1. Introducció
La implantació iònica és un dels principals processos en la fabricació de circuits integrats. Es refereix al procés d'acceleració d'un feix d'ions fins a una certa energia (generalment en el rang de keV a MeV) i després injectar-lo a la superfície d'un material sòlid per canviar les propietats físiques de la superfície del material. En el procés de circuit integrat, el material sòlid sol ser silici, i els ions d'impureses implantats solen ser ions bor, ions fòsfor, ions arsènic, ions indi, ions germani, etc. Els ions implantats poden canviar la conductivitat de la superfície del sòlid. material o formen una unió PN. Quan la mida de les característiques dels circuits integrats es va reduir a l'era submicrònica, el procés d'implantació d'ions es va utilitzar àmpliament.
En el procés de fabricació de circuits integrats, la implantació d'ions s'utilitza generalment per a capes enterrades profundes, pous dopats inversament, ajust de tensió llindar, implantació d'extensió de font i drenatge, implantació de font i drenatge, dopatge de portes de polisilici, formació d'unions PN i resistències / condensadors, etc. En el procés de preparació de materials de substrat de silici sobre aïllants, la capa d'òxid enterrada es forma principalment per la implantació d'ions d'oxigen d'alta concentració, o el tall intel·ligent s'aconsegueix mitjançant la implantació d'ions d'hidrogen d'alta concentració.
La implantació d'ions es realitza mitjançant un implantador d'ions, i els seus paràmetres de procés més importants són la dosi i l'energia: la dosi determina la concentració final i l'energia determina el rang (és a dir, la profunditat) dels ions. Segons els diferents requisits de disseny del dispositiu, les condicions d'implantació es divideixen en dosi alta d'energia, dosi mitjana d'energia mitjana, dosi mitjana de baixa energia o dosi alta de baixa energia. Per obtenir l'efecte d'implantació ideal, s'han d'equipar diferents implantadors per a diferents requisits del procés.
Després de la implantació d'ions, generalment és necessari sotmetre's a un procés de recuit a alta temperatura per reparar el dany de la gelosia causat per la implantació d'ions i activar els ions d'impuresa. En els processos tradicionals de circuits integrats, encara que la temperatura de recuit té una gran influència en el dopatge, la temperatura del procés d'implantació d'ions en si no és important. Als nodes tecnològics per sota de 14 nm, s'han de realitzar determinats processos d'implantació d'ions en entorns de baixa o alta temperatura per canviar els efectes del dany de la gelosia, etc.
2. procés d'implantació iònica
2.1 Principis bàsics
La implantació iònica és un procés de dopatge desenvolupat a la dècada de 1960 que és superior a les tècniques de difusió tradicionals en la majoria dels aspectes.
Les principals diferències entre el dopatge per implantació iònica i el dopatge de difusió tradicional són les següents:
(1) La distribució de la concentració d'impureses a la regió dopada és diferent. La concentració màxima d'impureses de la implantació d'ions es troba a l'interior del cristall, mentre que la concentració màxima d'impureses de difusió es troba a la superfície del cristall.
(2) La implantació d'ions és un procés que es realitza a temperatura ambient o fins i tot a baixa temperatura, i el temps de producció és curt. El dopatge per difusió requereix un tractament més llarg a alta temperatura.
(3) La implantació iònica permet una selecció més flexible i precisa dels elements implantats.
(4) Com que les impureses es veuen afectades per la difusió tèrmica, la forma d'ona formada per la implantació d'ions al cristall és millor que la forma d'ona formada per la difusió al cristall.
(5) La implantació iònica sol utilitzar només fotoresist com a material de màscara, però el dopatge de difusió requereix el creixement o la deposició d'una pel·lícula d'un cert gruix com a màscara.
(6) La implantació iònica ha substituït bàsicament la difusió i s'ha convertit avui en el principal procés de dopatge en la fabricació de circuits integrats.
