubku) iontů. Podle různých požadavků na konstrukci zařízení se podmínky implantace dělí na vysokou dávku vysokoenergetickou, střední dávku středně energetickou, střední dávku nízkoenergetickou nebo vysokou dávku nízkoenergetickou. Pro dosažení ideálního efektu implantace by měly být různé implantátory vybaveny pro různé procesní požadavky.
Po implantaci iontů je obecně nutné podstoupit proces vysokoteplotního žíhání, aby se napravilo poškození mřížky způsobené implantací iontů a aktivovaly se ionty nečistot. V tradičních procesech integrovaných obvodů má sice teplota žíhání velký vliv na doping, ale teplota samotného procesu implantace iontů není důležitá. V technologických uzlech pod 14nm je třeba provést určité procesy iontové implantace v prostředí s nízkou nebo vysokou teplotou, aby se změnily účinky poškození mřížky atd.
2. proces iontové implantace
2.1 Základní principy
Iontová implantace je dopingový proces vyvinutý v 60. letech 20. století, který je ve většině aspektů lepší než tradiční difúzní techniky.
Hlavní rozdíly mezi iontovým implantačním dopingem a tradičním difúzním dopingem jsou následující:
(1) Distribuce koncentrace nečistot v dopované oblasti je různá. Vrchol koncentrace nečistot iontové implantace se nachází uvnitř krystalu, zatímco vrchol koncentrace nečistot difúze je umístěn na povrchu krystalu.
(2) Iontová implantace je proces prováděný při pokojové teplotě nebo dokonce nízké teplotě a doba výroby je krátká. Difuzní doping vyžaduje delší vysokoteplotní ošetření.
(3) Iontová implantace umožňuje flexibilnější a přesnější výběr implantovaných prvků.
(4) Vzhledem k tomu, že nečistoty jsou ovlivněny tepelnou difúzí, tvar vlny vytvořený implantací iontů do krystalu je lepší než tvar vlny vytvořený difúzí v krystalu.
(5) Iontová implantace obvykle používá jako materiál masky pouze fotorezist, ale difúzní doping vyžaduje růst nebo ukládání filmu o určité tloušťce jako masky.
(6) Iontová implantace v podstatě nahradila difúzi a stala se dnes hlavním dopingovým procesem při výrobě integrovaných obvodů.
Když dopadající iontový paprsek s určitou energií bombarduje pevný cíl (obvykle plátek), ionty a atomy na povrchu cíle podstoupí řadu interakcí a určitým způsobem přenesou energii na cílové atomy, aby se excitovaly nebo ionizovaly. jim. Ionty mohou také ztratit určité množství energie přenosem hybnosti a nakonec být rozptýleny cílovými atomy nebo se zastavit v cílovém materiálu. Pokud jsou vstřikované ionty těžší, většina iontů bude vstříknuta do pevného cíle. Naopak, pokud jsou vstřikované ionty lehčí, mnoho z vstřikovaných iontů se odrazí od cílového povrchu. V zásadě se tyto vysokoenergetické ionty vstřikované do terče v různé míře srazí s atomy mřížky a elektrony v pevném terči. Mezi nimi lze srážku mezi ionty a pevnými cílovými atomy považovat za pružnou srážku, protože jsou hmotnostně blízké.
2.2 Hlavní parametry iontové implantace
Iontová implantace je flexibilní proces, který musí splňovat přísné požadavky na design a výrobu čipu. Důležité parametry iontové implantace jsou: dávka, rozsah.
Dávka (D) se týká počtu iontů injektovaných na jednotku plochy povrchu křemíkového plátku, v atomech na centimetr čtvereční (nebo iontů na centimetr čtvereční). D lze vypočítat podle následujícího vzorce:
Kde D je implantační dávka (počet iontů/jednotka plochy); t je doba implantace; I je proud paprsku; q je náboj nesený iontem (jeden náboj je 1,6×1019C[1]); a S je oblast implantace.
Jedním z hlavních důvodů, proč se iontová implantace stala důležitou technologií při výrobě křemíkových plátků, je to, že dokáže opakovaně implantovat stejnou dávku nečistot do křemíkových plátků. Implantátor tohoto cíle dosahuje pomocí kladného náboje iontů. Když kladné ionty nečistot tvoří iontový paprsek, jeho průtok se nazývá proud iontového paprsku, který se měří v mA. Rozsah středních a nízkých proudů je 0,1 až 10 mA a rozsah vysokých proudů 10 až 25 mA.
Velikost proudu iontového paprsku je klíčovou proměnnou při definování dávky. Pokud se proud zvyšuje, zvyšuje se také počet atomů nečistot implantovaných za jednotku času. Vysoký proud přispívá ke zvýšení výtěžnosti křemíkového plátku (vstřikování více iontů za jednotku výrobního času), ale také způsobuje problémy s jednotností.
