1. Вступ
Іонна імплантація є одним із основних процесів у виробництві інтегральних схем. Це стосується процесу прискорення пучка іонів до певної енергії (зазвичай в діапазоні від кеВ до МеВ) і подальшого введення його в поверхню твердого матеріалу для зміни фізичних властивостей поверхні матеріалу. У процесі створення інтегральних схем твердий матеріал зазвичай є кремнієм, а імплантовані іони домішок зазвичай являють собою іони бору, іони фосфору, іони миш’яку, іони індію, іони германію тощо. Імплантовані іони можуть змінювати провідність поверхні твердого тіла. матеріалу або утворюють PN-перехід. Коли розмір елементів інтегральних схем був зменшений до субмікронної ери, процес іонної імплантації отримав широке застосування.
У процесі виробництва інтегральних схем іонна імплантація зазвичай використовується для глибоко заглиблених шарів, зворотних легованих свердловин, регулювання порогової напруги, імплантації розширення витоку та стоку, імплантації витоку та стоку, легування затвора полікремнієм, формування PN-переходів та резисторів/конденсаторів тощо. У процесі підготовки матеріалів кремнієвої підкладки на ізоляторах прихований шар оксиду в основному формується шляхом імплантації іонів високої концентрації кисню, або інтелектуальне різання досягається шляхом імплантації іонів водню з високою концентрацією.
Іонна імплантація виконується за допомогою іонного імплантера, і її найважливішими параметрами процесу є доза та енергія: доза визначає кінцеву концентрацію, а енергія визначає діапазон (тобто глибину) іонів. Відповідно до різних вимог до дизайну пристроїв умови імплантації поділяються на високі дози високої енергії, середні дози середньої енергії, середні дози низької енергії або високі дози низької енергії. Щоб отримати ідеальний ефект імплантації, різні імплантатори повинні бути обладнані для різних вимог процесу.
Після іонної імплантації, як правило, необхідно пройти процес високотемпературного відпалу, щоб відновити пошкодження решітки, викликані іонною імплантацією, і активувати іони домішок. У традиційних процесах інтегральної схеми, хоча температура відпалу має великий вплив на допування, температура самого процесу іонної імплантації не важлива. У технологічних вузлах нижче 14 нм певні процеси іонної імплантації потрібно виконувати в середовищах з низькою або високою температурою, щоб змінити наслідки пошкодження решітки тощо.
2. процес іонної імплантації
2.1 Основні принципи
Іонна імплантація — це процес легування, розроблений у 1960-х роках, який у більшості аспектів перевершує традиційні методи дифузії.
Основні відмінності між легуванням іонної імплантації та традиційним дифузійним легуванням полягають у наступному:
(1) Розподіл концентрації домішки в легованій області інший. Пікова концентрація домішок іонної імплантації знаходиться всередині кристала, тоді як пікова концентрація домішок дифузії розташована на поверхні кристала.
(2) Іонна імплантація – це процес, який виконується при кімнатній температурі або навіть при низькій температурі, а час виробництва короткий. Дифузійне легування вимагає більш тривалої високотемпературної обробки.
(3) Іонна імплантація дозволяє більш гнучкий і точний вибір імплантованих елементів.
(4) Оскільки на домішки впливає теплова дифузія, форма хвилі, сформована іонною імплантацією в кристалі, є кращою, ніж форма хвилі, сформована дифузією в кристалі.
(5) Іонна імплантація зазвичай використовує лише фоторезист як матеріал маски, але дифузійне легування вимагає вирощування або осадження плівки певної товщини як маски.
(6) Іонна імплантація фактично замінила дифузію та стала основним процесом легування у виробництві інтегральних схем сьогодні.
Коли падаючий іонний промінь з певною енергією бомбардує тверду мішень (зазвичай пластину), іони та атоми на поверхні мішені зазнають різноманітних взаємодій і передають енергію цільовим атомам певним чином для збудження або іонізації. їх. Іони також можуть втрачати певну кількість енергії через передачу імпульсу і, нарешті, розсіюватися цільовими атомами або зупинятися в цільовому матеріалі. Якщо введені іони важчі, більшість іонів буде введено в тверду мішень. Навпаки, якщо введені іони легші, багато введених іонів відскакують від поверхні мішені. По суті, ці високоенергетичні іони, введені в мішень, різною мірою стикаються з атомами решітки та електронами в твердій мішені. Серед них зіткнення між іонами та твердими атомами мішені можна розглядати як пружне зіткнення, оскільки вони близькі за масою.
2.2 Основні параметри іонної імплантації
Іонна імплантація — це гнучкий процес, який має відповідати суворим вимогам до дизайну та виробництва чіпів. Важливими параметрами іонної імплантації є: доза, діапазон.
Доза (D) означає кількість іонів, введених на одиницю площі поверхні кремнієвої пластини, в атомах на квадратний сантиметр (або іонів на квадратний сантиметр). D можна розрахувати за такою формулою:
Де D – доза імплантації (кількість іонів на одиницю площі); t – час імплантації; I – струм пучка; q – заряд, який несе іон (один заряд становить 1,6 × 1019 Кл [1]); S – площа імплантації.