Quan un feix d'ions incident amb una certa energia bombardeja un objectiu sòlid (generalment una hòstia), els ions i els àtoms de la superfície de l'objectiu experimentaran una varietat d'interaccions i transferiran energia als àtoms objectiu d'una determinada manera per excitar o ionitzar. ells. Els ions també poden perdre una certa quantitat d'energia mitjançant la transferència d'impuls, i finalment ser dispersats pels àtoms objectiu o aturar-se al material objectiu. Si els ions injectats són més pesats, la majoria dels ions s'injectaran a l'objectiu sòlid. Per contra, si els ions injectats són més lleugers, molts dels ions injectats rebotaran sobre la superfície objectiu. Bàsicament, aquests ions d'alta energia injectats a l'objectiu xocaran amb els àtoms i els electrons de la xarxa de l'objectiu sòlid en diferents graus. Entre ells, la col·lisió entre ions i àtoms sòlids objectiu es pot considerar com una col·lisió elàstica perquè tenen una massa propera.
2.2 Paràmetres principals de la implantació iònica
La implantació iònica és un procés flexible que ha de complir els estrictes requisits de disseny i producció de xips. Els paràmetres importants d'implantació iònica són: dosi, rang.
La dosi (D) es refereix al nombre d'ions injectats per unitat d'àrea de la superfície de l'hòstia de silici, en àtoms per centímetre quadrat (o ions per centímetre quadrat). D es pot calcular amb la fórmula següent:
On D és la dosi d'implantació (nombre d'ions/unitat d'àrea); t és el temps d'implantació; I és el corrent del feix; q és la càrrega que porta l'ió (una única càrrega és 1,6×1019C[1]); i S és l'àrea d'implantació.
Una de les principals raons per les quals la implantació d'ions s'ha convertit en una tecnologia important en la fabricació d'hòsties de silici és que pot implantar repetidament la mateixa dosi d'impureses en hòsties de silici. L'implantador aconsegueix aquest objectiu amb l'ajuda de la càrrega positiva dels ions. Quan els ions d'impuresa positius formen un feix d'ions, el seu cabal s'anomena corrent del feix d'ions, que es mesura en mA. El rang de corrents mitjans i baixos és de 0,1 a 10 mA i el rang de corrents alts és de 10 a 25 mA.
La magnitud del corrent del feix iònic és una variable clau per definir la dosi. Si el corrent augmenta, també augmenta el nombre d'àtoms d'impuresa implantats per unitat de temps. Un corrent elevat afavoreix l'augment del rendiment de les hòsties de silici (injectant més ions per unitat de temps de producció), però també causa problemes d'uniformitat.
3. equips d'implantació iònica
3.1 Estructura bàsica
L'equip d'implantació iònica inclou 7 mòduls bàsics:
① font d'ions i absorbent;
② analitzador de massa (és a dir, imant analític);
③ tub accelerador;
④ escaneig de disc;
⑤ sistema de neutralització electrostàtica;
⑥ cambra de procés;
⑦ sistema de control de dosi.
ATots els mòduls es troben en un entorn de buit establert pel sistema de buit. El diagrama estructural bàsic de l'implantador d'ions es mostra a la figura següent.
(1)Font d'ions:
Normalment a la mateixa cambra de buit que l'elèctrode d'aspiració. Les impureses que esperen ser injectades han d'existir en estat iònic per poder ser controlades i accelerades pel camp elèctric. Els B+, P+, As+, etc. més utilitzats s'obtenen ionitzant àtoms o molècules.
Les fonts d'impureses utilitzades són BF3, PH3 i AsH3, etc., i les seves estructures es mostren a la figura següent. Els electrons alliberats pel filament xoquen amb els àtoms de gas per produir ions. Els electrons solen ser generats per una font de filament de tungstè calent. Per exemple, la font d'ions Berners, el filament del càtode s'instal·la en una cambra d'arc amb una entrada de gas. La paret interior de la cambra d'arc és l'ànode.
Quan s'introdueix la font de gas, un gran corrent passa pel filament i s'aplica una tensió de 100 V entre els elèctrodes positius i negatius, que generaran electrons d'alta energia al voltant del filament. Els ions positius es generen després que els electrons d'alta energia xoquen amb les molècules de gas font.
