1. Введение
Ионная имплантация — один из основных процессов в производстве интегральных схем. Это относится к процессу ускорения ионного пучка до определенной энергии (обычно в диапазоне от кэВ до МэВ) и последующего введения его в поверхность твердого материала для изменения физических свойств поверхности материала. В процессе интегральной схемы твердым материалом обычно является кремний, а имплантированные ионы примесей обычно представляют собой ионы бора, ионы фосфора, ионы мышьяка, ионы индия, ионы германия и т. д. Имплантированные ионы могут изменить проводимость поверхности твердого тела. материала или образуют PN-переход. Когда размер элементов интегральных схем был уменьшен до субмикронной эпохи, широко использовался процесс ионной имплантации.
В процессе производства интегральных схем ионная имплантация обычно используется для глубоких слоев, обратных легированных ям, регулировки порогового напряжения, имплантации удлинения истока и стока, имплантации истока и стока, легирования поликремниевым затвором, формирования PN-переходов и резисторов/конденсаторов и т. д. В процессе подготовки материалов кремниевой подложки на изоляторах слой скрытого оксида в основном формируется путем имплантации ионов кислорода с высокой концентрацией, или интеллектуальная резка достигается за счет имплантации ионов водорода с высокой концентрацией.
Ионная имплантация выполняется с помощью ионного имплантатора, и наиболее важными параметрами процесса являются доза и энергия: доза определяет конечную концентрацию, а энергия определяет дальность (т. е. глубину) ионов. В соответствии с различными требованиями к конструкции устройства условия имплантации делятся на высокие дозы с высокой энергией, средние дозы со средней энергией, средние дозы с низкой энергией или высокие дозы с низкой энергией. Чтобы получить идеальный эффект имплантации, разные имплантеры должны быть оборудованы для разных требований процесса.
После ионной имплантации обычно необходимо пройти процесс высокотемпературного отжига для устранения повреждений решетки, вызванных ионной имплантацией, и активации примесных ионов. В традиционных процессах интегральных схем, хотя температура отжига оказывает большое влияние на легирование, температура самого процесса ионной имплантации не имеет значения. На технологических узлах ниже 14 нм определенные процессы ионной имплантации необходимо выполнять в условиях низкой или высокой температуры, чтобы изменить последствия повреждения решетки и т. д.
2. процесс ионной имплантации
2.1 Основные принципы
Ионная имплантация — это процесс легирования, разработанный в 1960-х годах, который во многих аспектах превосходит традиционные методы диффузии.
Основные различия между легированием ионной имплантацией и традиционным диффузионным легированием заключаются в следующем:
(1) Распределение концентрации примесей в легированной области иное. Пик концентрации примеси ионной имплантации расположен внутри кристалла, а пик концентрации примеси диффузии — на поверхности кристалла.
(2) Ионная имплантация — это процесс, проводимый при комнатной или даже низкой температуре, а время производства короткое. Диффузионное легирование требует более длительной высокотемпературной обработки.
(3) Ионная имплантация позволяет более гибко и точно подбирать имплантируемые элементы.
(4) Поскольку на примеси влияет термодиффузия, форма волны, сформированная имплантацией ионов в кристалл, лучше, чем форма волны, сформированная диффузией в кристалле.
(5) Ионная имплантация обычно использует только фоторезист в качестве материала маски, но диффузионное легирование требует выращивания или осаждения пленки определенной толщины в качестве маски.
(6) Ионная имплантация практически заменила диффузию и стала сегодня основным процессом легирования при производстве интегральных схем.
Когда падающий ионный пучок с определенной энергией бомбардирует твердую мишень (обычно пластину), ионы и атомы на поверхности мишени будут подвергаться различным взаимодействиям и передавать энергию атомам мишени определенным образом, возбуждая или ионизируя их. Ионы также могут терять определенное количество энергии из-за передачи импульса и, наконец, рассеиваться атомами мишени или останавливаться в материале мишени. Если инжектируемые ионы тяжелее, большая часть ионов будет инжектирована в твердую мишень. Напротив, если инжектированные ионы легче, многие из инжектированных ионов отскочат от поверхности мишени. По сути, эти высокоэнергетические ионы, введенные в мишень, будут в разной степени сталкиваться с атомами решетки и электронами твердой мишени. Среди них столкновение ионов с атомами твердой мишени можно рассматривать как упругое столкновение, поскольку они близки по массе.
2.2. Основные параметры ионной имплантации
Ионная имплантация — это гибкий процесс, который должен соответствовать строгим требованиям к конструкции и производству чипов. Важными параметрами ионной имплантации являются: доза, диапазон.
Доза (D) обозначает количество ионов, инжектируемых на единицу площади поверхности кремниевой пластины, в атомах на квадратный сантиметр (или ионов на квадратный сантиметр). D можно рассчитать по следующей формуле:
Где D – доза имплантации (количество ионов на единицу площади); t — время имплантации; I – ток пучка; q – заряд, переносимый ионом (единичный заряд равен 1,6×1019К[1]); S – область имплантации.
