1. Sissejuhatus
Ioonide implanteerimine on integraallülituse tootmise üks peamisi protsesse. See viitab protsessile, mille käigus ioonkiir kiirendatakse teatud energiani (tavaliselt vahemikus keV kuni MeV) ja seejärel süstitakse see tahke materjali pinnale, et muuta materjali pinna füüsikalisi omadusi. Integraallülituse protsessis on tahke materjalina tavaliselt räni ja implanteeritud lisandiioonideks on tavaliselt booriioonid, fosforiioonid, arseeniioonid, indiumioonid, germaaniumioonid jne. Implanteeritud ioonid võivad muuta tahke aine pinna juhtivust. materjalist või moodustada PN-ristmik. Kui integraallülituste funktsioonide suurust vähendati submikroni ajastule, kasutati laialdaselt ioonide siirdamise protsessi.
Integraallülituse tootmisprotsessis kasutatakse ioonide implanteerimist tavaliselt sügavale maetud kihtide, pöördlegeeritud süvendite, lävipinge reguleerimise, allika ja äravoolu pikenduse implanteerimise, allika ja äravoolu implanteerimise, polüsilikoonvärava dopingu, PN-liidete ja takistite/kondensaatorite jms jaoks. Ränisubstraatmaterjalide valmistamisel isolaatoritel moodustatakse maetud oksiidikiht peamiselt kõrge kontsentratsiooniga hapnikuioonide implanteerimisega või intelligentne lõikamine saavutatakse kõrge kontsentratsiooniga vesinikioonide implanteerimisega.
Ioonide implanteerimist teostab ioonimplanter ning selle protsessi olulisemateks parameetriteks on doos ja energia: doos määrab lõpliku kontsentratsiooni ja energia määrab ioonide ulatuse (st sügavuse). Vastavalt seadme erinevatele konstruktsiooninõuetele jagatakse implanteerimistingimused suure doosiga suure energiaga, keskmise annusega keskmise energiaga, keskmise annusega madala energiaga või suure annusega madala energiaga. Ideaalse implantatsiooniefekti saavutamiseks peaksid erinevad implantaatorid olema varustatud erinevate protsessinõuetega.
Pärast ioonide implanteerimist on üldjuhul vaja läbida kõrgtemperatuuriline lõõmutamisprotsess, et parandada ioonide implanteerimisest põhjustatud võrekahjustusi ja aktiveerida lisandite ioone. Traditsioonilistes integraallülitusprotsessides, kuigi lõõmutamistemperatuuril on dopingule suur mõju, ei ole ioonide implanteerimisprotsessi enda temperatuur oluline. Tehnoloogilistes sõlmedes, mille laius on alla 14 nm, tuleb teatud ioonide implanteerimisprotsesse läbi viia madala või kõrge temperatuuriga keskkondades, et muuta võre kahjustuste mõju jne.
2. ioonide siirdamise protsess
2.1 Põhiprintsiibid
Ioonide implanteerimine on 1960. aastatel välja töötatud dopinguprotsess, mis on enamikus aspektides parem kui traditsioonilised difusioonitehnikad.
Peamised erinevused ioonimplantaadi dopingu ja traditsioonilise difusioondopingu vahel on järgmised:
(1) Lisandite kontsentratsiooni jaotus legeeritud piirkonnas on erinev. Ioonide implantatsiooni lisandi kontsentratsiooni tipp asub kristalli sees, difusiooni lisandite kontsentratsiooni tipp aga kristalli pinnal.
(2) Ioonide implanteerimine on protsess, mis viiakse läbi toatemperatuuril või isegi madalal temperatuuril ning tootmisaeg on lühike. Difusioondoping nõuab pikemat töötlemist kõrgel temperatuuril.
(3) Ioonimplantatsioon võimaldab implanteeritud elemente paindlikumalt ja täpsemini valida.
(4) Kuna lisandeid mõjutab termiline difusioon, on ioonide implanteerimisel kristallidesse moodustunud lainekuju parem kui kristalli difusiooni teel tekkiv lainekuju.
(5) Ioonide implanteerimisel kasutatakse maski materjalina tavaliselt ainult fotoresisti, kuid difusioondoping eeldab maskina teatud paksusega kile kasvatamist või sadestamist.
(6) Ioonide implanteerimine on põhimõtteliselt asendanud difusiooni ja muutunud tänapäeval integraallülituste tootmise peamiseks dopinguprotsessiks.
