1. Introduktion
Ionimplantation er en af hovedprocesserne i fremstilling af integrerede kredsløb. Det refererer til processen med at accelerere en ionstråle til en bestemt energi (generelt i området fra keV til MeV) og derefter injicere den i overfladen af et fast materiale for at ændre de fysiske egenskaber af materialets overflade. I den integrerede kredsløbsproces er det faste materiale sædvanligvis silicium, og de implanterede urenheder er normalt borioner, phosphorioner, arsenioner, indiumioner, germaniumioner osv. De implanterede ioner kan ændre ledningsevnen af overfladen af det faste stof. materiale eller danne et PN-kryds. Da funktionsstørrelsen af integrerede kredsløb blev reduceret til sub-mikron-æraen, blev ionimplantationsprocessen meget brugt.
I den integrerede kredsløbsfremstillingsproces bruges ionimplantation normalt til dybe begravede lag, omvendt doterede brønde, tærskelspændingsjustering, source- og drain-forlængelseimplantation, source- og drain-implantation, polysilicium-gate-doping, dannelse af PN-forbindelser og modstande/kondensatorer osv. I processen med at fremstille siliciumsubstratmaterialer på isolatorer er det nedgravede oxidlag hovedsageligt dannet ved højkoncentreret oxygenionimplantation, eller intelligent skæring opnås ved højkoncentreret brintionimplantation.
Ionimplantation udføres af en ionimplantator, og dens vigtigste procesparametre er dosis og energi: dosis bestemmer den endelige koncentration, og energien bestemmer rækkevidden (dvs. dybden) af ionerne. I henhold til forskellige enhedsdesignkrav er implantationsbetingelserne opdelt i højdosis højenergi, mediumdosis mediumenergi, mediumdosis lavenergi eller højdosis lavenergi. For at opnå den ideelle implantationseffekt bør forskellige implantatorer være udstyret til forskellige proceskrav.
Efter ionimplantation er det generelt nødvendigt at gennemgå en højtemperaturglødningsproces for at reparere gitterskader forårsaget af ionimplantation og aktivere urenheder. I traditionelle integrerede kredsløbsprocesser, selvom udglødningstemperaturen har stor indflydelse på doping, er temperaturen af selve ionimplantationsprocessen ikke vigtig. Ved teknologiknuder under 14nm skal visse ionimplantationsprocesser udføres i miljøer med lav eller høj temperatur for at ændre virkningerne af gitterskader osv.
2. ionimplantationsproces
2.1 Grundlæggende principper
Ionimplantation er en dopingproces udviklet i 1960'erne, som er overlegen i forhold til traditionelle diffusionsteknikker i de fleste aspekter.
De vigtigste forskelle mellem ionimplantationsdoping og traditionel diffusionsdoping er som følger:
(1) Fordelingen af urenhedskoncentration i den doterede region er anderledes. Den maksimale urenhedskoncentration af ionimplantation er placeret inde i krystallen, mens den maksimale urenhedskoncentration af diffusion er placeret på overfladen af krystallen.
(2) Ionimplantation er en proces, der udføres ved stuetemperatur eller endda lav temperatur, og produktionstiden er kort. Diffusionsdoping kræver en længere højtemperaturbehandling.
(3) Ionimplantation giver mulighed for mere fleksibelt og præcist valg af implanterede elementer.
(4) Da urenheder påvirkes af termisk diffusion, er bølgeformen dannet ved ionimplantation i krystallen bedre end bølgeformen dannet ved diffusion i krystallen.
(5) Ionimplantation bruger normalt kun fotoresist som maskemateriale, men diffusionsdoping kræver vækst eller aflejring af en film af en vis tykkelse som en maske.
(6) Ionimplantation har grundlæggende erstattet diffusion og er blevet den vigtigste dopingproces i fremstillingen af integrerede kredsløb i dag.
