1. Introduksjon
Ioneimplantasjon er en av hovedprosessene i produksjon av integrerte kretser. Det refererer til prosessen med å akselerere en ionestråle til en viss energi (vanligvis i området keV til MeV) og deretter injisere den inn i overflaten av et fast materiale for å endre de fysiske egenskapene til overflaten av materialet. I den integrerte kretsprosessen er det faste materialet vanligvis silisium, og de implanterte urenheter er vanligvis borioner, fosforioner, arsenikkioner, indiumioner, germaniumioner osv. De implanterte ionene kan endre ledningsevnen til overflaten til det faste stoffet. materiale eller danne et PN-kryss. Da funksjonsstørrelsen til integrerte kretser ble redusert til sub-mikron-æraen, ble ioneimplantasjonsprosessen mye brukt.
I produksjonsprosessen for integrerte kretser brukes ioneimplantasjon vanligvis for dypt begravde lag, reversert dopede brønner, terskelspenningsjustering, source- og drain-forlengelsesimplantasjon, source- og drain-implantasjon, polysilisium-gate-doping, dannelse av PN-kryss og motstander/kondensatorer, etc. I prosessen med å tilberede silisiumsubstratmaterialer på isolatorer, dannes det nedgravde oksidlaget hovedsakelig ved høykonsentrasjon oksygenionimplantasjon, eller intelligent kutting oppnås ved høykonsentrasjonshydrogenionimplantasjon.
Ioneimplantasjon utføres av en ioneimplantator, og dens viktigste prosessparametere er dose og energi: dosen bestemmer den endelige konsentrasjonen, og energien bestemmer rekkevidden (dvs. dybden) til ionene. I henhold til ulike enhetsdesignkrav er implantasjonsforholdene delt inn i høydose høyenergi, middels dose middels energi, middels dose lavenergi eller høydose lavenergi. For å oppnå den ideelle implantasjonseffekten bør forskjellige implantatorer være utstyrt for forskjellige prosesskrav.
Etter ioneimplantasjon er det generelt nødvendig å gjennomgå en høytemperaturglødingsprosess for å reparere gitterskaden forårsaket av ioneimplantasjon og aktivere urenheter. I tradisjonelle integrerte kretsprosesser, selv om annealingstemperaturen har stor innflytelse på doping, er ikke temperaturen på selve ioneimplantasjonsprosessen viktig. Ved teknologinoder under 14nm, må visse ioneimplantasjonsprosesser utføres i miljøer med lav eller høy temperatur for å endre effekten av gitterskader osv.
2. Ioneimplantasjonsprosess
2.1 Grunnleggende prinsipper
Ioneimplantasjon er en dopingprosess utviklet på 1960-tallet som er overlegen tradisjonelle diffusjonsteknikker i de fleste aspekter.
Hovedforskjellene mellom ioneimplantasjonsdoping og tradisjonell diffusjonsdoping er som følger:
(1) Fordelingen av urenhetskonsentrasjon i den dopede regionen er forskjellig. Den høyeste urenhetskonsentrasjonen ved ioneimplantasjon er lokalisert inne i krystallen, mens den høyeste urenhetskonsentrasjonen av diffusjon er lokalisert på overflaten av krystallen.
(2) Ioneimplantasjon er en prosess som utføres ved romtemperatur eller til og med lav temperatur, og produksjonstiden er kort. Diffusjonsdoping krever en lengre høytemperaturbehandling.
(3) Ioneimplantasjon gir mulighet for mer fleksibelt og presist utvalg av implanterte elementer.
(4) Siden urenheter påvirkes av termisk diffusjon, er bølgeformen som dannes ved ioneimplantasjon i krystallen, bedre enn bølgeformen som dannes ved diffusjon i krystallen.
(5) Ioneimplantasjon bruker vanligvis bare fotoresist som maskemateriale, men diffusjonsdoping krever vekst eller avsetning av en film av en viss tykkelse som en maske.
(6) Ioneimplantasjon har i utgangspunktet erstattet diffusjon og blitt den viktigste dopingprosessen i produksjonen av integrerte kretser i dag.