Kui teatud energiaga langev ioonkiir pommitab tahket sihtmärki (tavaliselt vahvlit), siis ioonid ja sihtpinna aatomid läbivad mitmesuguseid interaktsioone ning edastavad energia sihtmärgi aatomitele teatud viisil, et ergutada või ioniseerida. neid. Ioonid võivad ka impulsi ülekande kaudu kaotada teatud koguse energiat ja lõpuks sihtaatomite poolt hajutada või sihtmaterjalis peatuda. Kui süstitud ioonid on raskemad, süstitakse suurem osa ioonidest tahkesse sihtmärki. Vastupidi, kui süstitud ioonid on kergemad, põrkuvad paljud süstitud ioonid sihtpinnalt tagasi. Põhimõtteliselt põrkuvad need sihtmärgisse süstitud suure energiaga ioonid erineval määral kokku tahkes sihtmärgis olevate võre aatomite ja elektronidega. Nende hulgas võib ioonide ja tahkete sihtaatomite kokkupõrget pidada elastseks kokkupõrkeks, kuna need on massilt lähedased.
2.2 Ioonide implanteerimise peamised parameetrid
Ioonide implanteerimine on paindlik protsess, mis peab vastama rangetele kiibi disaini- ja tootmisnõuetele. Olulised ioonide implanteerimise parameetrid on: annus, vahemik.
Doos (D) viitab räniplaadi pinna pindalaühikule süstitud ioonide arvule aatomites ruutsentimeetri kohta (või ioonides ruutsentimeetri kohta). D saab arvutada järgmise valemiga:
kus D on implantatsioonidoos (ioonide arv pindalaühiku kohta); t on implantatsiooni aeg; I on kiire vool; q on iooni poolt kantud laeng (üks laeng on 1,6×1019C[1]); ja S on implantatsioonipiirkond.
Üks peamisi põhjusi, miks ioonide implanteerimine on muutunud räniplaatide tootmises oluliseks tehnoloogiaks, on see, et sellega saab korduvalt siirdada räniplaatidesse sama doosi lisandeid. Selle eesmärgi saavutab implantaator ioonide positiivse laengu abil. Kui positiivsed lisandiioonid moodustavad ioonkiire, nimetatakse selle voolukiirust ioonkiire vooluks, mida mõõdetakse mA-des. Keskmise ja madala voolu vahemik on 0,1 kuni 10 mA ja kõrgete voolude vahemik on 10 kuni 25 mA.
Ioonkiire voolu suurus on annuse määramisel võtmetähtsusega muutuja. Kui vool suureneb, suureneb ka ajaühikus siirdatud lisandite aatomite arv. Suur vool soodustab ränivahvli saagise suurenemist (süstides rohkem ioone tootmisajaühiku kohta), kuid see põhjustab ka ühtlusprobleeme.
3. ioonide siirdamise seadmed
3.1 Põhistruktuur
Ioonimplantatsiooni seadmed sisaldavad 7 põhimoodulit:
① iooniallikas ja neelduja;
② massianalüsaator (st analüütiline magnet);
③ kiirendi toru;
④ skannimise ketas;
⑤ elektrostaatiline neutraliseerimissüsteem;
⑥ protsessikamber;
⑦ annuse kontrollsüsteem.
AKõik moodulid on vaakumsüsteemi poolt loodud vaakumkeskkonnas. Ioonimplanteri põhiline struktuuriskeem on näidatud alloleval joonisel.
(1)Ioonide allikas:
Tavaliselt imemiselektroodiga samas vaakumkambris. Süstimist ootavad lisandid peavad olema ioonolekus, et neid saaks elektrivälja abil kontrollida ja kiirendada. Kõige sagedamini kasutatavad B+, P+, As+ jne saadakse aatomite või molekulide ioniseerimisel.
Kasutatud lisandite allikad on BF3, PH3 ja AsH3 jne ning nende struktuurid on toodud alloleval joonisel. Filamendist vabanevad elektronid põrkuvad gaasiaatomitega, tekitades ioone. Elektronid genereeritakse tavaliselt kuuma volframhõõgniidi allikaga. Näiteks Bernersi iooniallikas, katoodhõõgniit paigaldatakse gaasi sisselaskeavaga kaarekambrisse. Kaarkambri sisesein on anood.
Gaasiallika sisestamisel läbib hõõgniidi suur vool ning positiivse ja negatiivse elektroodi vahele rakendatakse 100 V pinge, mis tekitab hõõgniidi ümber suure energiaga elektrone. Positiivsed ioonid tekivad pärast seda, kui suure energiaga elektronid põrkuvad lähtegaasi molekulidega.
