1. Introducere
Implantarea ionică este unul dintre procesele principale în fabricarea circuitelor integrate. Se referă la procesul de accelerare a unui fascicul de ioni la o anumită energie (în general, în intervalul de la keV la MeV) și apoi injectarea acestuia pe suprafața unui material solid pentru a modifica proprietățile fizice ale suprafeței materialului. În procesul de circuit integrat, materialul solid este de obicei siliciu, iar ionii de impurități implantați sunt de obicei ionii de bor, ionii de fosfor, ionii de arsen, ionii de indiu, ionii de germaniu etc. Ionii implantați pot modifica conductivitatea suprafeței solidului. material sau formează o joncțiune PN. Când dimensiunea caracteristicilor circuitelor integrate a fost redusă la era sub-micron, procesul de implantare ionică a fost utilizat pe scară largă.
În procesul de fabricație a circuitelor integrate, implantarea ionică este de obicei utilizată pentru straturi adânci îngropate, puțuri dopate invers, ajustarea tensiunii de prag, implantarea extinderii sursei și a drenului, implantarea surselor și a drenului, dopajul cu porți de polisiliciu, formarea de joncțiuni PN și rezistențe/condensatori etc. În procesul de pregătire a materialelor de substrat de siliciu pe izolatori, stratul de oxid îngropat este format în principal prin implantarea ionilor de oxigen cu concentrație ridicată, sau tăierea inteligentă este realizată prin implantarea ionilor de hidrogen cu concentrație mare.
Implantarea ionică este efectuată de un implantator de ioni, iar cei mai importanți parametri ai procesului sunt doza și energia: doza determină concentrația finală, iar energia determină intervalul (adică adâncimea) ionilor. Conform diferitelor cerințe de proiectare a dispozitivului, condițiile de implantare sunt împărțite în doză mare de energie mare, doză medie de energie medie, doză medie de energie scăzută sau doză mare de energie scăzută. Pentru a obține efectul ideal de implantare, diferitele implantare ar trebui să fie echipate pentru diferite cerințe de proces.
După implantarea ionică, este, în general, necesar să se supună unui proces de recoacere la temperatură înaltă pentru a repara deteriorarea rețelei cauzată de implantarea ionică și pentru a activa ionii de impurități. În procesele tradiționale cu circuite integrate, deși temperatura de recoacere are o mare influență asupra dopajului, temperatura procesului de implantare ionică în sine nu este importantă. La nodurile tehnologice sub 14 nm, anumite procese de implantare ionică trebuie efectuate în medii cu temperatură scăzută sau ridicată pentru a modifica efectele deteriorării rețelei etc.
2. procesul de implantare ionică
2.1 Principii de bază
Implantarea ionică este un proces de dopaj dezvoltat în anii 1960, care este superior tehnicilor tradiționale de difuzie în majoritatea aspectelor.
Principalele diferențe dintre dopajul prin implantare ionică și dopajul tradițional de difuzie sunt următoarele:
(1) Distribuția concentrației de impurități în regiunea dopată este diferită. Concentrația de vârf a impurităților de implantare ionică este situată în interiorul cristalului, în timp ce concentrația de vârf a impurităților de difuzie este situată pe suprafața cristalului.
(2) Implantarea ionică este un proces efectuat la temperatura camerei sau chiar la temperatură scăzută, iar timpul de producție este scurt. Dopajul prin difuzie necesită un tratament mai lung la temperatură ridicată.
(3) Implantarea ionică permite o selecție mai flexibilă și mai precisă a elementelor implantate.
(4) Deoarece impuritățile sunt afectate de difuzia termică, forma de undă formată prin implantarea ionilor în cristal este mai bună decât forma de undă formată prin difuzie în cristal.
(5) Implantarea ionică folosește de obicei doar fotorezist ca material de mască, dar dopajul prin difuzie necesită creșterea sau depunerea unui film de o anumită grosime ca mască.
(6) Implantarea ionică a înlocuit practic difuzia și a devenit principalul proces de dopaj în fabricarea circuitelor integrate astăzi.