Når en indfaldende ionstråle med en bestemt energi bombarderer et fast mål (normalt en wafer), vil ionerne og atomerne på måloverfladen gennemgå en række forskellige interaktioner og overføre energi til målatomerne på en bestemt måde for at excitere eller ionisere dem. Ionerne kan også miste en vis mængde energi gennem momentumoverførsel og til sidst blive spredt af målatomerne eller stoppe i målmaterialet. Hvis de injicerede ioner er tungere, vil de fleste af ionerne blive injiceret i det faste mål. Tværtimod, hvis de injicerede ioner er lettere, vil mange af de injicerede ioner hoppe af måloverfladen. Dybest set vil disse højenergi-ioner, der injiceres i målet, kollidere med gitteratomerne og elektronerne i det faste mål i varierende grad. Blandt dem kan kollisionen mellem ioner og faste målatomer betragtes som en elastisk kollision, fordi de er tæt på massen.
2.2 Hovedparametre for ionimplantation
Ionimplantation er en fleksibel proces, der skal opfylde strenge krav til chipdesign og produktion. Vigtige ionimplantationsparametre er: dosis, rækkevidde.
Dosis (D) refererer til antallet af ioner injiceret pr. arealenhed af siliciumwaferoverfladen i atomer pr. kvadratcentimeter (eller ioner pr. kvadratcentimeter). D kan beregnes med følgende formel:
Hvor D er implantationsdosis (antal ioner/arealenhed); t er implantationstiden; I er strålestrømmen; q er ladningen båret af ionen (en enkelt ladning er 1,6×1019C[1]); og S er implantationsområdet.
En af hovedårsagerne til, at ionimplantation er blevet en vigtig teknologi inden for fremstilling af siliciumwafers, er, at den gentagne gange kan implantere den samme dosis urenheder i siliciumwafers. Implantatøren opnår dette mål ved hjælp af ionernes positive ladning. Når de positive urenheder danner en ionstråle, kaldes dens strømningshastighed ionstrålestrømmen, som måles i mA. Området af mellem- og lavstrømme er 0,1 til 10 mA, og området for høje strømme er 10 til 25 mA.
Størrelsen af ionstrålestrømmen er en nøglevariabel til at definere dosis. Hvis strømmen stiger, stiger antallet af implanterede urenhedsatomer pr. tidsenhed også. Høj strøm er befordrende for at øge siliciumwafer-udbyttet (injektion af flere ioner pr. produktionsenhed), men det forårsager også ensartethedsproblemer.
3. ionimplantationsudstyr
3.1 Grundlæggende struktur
Ionimplantationsudstyr omfatter 7 basismoduler:
① ionkilde og absorber;
② masseanalysator (dvs. analytisk magnet);
③ accelerator rør;
④ scanning disk;
⑤ elektrostatisk neutraliseringssystem;
⑥ proces kammer;
⑦ dosiskontrolsystem.
AAlle moduler er i et vakuummiljø etableret af vakuumsystemet. Det grundlæggende strukturelle diagram af ionimplantatoren er vist i figuren nedenfor.
(1)Ionkilde:
Normalt i samme vakuumkammer som sugeelektroden. De urenheder, der venter på at blive injiceret, skal eksistere i en iontilstand for at blive kontrolleret og accelereret af det elektriske felt. De mest almindeligt anvendte B+, P+, As+ osv. opnås ved at ionisere atomer eller molekyler.
De anvendte urenhedskilder er BF3, PH3 og AsH3 osv., og deres strukturer er vist i nedenstående figur. Elektronerne frigivet af filamentet kolliderer med gasatomer for at producere ioner. Elektroner genereres normalt af en varm wolframfilamentkilde. For eksempel er Berners ionkilden, katodefilamentet installeret i et buekammer med et gasindtag. Den indre væg af lysbuekammeret er anoden.
Når gaskilden indføres, passerer en stor strøm gennem glødetråden, og der påføres en spænding på 100 V mellem de positive og negative elektroder, hvilket vil generere højenergielektroner omkring glødetråden. Positive ioner genereres efter højenergielektronerne kolliderer med kildegasmolekylerne.