Одна из основных причин, по которой ионная имплантация стала важной технологией в производстве кремниевых пластин, заключается в том, что с помощью нее можно повторно имплантировать одну и ту же дозу примесей в кремниевые пластины. Имплантер достигает этой цели с помощью положительного заряда ионов. Когда положительные ионы примеси образуют ионный пучок, скорость его потока называется током ионного пучка и измеряется в мА. Диапазон средних и малых токов составляет от 0,1 до 10 мА, а диапазон больших токов – от 10 до 25 мА.
Величина тока ионного пучка является ключевой переменной при определении дозы. При увеличении тока увеличивается и число имплантируемых в единицу времени атомов примеси. Высокий ток способствует увеличению выхода кремниевых пластин (впрыскивание большего количества ионов в единицу времени производства), но также вызывает проблемы с однородностью.
3. оборудование для ионной имплантации
3.1 Базовая структура
Оборудование для ионной имплантации включает в себя 7 базовых модулей.:
① источник и поглотитель ионов;
② масс-анализатор (т.е. аналитический магнит);
③ трубка акселератора;
④ сканирование диска;
⑤ система электростатической нейтрализации;
⑥ технологическая камера;
⑦ система контроля дозы.
AВсе модули находятся в вакуумной среде, создаваемой вакуумной системой. Принципиальная структурная схема ионного имплантатора представлена на рисунке ниже.
(1)Источник ионов:
Обычно в той же вакуумной камере, что и присасывающий электрод. Примеси, ожидающие инъекции, должны существовать в ионном состоянии, чтобы их можно было контролировать и ускорять электрическим полем. Наиболее часто используемые B+, P+, As+ и т. д. получают путем ионизации атомов или молекул.
В качестве источников примесей используются BF3, PH3, AsH3 и т. д., их структура показана на рисунке ниже. Электроны, выпущенные нитью, сталкиваются с атомами газа, образуя ионы. Электроны обычно генерируются источником горячей вольфрамовой нити. Например, в источнике ионов Бернерса катодная нить установлена в дуговой камере с газовым вводом. Внутренняя стенка дуговой камеры является анодом.
Когда вводится источник газа, через нить проходит большой ток, а между положительным и отрицательным электродами прикладывается напряжение 100 В, которое генерирует электроны высокой энергии вокруг нити. Положительные ионы генерируются после столкновения высокоэнергетических электронов с молекулами исходного газа.
Внешний магнит создает магнитное поле параллельно нити для увеличения ионизации и стабилизации плазмы. В дуговой камере, на другом конце относительно нити, находится отрицательно заряженный отражатель, который отражает электроны обратно, чтобы улучшить генерацию и эффективность электронов.
(2)Поглощение:
Он используется для сбора положительных ионов, образующихся в дуговой камере источника ионов, и формирования из них ионного пучка. Поскольку дуговая камера является анодом, а катод находится под отрицательным давлением на всасывающем электроде, создаваемое электрическое поле управляет положительными ионами, заставляя их двигаться к всасывающему электроду и вытягиваться из ионной щели, как показано на рисунке ниже. . Чем больше напряженность электрического поля, тем большую кинетическую энергию приобретают ионы после ускорения. На всасывающем электроде также имеется подавляющее напряжение для предотвращения помех от электронов в плазме. В то же время подавляющий электрод может формировать ионы в ионный пучок и фокусировать их в параллельный поток ионного пучка, чтобы он проходил через имплантатор.
(3)Масс-анализатор:
Источник ионов может генерировать множество видов ионов. Под ускорением анодного напряжения ионы движутся с большой скоростью. Разные ионы имеют разные атомные единицы массы и разное соотношение массы к заряду.
(4)Ускорительная трубка:
Для достижения более высокой скорости требуется более высокая энергия. Помимо электрического поля, создаваемого анодом и масс-анализатором, для ускорения также требуется электрическое поле, создаваемое в ускорительной трубке. Ускорительная трубка состоит из ряда электродов, изолированных диэлектриком, причем отрицательное напряжение на электродах последовательно увеличивается за счет последовательного соединения. Чем выше общее напряжение, тем большую скорость приобретают ионы, то есть тем больше переносится энергии. Высокая энергия может позволить ионам примесей инжектироваться глубоко в кремниевую пластину, образуя глубокий переход, тогда как низкая энергия может использоваться для создания мелкого перехода.
(5)Сканирование диска
Сфокусированный ионный пучок обычно имеет очень малый диаметр. Диаметр пятна луча имплантатора среднего тока луча составляет около 1 см, а имплантатора большого тока луча — около 3 см. Вся кремниевая пластина должна быть покрыта сканированием. Повторяемость дозы имплантации определяют путем сканирования. Обычно существует четыре типа систем сканирования имплантатов:
① электростатическое сканирование;
② механическое сканирование;
③ гибридное сканирование;
④ параллельное сканирование.
