Proces i sprzęt do półprzewodników(6/7) - Proces i sprzęt do implantacji jonów

1. Wprowadzenie

Implantacja jonów jest jednym z głównych procesów w produkcji układów scalonych. Odnosi się do procesu przyspieszania wiązki jonów do określonej energii (zwykle w zakresie od keV do MeV), a następnie wstrzykiwania jej w powierzchnię stałego materiału w celu zmiany właściwości fizycznych powierzchni materiału. W procesie układu scalonego materiałem stałym jest zwykle krzem, a wszczepionymi jonami zanieczyszczeń są zwykle jony boru, jony fosforu, jony arsenu, jony indu, jony germanu itp. Wszczepione jony mogą zmieniać przewodność powierzchni ciała stałego materiału lub tworzą złącze PN. Kiedy wielkość elementów układów scalonych została zmniejszona do ery submikronowej, powszechnie stosowano proces implantacji jonów.

W procesie produkcji układów scalonych implantację jonów stosuje się zwykle w przypadku głęboko zakopanych warstw, odwiertów domieszkowanych odwrotnie, regulacji napięcia progowego, implantacji przedłużenia źródła i drenu, implantacji źródła i drenu, domieszkowania bramki polikrzemowej, tworzenia złączy PN i rezystorów/kondensatorów itp. W procesie przygotowania krzemowych materiałów podłoża na izolatory zakopana warstwa tlenku powstaje głównie w wyniku implantacji jonów tlenu o wysokim stężeniu lub inteligentne cięcie osiąga się poprzez implantację jonów wodorowych o wysokim stężeniu.

Implantacja jonów odbywa się za pomocą implantera jonów, a najważniejszymi parametrami procesu są dawka i energia: dawka określa końcowe stężenie, a energia określa zasięg (tj. głębokość) jonów. Zgodnie z różnymi wymaganiami konstrukcyjnymi urządzenia, warunki implantacji dzielą się na wysoką dawkę wysokoenergetyczną, średnią dawkę średnioenergetyczną, średnią dawkę niskoenergetyczną lub wysoką dawkę niskoenergetyczną. Aby uzyskać idealny efekt implantacji, należy wyposażyć różne implantatory w zależności od wymagań procesu.

Po implantacji jonów zazwyczaj konieczne jest poddanie się procesowi wyżarzania w wysokiej temperaturze, aby naprawić uszkodzenia sieci spowodowane implantacją jonów i aktywować jony zanieczyszczające. W tradycyjnych procesach układów scalonych, choć temperatura wyżarzania ma duży wpływ na domieszkowanie, to temperatura samego procesu implantacji jonów nie jest istotna. W węzłach technologicznych poniżej 14 nm niektóre procesy implantacji jonów muszą być przeprowadzane w środowiskach o niskiej lub wysokiej temperaturze, aby zmienić skutki uszkodzenia sieci itp.

2. proces implantacji jonów

2.1 Podstawowe zasady
Implantacja jonów to proces domieszkowania opracowany w latach sześćdziesiątych XX wieku, który pod wieloma względami przewyższa tradycyjne techniki dyfuzyjne.
Główne różnice między domieszkowaniem poprzez implantację jonów a tradycyjnym domieszkowaniem dyfuzyjnym są następujące:

(1) Rozkład stężenia zanieczyszczeń w obszarze domieszkowanym jest inny. Szczytowe stężenie zanieczyszczeń związanych z implantacją jonów znajduje się wewnątrz kryształu, natomiast szczytowe stężenie zanieczyszczeń związanych z dyfuzją znajduje się na powierzchni kryształu.

(2) Implantacja jonowa jest procesem przeprowadzanym w temperaturze pokojowej lub nawet niskiej, a czas produkcji jest krótki. Domieszkowanie dyfuzyjne wymaga dłuższej obróbki w wysokiej temperaturze.

(3) Implantacja jonowa pozwala na bardziej elastyczny i precyzyjny dobór implantowanych elementów.

(4) Ponieważ dyfuzja termiczna ma wpływ na zanieczyszczenia, kształt fali utworzony w wyniku implantacji jonów w krysztale jest lepszy niż kształt fali utworzonej w wyniku dyfuzji w krysztale.

(5) Implantacja jonowa zwykle wykorzystuje wyłącznie fotomaskę jako materiał maski, ale domieszkowanie dyfuzyjne wymaga wzrostu lub odłożenia warstwy o określonej grubości jako maski.

(6) Implantacja jonów zasadniczo zastąpiła dyfuzję i stała się obecnie głównym procesem domieszkowania w produkcji układów scalonych.

