1. Въведение
Йонната имплантация е един от основните процеси в производството на интегрални схеми. Отнася се до процеса на ускоряване на йонен лъч до определена енергия (обикновено в диапазона от keV до MeV) и след това инжектирането му в повърхността на твърд материал, за да се променят физическите свойства на повърхността на материала. В процеса на интегрална схема твърдият материал обикновено е силиций, а имплантираните примесни йони обикновено са борни йони, фосфорни йони, арсенови йони, индиеви йони, германиеви йони и др. Имплантираните йони могат да променят проводимостта на повърхността на твърдото вещество материал или образуват PN преход. Когато размерът на характеристиките на интегралните схеми беше намален до субмикронната ера, процесът на йонна имплантация беше широко използван.
В процеса на производство на интегрални схеми йонната имплантация обикновено се използва за дълбоко заровени слоеве, обратни легирани кладенци, регулиране на праговото напрежение, имплантиране на разширение на източника и дренажа, имплантиране на източника и дренажа, легиране на полисилициев гейт, формиране на PN връзки и резистори/кондензатори и др. В процеса на подготовка на материали за силициев субстрат върху изолатори, заровеният оксиден слой се формира главно чрез имплантиране на кислородни йони с висока концентрация или интелигентно рязане се постига чрез имплантиране на водородни йони с висока концентрация.
Йонната имплантация се извършва от йонен имплантатор и най-важните параметри на процеса са дозата и енергията: дозата определя крайната концентрация, а енергията определя обхвата (т.е. дълбочината) на йоните. Според различните изисквания за проектиране на устройството, условията за имплантиране се разделят на високи дози с висока енергия, средни дози със средна енергия, средни дози с ниска енергия или високи дози с ниска енергия. За да се постигне идеалният ефект на имплантиране, различните имплантанти трябва да бъдат оборудвани за различни изисквания на процеса.
След йонна имплантация обикновено е необходимо да се подложи на процес на високотемпературно отгряване, за да се поправи повредата на решетката, причинена от йонната имплантация и да се активират примесните йони. В традиционните процеси на интегрални схеми, въпреки че температурата на отгряване има голямо влияние върху допинга, температурата на процеса на йонна имплантация не е важна. При технологични възли под 14 n е необходимо определени процеси на имплантиране на йони да се извършват в среда с ниска или висока температура, за да се променят ефектите от повреда на решетката и т.н.
2. процес на йонна имплантация
2.1 Основни принципи
Йонната имплантация е процес на допинг, разработен през 60-те години на миналия век, който превъзхожда традиционните дифузионни техники в повечето аспекти.
Основните разлики между легирането чрез йонна имплантация и традиционното дифузионно легиране са следните:
(1) Разпределението на концентрацията на примеси в легираната област е различно. Пиковата концентрация на примеси при имплантиране на йони се намира вътре в кристала, докато пиковата концентрация на примеси при дифузия е разположена на повърхността на кристала.
(2) Йонната имплантация е процес, извършван при стайна температура или дори ниска температура, а времето за производство е кратко. Дифузионното легиране изисква по-продължителна обработка при висока температура.
(3) Йонната имплантация позволява по-гъвкав и прецизен избор на имплантирани елементи.
(4) Тъй като примесите се влияят от термична дифузия, формата на вълната, образувана от имплантиране на йони в кристала, е по-добра от формата на вълната, образувана от дифузия в кристала.
(5) Йонната имплантация обикновено използва само фоторезист като материал за маска, но дифузионното легиране изисква растеж или отлагане на филм с определена дебелина като маска.
(6) Йонната имплантация основно замени дифузията и се превърна в основния процес на легиране в производството на интегрални схеми днес.
Когато падащ йонен лъч с определена енергия бомбардира твърда мишена (обикновено вафла), йоните и атомите на целевата повърхност ще претърпят различни взаимодействия и ще прехвърлят енергия към целевите атоми по определен начин, за да възбудят или йонизират тях. Йоните също могат да загубят известно количество енергия чрез прехвърляне на импулс и накрая да бъдат разпръснати от целевите атоми или да спрат в целевия материал. Ако инжектираните йони са по-тежки, повечето от йоните ще бъдат инжектирани в твърдата мишена. Напротив, ако инжектираните йони са по-леки, много от инжектираните йони ще отскочат от целевата повърхност. По принцип тези високоенергийни йони, инжектирани в мишената, ще се сблъскат с решетъчните атоми и електрони в твърдата мишена в различна степен. Сред тях сблъсъкът между йони и твърди целеви атоми може да се разглежда като еластичен сблъсък, тъй като те са близки по маса.
2.2 Основни параметри на йонна имплантация
Йонната имплантация е гъвкав процес, който трябва да отговаря на строги изисквания за проектиране и производство на чипове. Важни параметри на йонна имплантация са: доза, диапазон.
Доза (D) се отнася до броя йони, инжектирани на единица площ от повърхността на силиконовата пластина, в атоми на квадратен сантиметър (или йони на квадратен сантиметър). D може да се изчисли по следната формула:
Където D е дозата на имплантиране (брой йони/единица площ); t е времето за имплантиране; I е токът на лъча; q е зарядът, пренасян от йона (единичен заряд е 1,6×1019C [1]); и S е областта на имплантиране.