L'imant extern aplica un camp magnètic paral·lel al filament per augmentar la ionització i estabilitzar el plasma. A la cambra d'arc, a l'altre extrem en relació al filament, hi ha un reflector carregat negativament que reflecteix els electrons per millorar la generació i l'eficiència d'electrons.
(2)Absorció:
S'utilitza per recollir ions positius generats a la cambra d'arc de la font d'ions i formar-los en un feix d'ions. Com que la cambra d'arc és l'ànode i el càtode està pressuritzat negativament a l'elèctrode d'aspiració, el camp elèctric generat controla els ions positius, fent que es moguin cap a l'elèctrode d'aspiració i s'extreuen de la ranura d'ions, tal com es mostra a la figura següent. . Com més gran sigui la força del camp elèctric, més gran serà l'energia cinètica que guanyen els ions després de l'acceleració. També hi ha una tensió de supressió a l'elèctrode d'aspiració per evitar interferències dels electrons del plasma. Al mateix temps, l'elèctrode de supressió pot formar ions en un feix d'ions i enfocar-los en un corrent de feix d'ions paral·lel perquè passi a través de l'implantador.
(3)Analitzador de masses:
Pot haver-hi molts tipus d'ions generats a partir de la font d'ions. Sota l'acceleració de la tensió de l'ànode, els ions es mouen a gran velocitat. Els diferents ions tenen diferents unitats de massa atòmica i diferents relacions massa-càrrega.
(4)Tub accelerador:
Per obtenir una velocitat més alta, es necessita una major energia. A més del camp elèctric proporcionat per l'ànode i l'analitzador de masses, també es requereix un camp elèctric proporcionat al tub accelerador per a l'acceleració. El tub accelerador consta d'una sèrie d'elèctrodes aïllats per un dielèctric, i la tensió negativa dels elèctrodes augmenta en seqüència a través de la connexió en sèrie. Com més gran és la tensió total, més gran és la velocitat obtinguda pels ions, és a dir, més gran és l'energia transportada. L'alta energia pot permetre que els ions d'impureses s'injectin profundament a la hòstia de silici per formar una unió profunda, mentre que la baixa energia es pot utilitzar per fer una unió poc profunda.
(5)Escanejant disc
El feix d'ions enfocat sol ser de molt petit diàmetre. El diàmetre del punt del feix d'un implantador de corrent de feix mitjà és d'aproximadament 1 cm, i el d'un implantador de corrent de feix gran és d'uns 3 cm. S'ha de cobrir tota la hòstia de silici mitjançant l'escaneig. La repetibilitat de la implantació de la dosi es determina mitjançant l'escaneig. Normalment, hi ha quatre tipus de sistemes d'exploració d'implantadors:
① exploració electrostàtica;
② escaneig mecànic;
③ escaneig híbrid;
④ escaneig paral·lel.
(6)Sistema de neutralització d'electricitat estàtica:
Durant el procés d'implantació, el feix d'ions colpeja la hòstia de silici i fa que la càrrega s'acumuli a la superfície de la màscara. L'acumulació de càrrega resultant canvia l'equilibri de càrrega en el feix d'ions, fent que el punt del feix sigui més gran i la distribució de la dosi desigual. Fins i tot pot trencar la capa d'òxid superficial i provocar una fallada del dispositiu. Ara, la hòstia de silici i el feix d'ions solen col·locar-se en un entorn estable de plasma d'alta densitat anomenat sistema de dutxa d'electrons de plasma, que pot controlar la càrrega de l'hòstia de silici. Aquest mètode extreu electrons del plasma (normalment argó o xenó) en una cambra d'arc situada al camí del feix d'ions i prop de la hòstia de silici. El plasma es filtra i només els electrons secundaris poden arribar a la superfície de l'hòstia de silici per neutralitzar la càrrega positiva.
(7)Cavitat del procés:
La injecció de feixos d'ions en hòsties de silici es produeix a la cambra de procés. La cambra de procés és una part important de l'implantador, que inclou un sistema d'escaneig, una estació terminal amb un bloqueig de buit per carregar i descarregar hòsties de silici, un sistema de transferència d'hòsties de silici i un sistema de control informàtic. A més, hi ha alguns dispositius per controlar les dosis i controlar els efectes del canal. Si s'utilitza l'escaneig mecànic, l'estació terminal serà relativament gran. El buit de la cambra de procés es bombeja a la pressió inferior requerida pel procés mitjançant una bomba mecànica multietapa, una bomba turbomolecular i una bomba de condensació, que generalment és d'uns 1 × 10-6Torr o menys.