Când un fascicul de ioni incident cu o anumită energie bombardează o țintă solidă (de obicei o napolitană), ionii și atomii de pe suprafața țintă vor suferi o varietate de interacțiuni și vor transfera energie atomilor țintă într-un anumit mod pentru a excita sau ioniza. ei. De asemenea, ionii pot pierde o anumită cantitate de energie prin transferul de impuls și, în final, pot fi împrăștiați de atomii țintă sau se pot opri în materialul țintă. Dacă ionii injectați sunt mai grei, majoritatea ionilor vor fi injectați în ținta solidă. Dimpotrivă, dacă ionii injectați sunt mai ușori, mulți dintre ionii injectați vor sări de pe suprafața țintă. Practic, acești ioni de înaltă energie injectați în țintă se vor ciocni cu atomii și electronii rețelei din ținta solidă în grade diferite. Printre acestea, ciocnirea dintre ioni și atomii țintă solidi poate fi privită ca o coliziune elastică, deoarece aceștia sunt apropiati ca masă.
2.2 Principalii parametri ai implantării ionice
Implantarea ionică este un proces flexibil care trebuie să îndeplinească cerințe stricte de proiectare și producție a cipurilor. Parametrii importanți de implantare ionică sunt: doza, intervalul.
Doza (D) se referă la numărul de ioni injectați pe unitatea de suprafață a suprafeței plachetei de siliciu, în atomi pe centimetru pătrat (sau ioni pe centimetru pătrat). D poate fi calculat prin următoarea formulă:
Unde D este doza de implantare (numărul de ioni/unitatea de suprafață); t este timpul de implantare; I este curentul fasciculului; q este sarcina purtată de ion (o singură sarcină este 1,6×1019C[1]); iar S este zona de implantare.
Unul dintre principalele motive pentru care implantarea ionică a devenit o tehnologie importantă în fabricarea plachetelor de siliciu este că poate implanta în mod repetat aceeași doză de impurități în plăcile de siliciu. Implanterul atinge acest obiectiv cu ajutorul încărcăturii pozitive a ionilor. Când ionii pozitivi de impurități formează un fascicul de ioni, debitul acestuia se numește curent al fasciculului de ioni, care se măsoară în mA. Gama de curenți medii și scăzuti este de 0,1 până la 10 mA, iar gama de curenți mari este de 10 până la 25 mA.
Mărimea curentului fasciculului ionic este o variabilă cheie în definirea dozei. Dacă curentul crește, crește și numărul de atomi de impurități implantați pe unitatea de timp. Curentul ridicat conduce la creșterea randamentului plachetei de siliciu (injectând mai mulți ioni pe unitate de timp de producție), dar provoacă și probleme de uniformitate.
3. echipamente de implantare ionică
3.1 Structura de bază
Echipamentul de implantare ionică include 7 module de bază:
① sursă de ioni și absorbant;
② analizor de masă (adică magnet analitic);
③ tub de accelerație;
④ disc de scanare;
⑤ sistem de neutralizare electrostatică;
⑥ camera de proces;
⑦ sistem de control al dozei.
AToate modulele sunt într-un mediu de vid stabilit de sistemul de vid. Schema structurală de bază a implantului de ioni este prezentată în figura de mai jos.
(1)Sursa de ioni:
De obicei, în aceeași cameră de vid ca și electrodul de aspirație. Impuritățile care așteaptă să fie injectate trebuie să existe în stare ionică pentru a fi controlate și accelerate de câmpul electric. Cele mai utilizate B+, P+, As+ etc. sunt obținute prin ionizarea atomilor sau moleculelor.
Sursele de impurități utilizate sunt BF3, PH3 și AsH3 etc., iar structurile lor sunt prezentate în figura de mai jos. Electronii eliberați de filament se ciocnesc cu atomii de gaz pentru a produce ioni. Electronii sunt generați de obicei de o sursă fierbinte de filament de tungsten. De exemplu, sursa de ioni Berners, filamentul catodic este instalat într-o cameră cu arc cu o intrare de gaz. Peretele interior al camerei arcului este anodul.
Când sursa de gaz este introdusă, un curent mare trece prin filament, iar între electrozii pozitivi și negativi se aplică o tensiune de 100 V, care vor genera electroni de mare energie în jurul filamentului. Ionii pozitivi sunt generați după ce electronii de înaltă energie se ciocnesc cu moleculele de gaz sursă.
