1. Ievads
Jonu implantācija ir viens no galvenajiem procesiem integrālo shēmu ražošanā. Tas attiecas uz procesu, kurā jonu stars tiek paātrināts līdz noteiktai enerģijai (parasti diapazonā no keV līdz MeV) un pēc tam to injicējot cieta materiāla virsmā, lai mainītu materiāla virsmas fizikālās īpašības. Integrētās shēmas procesā cietais materiāls parasti ir silīcijs, un implantētie piemaisījumu joni parasti ir bora joni, fosfora joni, arsēna joni, indija joni, germānija joni utt. Implantētie joni var mainīt cietās vielas virsmas vadītspēju. materiālu vai veido PN savienojumu. Kad integrālo shēmu funkciju lielums tika samazināts līdz submikronu laikmetam, jonu implantācijas process tika plaši izmantots.
Integrētās shēmas ražošanas procesā jonu implantāciju parasti izmanto dziļi ieraktiem slāņiem, reversās leģētās urbumiem, sliekšņa sprieguma regulēšanai, avota un notekas pagarinājuma implantācijai, avota un notekas implantācijai, polisilīcija aizbīdņu dopingam, PN savienojumu un rezistoru/kondensatoru veidošanai utt. Silīcija substrāta materiālu sagatavošanas procesā uz izolatoriem aprakto oksīda slāni galvenokārt veido augstas koncentrācijas skābekļa jonu implantācija, vai inteliģenta griešana tiek panākta ar augstas koncentrācijas ūdeņraža jonu implantāciju.
Jonu implantāciju veic jonu implantētājs, un tā svarīgākie procesa parametri ir deva un enerģija: deva nosaka galīgo koncentrāciju, bet enerģija nosaka jonu diapazonu (ti, dziļumu). Atbilstoši dažādām ierīces konstrukcijas prasībām implantācijas apstākļi ir sadalīti augstas devas lielas enerģijas, vidējas devas vidējas enerģijas, vidējas devas zemas enerģijas un lielas devas zemas enerģijas. Lai iegūtu ideālu implantācijas efektu, dažādiem implantatoriem jābūt aprīkotiem ar dažādām procesa prasībām.
Pēc jonu implantācijas parasti ir jāveic augstas temperatūras atkausēšanas process, lai labotu jonu implantācijas radītos režģa bojājumus un aktivizētu piemaisījumu jonus. Lai gan tradicionālajos integrālās shēmas procesos atlaidināšanas temperatūrai ir liela ietekme uz dopingu, paša jonu implantācijas procesa temperatūra nav svarīga. Tehnoloģiju mezglos zem 14 nm noteikti jonu implantācijas procesi ir jāveic zemas vai augstas temperatūras vidē, lai mainītu režģa bojājumu sekas utt.
2. jonu implantācijas process
2.1. Pamatprincipi
Jonu implantācija ir 1960. gados izstrādāts dopinga process, kas lielākajā daļā aspektu ir pārāks par tradicionālajām difūzijas metodēm.
Galvenās atšķirības starp jonu implantācijas dopingu un tradicionālo difūzijas dopingu ir šādas:
(1) Piemaisījumu koncentrācijas sadalījums leģētajā reģionā ir atšķirīgs. Maksimālā jonu implantācijas piemaisījumu koncentrācija atrodas kristāla iekšpusē, savukārt difūzijas maksimālā piemaisījumu koncentrācija atrodas uz kristāla virsmas.
(2) Jonu implantācija ir process, ko veic istabas temperatūrā vai pat zemā temperatūrā, un ražošanas laiks ir īss. Difūzijas dopingam nepieciešama ilgāka apstrāde augstā temperatūrā.
(3) Jonu implantācija ļauj elastīgāk un precīzāk izvēlēties implantētos elementus.
(4) Tā kā piemaisījumus ietekmē termiskā difūzija, viļņu forma, ko veido jonu implantācija kristālā, ir labāka nekā viļņu forma, ko veido difūzija kristālā.