Väline magnet rakendab hõõgniidiga paralleelset magnetvälja, et suurendada ionisatsiooni ja stabiliseerida plasma. Kaarkambris, hõõgniidi suhtes teises otsas, on negatiivselt laetud reflektor, mis peegeldab elektrone tagasi, et parandada elektronide teket ja tõhusust.
(2)Imendumine:
Seda kasutatakse iooniallika kaarekambris tekkivate positiivsete ioonide kogumiseks ja ioonikiire moodustamiseks. Kuna kaarekamber on anood ja katood on imemiselektroodil negatiivse rõhu all, juhib tekkiv elektriväli positiivseid ioone, pannes need liikuma imemiselektroodi poole ja ioonipilust välja tõmbama, nagu on näidatud alloleval joonisel. . Mida suurem on elektrivälja tugevus, seda suurema kineetilise energia saavad ioonid pärast kiirendamist. Imemiselektroodil on ka summutuspinge, et vältida plasmas olevate elektronide häireid. Samal ajal võib summutuselektrood moodustada ioone ioonkiireks ja fokuseerida need paralleelseks ioonkiire vooluks, nii et see läbib implantaatorit.
(3)Massi analüsaator:
Iooniallikast võib tekkida mitut tüüpi ioone. Anoodi pinge kiirenduse all liiguvad ioonid suure kiirusega. Erinevatel ioonidel on erinevad aatommassi ühikud ja erinevad massi ja laengu suhted.
(4)Kiirendi toru:
Suurema kiiruse saavutamiseks on vaja suuremat energiat. Lisaks anoodi ja massianalüsaatori poolt tekitatavale elektriväljale on kiirendamiseks vajalik ka kiirenditorus olev elektriväli. Kiirenditoru koosneb reast elektroodidest, mis on eraldatud dielektrikuga ja elektroodidel olev negatiivne pinge suureneb järjestikku läbi jadaühenduse. Mida kõrgem on kogupinge, seda suurem on ioonide poolt saavutatav kiirus, st seda suurem on kantav energia. Kõrge energia võib võimaldada lisandite ioonide süstimist sügavale ränivahvlisse, et moodustada sügav ristmik, samas kui madalat energiat saab kasutada madala ristmiku tegemiseks.
(5)Ketta skannimine
Fokuseeritud ioonkiir on tavaliselt väga väikese läbimõõduga. Keskmise kiire vooluga implantaatori kiire täpi läbimõõt on umbes 1 cm ja suure kiire vooluga implantaatoril umbes 3 cm. Kogu räniplaat peab olema skaneerimisega kaetud. Annuse implanteerimise korratavus määratakse skaneerimisega. Tavaliselt on nelja tüüpi implantaatorite skaneerimissüsteeme:
① elektrostaatiline skaneerimine;
② mehaaniline skaneerimine;
③ hübriidskaneerimine;
④ paralleelne skaneerimine.
(6)Staatilise elektri neutraliseerimissüsteem:
Implanteerimisprotsessi ajal tabab ioonkiir räniplaadile ja laen koguneb maski pinnale. Tekkiv laengu akumuleerumine muudab laengu tasakaalu ioonkiires, muutes kiire koha suuremaks ja doosi jaotuse ebaühtlaseks. See võib isegi pinna oksiidikihist läbi murda ja põhjustada seadme rikke. Nüüd asetatakse ränivahv ja ioonkiir tavaliselt stabiilsesse suure tihedusega plasmakeskkonda, mida nimetatakse plasma elektronduššisüsteemiks, mis suudab juhtida räniplaadi laadimist. See meetod eraldab plasmast elektronid (tavaliselt argooni või ksenooni) kaarekambris, mis asub ioonkiire teel ja räniplaadi lähedal. Plasma filtreeritakse ja räniplaadi pinnale pääsevad positiivse laengu neutraliseerimiseks ainult sekundaarsed elektronid.