Magnetul extern aplică un câmp magnetic paralel cu filamentul pentru a crește ionizarea și a stabiliza plasma. În camera cu arc, la celălalt capăt față de filament, există un reflector încărcat negativ care reflectă electronii înapoi pentru a îmbunătăți generarea și eficiența electronilor.
(2)Absorbţie:
Este folosit pentru a colecta ionii pozitivi generați în camera arcului sursei de ioni și a le forma într-un fascicul de ioni. Deoarece camera arcului este anodul, iar catodul este presurizat negativ pe electrodul de aspirație, câmpul electric generat controlează ionii pozitivi, determinându-i să se deplaseze către electrodul de aspirație și să fie extrași din fanta ionică, așa cum se arată în figura de mai jos. . Cu cât intensitatea câmpului electric este mai mare, cu atât energia cinetică câștigată de ionii după accelerare este mai mare. Există, de asemenea, o tensiune de suprimare pe electrodul de aspirație pentru a preveni interferențele de la electronii din plasmă. În același timp, electrodul de suprimare poate forma ioni într-un fascicul de ioni și îi poate concentra într-un flux de fascicul de ioni paralel, astfel încât acesta să treacă prin implantor.
(3)Analizor de masă:
Pot exista multe tipuri de ioni generați din sursa de ioni. Sub accelerarea tensiunii anodului, ionii se mișcă cu o viteză mare. Ioni diferiți au unități de masă atomică diferite și raporturi masă-sarcină diferite.
(4)Tub accelerator:
Pentru a obține o viteză mai mare este nevoie de energie mai mare. Pe lângă câmpul electric furnizat de anod și analizorul de masă, pentru accelerare este necesar și un câmp electric furnizat în tubul de accelerație. Tubul accelerator este format dintr-o serie de electrozi izolați de un dielectric, iar tensiunea negativă pe electrozi crește în succesiune prin conexiunea în serie. Cu cât tensiunea totală este mai mare, cu atât viteza obținută de ioni este mai mare, adică cu atât energia transportată este mai mare. Energia mare poate permite ionilor de impurități să fie injectați adânc în placheta de siliciu pentru a forma o joncțiune adâncă, în timp ce energia scăzută poate fi folosită pentru a face o joncțiune mică.
(5)Disc de scanare
Fascicul de ioni focalizat este de obicei foarte mic în diametru. Diametrul spotului de fascicul al unui implant de curent cu fascicul mediu este de aproximativ 1 cm, iar cel al unui implant de curent cu fascicul mare este de aproximativ 3 cm. Întreaga placă de siliciu trebuie acoperită prin scanare. Repetabilitatea implantării dozei este determinată prin scanare. De obicei, există patru tipuri de sisteme de scanare cu implantare:
① scanare electrostatică;
② scanare mecanică;
③ scanare hibridă;
④ scanare paralelă.
(6)Sistem de neutralizare a electricității statice:
În timpul procesului de implantare, fasciculul de ioni lovește placa de siliciu și determină acumularea de sarcină pe suprafața măștii. Acumularea de sarcină rezultată modifică echilibrul de încărcare în fasciculul de ioni, făcând spotul fasciculului mai mare și distribuția dozei neuniformă. Poate chiar să spargă stratul de oxid de suprafață și să provoace defecțiunea dispozitivului. Acum, placheta de siliciu și fasciculul de ioni sunt de obicei plasate într-un mediu stabil cu plasmă de înaltă densitate numit sistem de duș cu electroni cu plasmă, care poate controla încărcarea plachetei de siliciu. Această metodă extrage electroni din plasmă (de obicei argon sau xenon) într-o cameră cu arc situată pe calea fasciculului ionic și în apropierea plachetei de siliciu. Plasma este filtrată și numai electronii secundari pot ajunge la suprafața plachetei de siliciu pentru a neutraliza sarcina pozitivă.
(7)Cavitatea procesului:
Injectarea fasciculelor de ioni în plachetele de siliciu are loc în camera de proces. Camera de proces este o parte importantă a implantului, incluzând un sistem de scanare, o stație terminală cu un blocaj cu vid pentru încărcarea și descărcarea plachetelor de siliciu, un sistem de transfer al plăcilor de siliciu și un sistem de control computerizat. În plus, există unele dispozitive pentru monitorizarea dozelor și controlul efectelor canalului. Dacă se utilizează scanarea mecanică, stația terminală va fi relativ mare. Vidul camerei de proces este pompat la presiunea inferioară necesară procesului de către o pompă mecanică cu mai multe etape, o pompă turbomoleculară și o pompă de condensare, care este în general de aproximativ 1 × 10-6 Torr sau mai puțin.