Однією з головних причин, чому іонна імплантація стала важливою технологією у виробництві кремнієвих пластин, є те, що вона може неодноразово імплантувати ту саму дозу домішок у кремнієві пластини. Імплантатор досягає цієї мети за допомогою позитивного заряду іонів. Коли іони позитивної домішки утворюють пучок іонів, швидкість його потоку називається струмом пучка іонів, який вимірюється в мА. Діапазон середніх і малих струмів — від 0,1 до 10 мА, сильних — від 10 до 25 мА.
Величина струму іонного пучка є ключовою змінною у визначенні дози. Зі збільшенням струму збільшується і число домішкових атомів, імплантованих за одиницю часу. Високий струм сприяє збільшенню виходу кремнієвої пластини (введення більшої кількості іонів за одиницю часу виробництва), але також викликає проблеми з однорідністю.
3. обладнання для іонної імплантації
3.1 Базова структура
Обладнання для іонної імплантації включає 7 основних модулів:
① джерело і поглинач іонів;
② масовий аналізатор (тобто аналітичний магніт);
③ прискорювальна трубка;
④ сканування диска;
⑤ система електростатичної нейтралізації;
⑥ технологічна камера;
⑦ система контролю дози.
AУсі модулі знаходяться у вакуумному середовищі, створеному вакуумною системою. Основна структурна схема іонного імплантера показана на малюнку нижче.
(1)Джерело іонів:
Зазвичай у тій самій вакуумній камері, що й відсмоктувальний електрод. Домішки, які очікують на введення, повинні існувати в іонному стані, щоб контролювати їх і прискорювати електричне поле. Найбільш часто використовувані B+, P+, As+ тощо отримують іонізацією атомів або молекул.
Джерелами домішок, які використовуються, є BF3, PH3 та AsH3 тощо, а їх структури показано на малюнку нижче. Електрони, що вивільняються ниткою, стикаються з атомами газу, утворюючи іони. Електрони зазвичай генеруються гарячим джерелом вольфрамової нитки. Наприклад, у джерелі іонів Бернерса нитка катода встановлюється в дугогасильну камеру з входом газу. Внутрішня стінка дугової камери є анодом.
Коли вводиться джерело газу, через нитку проходить великий струм, а між позитивним і негативним електродами прикладається напруга 100 В, що генерує електрони високої енергії навколо нитки. Позитивні іони утворюються після зіткнення електронів високої енергії з молекулами вихідного газу.
Зовнішній магніт застосовує магнітне поле, паралельне нитці, щоб збільшити іонізацію та стабілізувати плазму. У дуговій камері, на іншому кінці відносно нитки розжарювання, є негативно заряджений відбивач, який відбиває електрони назад, щоб покращити генерацію та ефективність електронів.
(2)поглинання:
Він використовується для збирання позитивних іонів, що утворюються в дуговій камері джерела іонів, і формування з них пучка іонів. Оскільки дугогасна камера є анодом, а катод перебуває під негативним тиском на всмоктуючому електроді, генероване електричне поле контролює позитивні іони, змушуючи їх рухатися до всмоктувального електрода та витягуватися з іонної щілини, як показано на малюнку нижче. . Чим більша напруженість електричного поля, тим більшу кінетичну енергію отримують іони після прискорення. На всмоктувальному електроді також існує напруга придушення, щоб запобігти перешкодам від електронів у плазмі. У той же час електрод придушення може формувати іони в іонний пучок і фокусувати їх у паралельний потік іонного пучка так, щоб він проходив через імплантор.
(3)Аналізатор маси:
З джерела іонів може утворюватися багато видів іонів. Під дією прискорення анодної напруги іони рухаються з великою швидкістю. Різні іони мають різні атомні одиниці маси та різне відношення маси до заряду.
(4)Прискорювальна трубка:
Щоб отримати більшу швидкість, потрібна більша енергія. Крім електричного поля, створюваного анодом і мас-аналізатором, для прискорення також необхідне електричне поле, створене в прискорювальній трубці. Прискорювальна трубка складається з серії електродів, ізольованих діелектриком, і негативна напруга на електродах послідовно зростає через послідовне з’єднання. Чим вище загальна напруга, тим більша швидкість, отримана іонами, тобто тим більша енергія переноситься. Висока енергія може дозволити іонам домішок вводити глибоко в кремнієву пластину для формування глибокого переходу, тоді як низька енергія може використовуватися для створення неглибокого переходу.
(5)Сканування диска
Сфокусований пучок іонів зазвичай має дуже малий діаметр. Діаметр плями пучка імплантатора середнього струму пучка становить близько 1 см, а діаметр струму великого пучка — близько 3 см. Вся кремнієва пластина повинна бути покрита скануванням. Повторюваність імплантації дози визначається скануванням. Зазвичай існує чотири типи систем сканування імплантаторів:
① електростатичне сканування;
② механічне сканування;
③ гібридне сканування;
④ паралельне сканування.