Når en innfallende ionestråle med en viss energi bombarderer et fast mål (vanligvis en wafer), vil ionene og atomene på måloverflaten gjennomgå en rekke interaksjoner, og overføre energi til målatomene på en bestemt måte for å eksitere eller ionisere dem. Ionene kan også miste en viss mengde energi gjennom momentumoverføring, og til slutt bli spredt av målatomene eller stoppe i målmaterialet. Hvis de injiserte ionene er tyngre, vil de fleste ionene bli injisert i det faste målet. Tvert imot, hvis de injiserte ionene er lettere, vil mange av de injiserte ionene sprette fra måloverflaten. I utgangspunktet vil disse høyenergi-ionene som injiseres i målet kollidere med gitteratomene og elektronene i det faste målet i varierende grad. Blant dem kan kollisjonen mellom ioner og faste målatomer betraktes som en elastisk kollisjon fordi de er nære i masse.
2.2 Hovedparametre for ioneimplantasjon
Ioneimplantasjon er en fleksibel prosess som må oppfylle strenge krav til chipdesign og produksjon. Viktige ionimplantasjonsparametere er: dose, rekkevidde.
Dose (D) refererer til antall ioner injisert per arealenhet av silisiumwaferoverflaten, i atomer per kvadratcentimeter (eller ioner per kvadratcentimeter). D kan beregnes med følgende formel:
Hvor D er implantasjonsdosen (antall ioner/arealenhet); t er implantasjonstiden; I er strålestrømmen; q er ladningen som bæres av ionet (en enkelt ladning er 1,6×1019C[1]); og S er implantasjonsområdet.
En av hovedårsakene til at ioneimplantasjon har blitt en viktig teknologi i produksjon av silisiumwafere, er at den gjentatte ganger kan implantere samme dose urenheter i silisiumwafere. Implantatøren oppnår dette målet ved hjelp av den positive ladningen til ionene. Når de positive urenhetene danner en ionestråle, kalles strømningshastigheten ionestrålestrømmen, som måles i mA. Rekkevidden av middels og lav strøm er 0,1 til 10 mA, og rekkevidden av høye strømmer er 10 til 25 mA.
Størrelsen på ionestrålestrømmen er en nøkkelvariabel for å definere dosen. Hvis strømmen øker, øker også antallet implanterte urenhetsatomer per tidsenhet. Høy strøm bidrar til å øke utbyttet av silisiumwafer (injiserer flere ioner per enhet produksjonstid), men det forårsaker også jevnhetsproblemer.
3. Ioneimplantasjonsutstyr
3.1 Grunnleggende struktur
Ioneimplantasjonsutstyr inkluderer 7 grunnleggende moduler:
① ionekilde og absorber;
② masseanalysator (dvs. analytisk magnet);
③ akselerator rør;
④ skanne disk;
⑤ elektrostatisk nøytraliseringssystem;
⑥ prosesskammer;
⑦ dosekontrollsystem.
AAlle moduler er i et vakuummiljø etablert av vakuumsystemet. Det grunnleggende strukturelle diagrammet til ioneimplantatet er vist i figuren nedenfor.
(1)Ionekilde:
Vanligvis i samme vakuumkammer som sugeelektroden. Urenhetene som venter på å bli injisert må eksistere i en ionetilstand for å bli kontrollert og akselerert av det elektriske feltet. De mest brukte B+, P+, As+ osv. oppnås ved å ionisere atomer eller molekyler.
Urenhetskildene som brukes er BF3, PH3 og AsH3, etc., og deres strukturer er vist i figuren nedenfor. Elektronene frigjort av filamentet kolliderer med gassatomer for å produsere ioner. Elektroner genereres vanligvis av en varm wolframfilamentkilde. For eksempel, Berners ionekilde, katodefilamentet er installert i et buekammer med gassinntak. Den indre veggen av lysbuekammeret er anoden.
Når gasskilden introduseres, går det en stor strøm gjennom glødetråden, og det påføres en spenning på 100 V mellom de positive og negative elektrodene, som vil generere høyenergielektroner rundt glødetråden. Positive ioner genereres etter at høyenergielektronene kolliderer med kildegassmolekylene.