(8)Sistem de control al dozei:
Monitorizarea în timp real a dozei într-un implant de ioni se realizează prin măsurarea fasciculului de ioni care ajunge la placheta de siliciu. Curentul fasciculului ionic este măsurat folosind un senzor numit cupă Faraday. Într-un sistem Faraday simplu, există un senzor de curent pe calea fasciculului ionic care măsoară curentul. Cu toate acestea, aceasta prezintă o problemă, deoarece fasciculul de ioni reacționează cu senzorul și produce electroni secundari care vor duce la citiri eronate ale curentului. Un sistem Faraday poate suprima electronii secundari folosind câmpuri electrice sau magnetice pentru a obține o citire reală a curentului fasciculului. Curentul măsurat de sistemul Faraday este alimentat într-un controler electronic de doză, care acționează ca un acumulator de curent (care acumulează continuu curentul fasciculului măsurat). Controlerul este utilizat pentru a raporta curentul total la timpul de implantare corespunzător și pentru a calcula timpul necesar pentru o anumită doză.
3.2 Repararea daunelor
Implantarea ionică va elimina atomii din structura rețelei și va deteriora rețeaua plachetelor de siliciu. Dacă doza implantată este mare, stratul implantat va deveni amorf. În plus, ionii implantați practic nu ocupă punctele rețelei de siliciu, ci rămân în pozițiile de goluri rețelei. Aceste impurități interstițiale pot fi activate numai după un proces de recoacere la temperatură ridicată.
Recoacerea poate încălzi placheta de siliciu implantată pentru a repara defectele rețelei; de asemenea, poate muta atomii de impurități în punctele rețelei și îi poate activa. Temperatura necesară pentru repararea defectelor rețelei este de aproximativ 500°C, iar temperatura necesară pentru activarea atomilor de impurități este de aproximativ 950°C. Activarea impurităților este legată de timp și temperatură: cu cât timpul este mai lung și temperatura este mai mare, cu atât impuritățile sunt activate mai mult. Există două metode de bază pentru recoacere plachete de siliciu:
① recoacere cuptor la temperatură înaltă;
② recoacere termică rapidă (RTA).
Recoacere în cuptor cu temperatură înaltă: Recoacere în cuptor cu temperatură înaltă este o metodă tradițională de recoacere, care folosește un cuptor cu temperatură înaltă pentru a încălzi placa de siliciu la 800-1000 ℃ și a o păstra timp de 30 de minute. La această temperatură, atomii de siliciu se mută înapoi în poziția rețelei, iar atomii de impurități pot, de asemenea, înlocui atomii de siliciu și intra în rețea. Cu toate acestea, tratamentul termic la o astfel de temperatură și timp va duce la difuzarea impurităților, ceea ce este ceva ce industria modernă de fabricare a circuitelor integrate nu vrea să-l vadă.
Recoacere termică rapidă: Recoacere termică rapidă (RTA) tratează plachetele de siliciu cu o creștere extrem de rapidă a temperaturii și o durată scurtă la temperatura țintă (de obicei 1000°C). Recoacerea plachetelor de siliciu implantate se realizează de obicei într-un procesor termic rapid cu Ar sau N2. Procesul de creștere rapidă a temperaturii și durata scurtă pot optimiza repararea defectelor rețelei, activarea impurităților și inhibarea difuziei impurităților. RTA poate reduce, de asemenea, difuzia îmbunătățită tranzitorie și este cea mai bună modalitate de a controla adâncimea joncțiunii în implanturile de joncțiune de mică adâncime.
———————————————————————————————————————————————————— ————————————-
Semicera poate oferipiese din grafit, pâslă moale/rigidă, piese din carbură de siliciu, Piese din carbură de siliciu CVD, șiPiese acoperite cu SiC/TaCcu in 30 de zile.
Dacă sunteți interesat de produsele semiconductoare de mai sus,vă rugăm să nu ezitați să ne contactați prima dată.
Tel: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Ora postării: 31-aug-2024