(5) Jonu implantācijai kā maskas materiāls parasti tiek izmantots tikai fotorezists, bet difūzijas dopings prasa noteikta biezuma plēves izaugšanu vai nogulsnēšanos kā masku.
(6) Jonu implantācija pamatā ir aizstājusi difūziju un kļuvusi par galveno dopinga procesu integrālo shēmu ražošanā mūsdienās.
Kad krītošs jonu stars ar noteiktu enerģiju bombardē cietu mērķi (parasti plāksnīti), joni un atomi uz mērķa virsmas tiks pakļauti dažādām mijiedarbībām un noteiktā veidā nodos enerģiju mērķa atomiem, lai ierosinātu vai jonizētu. viņiem. Joni var arī zaudēt noteiktu enerģijas daudzumu, pārnesot impulsu, un visbeidzot tos izkliedē mērķa atomi vai apstāties mērķa materiālā. Ja ievadītie joni ir smagāki, lielākā daļa jonu tiks ievadīti cietajā mērķī. Gluži pretēji, ja ievadītie joni ir vieglāki, daudzi injicētie joni atsitās no mērķa virsmas. Būtībā šie augstas enerģijas joni, kas ievadīti mērķī, dažādās pakāpēs saduras ar režģa atomiem un elektroniem cietajā mērķī. Tostarp jonu un cieto mērķa atomu sadursmi var uzskatīt par elastīgu sadursmi, jo to masa ir tuvu.
2.2. Jonu implantācijas galvenie parametri
Jonu implantācija ir elastīgs process, kam jāatbilst stingrām mikroshēmu projektēšanas un ražošanas prasībām. Svarīgi jonu implantācijas parametri ir: deva, diapazons.
Deva (D) attiecas uz injicēto jonu skaitu uz silīcija vafeles virsmas laukuma vienību atomos uz kvadrātcentimetru (vai jonos uz kvadrātcentimetru). D var aprēķināt pēc šādas formulas:
kur D ir implantācijas deva (jonu skaits uz laukuma vienību); t ir implantācijas laiks; I ir staru strāva; q ir jona lādiņš (viens lādiņš ir 1,6 × 1019 C[1]); un S ir implantācijas zona.
Viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc jonu implantācija ir kļuvusi par svarīgu tehnoloģiju silīcija plāksnīšu ražošanā, ir tas, ka tā var atkārtoti implantēt vienu un to pašu piemaisījumu devu silīcija plāksnēs. Šo mērķi implantētājs sasniedz ar jonu pozitīvā lādiņa palīdzību. Kad pozitīvie piemaisījumu joni veido jonu staru kūli, tā plūsmas ātrumu sauc par jonu stara strāvu, ko mēra mA. Vidējo un zemo strāvu diapazons ir no 0,1 līdz 10 mA, un lielu strāvu diapazons ir no 10 līdz 25 mA.
Jonu staru strāvas lielums ir galvenais mainīgais lielums devas noteikšanai. Ja strāva palielinās, palielinās arī implantēto piemaisījumu atomu skaits laika vienībā. Liela strāva veicina silīcija plāksnīšu iznākuma palielināšanos (ievadot vairāk jonu ražošanas laika vienībā), taču tā rada arī viendabīguma problēmas.
3. jonu implantācijas iekārtas
3.1. Pamatstruktūra
Jonu implantācijas iekārtas ietver 7 pamata moduļus:
① jonu avots un absorbētājs;
② masas analizators (ti, analītiskais magnēts);
③ akseleratora caurule;
④ skenēšanas disks;
⑤ elektrostatiskās neitralizācijas sistēma;
⑥ procesa kamera;
⑦ devas kontroles sistēma.
All moduļi atrodas vakuuma vidē, ko nosaka vakuuma sistēma. Jonu implantatora pamata struktūras diagramma ir parādīta attēlā zemāk.
(1)Jonu avots:
Parasti tajā pašā vakuuma kamerā, kurā atrodas sūkšanas elektrods. Piemaisījumiem, kas gaida ievadīšanu, ir jābūt jonu stāvoklī, lai tos kontrolētu un paātrinātu elektriskā lauka ietekmē. Visbiežāk lietotās B+, P+, As+ u.c. tiek iegūtas, jonizējot atomus vai molekulas.
