1. Introduktion
Jonimplantation är en av huvudprocesserna vid tillverkning av integrerade kretsar. Det hänvisar till processen att accelerera en jonstråle till en viss energi (i allmänhet i intervallet keV till MeV) och sedan injicera den i ytan av ett fast material för att ändra de fysiska egenskaperna hos materialets yta. I den integrerade kretsprocessen är det fasta materialet vanligtvis kisel, och de implanterade föroreningsjonerna är vanligtvis borjoner, fosforjoner, arsenikjoner, indiumjoner, germaniumjoner, etc. De implanterade jonerna kan ändra konduktiviteten hos ytan av det fasta materialet. material eller bildar en PN-övergång. När särdragsstorleken hos integrerade kretsar reducerades till submikrontiden, användes jonimplantationsprocessen i stor utsträckning.
I tillverkningsprocessen för integrerade kretsar används jonimplantation vanligtvis för djupt begravda skikt, omvänt dopade brunnar, tröskelspänningsjustering, source- och drainförlängningsimplantation, source- och drain-implantation, polysilikon-gate-dopning, bildande av PN-övergångar och motstånd/kondensatorer, etc. I processen att förbereda kiselsubstratmaterial på isolatorer är det nedgrävda oxidskiktet huvudsakligen bildas av högkoncentrerad syrejonimplantation, eller intelligent skärning uppnås genom högkoncentrerad vätejonimplantation.
Jonimplantation utförs av en jonimplantatör och dess viktigaste processparametrar är dos och energi: dosen bestämmer den slutliga koncentrationen och energin bestämmer jonernas intervall (dvs. djup). Enligt olika anordningsdesignkrav är implantationsförhållandena uppdelade i högdos högenergi, medeldos medelenergi, medeldos lågenergi eller högdos lågenergi. För att få den ideala implantationseffekten bör olika implantatörer vara utrustade för olika processkrav.
Efter jonimplantation är det i allmänhet nödvändigt att genomgå en högtemperaturglödgningsprocess för att reparera gallerskadan som orsakas av jonimplantation och aktivera föroreningsjoner. I traditionella integrerade kretsprocesser, även om glödgningstemperaturen har ett stort inflytande på dopningen, är temperaturen på själva jonimplantationsprocessen inte viktig. Vid tekniknoder under 14nm måste vissa jonimplantationsprocesser utföras i låg- eller högtemperaturmiljöer för att förändra effekterna av gallerskada, etc.
2. jonimplantationsprocess
2.1 Grundläggande principer
Jonimplantation är en dopningsprocess som utvecklades på 1960-talet och som är överlägsen traditionell diffusionsteknik i de flesta aspekter.
De huvudsakliga skillnaderna mellan jonimplantationsdopning och traditionell diffusionsdopning är följande:
(1) Fördelningen av föroreningskoncentration i den dopade regionen är annorlunda. Den maximala föroreningskoncentrationen vid jonimplantation är belägen inuti kristallen, medan den maximala föroreningskoncentrationen för diffusion är belägen på kristallens yta.
(2) Jonimplantation är en process som utförs vid rumstemperatur eller till och med låg temperatur, och produktionstiden är kort. Diffusionsdopning kräver en längre högtemperaturbehandling.
(3) Jonimplantation möjliggör mer flexibelt och exakt val av implanterade element.
(4) Eftersom föroreningar påverkas av termisk diffusion, är vågformen som bildas av jonimplantation i kristallen bättre än vågformen som bildas av diffusion i kristallen.
(5) Jonimplantation använder vanligtvis bara fotoresist som maskmaterial, men diffusionsdopning kräver tillväxt eller avsättning av en film av en viss tjocklek som mask.
(6) Jonimplantation har i princip ersatt diffusion och blivit den huvudsakliga dopningsprocessen vid tillverkning av integrerade kretsar idag.
