1. Uvod
Ionska implantacija je eden glavnih procesov pri izdelavi integriranih vezij. Nanaša se na postopek pospeševanja ionskega žarka do določene energije (običajno v območju od keV do MeV) in njegovega nato vbrizgavanja v površino trdnega materiala, da se spremenijo fizikalne lastnosti površine materiala. V procesu integriranega vezja je trdni material običajno silicij, implantirani nečistotni ioni pa so običajno borovi ioni, fosforjevi ioni, arzenovi ioni, indijevi ioni, germanijevi ioni itd. Implantirani ioni lahko spremenijo prevodnost površine trdne snovi. materiala ali tvorijo PN spoj. Ko se je velikost funkcij integriranih vezij zmanjšala na submikronsko dobo, je bil postopek ionske implantacije široko uporabljen.
V procesu izdelave integriranega vezja se ionska implantacija običajno uporablja za globoko zakopane plasti, reverzno dopirane vdolbinice, prilagoditev napetosti praga, implantacijo razširitve izvora in odtoka, implantacijo izvora in odtoka, dopiranje polisilicijevih vrat, oblikovanje PN spojev in uporov/kondenzatorjev itd. V procesu priprave silicijevih substratnih materialov na izolatorjih je zakopana oksidna plast v glavnem oblikovana z visokokoncentrirano implantacijo kisikovih ionov ali pa se inteligentno rezanje doseže z visokokoncentrirano implantacijo vodikovih ionov.
Ionsko implantacijo izvaja ionski implantator, njena najpomembnejša procesna parametra pa sta odmerek in energija: odmerek določa končno koncentracijo, energija pa obseg (tj. globino) ionov. Glede na različne zahteve glede zasnove naprave so pogoji implantacije razdeljeni na visoke odmerke z visoko energijo, srednje odmerke s srednjo energijo, srednje odmerke z nizko energijo ali visoke odmerke z nizko energijo. Da bi dosegli idealen učinek implantacije, morajo biti različni implantatorji opremljeni za različne procesne zahteve.
Po ionski implantaciji je na splošno potreben postopek visokotemperaturnega žarjenja, da se popravijo poškodbe mreže, ki jih povzroči ionska implantacija, in aktivirajo nečistoče. Pri tradicionalnih postopkih integriranih vezij, čeprav ima temperatura žarjenja velik vpliv na dopiranje, temperatura samega postopka ionske implantacije ni pomembna. Na tehnoloških vozliščih pod 14 nm je treba nekatere postopke ionske implantacije izvajati v okoljih z nizko ali visoko temperaturo, da se spremenijo učinki poškodb mreže itd.
2. postopek ionske implantacije
2.1 Osnovna načela
Ionska implantacija je postopek dopinga, razvit v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, ki je v večini vidikov boljši od tradicionalnih difuzijskih tehnik.
Glavne razlike med dopiranjem z ionsko implantacijo in tradicionalnim difuzijskim dopiranjem so naslednje:
(1) Porazdelitev koncentracije nečistoč v dopiranem območju je drugačna. Najvišja koncentracija nečistoč ionske implantacije se nahaja znotraj kristala, medtem ko je največja koncentracija nečistoč difuzije locirana na površini kristala.
(2) Ionska implantacija je postopek, ki se izvaja pri sobni temperaturi ali celo nizki temperaturi, čas izdelave pa je kratek. Difuzijsko dopiranje zahteva daljšo visokotemperaturno obdelavo.
(3) Ionska implantacija omogoča bolj fleksibilno in natančno izbiro implantiranih elementov.
(4) Ker na nečistoče vpliva toplotna difuzija, je valovna oblika, ki nastane z ionsko implantacijo v kristal, boljša od valovne oblike, ki nastane z difuzijo v kristalu.
(5) Ionska implantacija običajno uporablja le fotorezist kot material za masko, vendar difuzijsko dopiranje zahteva rast ali nanos filma določene debeline kot maske.
(6) Ionska implantacija je v bistvu nadomestila difuzijo in postala glavni postopek dopinga v današnji proizvodnji integriranih vezij.