Izmantotie piemaisījumu avoti ir BF3, PH3 un AsH3 utt., un to struktūras ir parādītas attēlā zemāk. Kvēldiega atbrīvotie elektroni saduras ar gāzes atomiem, veidojot jonus. Elektronus parasti ģenerē karsta volframa kvēldiega avots. Piemēram, Bernera jonu avots, katoda kvēldiegs ir uzstādīts loka kamerā ar gāzes ieplūdi. Loka kameras iekšējā siena ir anods.
Kad tiek ievadīts gāzes avots, caur kvēldiegu iet liela strāva, un starp pozitīvo un negatīvo elektrodu tiek pielikts 100 V spriegums, kas ap kvēldiegu radīs augstas enerģijas elektronus. Pozitīvie joni rodas pēc tam, kad augstas enerģijas elektroni saduras ar avota gāzes molekulām.
Ārējais magnēts pieliek magnētisko lauku paralēli kvēldiegam, lai palielinātu jonizāciju un stabilizētu plazmu. Loka kamerā, otrā galā attiecībā pret kvēldiegu, ir negatīvi lādēts reflektors, kas atstaro elektronus atpakaļ, lai uzlabotu elektronu veidošanos un efektivitāti.
(2)Absorbcija:
To izmanto, lai savāktu pozitīvos jonus, kas rodas jonu avota loka kamerā, un veidotu tos jonu starā. Tā kā loka kamera ir anods un katodam ir negatīvs spiediens uz sūkšanas elektrodu, radītais elektriskais lauks kontrolē pozitīvos jonus, liekot tiem virzīties uz sūkšanas elektrodu un izvilkt no jonu spraugas, kā parādīts attēlā zemāk. . Jo lielāks ir elektriskā lauka stiprums, jo lielāku kinētisko enerģiju joni iegūst pēc paātrinājuma. Uz sūkšanas elektroda ir arī slāpēšanas spriegums, lai novērstu plazmas elektronu radītos traucējumus. Tajā pašā laikā slāpēšanas elektrods var veidot jonus par jonu staru un fokusēt tos paralēlā jonu stara plūsmā tā, lai tas izietu caur implantatoru.
(3)Masu analizators:
No jonu avota var rasties dažāda veida joni. Zem anoda sprieguma paātrinājuma joni pārvietojas ar lielu ātrumu. Dažādiem joniem ir dažādas atomu masas vienības un dažādas masas un lādiņa attiecības.
(4)Akseleratora caurule:
Lai iegūtu lielāku ātrumu, ir nepieciešama lielāka enerģija. Papildus elektriskajam laukam, ko nodrošina anoda un masas analizators, paātrinājumam ir nepieciešams arī elektriskais lauks, kas tiek nodrošināts akseleratora caurulē. Paātrinātāja caurule sastāv no virknes elektrodu, kas izolēti ar dielektriķi, un negatīvais spriegums uz elektrodiem secīgi palielinās, izmantojot virkni savienojumu. Jo lielāks kopējais spriegums, jo lielāku ātrumu iegūst joni, tas ir, jo lielāka ir pārnēsātā enerģija. Augsta enerģija var ļaut piemaisījumu jonus ievadīt dziļi silīcija plāksnē, veidojot dziļu savienojumu, savukārt zemu enerģiju var izmantot, lai izveidotu seklu savienojumu.
(5)Diska skenēšana
Fokusētais jonu stars parasti ir ļoti mazs diametrā. Vidēja stara strāvas implantatora staru kūļa punkta diametrs ir aptuveni 1 cm, bet liela staru kūļa strāvas implantatora diametrs ir aptuveni 3 cm. Visa silīcija plāksne ir jāpārklāj ar skenēšanu. Devas implantācijas atkārtojamību nosaka skenēšana. Parasti ir četru veidu implantatoru skenēšanas sistēmas:
① elektrostatiskā skenēšana;
② mehāniskā skenēšana;
③ hibrīda skenēšana;
④ paralēlā skenēšana.