Една от основните причини, поради които имплантирането на йони се превърна във важна технология в производството на силициеви пластини, е, че тя може многократно да имплантира една и съща доза примеси в силициевите пластини. Имплантаторът постига тази цел с помощта на положителния заряд на йоните. Когато положителните примесни йони образуват йонен лъч, неговата скорост на потока се нарича ток на йонния лъч, който се измерва в mA. Диапазонът на средните и ниските токове е от 0,1 до 10 mA, а диапазонът на високите токове е от 10 до 25 mA.
Големината на тока на йонния лъч е ключова променлива при определяне на дозата. Ако токът се увеличи, броят на примесните атоми, имплантирани за единица време, също се увеличава. Високият ток е благоприятен за увеличаване на добива на силициеви пластини (инжектиране на повече йони за единица производствено време), но също така причинява проблеми с еднородността.
3. оборудване за йонна имплантация
3.1 Основна структура
Оборудването за йонна имплантация включва 7 основни модула:
① йонен източник и абсорбер;
② масов анализатор (т.е. аналитичен магнит);
③ ускорителна тръба;
④ диск за сканиране;
⑤ система за електростатична неутрализация;
⑥ технологична камера;
⑦ система за контрол на дозата.
AВсички модули са във вакуумна среда, създадена от вакуумната система. Основната структурна диаграма на йонния имплантатор е показана на фигурата по-долу.
(1)Източник на йони:
Обикновено в същата вакуумна камера като смукателния електрод. Примесите, които чакат да бъдат инжектирани, трябва да съществуват в йонно състояние, за да бъдат контролирани и ускорени от електрическото поле. Най-често използваните B+, P+, As+ и др. се получават чрез йонизиране на атоми или молекули.
Използваните източници на примеси са BF3, PH3 и AsH3 и др., а техните структури са показани на фигурата по-долу. Електроните, освободени от нишката, се сблъскват с газови атоми, за да произведат йони. Електроните обикновено се генерират от горещ източник на волфрамова нишка. Например източникът на йони Berners, катодната жичка е инсталирана в дъгова камера с вход за газ. Вътрешната стена на дъговата камера е анод.
Когато се въведе източникът на газ, през нишката преминава голям ток и между положителните и отрицателните електроди се прилага напрежение от 100 V, което ще генерира високоенергийни електрони около нишката. Положителните йони се генерират, след като високоенергийните електрони се сблъскат с молекулите на изходния газ.
Външният магнит прилага магнитно поле, успоредно на нишката, за да увеличи йонизацията и да стабилизира плазмата. В дъговата камера, в другия край спрямо нажежаемата жичка, има отрицателно зареден рефлектор, който отразява електроните обратно, за да подобри генерирането и ефективността на електрони.
(2)Абсорбция:
Използва се за събиране на положителни йони, генерирани в дъговата камера на източника на йони, и формирането им в йонен лъч. Тъй като дъговата камера е анода, а катодът е под отрицателно налягане върху смукателния електрод, генерираното електрическо поле контролира положителните йони, карайки ги да се движат към смукателния електрод и да бъдат изтеглени от йонния процеп, както е показано на фигурата по-долу . Колкото по-голяма е силата на електрическото поле, толкова по-голяма е кинетичната енергия, която получават йоните след ускорение. Има и потискащо напрежение на смукателния електрод за предотвратяване на смущения от електрони в плазмата. В същото време електродът за потискане може да образува йони в йонен лъч и да ги фокусира в паралелен поток от йонен лъч, така че да премине през имплантора.
(3)Масов анализатор:
Може да има много видове йони, генерирани от източника на йони. Под действието на ускорението на анодното напрежение йоните се движат с голяма скорост. Различните йони имат различни единици за атомна маса и различни съотношения маса към заряд.
(4)Ускорителна тръба:
За да се постигне по-висока скорост, е необходима по-висока енергия. В допълнение към електрическото поле, осигурено от анода и масовия анализатор, за ускоряване е необходимо и електрическо поле, осигурено в ускорителната тръба. Тръбата на ускорителя се състои от серия от електроди, изолирани от диелектрик, и отрицателното напрежение върху електродите се увеличава последователно чрез серийното свързване. Колкото по-високо е общото напрежение, толкова по-голяма е скоростта, получена от йоните, тоест толкова по-голяма е пренасяната енергия. Високата енергия може да позволи йони на примеси да бъдат инжектирани дълбоко в силициевата пластина, за да образуват дълбоко съединение, докато ниската енергия може да се използва за създаване на плитко съединение.
(5)Сканиращ диск
Фокусираният йонен лъч обикновено е с много малък диаметър. Диаметърът на петното на лъча на имплантатор със среден лъч е около 1 cm, а този на имплантатор с голям лъч е около 3 cm. Цялата силиконова пластина трябва да бъде покрита чрез сканиране. Повторяемостта на имплантирането на дозата се определя чрез сканиране. Обикновено има четири вида системи за сканиране на имплантатори:
① електростатично сканиране;
② механично сканиране;
③ хибридно сканиране;
④ паралелно сканиране.
