1. Uvod
Ionska implantacija jedan je od glavnih procesa u proizvodnji integriranih sklopova. Odnosi se na proces ubrzavanja ionskog snopa do određene energije (općenito u rasponu od keV do MeV) i zatim njegovog ubrizgavanja u površinu čvrstog materijala kako bi se promijenila fizikalna svojstva površine materijala. U procesu integriranog kruga, čvrsti materijal je obično silicij, a implantirani ioni nečistoće obično su ioni bora, ioni fosfora, ioni arsena, ioni indija, ioni germanija itd. Implantirani ioni mogu promijeniti vodljivost površine čvrste tvari. materijala ili tvore PN spoj. Kada je veličina značajki integriranih sklopova smanjena na submikronsku eru, proces ionske implantacije bio je naširoko korišten.
U procesu proizvodnje integriranih sklopova, ionska implantacija obično se koristi za duboko ukopane slojeve, obrnuto dopirane jažice, podešavanje napona praga, implantaciju produžetka izvora i odvoda, implantaciju izvora i odvoda, dopiranje polisilicijskih vrata, formiranje PN spojeva i otpornika/kondenzatora, itd. U procesu pripreme materijala za supstrat od silicija na izolatorima, ukopani oksidni sloj uglavnom se formira implantacijom iona kisika visoke koncentracije, ili se inteligentno rezanje postiže implantacijom iona vodika visoke koncentracije.
Ionska implantacija izvodi se pomoću ionskog implantatora, a njezini najvažniji procesni parametri su doza i energija: doza određuje konačnu koncentraciju, a energija raspon (tj. dubinu) iona. U skladu s različitim zahtjevima dizajna uređaja, uvjeti implantacije dijele se na visoke doze visoke energije, srednje doze srednje energije, srednje doze niske energije ili visoke doze niske energije. Kako bi se postigao idealan učinak implantacije, različiti implantatori trebaju biti opremljeni za različite zahtjeve procesa.
Nakon ionske implantacije općenito je potrebno proći proces žarenja na visokoj temperaturi kako bi se popravilo oštećenje rešetke uzrokovano ionskom implantacijom i aktivirali ioni nečistoće. U tradicionalnim procesima integriranih krugova, iako temperatura žarenja ima veliki utjecaj na dopiranje, temperatura samog procesa ionske implantacije nije važna. Na tehnološkim čvorovima ispod 14 nm potrebno je izvesti određene procese ionske implantacije u okruženjima niske ili visoke temperature kako bi se promijenili učinci oštećenja rešetke itd.
2. proces ionske implantacije
2.1 Osnovna načela
Ionska implantacija je proces dopinga razvijen 1960-ih koji je u većini aspekata superioran tradicionalnim tehnikama difuzije.
Glavne razlike između dopinga ionskom implantacijom i tradicionalnog difuzijskog dopinga su sljedeće:
(1) Raspodjela koncentracije nečistoća u dopiranom području je drugačija. Vršna koncentracija nečistoće ionske implantacije nalazi se unutar kristala, dok je vršna koncentracija nečistoće difuzije smještena na površini kristala.
(2) Ionska implantacija je proces koji se provodi na sobnoj temperaturi ili čak niskoj temperaturi, a vrijeme proizvodnje je kratko. Difuzijsko dopiranje zahtijeva duži tretman na visokim temperaturama.
(3) Ionska implantacija omogućuje fleksibilniji i precizniji odabir implantiranih elemenata.
(4) Budući da na nečistoće utječe toplinska difuzija, valni oblik koji nastaje implantacijom iona u kristal bolji je od valnog oblika koji nastaje 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 proces dopinga u današnjoj proizvodnji integriranih sklopova.