Den eksterne magneten påfører et magnetfelt parallelt med filamentet for å øke ioniseringen og stabilisere plasmaet. I lysbuekammeret, i den andre enden i forhold til glødetråden, er det en negativt ladet reflektor som reflekterer elektronene tilbake for å forbedre genereringen og effektiviteten av elektroner.
(2)Absorpsjon:
Den brukes til å samle positive ioner generert i lysbuekammeret til ionekilden og danne dem til en ionestråle. Siden lysbuekammeret er anoden og katoden er negativt trykksatt på sugeelektroden, kontrollerer det elektriske feltet som genereres de positive ionene, og får dem til å bevege seg mot sugeelektroden og trekkes ut fra ionespalten, som vist i figuren nedenfor . Jo større elektrisk feltstyrke, jo større kinetisk energi får ionene etter akselerasjon. Det er også en undertrykkelsesspenning på sugeelektroden for å forhindre interferens fra elektroner i plasmaet. Samtidig kan undertrykkelseselektroden danne ioner til en ionestråle og fokusere dem til en parallell ionestrålestrøm slik at den passerer gjennom implantatoren.
(3)Masseanalysator:
Det kan være mange typer ioner generert fra ionekilden. Under akselerasjonen av anodespenningen beveger ionene seg med høy hastighet. Ulike ioner har forskjellige atommasseenheter og forskjellige masse-til-ladning-forhold.
(4)Akseleratorrør:
For å oppnå høyere hastighet kreves det høyere energi. I tillegg til det elektriske feltet fra anode- og masseanalysatoren, kreves det også et elektrisk felt i akseleratorrøret for akselerasjon. Akseleratorrøret består av en serie elektroder isolert av et dielektrikum, og den negative spenningen på elektrodene øker i rekkefølge gjennom seriekoblingen. Jo høyere den totale spenningen er, desto større hastighet oppnås av ionene, det vil si jo større energi som bæres. Høy energi kan tillate at urenheter injiseres dypt inn i silisiumplaten for å danne et dypt kryss, mens lav energi kan brukes til å lage et grunt kryss.
(5)Skanner disk
Den fokuserte ionestrålen er vanligvis svært liten i diameter. Strålepunktdiameteren til et implantatør med middels strålestrøm er ca. 1 cm, og diameteren til en implantator med stor strålestrøm er ca. 3 cm. Hele silisiumplaten må dekkes med skanning. Repeterbarheten av doseimplantasjonen bestemmes ved skanning. Vanligvis er det fire typer implantatorskannesystemer:
① elektrostatisk skanning;
② mekanisk skanning;
③ hybrid skanning;
④ parallell skanning.
(6)Nøytraliseringssystem for statisk elektrisitet:
Under implantasjonsprosessen treffer ionestrålen silisiumplaten og får ladning til å samle seg på maskens overflate. Den resulterende ladningsakkumuleringen endrer ladningsbalansen i ionestrålen, noe som gjør stråleflekken større og dosefordelingen ujevn. Det kan til og med bryte gjennom overflateoksidlaget og forårsake feil på enheten. Nå er silisiumplaten og ionestrålen vanligvis plassert i et stabilt plasmamiljø med høy tetthet kalt et plasmaelektrondusjsystem, som kan kontrollere ladingen av silisiumplaten. Denne metoden trekker ut elektroner fra plasmaet (vanligvis argon eller xenon) i et buekammer plassert i ionestrålebanen og nær silisiumplaten. Plasmaet filtreres og bare sekundære elektroner kan nå overflaten av silisiumplaten for å nøytralisere den positive ladningen.