Kiedy padająca wiązka jonów o określonej energii bombarduje stały cel (zwykle płytkę), jony i atomy na powierzchni celu ulegną różnym interakcjom i przekażą energię atomom celu w określony sposób, aby wzbudzić lub zjonizować ich. Jony mogą również stracić pewną ilość energii w wyniku przeniesienia pędu i ostatecznie zostać rozproszone przez atomy docelowe lub zatrzymać się w materiale docelowym. Jeśli wstrzyknięte jony są cięższe, większość jonów zostanie wstrzyknięta do tarczy stałej. I odwrotnie, jeśli wstrzyknięte jony są lżejsze, wiele z wstrzykniętych jonów odbije się od powierzchni docelowej. Zasadniczo te wysokoenergetyczne jony wstrzyknięte do tarczy będą w różnym stopniu zderzać się z atomami sieci i elektronami w tarczy stałej. Wśród nich zderzenie jonów ze stałymi atomami docelowymi można uznać za zderzenie elastyczne, ponieważ mają one zbliżoną masę.

2.2 Główne parametry implantacji jonów

Implantacja jonowa to elastyczny proces, który musi spełniać rygorystyczne wymagania dotyczące projektowania chipów i produkcji. Ważnymi parametrami implantacji jonów są: dawka, zakres.

Dawka (D) odnosi się do liczby jonów wtryśniętych na jednostkę powierzchni płytki krzemowej, wyrażoną w atomach na centymetr kwadratowy (lub w jonach na centymetr kwadratowy). D można obliczyć za pomocą następującego wzoru:

Gdzie D to dawka implantacyjna (liczba jonów/jednostkę powierzchni); t to czas implantacji; I jest prądem wiązki; q to ładunek jonu (pojedynczy ładunek to 1,6×1019C[1]); a S jest obszarem implantacji.

Jednym z głównych powodów, dla których implantacja jonów stała się ważną technologią w produkcji płytek krzemowych, jest możliwość wielokrotnego wszczepiania tej samej dawki zanieczyszczeń do płytek krzemowych. Implantator osiąga ten cel za pomocą dodatniego ładunku jonów. Kiedy dodatnie jony zanieczyszczeń tworzą wiązkę jonów, jej natężenie przepływu nazywa się prądem wiązki jonów, mierzonym w mA. Zakres średnich i niskich prądów wynosi od 0,1 do 10 mA, a zakres wysokich prądów wynosi od 10 do 25 mA.

Wielkość prądu wiązki jonów jest kluczową zmienną przy definiowaniu dawki. Jeśli prąd wzrasta, wzrasta również liczba atomów zanieczyszczeń wszczepionych w jednostce czasu. Wysoki prąd sprzyja zwiększeniu wydajności płytek krzemowych (wtryskiwaniu większej ilości jonów na jednostkę czasu produkcji), ale powoduje również problemy z jednorodnością.
 

3. sprzęt do implantacji jonów

3.1 Podstawowa struktura

Sprzęt do implantacji jonów składa się z 7 podstawowych modułów:

① źródło jonów i absorber;

② analizator masy (tj. magnes analityczny);

③ rura przyspieszacza;

④ dysk skanujący;

⑤ system neutralizacji elektrostatycznej;

⑥ komora procesowa;

⑦ system kontroli dawki.

AWszystkie moduły znajdują się w środowisku próżniowym wytwarzanym przez system próżniowy. Podstawowy schemat strukturalny implantera jonów pokazano na poniższym rysunku.

8-calowy nośnik epitaksji

 

(1)Źródło jonów:
Zwykle w tej samej komorze próżniowej, co elektroda ssąca. Zanieczyszczenia oczekujące na wstrzyknięcie muszą istnieć w stanie jonowym, aby można je było kontrolować i przyspieszać za pomocą pola elektrycznego. Najczęściej stosowane B+, P+, As+ itp. uzyskuje się przez jonizację atomów lub cząsteczek.

Stosowanymi źródłami zanieczyszczeń są BF3, PH3 i AsH3 itp., a ich strukturę pokazano na poniższym rysunku. Elektrony uwalniane przez włókno zderzają się z atomami gazu, tworząc jony. Elektrony są zwykle generowane przez gorące źródło żarnika wolframowego. Na przykład w źródle jonów Bernersa żarnik katodowy jest zainstalowany w komorze łukowej z wlotem gazu. Wewnętrzna ściana komory łukowej jest anodą.

Po wprowadzeniu źródła gazu przez żarnik przepływa duży prąd, a pomiędzy elektrodą dodatnią i ujemną przykładane jest napięcie 100 V, co powoduje generowanie elektronów o wysokiej energii wokół żarnika. Jony dodatnie powstają po zderzeniu wysokoenergetycznych elektronów z cząsteczkami gazu źródłowego.