Kada upadna ionska zraka s određenom energijom bombardira čvrstu metu (obično pločicu), ioni i atomi na površini mete proći će kroz različite interakcije i prenijeti energiju na ciljne atome na određeni način kako bi pobudili ili ionizirali ih. Ioni također mogu izgubiti određenu količinu energije prijenosom zamaha i na kraju ih ciljni atomi mogu raspršiti ili se zaustaviti u ciljnom materijalu. Ako su ubrizgani ioni teži, većina iona bit će ubrizgana u čvrstu metu. Naprotiv, ako su ubrizgani ioni lakši, mnogi od ubrizganih iona će se odbiti od ciljne površine. U osnovi, ovi visokoenergetski ioni ubrizgani u metu sudarat će se s atomima rešetke i elektronima u čvrstoj meti u različitim stupnjevima. Među njima, sudar između iona i čvrstih ciljnih atoma može se smatrati elastičnim sudarom jer su blizu mase.
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, raspon.
Doza (D) odnosi se na broj iona ubrizganih po jedinici površine površine silicijske ploče, u atomima po kvadratnom centimetru (ili ionima po kvadratnom centimetru). D se može izračunati sljedećom formulom:
Gdje je D doza implantacije (broj iona/jedinica površine); t je vrijeme implantacije; I je struja snopa; q je naboj koji nosi ion (pojedinačni naboj je 1,6×1019C[1]); a S je područje implantacije.
Jedan od glavnih razloga zašto je ionska implantacija postala važna tehnologija u proizvodnji silicijskih pločica je taj što se može više puta implantirati ista doza nečistoća u silicijske pločice. Implantater postiže ovaj cilj uz pomoć pozitivnog naboja iona. Kada pozitivni ioni nečistoće tvore ionski snop, njegov protok se naziva struja ionskog snopa, koja se mjeri u mA. Raspon srednjih i niskih struja je od 0,1 do 10 mA, a raspon velikih struja je od 10 do 25 mA.
Veličina struje ionske zrake je ključna varijabla u definiranju doze. Ako struja raste, povećava se i broj atoma nečistoća implantiranih po jedinici vremena. Visoka struja pogoduje povećanju prinosa silicijskih ploča (ubrizgavanje više iona po jedinici proizvodnog vremena), ali također uzrokuje probleme s uniformnošću.
3. oprema za ionsku implantaciju
3.1 Osnovna struktura
Oprema za ionsku implantaciju uključuje 7 osnovnih modula:
① izvor iona i apsorber;
② analizator mase (tj. analitički magnet);
③ cijev akceleratora;
④ disk za skeniranje;
⑤ sustav elektrostatske neutralizacije;
⑥ procesna komora;
⑦ sustav kontrole doze.
ASvi moduli su u vakuumskom okruženju koje uspostavlja vakuumski sustav. Osnovni strukturni dijagram ionskog implantatora prikazan je na donjoj slici.
(1)Izvor iona:
Obično u istoj vakuumskoj komori kao i usisna elektroda. Nečistoće koje čekaju na ubrizgavanje moraju postojati u ionskom stanju kako bi ih električno polje kontroliralo i ubrzavalo. Najčešće korišteni B+, P+, As+ itd. dobivaju se ionizacijom atoma ili molekula.
Korišteni izvori nečistoća su BF3, PH3 i AsH3 itd., a njihove strukture prikazane su na slici ispod. Elektroni koje oslobađa filament sudaraju se s atomima plina i proizvode ione. Elektrone obično stvara vrući izvor volframove niti. Na primjer, Bernersov ionski izvor, katodna nit ugrađena je u lučnu komoru s ulazom za plin. Unutarnji zid lučne komore je anoda.
Kada se uvede izvor plina, velika struja prolazi kroz žarnu nit, a napon od 100 V se primjenjuje između pozitivne i negativne elektrode, što će generirati elektrone visoke energije oko žarne niti. Pozitivni ioni nastaju nakon sudara elektrona visoke energije s molekulama izvornog plina.