(8)Sistema de control de dosificació:
El control de la dosi en temps real en un implantador d'ions s'aconsegueix mesurant el feix d'ions que arriba a la hòstia de silici. El corrent del feix d'ions es mesura mitjançant un sensor anomenat copa de Faraday. En un sistema de Faraday senzill, hi ha un sensor de corrent al camí del feix iònic que mesura el corrent. Tanmateix, això presenta un problema, ja que el feix d'ions reacciona amb el sensor i produeix electrons secundaris que donaran lloc a lectures de corrent errònies. Un sistema de Faraday pot suprimir electrons secundaris mitjançant camps elèctrics o magnètics per obtenir una lectura real del corrent del feix. El corrent mesurat pel sistema Faraday s'alimenta a un controlador de dosi electrònic, que actua com a acumulador de corrent (que acumula contínuament el corrent del feix mesurat). El controlador s'utilitza per relacionar el corrent total amb el temps d'implantació corresponent i calcular el temps necessari per a una determinada dosi.
3.2 Reparació de danys
La implantació d'ions eliminarà els àtoms de l'estructura de la gelosia i danyarà la xarxa de les hòsties de silici. Si la dosi implantada és gran, la capa implantada es tornarà amorfa. A més, els ions implantats bàsicament no ocupen els punts de gelosia del silici, sinó que es mantenen a les posicions de la bretxa de la gelosia. Aquestes impureses intersticials només es poden activar després d'un procés de recuit a alta temperatura.
El recuit pot escalfar la hòstia de silici implantada per reparar els defectes de la gelosia; també pot moure els àtoms d'impuresa als punts de gelosia i activar-los. La temperatura necessària per reparar els defectes de la gelosia és d'uns 500 °C i la temperatura necessària per activar els àtoms d'impureses és d'uns 950 °C. L'activació de les impureses està relacionada amb el temps i la temperatura: com més llarg sigui el temps i com més alta sigui la temperatura, més s'activen les impureses. Hi ha dos mètodes bàsics per recuit hòsties de silici:
① recuit de forn d'alta temperatura;
② recuit tèrmic ràpid (RTA).
Recuit de forn d'alta temperatura: el recuit de forn d'alta temperatura és un mètode de recuit tradicional, que utilitza un forn d'alta temperatura per escalfar la hòstia de silici a 800-1000 ℃ i mantenir-la durant 30 minuts. A aquesta temperatura, els àtoms de silici tornen a la posició de la gelosia i els àtoms d'impureses també poden substituir els àtoms de silici i entrar a la xarxa. Tanmateix, el tractament tèrmic a aquesta temperatura i temps donarà lloc a la difusió d'impureses, cosa que la indústria moderna de fabricació d'IC no vol veure.
Recuit tèrmic ràpid: el recuit tèrmic ràpid (RTA) tracta hòsties de silici amb un augment de temperatura extremadament ràpid i una durada curta a la temperatura objectiu (generalment 1000 ° C). El recuit de les hòsties de silici implantades es realitza normalment en un processador tèrmic ràpid amb Ar o N2. El ràpid procés d'augment de la temperatura i la curta durada poden optimitzar la reparació dels defectes de la gelosia, l'activació d'impureses i la inhibició de la difusió d'impureses. L'RTA també pot reduir la difusió millorada transitòria i és la millor manera de controlar la profunditat de la unió en els implants d'unió poc profundes.
———————————————————————————————————————————————————— ————————————-
Semicera pot proporcionarpeces de grafit, feltre suau/rígid, peces de carbur de silici, Peces de carbur de silici CVD, iPeces recobertes de SiC/TaCamb en 30 dies.
Si esteu interessats en els productes semiconductors anteriors,si us plau, no dubteu a posar-vos en contacte amb nosaltres per primera vegada.
Tel: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Hora de publicació: 31-agost-2024