Ko vpadni ionski žarek z določeno energijo bombardira trdno tarčo (običajno rezino), bodo ioni in atomi na površini tarče podvrženi številnim interakcijam in prenesli energijo na ciljne atome na določen način, da vzbudijo ali ionizirajo njih. Ioni lahko tudi izgubijo določeno količino energije s prenosom gibalne količine in jih končno razpršijo ciljni atomi ali se ustavijo v ciljnem materialu. Če so vbrizgani ioni težji, bo večina ionov vbrizgana v trdno tarčo. Nasprotno, če so vbrizgani ioni lažji, se bo veliko vbrizganih ionov odbilo od ciljne površine. V bistvu bodo ti visokoenergijski ioni, vbrizgani v tarčo, do različnih stopenj trčili z atomi rešetke in elektroni v trdni tarči. Med njimi lahko trk med ioni in trdnimi tarčnimi atomi obravnavamo kot elastični trk, ker so blizu mase.
2.2 Glavni parametri ionske implantacije
Ionska implantacija je prilagodljiv proces, ki mora izpolnjevati stroge zahteve glede načrtovanja čipov in proizvodnje. Pomembni parametri ionske implantacije so: odmerek, razpon.
Odmerek (D) se nanaša na število ionov, vbrizganih na enoto površine površine silicijeve rezine, v atomih na kvadratni centimeter (ali ionih na kvadratni centimeter). D se lahko izračuna po naslednji formuli:
kjer je D odmerek implantacije (število ionov/enoto površine); t je čas implantacije; I je tok žarka; q je naboj, ki ga nosi ion (posamezen naboj je 1,6×1019C[1]); in S je območje implantacije.
Eden od glavnih razlogov, zakaj je ionska implantacija postala pomembna tehnologija v proizvodnji silicijevih rezin, je ta, da lahko večkrat vsadi isti odmerek nečistoč v silicijeve rezine. Implantator ta cilj doseže s pomočjo pozitivnega naboja ionov. Ko ioni pozitivne nečistoče tvorijo ionski žarek, se njegov pretok imenuje tok ionskega žarka, ki se meri v mA. Območje srednjih in nizkih tokov je od 0,1 do 10 mA, območje velikih tokov pa od 10 do 25 mA.
Velikost toka ionskega žarka je ključna spremenljivka pri določanju odmerka. Če se tok poveča, se poveča tudi število implantiranih atomov nečistoč na časovno enoto. Visok tok vodi k povečanju izkoristka silicijeve rezine (vbrizgavanje več ionov na enoto proizvodnega časa), povzroča pa tudi težave z enotnostjo.
3. oprema za ionsko implantacijo
3.1 Osnovna struktura
Oprema za ionsko implantacijo vključuje 7 osnovnih modulov:
① vir in absorber ionov;
② masni analizator (tj. analitični magnet);
③ pospeševalna cev;
④ skeniranje diska;
⑤ sistem elektrostatične nevtralizacije;
⑥ procesna komora;
⑦ sistem za nadzor odmerka.
AVsi moduli so v vakuumskem okolju, ki ga vzpostavi vakuumski sistem. Osnovni strukturni diagram ionskega implanterja je prikazan na spodnji sliki.
(1)Vir ionov:
Običajno v isti vakuumski komori kot sesalna elektroda. Nečistoče, ki čakajo na vbrizgavanje, morajo obstajati v ionskem stanju, da jih električno polje nadzoruje in pospešuje. Najpogosteje uporabljeni B+, P+, As+ itd. so pridobljeni z ionizacijo atomov ali molekul.
Uporabljeni viri nečistoč so BF3, PH3 in AsH3 itd., njihove strukture pa so prikazane na spodnji sliki. Elektroni, ki jih sprosti filament, trčijo z atomi plina, da nastanejo ioni. Elektrone običajno generira vir vroče volframove nitke. Na primer, pri Bernerjevem ionskem viru je katodna nitka nameščena v obločno komoro z dovodom plina. Notranja stena obločne komore je anoda.
Ko je vir plina uveden, gre skozi žarilno nitko velik tok, med pozitivno in negativno elektrodo pa se uporabi napetost 100 V, ki bo okoli žarilne nitke ustvarila visokoenergijske elektrone. Pozitivni ioni nastanejo po trčenju visokoenergijskih elektronov z molekulami izvornega plina.