Zewnętrzny magnes przykłada pole magnetyczne równolegle do włókna, aby zwiększyć jonizację i ustabilizować plazmę. W komorze łukowej, na drugim końcu żarnika, znajduje się ujemnie naładowany reflektor, który odbija elektrony z powrotem, poprawiając wytwarzanie i wydajność elektronów.

tygiel pokryty tac

(2)Wchłanianie:
Służy do zbierania jonów dodatnich wytwarzanych w komorze łukowej źródła jonów i formowania ich w wiązkę jonów. Ponieważ komora łukowa jest anodą, a katoda znajduje się pod ujemnym ciśnieniem na elektrodzie ssącej, wytworzone pole elektryczne kontroluje jony dodatnie, powodując ich przemieszczanie się w kierunku elektrody ssącej i wyciąganie ich ze szczeliny jonowej, jak pokazano na poniższym rysunku . Im większe jest natężenie pola elektrycznego, tym większą energię kinetyczną zyskują jony po przyspieszeniu. Na elektrodzie ssącej znajduje się również napięcie tłumiące, aby zapobiec zakłóceniom powodowanym przez elektrony w plazmie. Jednocześnie elektroda tłumiąca może formować jony w wiązkę jonów i skupiać je w równoległy strumień wiązki jonów, tak aby przechodził on przez implanter.

susceptor wzrostu kryształów powlekany tac

 

(3)Analizator masy:
Ze źródła jonów może być generowanych wiele rodzajów jonów. Pod wpływem przyspieszenia napięcia anodowego jony poruszają się z dużą prędkością. Różne jony mają różne jednostki masy atomowej i różne stosunki masy do ładunku.

(4)Rurka przyspieszacza:
Aby uzyskać większą prędkość, potrzeba większej energii. Oprócz pola elektrycznego wytwarzanego przez anodę i analizator masy, do przyspieszania potrzebne jest również pole elektryczne dostarczane w rurze akceleratora. Rura akceleratora składa się z szeregu elektrod odizolowanych dielektrykiem, a napięcie ujemne na elektrodach wzrasta sekwencyjnie poprzez połączenie szeregowe. Im wyższe napięcie całkowite, tym większa prędkość uzyskiwana przez jony, czyli większa przenoszona energia. Wysoka energia może pozwolić na wstrzyknięcie jonów zanieczyszczeń w głąb płytki krzemowej w celu utworzenia głębokiego złącza, natomiast niska energia może zostać wykorzystana do utworzenia płytkiego złącza.

(5)Skanowanie dysku

Skupiona wiązka jonów ma zwykle bardzo małą średnicę. Średnica plamki wiązki w implantatorze ze średnim prądem wiązki wynosi około 1 cm, a w przypadku implantera z dużą wiązką prądu około 3 cm. Skanowaniu należy pokryć całą płytkę krzemową. Powtarzalność implantacji dawki określana jest poprzez skanowanie. Zwykle istnieją cztery typy systemów skanujących implantatorów:

① skanowanie elektrostatyczne;

② skanowanie mechaniczne;

③ skanowanie hybrydowe;

④ skanowanie równoległe.

 

(6)System neutralizacji elektryczności statycznej:

Podczas procesu implantacji wiązka jonów uderza w płytkę krzemową i powoduje gromadzenie się ładunku na powierzchni maski. Powstała w ten sposób akumulacja ładunku zmienia równowagę ładunku w wiązce jonów, powodując zwiększenie plamki wiązki i nierówny rozkład dawki. Może nawet przebić się przez warstwę tlenku na powierzchni i spowodować awarię urządzenia. Obecnie płytkę krzemową i wiązkę jonów umieszcza się zwykle w stabilnym środowisku plazmowym o dużej gęstości, zwanym plazmowym systemem prysznica elektronów, które może kontrolować ładowanie płytki krzemowej. Metoda ta polega na ekstrakcji elektronów z plazmy (zwykle argonu lub ksenonu) w komorze łukowej zlokalizowanej na drodze wiązki jonów, w pobliżu płytki krzemowej. Plazma jest filtrowana i tylko elektrony wtórne mogą dotrzeć do powierzchni płytki krzemowej, aby zneutralizować ładunek dodatni.

(7)Wnęka procesowa:
Wtryskiwanie wiązek jonów do płytek krzemowych następuje w komorze procesowej. Istotną częścią implantatora jest komora procesowa, w skład której wchodzi układ skanujący, stacja końcowa z śluzą próżniową do załadunku i rozładunku płytek krzemowych, system przenoszenia płytek krzemowych oraz komputerowy system sterowania. Ponadto istnieją urządzenia do monitorowania dawek i kontrolowania efektów kanałowych. W przypadku zastosowania skanowania mechanicznego stacja końcowa będzie stosunkowo duża. Próżnia w komorze procesowej jest pompowana do wymaganego w procesie ciśnienia dolnego za pomocą wielostopniowej pompy mechanicznej, pompy turbomolekularnej i pompy kondensacyjnej, które zwykle wynosi około 1 x 10-6 Torr lub mniej.

