1. Увод
Јонска имплантација је један од главних процеса у производњи интегрисаних кола. Односи се на процес убрзања јонског снопа до одређене енергије (обично у опсегу од кеВ до МеВ) и затим га убризгава у површину чврстог материјала да би се променила физичка својства површине материјала. У процесу интегрисаног кола, чврсти материјал је обично силицијум, а имплантирани иони нечистоћа су обично јони бора, фосфорни јони, јони арсена, јони индија, германијумски јони, итд. Имплантирани јони могу променити проводљивост површине чврсте материје. материјала или формирају ПН спој. Када је величина карактеристика интегрисаних кола смањена на субмикронску еру, процес имплантације јона је широко коришћен.
У процесу производње интегрисаног кола, јонска имплантација се обично користи за дубоко закопане слојеве, реверзно допиране бунаре, подешавање прага напона, имплантацију проширења извора и одвода, имплантацију извора и дрена, допирање полисилицијумских капија, формирање ПН спојева и отпорника/кондензатора, итд. У процесу припреме силицијумских супстратних материјала на изолаторима, закопани оксидни слој се углавном формира имплантацијом јона кисеоника високе концентрације, или се интелигентно сечење постиже имплантацијом водоничних јона високе концентрације.
Имплантацију јона врши јонски имплантатор, а његови најважнији параметри процеса су доза и енергија: доза одређује коначну концентрацију, а енергија опсег (тј. дубину) јона. Према различитим захтевима дизајна уређаја, услови имплантације се деле на високе дозе високе енергије, средње дозе средње енергије, средње дозе ниске енергије или високе дозе ниске енергије. Да би се постигао идеалан ефекат имплантације, различити имплантатори треба да буду опремљени за различите захтеве процеса.
Након имплантације јона, генерално је неопходно проћи процес жарења на високој температури да би се поправило оштећење решетке узроковано имплантацијом јона и активирали нечистоће јона. У традиционалним процесима интегрисаних кола, иако температура жарења има велики утицај на допинг, температура самог процеса имплантације јона није важна. На технолошким чворовима испод 14 нм, одређени процеси имплантације јона морају да се изводе у окружењима ниске или високе температуре да би се променили ефекти оштећења решетке, итд.
2. процес имплантације јона
2.1 Основни принципи
Имплантација јона је процес допинга развијен 1960-их и који је у већини аспеката супериорнији од традиционалних техника дифузије.
Главне разлике између допинга са јонском имплантацијом и традиционалног дифузионог допинга су следеће:
(1) Расподела концентрације нечистоћа у допираном региону је различита. Максимална концентрација нечистоћа при имплантацији јона налази се унутар кристала, док се вршна концентрација нечистоћа дифузије налази на површини кристала.
(2) Јонска имплантација је процес који се изводи на собној температури или чак ниској температури, а време производње је кратко. Дифузијско допирање захтева дужи третман на високим температурама.
(3) Јонска имплантација омогућава флексибилнији и прецизнији одабир имплантираних елемената.
(4) Пошто на нечистоће утиче термичка дифузија, таласни облик формиран имплантацијом јона у кристал је бољи од таласног облика формираног дифузијом у кристалу.
(5) Јонска имплантација обично користи само фоторезист као материјал маске, али дифузијско допирање захтева раст или таложење филма одређене дебљине као маске.
(6) Имплантација јона је у основи заменила дифузију и постала главни допинг процес у производњи интегрисаних кола данас.
Када упадни сноп јона са одређеном енергијом бомбардује чврсту мету (обично плочицу), јони и атоми на површини мете ће бити подвргнути разним интеракцијама и пренети енергију циљним атомима на одређени начин да побуђују или јонизују њих. Јони такође могу изгубити одређену количину енергије кроз пренос импулса и на крају бити расејани од стране циљних атома или се зауставити у циљном материјалу. Ако су убризгани јони тежи, већина јона ће бити убризгана у чврсту мету. Напротив, ако су убризгани јони лакши, многи од убризганих јона ће се одбити од циљне површине. У основи, ови високоенергетски јони убризгани у мету ће се сударити са атомима решетке и електронима у чврстој мети у различитом степену. Међу њима, судар јона и чврстих циљних атома може се сматрати еластичним сударом јер су блиски по маси.
2.2 Главни параметри јонске имплантације
Јонска имплантација је флексибилан процес који мора испунити строге захтеве за дизајн и производњу чипова. Важни параметри имплантације јона су: доза, опсег.
Доза (Д) се односи на број убризганих јона по јединици површине површине силицијумске плочице, у атомима по квадратном центиметру (или јонима по квадратном центиметру). Д се може израчунати по следећој формули:
Где је Д имплантациона доза (број јона/јединична површина); т је време имплантације; И је струја снопа; к је наелектрисање које носи јон (једно пуњење је 1,6×1019Ц[1]); а С је област имплантације.