Den eksterne magnet påfører et magnetfelt parallelt med filamentet for at øge ioniseringen og stabilisere plasmaet. I lysbuekammeret, i den anden ende i forhold til glødetråden, er der en negativt ladet reflektor, der reflekterer elektronerne tilbage for at forbedre genereringen og effektiviteten af elektroner.
(2)Absorption:
Det bruges til at opsamle positive ioner genereret i ionkildens buekammer og danne dem til en ionstråle. Da lysbuekammeret er anoden, og katoden er under negativ tryk på sugeelektroden, styrer det genererede elektriske felt de positive ioner, hvilket får dem til at bevæge sig mod sugeelektroden og trækkes ud fra ionspalten, som vist på figuren nedenfor. . Jo større elektrisk feltstyrke er, jo større kinetisk energi får ionerne efter acceleration. Der er også en undertrykkelsesspænding på sugeelektroden for at forhindre interferens fra elektroner i plasmaet. Samtidig kan undertrykkelseselektroden danne ioner til en ionstråle og fokusere dem til en parallel ionstrålestrøm, så den passerer gennem implantatoren.
(3)Masseanalysator:
Der kan være mange slags ioner genereret fra ionkilden. Under accelerationen af anodespændingen bevæger ionerne sig med høj hastighed. Forskellige ioner har forskellige atomare masseenheder og forskellige masse-til-ladning-forhold.
(4)Acceleratorrør:
For at opnå højere hastighed kræves der højere energi. Ud over det elektriske felt, der tilvejebringes af anode- og masseanalysatoren, kræves der også et elektrisk felt i acceleratorrøret til acceleration. Acceleratorrøret består af en serie elektroder isoleret af et dielektrikum, og den negative spænding på elektroderne stiger i rækkefølge gennem serieforbindelsen. Jo højere den samlede spænding er, jo større hastighed opnås af ionerne, det vil sige, jo større er den energi, der transporteres. Høj energi kan tillade, at urenheder injiceres dybt ind i siliciumwaferen for at danne en dyb forbindelse, mens lav energi kan bruges til at lave en lavvandet forbindelse.
(5)Scanner disk
Den fokuserede ionstråle er normalt meget lille i diameter. Strålepletdiameteren for et implanteringsanlæg med medium strålestrøm er ca. 1 cm, og diameteren for et implanteringsapparat med stor strålestrøm er ca. 3 cm. Hele siliciumwaferen skal dækkes af scanning. Repeterbarheden af dosisimplantationen bestemmes ved scanning. Normalt er der fire typer implantatorscanningssystemer:
① elektrostatisk scanning;
② mekanisk scanning;
③ hybrid scanning;
④ parallel scanning.
(6)Statisk elektricitetsneutraliseringssystem:
Under implantationsprocessen rammer ionstrålen siliciumwaferen og får ladning til at samle sig på maskens overflade. Den resulterende ladningsakkumulering ændrer ladningsbalancen i ionstrålen, hvilket gør strålepletten større og dosisfordelingen ujævn. Det kan endda bryde gennem overfladeoxidlaget og forårsage fejl i enheden. Nu er siliciumwaferen og ionstrålen normalt placeret i et stabilt højdensitetsplasmamiljø kaldet et plasmaelektronbrusesystem, som kan styre opladningen af siliciumwaferen. Denne metode ekstraherer elektroner fra plasmaet (normalt argon eller xenon) i et buekammer placeret i ionstrålebanen og nær siliciumwaferen. Plasmaet filtreres, og kun sekundære elektroner kan nå overfladen af siliciumwaferen for at neutralisere den positive ladning.
(7)Proces hulrum:
Injektionen af ionstråler i siliciumwafere sker i proceskammeret. Proceskammeret er en vigtig del af implantatoren, herunder et scanningssystem, en terminalstation med en vakuumlås til i- og aflæsning af siliciumwafers, et siliciumwaferoverførselssystem og et computerstyringssystem. Derudover er der nogle enheder til overvågning af doser og styring af kanaleffekter. Hvis der anvendes mekanisk scanning, vil terminalstationen være relativt stor. Vakuumet i proceskammeret pumpes til det bundtryk, der kræves af processen, af en flertrins mekanisk pumpe, en turbomolekylær pumpe og en kondensationspumpe, som generelt er omkring 1×10-6Torr eller mindre.