Zunanji magnet uporablja magnetno polje vzporedno z žarilno nitko, da poveča ionizacijo in stabilizira plazmo. V obločni komori, na drugem koncu glede na žarilno nitko, je negativno nabit reflektor, ki odbija elektrone nazaj, da izboljša nastajanje in učinkovitost elektronov.
(2)Absorpcija:
Uporablja se za zbiranje pozitivnih ionov, ki nastanejo v obločni komori ionskega vira, in njihovo oblikovanje v ionski žarek. Ker je obločna komora anoda, katoda pa je pod negativnim tlakom na sesalni elektrodi, ustvarjeno električno polje nadzoruje pozitivne ione, zaradi česar se premikajo proti sesalni elektrodi in se izvlečejo iz ionske reže, kot je prikazano na spodnji sliki . Večja kot je električna poljska jakost, večjo kinetično energijo dobijo ioni po pospeševanju. Obstaja tudi dušilna napetost na sesalni elektrodi, ki preprečuje motnje elektronov v plazmi. Istočasno lahko dušilna elektroda oblikuje ione v ionski žarek in jih fokusira v vzporedni tok ionskega žarka, tako da gre skozi implantator.
(3)Masni analizator:
Iz vira ionov lahko nastane veliko vrst ionov. Pod pospeškom anodne napetosti se ioni premikajo z veliko hitrostjo. Različni ioni imajo različne enote atomske mase in različna razmerja med maso in nabojem.
(4)Pospeševalna cev:
Za večjo hitrost je potrebna večja energija. Poleg električnega polja, ki ga zagotavljata anoda in masni analizator, je za pospeševanje potrebno tudi električno polje v pospeševalni cevi. Pospeševalna cev je sestavljena iz niza elektrod, ki so izolirane z dielektrikom, negativna napetost na elektrodah pa narašča skozi zaporedno povezavo. Višja kot je skupna napetost, večja je hitrost, ki jo dosežejo ioni, to je večja je energija, ki jo prenašajo. Visoka energija lahko omogoči, da se ioni nečistoč vbrizgajo globoko v silicijevo rezino, da se tvori globok spoj, medtem ko se nizka energija lahko uporabi za izdelavo plitkega spoja.
(5)Skeniranje diska
Fokusirani ionski žarek je običajno zelo majhnega premera. Premer točke žarka vsadnika s srednjim žarkom je približno 1 cm, premer vsadnika z velikim žarkom pa približno 3 cm. Celotna silicijeva rezina mora biti zajeta s skeniranjem. Ponovljivost implantacije odmerka se določi s skeniranjem. Običajno obstajajo štiri vrste sistemov za skeniranje implantatov:
① elektrostatično skeniranje;
② mehansko skeniranje;
③ hibridno skeniranje;
④ vzporedno skeniranje.
(6)Sistem za nevtralizacijo statične elektrike:
Med postopkom implantacije ionski žarek zadene silikonsko rezino in povzroči kopičenje naboja na površini maske. Posledično kopičenje naboja spremeni ravnovesje naboja v ionskem žarku, zaradi česar je žarek večji, porazdelitev odmerka pa neenakomerna. Lahko celo prebije površinsko oksidno plast in povzroči okvaro naprave. Sedaj sta silicijeva rezina in ionski žarek običajno postavljena v stabilno plazemsko okolje z visoko gostoto, imenovano sistem plazemske elektronske prhe, ki lahko nadzoruje polnjenje silicijeve rezine. Ta metoda ekstrahira elektrone iz plazme (običajno argona ali ksenona) v obločni komori, ki se nahaja na poti ionskega žarka in blizu silicijeve rezine. Plazma se filtrira in samo sekundarni elektroni lahko dosežejo površino silicijeve rezine, da nevtralizirajo pozitivni naboj.
(7)Procesna votlina:
Vbrizgavanje ionskih žarkov v silicijeve rezine poteka v procesni komori. Procesna komora je pomemben del vsadnika, vključno s sistemom za skeniranje, terminalsko postajo z vakuumsko ključavnico za nalaganje in praznjenje silicijevih rezin, sistemom za prenos silicijevih rezin in računalniškim nadzornim sistemom. Poleg tega obstaja nekaj naprav za spremljanje odmerkov in nadzor učinkov kanalov. Če se uporabi mehansko skeniranje, bo terminalska postaja relativno velika. Vakuum procesne komore se črpa na spodnji tlak, ki ga zahteva postopek, z večstopenjsko mehansko črpalko, turbomolekularno črpalko in kondenzacijsko črpalko, ki je običajno približno 1 × 10-6 Torr ali manj.