3. zařízení pro implantaci iontů
3.1 Základní struktura
Zařízení pro iontovou implantaci obsahuje 7 základních modulů:
① iontový zdroj a absorbér;
② hmotnostní analyzátor (tj. analytický magnet);
③ urychlovací trubice;
④ skenování disku;
⑤ elektrostatický neutralizační systém;
⑥ procesní komora;
⑦ systém regulace dávky.
AVšechny moduly jsou ve vakuovém prostředí vytvořeném vakuovým systémem. Základní strukturální schéma iontového implantátoru je znázorněno na obrázku níže.
(1)Iontový zdroj:
Obvykle ve stejné vakuové komoře jako sací elektroda. Nečistoty čekající na vstřikování musí existovat v iontovém stavu, aby mohly být řízeny a urychlovány elektrickým polem. Nejčastěji používané B+, P+, As+ atd. se získávají ionizací atomů nebo molekul.
Použité zdroje nečistot jsou BF3, PH3 a AsH3 atd. a jejich struktury jsou znázorněny na obrázku níže. Elektrony uvolněné vláknem se srážejí s atomy plynu za vzniku iontů. Elektrony jsou obvykle generovány zdrojem horkého wolframového vlákna. Například Bernersův iontový zdroj, katodové vlákno je instalováno v obloukové komoře se vstupem plynu. Vnitřní stěna obloukové komory je anoda.
Když je zdroj plynu zaveden, prochází vláknem velký proud a mezi kladnou a zápornou elektrodou se přivede napětí 100 V, které vytvoří kolem vlákna elektrony s vysokou energií. Kladné ionty vznikají poté, co se vysokoenergetické elektrony srazí s molekulami zdrojového plynu.
Externí magnet aplikuje magnetické pole paralelně k vláknu pro zvýšení ionizace a stabilizaci plazmatu. V obloukové komoře, na druhém konci vzhledem k vláknu, je záporně nabitý reflektor, který odráží elektrony zpět, aby se zlepšila generace a účinnost elektronů.
(2)Vstřebávání:
Používá se ke sběru kladných iontů generovaných v obloukové komoře iontového zdroje a jejich formování do iontového paprsku. Vzhledem k tomu, že oblouková komora je anodou a katoda je na sací elektrodě pod tlakem, generované elektrické pole ovládá kladné ionty a způsobuje, že se pohybují směrem k sací elektrodě a jsou vytahovány z iontové štěrbiny, jak je znázorněno na obrázku níže. . Čím větší je síla elektrického pole, tím větší kinetickou energii získávají ionty po zrychlení. Na sací elektrodě je také odrušovací napětí, aby se zabránilo interferenci elektronů v plazmatu. Současně může supresivní elektroda formovat ionty do iontového paprsku a fokusovat je do paralelního proudu iontového paprsku tak, aby procházel implantátorem.
(3)Hmotnostní analyzátor:
Z iontového zdroje může vznikat mnoho druhů iontů. Při zrychlení anodového napětí se ionty pohybují vysokou rychlostí. Různé ionty mají různé atomové hmotnostní jednotky a různé poměry hmotnosti k náboji.
(4)Urychlovací trubice:
K dosažení vyšší rychlosti je zapotřebí vyšší energie. Kromě elektrického pole poskytovaného anodou a hmotnostním analyzátorem je pro zrychlení také vyžadováno elektrické pole poskytované v urychlovací trubici. Trubka urychlovače se skládá ze série elektrod izolovaných dielektrikem a záporné napětí na elektrodách se postupně zvyšuje prostřednictvím sériového zapojení. Čím vyšší je celkové napětí, tím větší rychlost získají ionty, to znamená, že tím větší je přenášená energie. Vysoká energie může umožnit vstřikování iontů nečistot hluboko do křemíkového plátku za účelem vytvoření hlubokého spojení, zatímco nízká energie může být použita k vytvoření mělkého spojení.
(5)Skenování disku
Fokusovaný iontový paprsek má obvykle velmi malý průměr. Průměr bodu paprsku u implantátoru se středním paprskovým proudem je asi 1 cm a u implantátoru s velkým paprskovým proudem je asi 3 cm. Celý křemíkový plátek musí být pokryt skenováním. Opakovatelnost implantace dávky je určena skenováním. Obvykle existují čtyři typy skenovacích systémů implantátorů:
① elektrostatické skenování;
② mechanické skenování;
③ hybridní skenování;
④ paralelní skenování.
(6)Systém neutralizace statické elektřiny:
Během procesu implantace narazí iontový paprsek na křemíkový plátek a způsobí nahromadění náboje na povrchu masky. Výsledná akumulace náboje mění rovnováhu náboje v iontovém paprsku, čímž se bod paprsku zvětšuje a rozložení dávky je nerovnoměrné. Může dokonce prorazit povrchovou oxidovou vrstvu a způsobit poruchu zařízení. Nyní jsou křemíkový plátek a iontový paprsek obvykle umístěny ve stabilním prostředí plazmatu s vysokou hustotou nazývaném plazmový systém elektronové sprchy, který může řídit nabíjení křemíkového plátku. Tato metoda extrahuje elektrony z plazmatu (obvykle argon nebo xenon) v obloukové komoře umístěné v dráze iontového paprsku a poblíž křemíkového plátku. Plazma je filtrováno a pouze sekundární elektrony mohou dosáhnout povrchu křemíkového plátku, aby neutralizovaly kladný náboj.