(6)Система за неутрализиране на статично електричество:
По време на процеса на имплантиране йонният лъч удря силиконовата пластина и предизвиква натрупване на заряд върху повърхността на маската. Полученото натрупване на заряд променя баланса на заряда в йонния лъч, което прави петното на лъча по-голямо и разпределението на дозата неравномерно. Може дори да пробие повърхностния оксиден слой и да причини повреда на устройството. Сега силиконовата пластина и йонният лъч обикновено се поставят в стабилна плазмена среда с висока плътност, наречена система за плазмен електронен душ, която може да контролира зареждането на силиконовата пластина. Този метод извлича електрони от плазмата (обикновено аргон или ксенон) в дъгова камера, разположена в пътя на йонния лъч и близо до силиконовата пластина. Плазмата се филтрира и само вторични електрони могат да достигнат повърхността на силиконовата пластина, за да неутрализират положителния заряд.
(7)Процесна кухина:
Инжектирането на йонни лъчи в силициеви пластини става в процесната камера. Процесната камера е важна част от имплантатора, включително система за сканиране, терминална станция с вакуумна ключалка за зареждане и разтоварване на силициеви пластини, система за прехвърляне на силициеви пластини и компютърна система за управление. Освен това има някои устройства за наблюдение на дозите и контролиране на ефектите на канала. Ако се използва механично сканиране, терминалната станция ще бъде относително голяма. Вакуумът на процесната камера се изпомпва до долното налягане, необходимо за процеса, чрез многостепенна механична помпа, турбомолекулярна помпа и кондензационна помпа, което обикновено е около 1 × 10-6 Torr или по-малко.
(8)Система за контрол на дозировката:
Мониторингът на дозата в реално време в йонен имплантатор се постига чрез измерване на йонния лъч, достигащ до силиконовата пластина. Токът на йонния лъч се измерва с помощта на сензор, наречен чаша на Фарадей. В една проста система на Фарадей има сензор за ток в пътя на йонния лъч, който измерва тока. Това обаче представлява проблем, тъй като йонният лъч реагира със сензора и произвежда вторични електрони, което ще доведе до грешни показания на тока. Системата на Фарадей може да потисне вторичните електрони, използвайки електрически или магнитни полета, за да получи истинско отчитане на тока на лъча. Токът, измерен от системата на Фарадей, се подава в електронен контролер на дозата, който действа като токов акумулатор (който непрекъснато акумулира измерения ток на лъча). Контролерът се използва за свързване на общия ток със съответното време на имплантиране и изчисляване на времето, необходимо за определена доза.
3.2 Отстраняване на щети
Йонната имплантация ще избие атомите от структурата на решетката и ще повреди решетката на силициевата пластина. Ако имплантираната доза е голяма, имплантираният слой ще стане аморфен. В допълнение, имплантираните йони основно не заемат точките на решетката на силиция, а остават в позициите на междината на решетката. Тези интерстициални примеси могат да се активират само след процес на високотемпературно отгряване.
Отгряването може да загрее имплантираната силициева пластина, за да поправи дефектите на решетката; той може също да премести примесни атоми към точките на решетката и да ги активира. Температурата, необходима за възстановяване на дефекти на решетката, е около 500°C, а температурата, необходима за активиране на примесните атоми, е около 950°C. Активирането на примесите е свързано с времето и температурата: колкото по-дълго е времето и колкото по-висока е температурата, толкова по-пълно се активират примесите. Има два основни метода за отгряване на силициеви пластини:
① високотемпературно отгряване в пещ;
② бързо термично отгряване (RTA).
Високотемпературно отгряване в пещ: Високотемпературното отгряване в пещ е традиционен метод на отгряване, който използва високотемпературна пещ за нагряване на силициевата пластина до 800-1000 ℃ и задържане за 30 минути. При тази температура силициевите атоми се връщат обратно в позицията на решетката и атомите на примесите също могат да заместят силициевите атоми и да влязат в решетката. Въпреки това, термичната обработка при такава температура и време ще доведе до дифузия на примеси, което е нещо, което съвременната индустрия за производство на интегрални схеми не иска да види.
Бързо термично отгряване: Бързото термично отгряване (RTA) обработва силициеви пластини с изключително бързо повишаване на температурата и кратка продължителност при целевата температура (обикновено 1000°C). Отгряването на имплантирани силициеви пластини обикновено се извършва в бърз термичен процесор с Ar или N2. Процесът на бързо повишаване на температурата и кратката продължителност могат да оптимизират ремонта на дефекти на решетката, активиране на примеси и инхибиране на дифузията на примеси. RTA може също така да намали преходно усилената дифузия и е най-добрият начин за контролиране на дълбочината на свързване в импланти с плитко съединение.
——————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera може да осигуриграфитни части, мек/твърд филц, части от силициев карбид, CVD части от силициев карбид, иЧасти с покритие от SiC/TaCсъс след 30 дни.
Ако се интересувате от горните полупроводникови продукти,моля, не се колебайте да се свържете с нас за първи път.
Тел: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Време на публикуване: 31 август 2024 г