(7)Protsessi õõnsus:
Ioonkiirte süstimine räniplaatidesse toimub protsessikambris. Protsessi kamber on implantaatori oluline osa, sealhulgas skaneerimissüsteem, vaakumlukuga terminalijaam räniplaatide laadimiseks ja mahalaadimiseks, räniplaatide ülekandesüsteem ja arvutijuhtimissüsteem. Lisaks on mõned seadmed annuste jälgimiseks ja kanaliefektide kontrollimiseks. Kui kasutatakse mehaanilist skaneerimist, on terminalijaam suhteliselt suur. Protsessikambri vaakum pumbatakse protsessi jaoks vajaliku põhjarõhuni mitmeastmelise mehaanilise pumba, turbomolekulaarpumba ja kondensatsioonipumba abil, mis on tavaliselt umbes 1 × 10–6 torri või vähem.
(8)Annuse reguleerimise süsteem:
Reaalajas doosi jälgimine ioonimplanteris saavutatakse räniplaadini jõudva ioonikiire mõõtmisega. Ioonkiire voolu mõõdetakse anduriga, mida nimetatakse Faraday tassiks. Lihtsa Faraday süsteemi puhul on ioonkiire teel vooluandur, mis mõõdab voolu. See tekitab aga probleeme, kuna ioonkiir reageerib anduriga ja toodab sekundaarseid elektrone, mille tulemuseks on valed voolunäidud. Faraday süsteem suudab sekundaarseid elektrone maha suruda, kasutades elektri- või magnetvälju, et saada õige kiire voolu näit. Faraday süsteemi poolt mõõdetud vool juhitakse elektroonilisse doosikontrollerisse, mis toimib vooluakumulaatorina (mis kogub pidevalt mõõdetud kiire voolu). Kontrollerit kasutatakse koguvoolu seostamiseks vastava implantatsiooniajaga ja arvutatakse teatud annuse jaoks vajalik aeg.
3.2 Kahjustuste parandamine
Ioonide implanteerimine lööb aatomid võre struktuurist välja ja kahjustab ränivahvli võre. Kui siirdatud annus on suur, muutub siirdatud kiht amorfseks. Lisaks ei hõivata siirdatud ioonid põhimõtteliselt räni võrepunkte, vaid jäävad võrevahe positsioonidesse. Neid interstitsiaalseid lisandeid saab aktiveerida alles pärast kõrgel temperatuuril anniilimisprotsessi.
Lõõmutamine võib soojendada siirdatud räniplaati, et parandada võre defekte; see võib ka lisandi aatomeid liigutada võrepunktidesse ja neid aktiveerida. Võre defektide parandamiseks vajalik temperatuur on umbes 500 °C ja lisandite aatomite aktiveerimiseks vajalik temperatuur on umbes 950 °C. Lisandite aktiveerumine on seotud aja ja temperatuuriga: mida pikem aeg ja kõrgem temperatuur, seda täielikumalt lisandid aktiveeruvad. Räniplaatide lõõmutamiseks on kaks põhimeetodit:
① kõrgtemperatuuriline ahju lõõmutamine;
② kiire termiline lõõmutamine (RTA).
Kõrge temperatuuriga ahju lõõmutamine: Kõrge temperatuuriga ahju lõõmutamine on traditsiooniline lõõmutamismeetod, mis kasutab kõrge temperatuuriga ahju ränivahvli kuumutamiseks temperatuurini 800-1000 ℃ ja hoiab seda 30 minutit. Sellel temperatuuril liiguvad räni aatomid tagasi võreasendisse ning ka lisandiaatomid võivad räni aatomeid asendada ja võresse siseneda. Kuumtöötlemine sellisel temperatuuril ja ajal viib aga lisandite difusioonini, mida tänapäevane IC-tootmistööstus näha ei taha.
Kiire termiline lõõmutamine: Kiire termiline lõõmutamine (RTA) töötleb räniplaate ülikiire temperatuuritõusuga ja lühiajaliselt sihttemperatuuril (tavaliselt 1000 °C). Siirdatud räniplaatide lõõmutamine toimub tavaliselt Ar või N2 kiirtermoprotsessoris. Kiire temperatuuritõusu protsess ja lühike kestus võivad optimeerida võre defektide parandamist, lisandite aktiveerimist ja lisandite difusiooni pärssimist. RTA võib vähendada ka mööduvat difusiooni ja on parim viis madalate ristmike implantaatide ristmiku sügavuse kontrollimiseks.
——————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera võib pakkudagrafiidist osad, pehme/jäik vilt, ränikarbiidist osad, CVD ränikarbiidist osadjaSiC/TaC kaetud osad30 päeva jooksul.
Kui olete huvitatud ülaltoodud pooljuhttoodetest,palun ärge kõhelge meiega esimest korda ühendust võtmast.
Tel: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Postitusaeg: 31. august 2024