Vanjski magnet primjenjuje magnetsko polje paralelno s filamentom kako bi povećao ionizaciju i stabilizirao plazmu. U komori luka, na drugom kraju u odnosu na žarnu nit, nalazi se negativno nabijen reflektor koji reflektira elektrone natrag kako bi se poboljšalo stvaranje i učinkovitost elektrona.
(2)Apsorpcija:
Koristi se za prikupljanje pozitivnih iona generiranih u lučnoj komori ionskog izvora i njihovo oblikovanje u ionsku zraku. Budući da je lučna komora anoda, a katoda je pod negativnim tlakom na usisnoj elektrodi, generirano električno polje kontrolira pozitivne ione, uzrokujući njihovo kretanje prema usisnoj elektrodi i izvlačenje iz ionskog proreza, kao što je prikazano na slici ispod . Što je veća jakost električnog polja, to je veća kinetička energija koju ioni dobivaju nakon ubrzanja. Također postoji napon potiskivanja na usisnoj elektrodi kako bi se spriječile smetnje od elektrona u plazmi. U isto vrijeme, elektroda za suzbijanje može oblikovati ione u ionsku zraku i fokusirati ih u paralelnu struju ionske zrake tako da prolazi kroz implantator.
(3)Analizator mase:
Može postojati mnogo vrsta iona generiranih iz izvora iona. Pod ubrzanjem anodnog napona ioni se kreću velikom brzinom. Različiti ioni imaju različite jedinice atomske mase i različite omjere mase i naboja.
(4)Akceleratorska cijev:
Da bi se postigla veća brzina, potrebna je veća energija. Uz električno polje koje stvaraju anoda i analizator mase, za ubrzanje je potrebno i električno polje u akceleratorskoj cijevi. Akceleratorska cijev sastoji se od niza elektroda izoliranih dielektrikom, a negativni napon na elektrodama raste redom kroz serijski spoj. Što je veći ukupni napon, to je veća brzina koju postižu ioni, odnosno veća je energija koja se prenosi. Visoka energija može omogućiti da se ioni nečistoće ubrizgaju duboko u silicijsku pločicu kako bi formirali duboki spoj, dok se niska energija može koristiti za stvaranje plitkog spoja.
(5)Skeniranje diska
Fokusirana ionska zraka obično je vrlo malog promjera. Promjer točke snopa kod implantatora sa srednjom snopom je oko 1 cm, a kod implantatora sa velikom snopom je oko 3 cm. Cijela silikonska pločica mora biti pokrivena skeniranjem. Ponovljivost implantacije doze utvrđuje se skeniranjem. Obično postoje četiri vrste sustava za skeniranje implantatora:
① elektrostatičko skeniranje;
② mehaničko skeniranje;
③ hibridno skeniranje;
④ paralelno skeniranje.
(6)Sustav neutralizacije statičkog elektriciteta:
Tijekom procesa implantacije, ionska zraka pogađa silikonsku pločicu i uzrokuje nakupljanje naboja na površini maske. Rezultirajuća akumulacija naboja mijenja ravnotežu naboja u ionskom snopu, čineći točku snopa većom, a distribuciju doze neravnomjernom. Može čak probiti površinski sloj oksida i uzrokovati kvar uređaja. Sada se silicijska pločica i ionski snop obično postavljaju u stabilno okruženje plazme visoke gustoće koje se naziva sustav plazma elektronskog tuša, koji može kontrolirati punjenje silicijske pločice. Ova metoda izdvaja elektrone iz plazme (obično argona ili ksenona) u lučnoj komori koja se nalazi na putu ionske zrake i blizu silicijske pločice. Plazma se filtrira i samo sekundarni elektroni mogu doći do površine silicijske pločice kako bi neutralizirali pozitivni naboj.