Један од главних разлога зашто је јонска имплантација постала важна технологија у производњи силицијумских плочица је тај што се може више пута имплантирати иста доза нечистоћа у силицијумске плочице. Имплантатор овај циљ постиже уз помоћ позитивног наелектрисања јона. Када позитивни јони нечистоћа формирају сноп јона, његов проток се назива струја јонског снопа, која се мери у мА. Опсег средњих и малих струја је од 0,1 до 10 мА, а опсег великих струја је од 10 до 25 мА.
Величина струје јонског снопа је кључна варијабла у дефинисању дозе. Ако се струја повећа, повећава се и број атома нечистоћа имплантираних у јединици времена. Висока струја погодује повећању приноса силицијумске плочице (убризгавање више јона по јединици времена производње), али такође узрокује проблеме уједначености.
3. опрема за јонску имплантацију
3.1 Основна структура
Опрема за јонску имплантацију укључује 7 основних модула:
① извор јона и апсорбер;
② анализатор масе (тј. аналитички магнет);
③ цев за убрзавање;
④ диск за скенирање;
⑤ систем електростатичке неутрализације;
⑥ процесна комора;
⑦ систем контроле дозе.
AСви модули су у вакуумском окружењу које успоставља вакуум систем. Основни структурни дијаграм јонског имплантатора је приказан на слици испод.
(1)Извор јона:
Обично у истој вакуум комори као и усисна електрода. Нечистоће које чекају да буду убризгане морају постојати у јонском стању да би биле контролисане и убрзане електричним пољем. Јонизацијом атома или молекула добијају се најчешће Б+, П+, Ас+ итд.
Коришћени извори нечистоћа су БФ3, ПХ3 и АсХ3 итд., а њихове структуре су приказане на слици испод. Електрони које ослобађа филамент сударају се са атомима гаса да би произвели јоне. Електроне обично генерише извор вруће волфрамове нити. На пример, Бернерсов јонски извор, катодна нит је инсталирана у лучној комори са улазом за гас. Унутрашњи зид лучне коморе је анода.
Када се уведе извор гаса, велика струја пролази кроз филамент, а напон од 100 В се примењује између позитивне и негативне електроде, што ће генерисати електроне високе енергије око филамента. Позитивни јони настају након што се електрони високе енергије сударе са изворним молекулима гаса.
Спољни магнет примењује магнетно поље паралелно са филаментом да би повећао јонизацију и стабилизовао плазму. У лучној комори, на другом крају у односу на филамент, налази се негативно наелектрисани рефлектор који рефлектује електроне назад како би се побољшало стварање и ефикасност електрона.
(2)Апсорпција:
Користи се за прикупљање позитивних јона генерисаних у лучној комори јонског извора и њихово формирање у јонски сноп. Пошто је лучна комора анода и катода је под негативним притиском на усисној електроди, генерисано електрично поље контролише позитивне јоне, узрокујући да се померају према усисној електроди и извлаче из јонског прореза, као што је приказано на слици испод. . Што је јачина електричног поља већа, то је већа кинетичка енергија коју јони добијају након убрзања. Такође постоји напон потискивања на усисној електроди како би се спречиле сметње од електрона у плазми. Истовремено, електрода за сузбијање може да формира јоне у јонски сноп и фокусира их у паралелни ток јонског снопа тако да прође кроз имплантатор.
(3)Анализатор масе:
Може бити много врста јона генерисаних из извора јона. Под убрзањем анодног напона, јони се крећу великом брзином. Различити јони имају различите јединице атомске масе и различите односе масе и наелектрисања.
(4)Цев акцелератора:
Да би се постигла већа брзина, потребна је већа енергија. Поред електричног поља које обезбеђује анализатор аноде и масе, за убрзање је потребно и електрично поље обезбеђено у цеви акцелератора. Цев акцелератора се састоји од низа електрода изолованих диелектриком, а негативни напон на електродама се повећава низом кроз серијску везу. Што је већи укупни напон, већа је брзина коју добијају јони, односно већа је енергија која се преноси. Висока енергија може омогућити да се јони нечистоћа убризгају дубоко у силицијумску плочицу како би се формирао дубоки спој, док се ниска енергија може користити за стварање плитког споја.
(5)Скенирање диска
Фокусирани јонски сноп је обично веома малог пречника. Пречник тачке снопа код имплантатора средње струје снопа је око 1 цм, а код имплантатора велике струје снопа је око 3 цм. Цела силиконска плочица мора бити покривена скенирањем. Поновљивост имплантације дозе утврђује се скенирањем. Обично постоје четири типа система за скенирање имплантата:
① електростатичко скенирање;
② механичко скенирање;
③ хибридно скенирање;
④ паралелно скенирање.