(6)Система нейтрализации статического электричества:
В процессе имплантации ионный луч попадает на кремниевую пластину и вызывает накопление заряда на поверхности маски. Возникающее в результате накопление заряда изменяет баланс зарядов в ионном пучке, увеличивая пятно пучка и делая распределение дозы неравномерным. Он может даже пробить поверхностный оксидный слой и привести к выходу устройства из строя. Теперь кремниевая пластина и ионный пучок обычно помещаются в стабильную плазменную среду с высокой плотностью, называемую системой плазменного электронного душа, которая может контролировать зарядку кремниевой пластины. Этот метод извлекает электроны из плазмы (обычно аргона или ксенона) в дуговой камере, расположенной на пути ионного луча и рядом с кремниевой пластиной. Плазма фильтруется, и только вторичные электроны могут достичь поверхности кремниевой пластины, чтобы нейтрализовать положительный заряд.
(7)Технологическая полость:
Инжекция ионных пучков в кремниевые пластины происходит в технологической камере. Технологическая камера является важной частью имплантатора, включающей систему сканирования, терминальную станцию с вакуумным шлюзом для загрузки и выгрузки кремниевых пластин, систему переноса кремниевых пластин и компьютерную систему управления. Кроме того, существуют устройства для мониторинга доз и контроля канальных эффектов. Если используется механическое сканирование, терминальная станция будет относительно большой. Вакуум технологической камеры накачивается до нижнего давления, необходимого для процесса, с помощью многоступенчатого механического насоса, турбомолекулярного насоса и конденсационного насоса, которое обычно составляет около 1×10-6 Торр или меньше.
(8)Система контроля дозировки:
Мониторинг дозы в режиме реального времени в ионном имплантаторе осуществляется путем измерения ионного луча, достигающего кремниевой пластины. Ток ионного пучка измеряется с помощью датчика, называемого чашкой Фарадея. В простой системе Фарадея на пути ионного луча имеется датчик тока, который измеряет ток. Однако это представляет собой проблему, поскольку ионный луч вступает в реакцию с датчиком и производит вторичные электроны, что приводит к ошибочным показаниям тока. Система Фарадея может подавлять вторичные электроны с помощью электрических или магнитных полей, чтобы получить истинные показания тока пучка. Ток, измеряемый системой Фарадея, подается в электронный регулятор дозы, который действует как аккумулятор тока (непрерывно накапливает измеренный ток пучка). Контроллер используется для соотнесения общего тока с соответствующим временем имплантации и расчета времени, необходимого для получения определенной дозы.
3.2 Ремонт повреждений
Ионная имплантация выбьет атомы из структуры решетки и повредит решетку кремниевой пластины. Если имплантированная доза велика, имплантированный слой станет аморфным. Кроме того, имплантированные ионы практически не занимают узлы решетки кремния, а остаются в положениях щели решетки. Эти примеси внедрения могут быть активированы только после процесса высокотемпературного отжига.
Отжиг может нагреть имплантированную кремниевую пластину для устранения дефектов решетки; он также может перемещать атомы примесей в точки решетки и активировать их. Температура, необходимая для устранения дефектов решетки, составляет около 500°С, а температура активации атомов примеси — около 950°С. Активация примесей связана со временем и температурой: чем дольше время и чем выше температура, тем полнее активируются примеси. Существует два основных метода отжига кремниевых пластин:
① высокотемпературный отжиг в печи;
② быстрый термический отжиг (RTA).
Отжиг в высокотемпературной печи: Отжиг в высокотемпературной печи — это традиционный метод отжига, в котором используется высокотемпературная печь для нагрева кремниевой пластины до 800-1000 ℃ и выдерживания ее в течение 30 минут. При этой температуре атомы кремния возвращаются в положение решетки, а атомы примеси также могут заменить атомы кремния и войти в решетку. Однако термообработка при такой температуре и времени приведет к диффузии примесей, чего не хочет видеть современная индустрия производства микросхем.
Быстрый термический отжиг. При быстром термическом отжиге (RTA) кремниевые пластины подвергаются чрезвычайно быстрому повышению температуры и короткому времени поддержания заданной температуры (обычно 1000°C). Отжиг имплантированных кремниевых пластин обычно проводится в быстродействующем термическом процессоре с использованием Ar или N2. Быстрый процесс повышения температуры и его короткая продолжительность могут оптимизировать устранение дефектов решетки, активацию примесей и ингибирование диффузии примесей. RTA также может уменьшить временную усиленную диффузию и является лучшим способом контроля глубины соединения в имплантатах с неглубоким соединением.
————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera может предоставитьграфитовые детали, мягкий/жесткий фетр, детали из карбида кремния, Детали из карбида кремния CVD, иДетали с покрытием SiC/TaCс через 30 дней.
Если вы заинтересованы в вышеуказанных полупроводниковых продуктах,Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам в первый раз.
Тел: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Время публикации: 31 августа 2024 г.