(6)Система нейтралізації статичної електрики:
У процесі імплантації іонний промінь потрапляє на кремнієву пластину і викликає накопичення заряду на поверхні маски. Результуюче накопичення заряду змінює баланс заряду в іонному пучку, роблячи пляму пучка більшою, а розподіл дози нерівномірним. Він навіть може пробити поверхневий оксидний шар і спричинити поломку пристрою. Тепер кремнієву пластину та іонний пучок зазвичай поміщають у стабільне плазмове середовище високої щільності, що називається системою плазмового електронного душу, яка може контролювати заряд кремнієвої пластини. Цей метод вилучає електрони з плазми (зазвичай аргону або ксенону) в дуговій камері, розташованій на шляху іонного пучка поблизу кремнієвої пластини. Плазма фільтрується, і лише вторинні електрони можуть досягти поверхні кремнієвої пластини, щоб нейтралізувати позитивний заряд.
(7)Порожнина процесу:
Інжекція іонних пучків в кремнієві пластини відбувається в технологічній камері. Технологічна камера є важливою частиною імплантатора, включаючи систему сканування, кінцеву станцію з вакуумним замком для завантаження та вивантаження кремнієвих пластин, систему перенесення кремнієвих пластин і комп’ютерну систему керування. Крім того, є деякі пристрої для моніторингу доз і контролю ефектів каналу. Якщо використовується механічне сканування, кінцева станція буде відносно великою. Вакуум технологічної камери накачується до нижнього тиску, необхідного для процесу, за допомогою багатоступінчастого механічного насоса, турбомолекулярного насоса та конденсаційного насоса, який зазвичай становить приблизно 1 × 10-6 Торр або менше.
(8)Система контролю дозування:
Моніторинг дози в іонному імплантаторі в реальному часі здійснюється шляхом вимірювання пучка іонів, що досягає кремнієвої пластини. Струм пучка іонів вимірюється за допомогою датчика, який називається чашкою Фарадея. У простій системі Фарадея на шляху іонного променя є датчик струму, який вимірює струм. Однак це створює проблему, оскільки іонний промінь реагує з датчиком і виробляє вторинні електрони, що призведе до помилкових показань струму. Система Фарадея може пригнічувати вторинні електрони за допомогою електричних або магнітних полів, щоб отримати справжнє значення струму пучка. Струм, виміряний системою Фарадея, подається в електронний контролер дози, який діє як накопичувач струму (який постійно накопичує виміряний струм пучка). Контролер використовується для зв’язку загального струму з відповідним часом імплантації та розрахунку часу, необхідного для певної дози.
3.2 Усунення пошкоджень
Іонна імплантація вибиває атоми зі структури решітки та пошкоджує решітку кремнієвої пластини. Якщо імплантована доза велика, імплантований шар стане аморфним. Крім того, імплантовані іони в основному не займають точки решітки кремнію, а залишаються в позиціях щілини решітки. Ці інтерстиціальні домішки можуть бути активовані лише після процесу високотемпературного відпалу.
Відпал може нагріти імплантовану кремнієву пластину для відновлення дефектів решітки; він також може переміщувати атоми домішок до точок решітки та активувати їх. Температура, необхідна для відновлення дефектів решітки, становить близько 500 °C, а температура, необхідна для активації атомів домішок, становить близько 950 °C. Активація домішок пов'язана з часом і температурою: чим більше час і чим вище температура, тим повніше активуються домішки. Існує два основних способи відпалу кремнієвих пластин:
① високотемпературний відпал у печі;
② швидкий термічний відпал (RTA).
Високотемпературний відпал у печі: високотемпературний відпал у печі — це традиційний метод відпалу, який використовує високотемпературну піч для нагрівання кремнієвої пластини до 800-1000 ℃ і витримування протягом 30 хвилин. При цій температурі атоми кремнію повертаються в положення решітки, і атоми домішок також можуть замінити атоми кремнію та увійти в решітку. Однак термічна обробка за такої температури та часу призведе до дифузії домішок, чого не хоче бачити сучасна індустрія виробництва мікросхем.
Швидкий термічний відпал: Швидкий термічний відпал (RTA) обробляє кремнієві пластини надзвичайно швидким підвищенням температури та короткою тривалістю при цільовій температурі (зазвичай 1000°C). Відпал імплантованих кремнієвих пластин зазвичай виконується в швидкому термічному процесорі з Ar або N2. Швидкий процес підвищення температури та короткий час можуть оптимізувати відновлення дефектів решітки, активацію домішок та гальмування дифузії домішок. RTA також може зменшити тимчасову посилену дифузію та є найкращим способом контролю глибини з’єднання в імплантатах з неглибоким з’єднанням.
——————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera може забезпечитиграфітові деталі, м'який/жорсткий фетр, деталі з карбіду кремнію, CVD деталі з карбіду кремнію, іДеталі з покриттям SiC/TaCз протягом 30 днів.
Якщо ви зацікавлені у вищевказаних напівпровідникових продуктах,будь ласка, не соромтеся звертатися до нас у перший раз.
Тел.: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Час публікації: 31 серпня 2024 р