(6)Систем неутрализације статичког електрицитета:
Током процеса имплантације, јонски сноп удара у силицијумску плочицу и изазива накупљање наелектрисања на површини маске. Резултирајућа акумулација наелектрисања мења равнотежу наелектрисања у снопу јона, чинећи тачку снопа већом и расподелу дозе неуједначеном. Може чак и да пробије површински оксидни слој и изазове квар уређаја. Сада се силицијумска плоча и јонски сноп обично постављају у стабилно окружење плазме високе густине које се назива плазма електронски туш систем, који може да контролише пуњење силицијумске плочице. Ова метода издваја електроне из плазме (обично аргон или ксенон) у лучној комори која се налази на путу јонског снопа и близу силицијумске плочице. Плазма се филтрира и само секундарни електрони могу доћи до површине силицијумске плочице да неутралишу позитивно наелектрисање.
(7)Процесна шупљина:
Убризгавање јонских снопова у силицијумске плочице се дешава у процесној комори. Процесна комора је важан део имплантатора, укључујући систем за скенирање, терминалну станицу са вакуум бравом за утовар и истовар силицијумских плочица, систем преноса силицијумских плочица и компјутерски контролни систем. Поред тога, постоје неки уређаји за праћење доза и контролу ефеката канала. Ако се користи механичко скенирање, терминална станица ће бити релативно велика. Вишестепена механичка пумпа, турбомолекуларна пумпа и кондензациона пумпа пумпа вакум процесне коморе до притиска дна који је потребан за процес, што је обично око 1×10-6Торр или мање.
(8)Систем контроле дозирања:
Праћење дозе у реалном времену у јонском имплантатору се постиже мерењем снопа јона који стиже до силицијумске плочице. Струја јонског снопа се мери помоћу сензора који се зове Фарадејева шоља. У једноставном Фарадејевом систему, на путу јонског снопа постоји сензор струје који мери струју. Међутим, ово представља проблем, јер јонски сноп реагује са сензором и производи секундарне електроне који ће довести до погрешних очитавања струје. Фарадејев систем може да потисне секундарне електроне користећи електрична или магнетна поља да би добио право очитавање струје снопа. Струја мерена Фарадејевим системом се доводи у електронски контролер дозе, који делује као акумулатор струје (који непрекидно акумулира измерену струју снопа). Контролер се користи да повеже укупну струју са одговарајућим временом имплантације и израчуна време потребно за одређену дозу.
3.2 Поправка оштећења
Имплантација јона ће избацити атоме из структуре решетке и оштетити решетку силицијумске плочице. Ако је имплантирана доза велика, имплантирани слој ће постати аморфан. Поред тога, имплантирани јони у основи не заузимају решеткасте тачке силицијума, већ остају у позицијама зазора решетке. Ове интерстицијске нечистоће могу се активирати само након процеса жарења на високој температури.
Жарење може загрејати имплантирану силицијумску плочицу да би се поправили дефекти решетке; такође може да помери атоме нечистоће до тачака решетке и да их активира. Температура потребна да се поправе дефекти решетке је око 500°Ц, а температура потребна за активирање атома нечистоћа је око 950°Ц. Активација нечистоћа је повезана са временом и температуром: што је време дуже и што је температура виша, нечистоће се потпуније активирају. Постоје две основне методе за жарење силицијумских плочица:
① жарење у високотемпературној пећи;
② брзо термичко жарење (РТА).
Жарење у високотемпературној пећи: Високотемпературно жарење у пећи је традиционална метода жарења, која користи високотемпературну пећ да загреје силицијумску плочицу на 800-1000 ℃ и држи је 30 минута. На овој температури, атоми силицијума се враћају у положај решетке, а атоми нечистоће такође могу заменити атоме силицијума и ући у решетку. Међутим, топлотна обрада на таквој температури и времену ће довести до дифузије нечистоћа, што је нешто што савремена производна индустрија ИЦ не жели да види.
Брзо термичко жарење: Брзо термичко жарење (РТА) третира силиконске плочице са изузетно брзим порастом температуре и кратким трајањем на циљној температури (обично 1000°Ц). Жарење имплантираних силицијумских плочица се обично изводи у брзом термичком процесору са Ар или Н2. Брз процес пораста температуре и кратко трајање могу оптимизовати поправку дефеката решетке, активацију нечистоћа и инхибицију дифузије нечистоћа. РТА такође може да смањи пролазну побољшану дифузију и најбољи је начин за контролу дубине споја у имплантатима са плитким спојем.
—————————————————————————————————————————————————— ————————————
Семицера може да обезбедиграфитних делова, мекани/чврсти филц, делови од силицијум карбида, ЦВД делови од силицијум карбида, иСиЦ/ТаЦ обложени деловиса за 30 дана.
Ако сте заинтересовани за горе наведене полупроводничке производе,молимо не оклевајте да нас контактирате први пут.
Тел: +86-13373889683
ВхатсАПП: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Време поста: 31.08.2024