När en infallande jonstråle med en viss energi bombarderar ett fast mål (vanligtvis en wafer) kommer jonerna och atomerna på målytan att genomgå en mängd olika interaktioner och överföra energi till målatomerna på ett visst sätt för att excitera eller jonisera dem. Jonerna kan också förlora en viss mängd energi genom momentumöverföring och slutligen spridas av målatomerna eller stanna i målmaterialet. Om de injicerade jonerna är tyngre, kommer de flesta jonerna att injiceras i det fasta målet. Tvärtom, om de injicerade jonerna är lättare, kommer många av de injicerade jonerna att studsa från målytan. I grund och botten kommer dessa högenergijoner som injiceras i målet att kollidera med gitteratomerna och elektronerna i det fasta målet i varierande grad. Bland dem kan kollisionen mellan joner och fasta målatomer betraktas som en elastisk kollision eftersom de är nära i massa.
2.2 Huvudparametrar för jonimplantation
Jonimplantation är en flexibel process som måste uppfylla strikta chipdesign- och produktionskrav. Viktiga jonimplantationsparametrar är: dos, intervall.
Dos (D) hänvisar till antalet joner som injiceras per ytenhet av kiselskivans yta, i atomer per kvadratcentimeter (eller joner per kvadratcentimeter). D kan beräknas med följande formel:
Där D är implantationsdosen (antal joner/enhetsarea); t är implantationstiden; I är strålströmmen; q är laddningen som bärs av jonen (en enkel laddning är 1,6×1019C[1]); och S är implantationsområdet.
En av de främsta anledningarna till att jonimplantation har blivit en viktig teknik vid tillverkning av kiselwafer är att den upprepade gånger kan implantera samma dos av föroreningar i kiselwafers. Implantatören uppnår detta mål med hjälp av jonernas positiva laddning. När de positiva föroreningsjonerna bildar en jonstråle kallas dess flödeshastighet jonstråleströmmen, som mäts i mA. Området för medelstora och låga strömmar är 0,1 till 10 mA, och området för höga strömmar är 10 till 25 mA.
Storleken på jonstråleströmmen är en nyckelvariabel för att definiera dosen. Om strömmen ökar ökar också antalet implanterade föroreningsatomer per tidsenhet. Hög ström bidrar till att öka utbytet av kiselskivor (injicera fler joner per enhet produktionstid), men det orsakar också enhetlighetsproblem.
3. utrustning för jonimplantation
3.1 Grundläggande struktur
Jonimplantationsutrustning inkluderar 7 basmoduler:
① jonkälla och absorbator;
② massanalysator (dvs. analytisk magnet);
③ acceleratorrör;
④ skanningsskiva;
⑤ elektrostatiskt neutraliseringssystem;
⑥ processkammare;
⑦ doskontrollsystem.
AAlla moduler är i en vakuummiljö etablerad av vakuumsystemet. Det grundläggande strukturdiagrammet för jonimplantatören visas i figuren nedan.
(1)Jonkälla:
Vanligtvis i samma vakuumkammare som sugelektroden. Föroreningarna som väntar på att injiceras måste existera i ett jontillstånd för att kunna kontrolleras och accelereras av det elektriska fältet. De vanligaste B+, P+, As+, etc. erhålls genom jonisering av atomer eller molekyler.
De föroreningskällor som används är BF3, PH3 och AsH3, etc., och deras strukturer visas i figuren nedan. Elektronerna som frigörs av glödtråden kolliderar med gasatomer för att producera joner. Elektroner genereras vanligtvis av en varm volframfilamentkälla. Till exempel, Berners jonkälla, katodfilamentet installeras i en bågkammare med ett gasinlopp. Den inre väggen av ljusbågskammaren är anoden.
När gaskällan införs passerar en stor ström genom glödtråden, och en spänning på 100 V appliceras mellan de positiva och negativa elektroderna, vilket kommer att generera högenergielektroner runt glödtråden. Positiva joner genereras efter att högenergielektronerna kolliderar med källgasmolekylerna.