(8)Sistem nadzora odmerjanja:
Spremljanje odmerka v realnem času v ionskem implantatorju se doseže z merjenjem ionskega žarka, ki doseže silicijevo rezino. Tok ionskega žarka se meri s senzorjem, imenovanim Faradayeva skodelica. V preprostem Faradayevem sistemu je na poti ionskega žarka tokovni senzor, ki meri tok. Vendar pa to predstavlja težavo, saj ionski žarek reagira s senzorjem in proizvaja sekundarne elektrone, ki bodo povzročili napačne odčitke toka. Faradayev sistem lahko zaduši sekundarne elektrone z uporabo električnih ali magnetnih polj, da dobi pravi odčitek žarkovnega toka. Tok, izmerjen s Faradayevim sistemom, se napaja v elektronski krmilnik odmerka, ki deluje kot akumulator toka (ki nenehno kopiči izmerjeni tok žarka). Krmilnik se uporablja za povezavo skupnega toka z ustreznim časom implantacije in izračuna čas, potreben za določen odmerek.
3.2 Popravilo škode
Ionska implantacija bo izločila atome iz mrežne strukture in poškodovala mrežo silicijeve rezine. Če je implantirana doza velika, bo implantirana plast postala amorfna. Poleg tega implantirani ioni v bistvu ne zasedajo mrežnih točk silicija, temveč ostanejo v položajih mrežne vrzeli. Te intersticijske nečistoče se lahko aktivirajo šele po postopku visokotemperaturnega žarjenja.
Žarjenje lahko segreje implantirano silicijevo rezino za popravilo napak na rešetki; lahko tudi premakne atome nečistoč do točk mreže in jih aktivira. Temperatura, ki je potrebna za popravilo napak na rešetki, je približno 500 °C, temperatura, potrebna za aktiviranje atomov nečistoč, pa je približno 950 °C. Aktivacija nečistoč je povezana s časom in temperaturo: daljši kot je čas in višja kot je temperatura, bolj se nečistoče aktivirajo. Obstajata dve osnovni metodi za žarjenje silicijevih rezin:
① visokotemperaturno žarjenje v peči;
② hitro termično žarjenje (RTA).
Visokotemperaturno žarjenje v peči: Visokotemperaturno žarjenje v peči je tradicionalna metoda žarjenja, pri kateri se uporablja visokotemperaturna peč za segrevanje silicijeve rezine na 800–1000 ℃ in vztrajanje 30 minut. Pri tej temperaturi se atomi silicija premaknejo nazaj v položaj rešetke, atomi nečistoč pa lahko tudi nadomestijo atome silicija in vstopijo v mrežo. Vendar pa bo toplotna obdelava pri taki temperaturi in času povzročila difuzijo nečistoč, česar sodobna proizvodna industrija IC ne želi videti.
Hitro termično žarjenje: Hitro termično žarjenje (RTA) obdela silicijeve rezine z izjemno hitrim dvigom temperature in kratkim trajanjem pri ciljni temperaturi (običajno 1000 °C). Žarjenje implantiranih silicijevih rezin se običajno izvaja v hitrem termičnem procesorju z Ar ali N2. Postopek hitrega dviga temperature in kratkotrajnost lahko optimizirata popravilo napak na rešetki, aktivacijo nečistoč in zaviranje difuzije nečistoč. RTA lahko tudi zmanjša prehodno povečano difuzijo in je najboljši način za nadzor globine spoja v plitvih spojnih vsadkih.
——————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera lahko zagotovigrafitnih delov, mehka/trda klobučevina, deli iz silicijevega karbida, CVD deli iz silicijevega karbida, inDeli, prevlečeni s SiC/TaCz v 30 dneh.
Če vas zanimajo zgornji polprevodniški izdelki,prosimo, ne oklevajte in nas kontaktirajte prvič.
Tel.: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Čas objave: 31. avgusta 2024