(8)Doseringskontrolsystem:
Realtidsdosisovervågning i en ionimplantator opnås ved at måle ionstrålen, der når siliciumwaferen. Ionstrålestrømmen måles ved hjælp af en sensor kaldet en Faraday-kop. I et simpelt Faraday-system er der en strømsensor i ionstrålebanen, som måler strømmen. Dette giver dog et problem, da ionstrålen reagerer med sensoren og producerer sekundære elektroner, der vil resultere i fejlagtige strømaflæsninger. Et Faraday-system kan undertrykke sekundære elektroner ved hjælp af elektriske eller magnetiske felter for at opnå en sand strålestrømaflæsning. Den strøm, som Faraday-systemet måler, føres ind i en elektronisk dosisregulator, der fungerer som en strømakkumulator (som kontinuerligt akkumulerer den målte strålestrøm). Regulatoren bruges til at relatere den samlede strøm til den tilsvarende implantationstid og beregne den nødvendige tid til en bestemt dosis.
3.2 Skadereparation
Ionimplantation vil slå atomer ud af gitterstrukturen og beskadige siliciumwafergitteret. Hvis den implanterede dosis er stor, vil det implanterede lag blive amorft. Derudover optager de implanterede ioner stort set ikke gitterpunkterne for silicium, men forbliver i gittergabet-positionerne. Disse interstitielle urenheder kan kun aktiveres efter en højtemperaturudglødningsproces.
Udglødning kan opvarme den implanterede siliciumwafer for at reparere gitterdefekter; det kan også flytte urenhedsatomer til gitterpunkterne og aktivere dem. Den temperatur, der kræves for at reparere gitterdefekter, er omkring 500°C, og den nødvendige temperatur for at aktivere urenhedsatomer er omkring 950°C. Aktiveringen af urenheder er relateret til tid og temperatur: jo længere tid og jo højere temperatur, jo mere fuldt ud aktiveres urenhederne. Der er to grundlæggende metoder til udglødning af siliciumwafers:
① høj temperatur ovn udglødning;
② hurtig termisk udglødning (RTA).
Højtemperaturovnsudglødning: Højtemperaturovnsudglødning er en traditionel udglødningsmetode, som bruger en højtemperaturovn til at opvarme siliciumwaferen til 800-1000 ℃ og holde den i 30 minutter. Ved denne temperatur bevæger siliciumatomerne sig tilbage til gitterpositionen, og urenhedsatomer kan også erstatte siliciumatomerne og trænge ind i gitteret. Imidlertid vil varmebehandling ved en sådan temperatur og tid føre til spredning af urenheder, hvilket er noget, den moderne IC-fremstillingsindustri ikke ønsker at se.
Hurtig termisk udglødning: Hurtig termisk udglødning (RTA) behandler siliciumwafers med ekstrem hurtig temperaturstigning og kort varighed ved måltemperaturen (normalt 1000°C). Udglødning af implanterede siliciumwafers udføres normalt i en hurtig termisk processor med Ar eller N2. Den hurtige temperaturstigningsproces og korte varighed kan optimere reparationen af gitterdefekter, aktivering af urenheder og hæmning af urenhedsdiffusion. RTA kan også reducere transient forbedret diffusion og er den bedste måde at kontrollere junction-dybden i lavvandede junction-implantater.
————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera kan leveregrafit dele, blød/stiv filt, siliciumcarbid dele, CVD siliciumcarbid dele, ogSiC/TaC belagte delemed om 30 dage.
Hvis du er interesseret i ovenstående halvlederprodukter,tøv ikke med at kontakte os første gang.
Tlf.: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Indlægstid: 31. august 2024