Den externa magneten applicerar ett magnetfält parallellt med glödtråden för att öka joniseringen och stabilisera plasman. I bågkammaren, i den andra änden i förhållande till glödtråden, finns en negativt laddad reflektor som reflekterar elektronerna tillbaka för att förbättra genereringen och effektiviteten av elektroner.
(2)Absorption:
Den används för att samla upp positiva joner som genereras i jonkällans bågkammare och forma dem till en jonstråle. Eftersom ljusbågskammaren är anoden och katoden är negativt trycksatt på sugelektroden, styr det genererade elektriska fältet de positiva jonerna, vilket gör att de rör sig mot sugelektroden och dras ut från jonslitsen, som visas i bilden nedan. . Ju större elektrisk fältstyrka är, desto större kinetisk energi får jonerna efter acceleration. Det finns också en undertrycksspänning på sugelektroden för att förhindra störningar från elektroner i plasman. Samtidigt kan dämpningselektroden forma joner till en jonstråle och fokusera dem till en parallell jonstråleström så att den passerar genom implanteraren.
(3)Massanalysator:
Det kan finnas många sorters joner som genereras från jonkällan. Under accelerationen av anodspänningen rör sig jonerna med hög hastighet. Olika joner har olika atommassaenheter och olika mass-till-laddningsförhållanden.
(4)Acceleratorrör:
För att få högre hastighet krävs högre energi. Förutom det elektriska fältet som tillhandahålls av anoden och massanalysatorn, krävs också ett elektriskt fält i acceleratorröret för acceleration. Acceleratorröret består av en serie elektroder isolerade av ett dielektrikum, och den negativa spänningen på elektroderna ökar i följd genom seriekopplingen. Ju högre den totala spänningen är, desto högre hastighet erhålls av jonerna, det vill säga desto större energi som transporteras. Hög energi kan tillåta att föroreningsjoner injiceras djupt in i kiselskivan för att bilda en djup korsning, medan låg energi kan användas för att göra en ytlig korsning.
(5)Skannar disk
Den fokuserade jonstrålen är vanligtvis mycket liten i diameter. Strålpunktsdiametern för en implanterare med medelstrålström är cirka 1 cm, och den för en implanterare med stor strålström är cirka 3 cm. Hela kiselskivan måste täckas genom skanning. Repeterbarheten av dosimplantationen bestäms genom skanning. Vanligtvis finns det fyra typer av implantatorskanningssystem:
① elektrostatisk skanning;
② mekanisk skanning;
③ hybridskanning;
④ parallell scanning.
(6)System för neutralisering av statisk elektricitet:
Under implantationsprocessen träffar jonstrålen kiselskivan och gör att laddning ackumuleras på maskytan. Den resulterande laddningsackumuleringen ändrar laddningsbalansen i jonstrålen, vilket gör strålfläcken större och dosfördelningen ojämn. Det kan till och med bryta igenom ytoxidskiktet och orsaka fel på enheten. Nu är kiselskivan och jonstrålen vanligtvis placerade i en stabil plasmamiljö med hög densitet som kallas ett plasmaelektronduschsystem, som kan styra laddningen av kiselskivan. Denna metod extraherar elektroner från plasman (vanligtvis argon eller xenon) i en bågkammare belägen i jonstrålevägen och nära kiselskivan. Plasman filtreras och endast sekundära elektroner kan nå ytan av kiselskivan för att neutralisera den positiva laddningen.
(7)Processhålighet:
Insprutningen av jonstrålar i kiselskivor sker i processkammaren. Processkammaren är en viktig del av implanteraren, inklusive ett skanningssystem, en terminalstation med ett vakuumlås för laddning och urladdning av kiselskivor, ett överföringssystem för kiselskivor och ett datorstyrsystem. Dessutom finns det några enheter för att övervaka doser och kontrollera kanaleffekter. Om mekanisk avsökning används blir terminalstationen relativt stor. Vakuumet i processkammaren pumpas till det bottentryck som processen kräver av en mekanisk flerstegspump, en turbomolekylär pump och en kondensationspump, som vanligtvis är cirka 1×10-6Torr eller mindre.