(8)System kontroli dozowania:
Monitorowanie dawki w czasie rzeczywistym w implanterze jonów odbywa się poprzez pomiar wiązki jonów docierającej do płytki krzemowej. Pomiar prądu wiązki jonów odbywa się za pomocą czujnika zwanego misą Faradaya. W prostym systemie Faradaya w ścieżce wiązki jonów znajduje się czujnik prądu, który mierzy prąd. Stanowi to jednak problem, ponieważ wiązka jonów reaguje z czujnikiem i wytwarza elektrony wtórne, które będą skutkować błędnymi odczytami prądu. System Faradaya może tłumić elektrony wtórne za pomocą pól elektrycznych lub magnetycznych, aby uzyskać prawdziwy odczyt prądu wiązki. Prąd mierzony przez system Faradaya jest doprowadzany do elektronicznego regulatora dawki, który pełni rolę akumulatora prądu (w sposób ciągły akumuluje mierzony prąd wiązki). Sterownik służy do powiązania całkowitego prądu z odpowiednim czasem implantacji i obliczenia czasu potrzebnego na podanie określonej dawki.

3.2 Naprawa uszkodzeń

Implantacja jonów wytrąci atomy ze struktury siatki i uszkodzi siatkę płytki krzemowej. Jeżeli wszczepiona dawka jest duża, wszczepiona warstwa stanie się amorficzna. Ponadto wszczepione jony w zasadzie nie zajmują punktów sieci krzemowej, ale pozostają w pozycjach szczeliny sieciowej. Te zanieczyszczenia międzywęzłowe można aktywować dopiero po procesie wyżarzania w wysokiej temperaturze.

Wyżarzanie może podgrzać wszczepioną płytkę krzemową w celu naprawy defektów sieci; może również przenosić atomy zanieczyszczeń do punktów sieci i aktywować je. Temperatura wymagana do naprawy defektów sieci wynosi około 500°C, a temperatura wymagana do aktywacji atomów zanieczyszczeń wynosi około 950°C. Aktywacja zanieczyszczeń jest powiązana z czasem i temperaturą: im dłuższy czas i im wyższa temperatura, tym pełniej aktywują się zanieczyszczenia. Istnieją dwie podstawowe metody wyżarzania płytek krzemowych:

① wyżarzanie w piecu wysokotemperaturowym;

② szybkie wyżarzanie termiczne (RTA).

Wyżarzanie w piecu wysokotemperaturowym: Wyżarzanie w piecu w wysokiej temperaturze to tradycyjna metoda wyżarzania, w której wykorzystuje się piec wysokotemperaturowy do podgrzania płytki krzemowej do temperatury 800-1000 ℃ i utrzymywania jej przez 30 minut. W tej temperaturze atomy krzemu wracają do pozycji sieci, a atomy zanieczyszczeń mogą również zastąpić atomy krzemu i przedostać się do sieci. Jednakże obróbka cieplna w takiej temperaturze i czasie doprowadzi do dyfuzji zanieczyszczeń, czego współczesny przemysł produkujący układy scalone nie chce widzieć.

Szybkie wyżarzanie termiczne: Szybkie wyżarzanie termiczne (RTA) pozwala na obróbkę płytek krzemowych przy niezwykle szybkim wzroście temperatury i krótkim czasie utrzymywania się w temperaturze docelowej (zwykle 1000°C). Wyżarzanie wszczepionych płytek krzemowych zwykle przeprowadza się w szybkim procesorze termicznym za pomocą Ar lub N2. Szybki proces wzrostu temperatury i krótki czas trwania mogą zoptymalizować naprawę defektów sieci, aktywację zanieczyszczeń i zahamowanie dyfuzji zanieczyszczeń. RTA może również zmniejszać przejściową zwiększoną dyfuzję i jest najlepszym sposobem kontrolowania głębokości połączenia w implantach z płytkim złączem.

—————————————————————————————————————————————————— ———————————-

Semicera może zapewnićczęści grafitowe, miękki/sztywny filc, części z węglika krzemu, Części z węglika krzemu CVD, ICzęści pokryte SiC/TaCz za 30 dni.

Jeśli interesują Cię powyższe produkty półprzewodnikowe,Nie wahaj się z nami skontaktować po raz pierwszy.

 

Tel: +86-13373889683

WhatsAPP: +86-15957878134

Email: sales01@semi-cera.com


Czas publikacji: 31 sierpnia 2024 r