(7)Procesna šupljina:
Ubrizgavanje ionskih zraka u silicijske pločice događa se u procesnoj komori. Procesna komora važan je dio implantatora, uključujući sustav za skeniranje, terminalnu stanicu s vakuumskom bravom za umetanje i pražnjenje silicijskih pločica, sustav prijenosa silicijskih pločica i računalni kontrolni sustav. Osim toga, postoje neki uređaji za praćenje doza i kontrolu učinaka kanala. Ako se koristi mehaničko skeniranje, terminalna stanica će biti relativno velika. Vakuum procesne komore pumpa se do donjeg tlaka potrebnog za proces pomoću višestupanjske mehaničke pumpe, turbomolekularne pumpe i kondenzacijske pumpe, što je općenito oko 1×10-6 Torr ili manje.
(8)Sustav kontrole doziranja:
Praćenje doze u stvarnom vremenu u ionskom implantatu postiže se mjerenjem ionske zrake koja dopire do silikonske pločice. Struja ionske zrake mjeri se pomoću senzora koji se zove Faradayeva šalica. U jednostavnom Faradayevom sustavu postoji strujni senzor na putu ionske zrake koji mjeri struju. Međutim, to predstavlja problem jer ionska zraka reagira sa senzorom i proizvodi sekundarne elektrone koji će rezultirati pogrešnim očitanjima struje. Faradayev sustav može potisnuti sekundarne elektrone pomoću električnih ili magnetskih polja kako bi se dobilo pravo očitanje struje snopa. Struja izmjerena Faradayevim sustavom dovodi se u elektronički regulator doze, koji djeluje kao akumulator struje (koji kontinuirano akumulira izmjerenu struju snopa). Kontroler se koristi za povezivanje ukupne struje s odgovarajućim vremenom implantacije i izračunavanje vremena potrebnog za određenu dozu.
3.2 Popravak oštećenja
Ionska implantacija će izbaciti atome iz rešetkaste strukture i oštetiti rešetku silicijske ploče. Ako je implantirana doza velika, implantirani sloj će postati amorfan. Osim toga, implantirani ioni u osnovi ne zauzimaju točke rešetke silicija, već ostaju u položajima 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; također može pomaknuti atome nečistoće do točaka rešetke i aktivirati ih. Temperatura potrebna za popravak defekata 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 vrijeme duže i što je temperatura viša, nečistoće se potpunije aktiviraju. Postoje dvije osnovne metode za žarenje silicijskih pločica:
① visokotemperaturno žarenje u peći;
② brzo toplinsko žarenje (RTA).
Visokotemperaturno žarenje u peći: Visokotemperaturno žarenje u peći tradicionalna je metoda žarenja, koja koristi visokotemperaturnu peć za zagrijavanje silicijske pločice na 800-1000 ℃ i držanje 30 minuta. Na ovoj temperaturi, atomi silicija se vraćaju u položaj rešetke, a atomi nečistoća također mogu zamijeniti atome silicija i ući u rešetku. Međutim, toplinska obrada na takvoj temperaturi i vremenu će dovesti do difuzije nečistoća, što je nešto što moderna industrija proizvodnje IC-a ne želi vidjeti.
Brzo toplinsko žarenje: Brzo toplinsko žarenje (RTA) tretira silicijske pločice s ekstremno brzim porastom temperature i kratkim trajanjem na ciljnoj temperaturi (obično 1000°C). Žarenje implantiranih silicijskih pločica obično se izvodi u brzom termalnom procesoru s Ar ili N2. Proces brzog porasta temperature i kratko trajanje mogu optimizirati popravak grešaka na rešetki, aktivaciju nečistoća i inhibiciju difuzije nečistoća. RTA također može smanjiti prolaznu pojačanu difuziju i najbolji je način za kontrolu dubine spoja u implantatima s plitkim spojem.
———————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera može pružitigrafitnih dijelova, mekani/kruti filc, dijelovi od silicij karbida, CVD dijelovi od silicij karbida, iDijelovi presvučeni SiC/TaCsa za 30 dana.
Ako ste zainteresirani za gore navedene poluvodičke proizvode,nemojte se ustručavati kontaktirati nas prvi put.
Tel: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Vrijeme objave: 31. kolovoza 2024