(8)Doseringskontrollsystem:
Dosövervakning i realtid i en jonimplantator åstadkoms genom att mäta jonstrålen som når kiselskivan. Jonstråleströmmen mäts med hjälp av en sensor som kallas en Faraday-kopp. I ett enkelt Faraday-system finns en strömsensor i jonstrålevägen som mäter strömmen. Detta utgör dock ett problem, eftersom jonstrålen reagerar med sensorn och producerar sekundära elektroner som kommer att resultera i felaktiga strömavläsningar. Ett Faraday-system kan undertrycka sekundära elektroner med hjälp av elektriska eller magnetiska fält för att erhålla en sann strålströmavläsning. Strömmen som uppmäts av Faraday-systemet matas in i en elektronisk dosregulator, som fungerar som en strömackumulator (som kontinuerligt ackumulerar den uppmätta strålströmmen). Regulatorn används för att relatera den totala strömmen till motsvarande implantationstid och beräkna tiden som krävs för en viss dos.
3.2 Reparation av skador
Jonimplantation kommer att slå ut atomer ur gitterstrukturen och skada kiselwafergittret. Om den implanterade dosen är stor kommer det implanterade lagret att bli amorft. Dessutom upptar de implanterade jonerna i princip inte gitterpunkterna för kisel, utan stannar i gittergappositionerna. Dessa interstitiella föroreningar kan endast aktiveras efter en högtemperaturglödgningsprocess.
Glödgning kan värma den implanterade kiselskivan för att reparera gallerdefekter; den kan också flytta föroreningsatomer till gitterpunkterna och aktivera dem. Temperaturen som krävs för att reparera gallerdefekter är cirka 500°C, och den temperatur som krävs för att aktivera föroreningsatomer är cirka 950°C. Aktiveringen av föroreningar är relaterad till tid och temperatur: ju längre tid och ju högre temperatur, desto mer fullständigt aktiveras föroreningarna. Det finns två grundläggande metoder för glödgning av kiselskivor:
① ugnsglödgning med hög temperatur;
② snabb termisk glödgning (RTA).
Högtemperaturugnsglödgning: Högtemperaturugnsglödgning är en traditionell glödgningsmetod, som använder en högtemperaturugn för att värma kiselskivan till 800-1000 ℃ och hålla den i 30 minuter. Vid denna temperatur flyttar kiselatomerna tillbaka till gitterpositionen, och föroreningsatomer kan också ersätta kiselatomerna och komma in i gittret. Värmebehandling vid en sådan temperatur och tid kommer dock att leda till spridning av föroreningar, vilket är något som den moderna IC-tillverkningsindustrin inte vill se.
Snabb termisk glödgning: Rapid termisk glödgning (RTA) behandlar kiselskivor med extremt snabb temperaturökning och kort varaktighet vid måltemperaturen (vanligtvis 1000°C). Glödgning av implanterade kiselskivor utförs vanligtvis i en snabb termisk processor med Ar eller N2. Den snabba temperaturökningsprocessen och korta varaktigheten kan optimera reparationen av gallerdefekter, aktivering av föroreningar och hämning av föroreningsdiffusion. RTA kan också minska transient förstärkt diffusion och är det bästa sättet att kontrollera korsningsdjupet i grunda korsningsimplantat.
————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera kan tillhandahållagrafitdelar, mjuk/styv filt, delar av kiselkarbid, CVD kiselkarbiddelar, ochSiC/TaC-belagda delarmed om 30 dagar.
Om du är intresserad av ovanstående halvledarprodukter,tveka inte att kontakta oss vid första gången.
Tel: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Posttid: 2024-aug-31