(7)Prosess hulrom:
Injeksjonen av ionestråler i silisiumskiver skjer i prosesskammeret. Prosesskammeret er en viktig del av implantatoren, inkludert et skanningssystem, en terminalstasjon med vakuumlås for lasting og lossing av silisiumskiver, et silisiumplateoverføringssystem og et datakontrollsystem. I tillegg er det noen enheter for å overvåke doser og kontrollere kanaleffekter. Ved bruk av mekanisk skanning vil terminalstasjonen være relativt stor. Vakuumet til prosesskammeret pumpes til bunntrykket som kreves av prosessen av en flertrinns mekanisk pumpe, en turbomolekylær pumpe og en kondensasjonspumpe, som vanligvis er omtrent 1×10-6Torr eller mindre.
(8)Doseringskontrollsystem:
Sanntidsdoseovervåking i en ioneimplantator oppnås ved å måle ionestrålen som når silisiumplaten. Ionestrålestrømmen måles ved hjelp av en sensor kalt en Faraday-kopp. I et enkelt Faraday-system er det en strømsensor i ionestrålebanen som måler strømmen. Dette utgjør imidlertid et problem, ettersom ionestrålen reagerer med sensoren og produserer sekundære elektroner som vil resultere i feilaktige strømavlesninger. Et Faraday-system kan undertrykke sekundære elektroner ved hjelp av elektriske eller magnetiske felt for å oppnå en sann strålestrømavlesning. Strømmen målt av Faraday-systemet mates inn i en elektronisk dosekontroller, som fungerer som en strømakkumulator (som kontinuerlig akkumulerer den målte strålestrømmen). Kontrolleren brukes til å relatere den totale strømmen til den tilsvarende implantasjonstiden og beregne tiden som kreves for en viss dose.
3.2 Skadereparasjon
Ioneimplantasjon vil slå atomer ut av gitterstrukturen og skade silisiumwafergitteret. Hvis den implanterte dosen er stor, vil det implanterte laget bli amorft. I tillegg opptar de implanterte ionene i utgangspunktet ikke gitterpunktene til silisium, men holder seg i gittergapposisjonene. Disse interstitielle urenhetene kan bare aktiveres etter en høytemperaturglødingsprosess.
Gløding kan varme opp den implanterte silisiumplaten for å reparere gitterdefekter; den kan også flytte urenhetsatomer til gitterpunktene og aktivere dem. Temperaturen som kreves for å reparere gitterdefekter er omtrent 500°C, og temperaturen som kreves for å aktivere urenhetsatomer er omtrent 950°C. Aktiveringen av urenheter er relatert til tid og temperatur: jo lengre tid og jo høyere temperatur, jo mer fullstendig aktiveres urenhetene. Det er to grunnleggende metoder for gløding av silisiumskiver:
① høy temperatur ovn annealing;
② rask termisk utglødning (RTA).
Høytemperaturovnsgløding: Høytemperaturovnsgløding er en tradisjonell glødemetode, som bruker en høytemperaturovn for å varme opp silisiumplaten til 800-1000 ℃ og holde den i 30 minutter. Ved denne temperaturen beveger silisiumatomene seg tilbake til gitterposisjonen, og urenhetsatomer kan også erstatte silisiumatomene og gå inn i gitteret. Imidlertid vil varmebehandling ved en slik temperatur og tid føre til diffusjon av urenheter, noe den moderne IC-produksjonsindustrien ikke ønsker å se.
Rask termisk gløding: Rask termisk gløding (RTA) behandler silisiumskiver med ekstremt rask temperaturøkning og kort varighet ved måltemperaturen (vanligvis 1000°C). Utglødning av implanterte silisiumskiver utføres vanligvis i en hurtig termisk prosessor med Ar eller N2. Den raske temperaturøkningsprosessen og korte varigheten kan optimalisere reparasjon av gitterdefekter, aktivering av urenheter og hemming av urenhetsdiffusjon. RTA kan også redusere transient forbedret diffusjon og er den beste måten å kontrollere koblingsdybden i grunne koblingsimplantater.
————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera kan gigrafitt deler, myk/stiv filt, silisiumkarbiddeler, CVD silisiumkarbiddeler, ogSiC/TaC-belagte delermed om 30 dager.
Hvis du er interessert i de ovennevnte halvlederproduktene,ikke nøl med å kontakte oss første gang.
Tlf.: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Innleggstid: 31. august 2024