(7)Procesní dutina:
Vstřikování iontových paprsků do křemíkových plátků probíhá v procesní komoře. Procesní komora je důležitou součástí implantátoru, včetně snímacího systému, koncové stanice s vakuovým uzávěrem pro vkládání a vyjímání křemíkových plátků, systému přenosu křemíkových plátků a počítačového řídicího systému. Kromě toho existují některá zařízení pro monitorování dávek a řízení efektů kanálu. Při použití mechanického skenování bude koncová stanice poměrně velká. Vakuum procesní komory je čerpáno na spodní tlak požadovaný procesem vícestupňovým mechanickým čerpadlem, turbomolekulárním čerpadlem a kondenzačním čerpadlem, což je obecně asi 1 x 10-6 Torr nebo méně.
(8)Systém kontroly dávkování:
Monitorování dávky v reálném čase v iontovém implantátoru se provádí měřením iontového paprsku dosahujícího křemíkový plátek. Proud iontového paprsku se měří pomocí senzoru zvaného Faradayova miska. V jednoduchém Faradayově systému je v dráze iontového paprsku snímač proudu, který měří proud. To však představuje problém, protože iontový paprsek reaguje se senzorem a produkuje sekundární elektrony, které budou mít za následek chybné hodnoty proudu. Faradayův systém může potlačit sekundární elektrony pomocí elektrických nebo magnetických polí pro získání skutečné hodnoty proudu paprsku. Proud měřený systémem Faraday je přiváděn do elektronického regulátoru dávky, který funguje jako proudový akumulátor (který průběžně akumuluje měřený proud paprsku). Ovladač se používá ke vztažení celkového proudu k odpovídající době implantace a k výpočtu doby potřebné pro určitou dávku.
3.2 Oprava poškození
Iontová implantace vyrazí atomy z mřížkové struktury a poškodí mřížku křemíkového plátku. Pokud je implantovaná dávka velká, implantovaná vrstva se stane amorfní. Navíc implantované ionty v podstatě neobsazují mřížkové body křemíku, ale zůstávají v polohách mřížkové mezery. Tyto intersticiální nečistoty mohou být aktivovány pouze po procesu vysokoteplotního žíhání.
Žíhání může zahřát implantovaný křemíkový plátek k opravě defektů mřížky; může také přesunout atomy nečistot do bodů mřížky a aktivovat je. Teplota potřebná k opravě defektů mřížky je asi 500 °C a teplota potřebná k aktivaci atomů nečistot je asi 950 °C. Aktivace nečistot souvisí s časem a teplotou: čím delší čas a čím vyšší teplota, tím plněji jsou nečistoty aktivovány. Existují dva základní způsoby žíhání křemíkových plátků:
① vysokoteplotní žíhání v peci;
② rychlé tepelné žíhání (RTA).
Vysokoteplotní žíhání v peci: Žíhání v peci při vysoké teplotě je tradiční metoda žíhání, která využívá vysokoteplotní pec k ohřevu křemíkového plátku na 800-1000 ℃ a jeho udržování po dobu 30 minut. Při této teplotě se atomy křemíku přesunou zpět do polohy mřížky a atomy nečistot mohou také nahradit atomy křemíku a vstoupit do mřížky. Tepelné zpracování při takové teplotě a čase však povede k difúzi nečistot, což je něco, co moderní průmysl výroby IC nechce vidět.
Rychlé tepelné žíhání: Rychlé tepelné žíhání (RTA) zpracovává křemíkové plátky s extrémně rychlým nárůstem teploty a krátkým trváním při cílové teplotě (obvykle 1000 °C). Žíhání implantovaných křemíkových plátků se obvykle provádí v rychlém tepelném procesoru s Ar nebo N2. Proces rychlého nárůstu teploty a krátké trvání může optimalizovat opravu defektů mřížky, aktivaci nečistot a inhibici difúze nečistot. RTA může také snížit přechodnou zvýšenou difúzi a je nejlepším způsobem, jak řídit hloubku spojení u implantátů s mělkým spojením.
——————————————————————————————————————————————————— —————————————
Semicera může poskytnoutgrafitové díly, měkká/tuhá plsť, díly z karbidu křemíku, CVD díly z karbidu křemíkuaČásti potažené SiC/TaCs do 30 dnů.
Máte-li zájem o výše uvedené polovodičové produkty,prosím, neváhejte nás kontaktovat poprvé.
Tel: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Čas odeslání: 31. srpna 2024