(6)Statiskās elektrības neitralizēšanas sistēma:
Implantācijas procesa laikā jonu stars ietriecas silīcija plāksnē un liek lādiņam uzkrāties uz maskas virsmas. Iegūtā lādiņa uzkrāšanās maina lādiņa līdzsvaru jonu starā, padarot staru kūļa punktu lielāku un devas sadalījumu nevienmērīgu. Tas var pat izlauzties cauri virsmas oksīda slānim un izraisīt ierīces kļūmi. Tagad silīcija vafeles un jonu staru kūli parasti ievieto stabilā augsta blīvuma plazmas vidē, ko sauc par plazmas elektronu dušas sistēmu, kas var kontrolēt silīcija vafeles uzlādi. Šī metode ekstrahē elektronus no plazmas (parasti argonu vai ksenonu) loka kamerā, kas atrodas jonu stara ceļā un netālu no silīcija plāksnītes. Plazma tiek filtrēta, un tikai sekundārie elektroni var sasniegt silīcija vafeles virsmu, lai neitralizētu pozitīvo lādiņu.
(7)Procesa dobums:
Jonu staru iesmidzināšana silīcija plāksnēs notiek procesa kamerā. Procesa kamera ir svarīga implantatora daļa, tostarp skenēšanas sistēma, gala stacija ar vakuuma slēdzeni silīcija vafeļu iekraušanai un izkraušanai, silīcija vafeļu pārsūtīšanas sistēma un datora vadības sistēma. Turklāt ir dažas ierīces devu uzraudzībai un kanālu efektu kontrolei. Ja tiek izmantota mehāniskā skenēšana, termināļa stacija būs salīdzinoši liela. Procesa kameras vakuums tiek sūknēts līdz procesam nepieciešamajam apakšējā spiedienam ar daudzpakāpju mehānisko sūkni, turbomolekulāro sūkni un kondensācijas sūkni, kas parasti ir aptuveni 1 × 10–6 torr vai mazāk.
(8)Devas kontroles sistēma:
Reāllaika devas uzraudzība jonu implantētājā tiek veikta, mērot jonu staru, kas sasniedz silīcija plāksni. Jonu staru strāvu mēra, izmantojot sensoru, ko sauc par Faraday kausu. Vienkāršā Faradeja sistēmā jonu stara ceļā ir strāvas sensors, kas mēra strāvu. Tomēr tas rada problēmu, jo jonu stars reaģē ar sensoru un rada sekundāros elektronus, kas radīs kļūdainus strāvas rādījumus. Faradeja sistēma var nomākt sekundāros elektronus, izmantojot elektriskos vai magnētiskos laukus, lai iegūtu patiesu staru strāvas nolasījumu. Faradeja sistēmas mērītā strāva tiek ievadīta elektroniskā devas regulatorā, kas darbojas kā strāvas akumulators (kas nepārtraukti uzkrāj izmērīto staru kūļa strāvu). Kontrolieris tiek izmantots, lai saistītu kopējo strāvu ar atbilstošo implantācijas laiku un aprēķinātu laiku, kas nepieciešams noteiktai devai.
3.2 Bojājumu novēršana
Jonu implantācija izsitīs atomus no režģa struktūras un sabojās silīcija vafeļu režģi. Ja implantētā deva ir liela, implantētais slānis kļūs amorfs. Turklāt implantētie joni pamatā neaizņem silīcija režģa punktus, bet paliek režģa spraugas pozīcijās. Šos intersticiālos piemaisījumus var aktivizēt tikai pēc augstas temperatūras atkausēšanas procesa.
Atlaidināšana var sildīt implantēto silīcija plāksni, lai labotu režģa defektus; tas var arī pārvietot piemaisījumu atomus uz režģa punktiem un aktivizēt tos. Režģa defektu labošanai nepieciešamā temperatūra ir aptuveni 500°C, un piemaisījumu atomu aktivizēšanai nepieciešamā temperatūra ir aptuveni 950°C. Piemaisījumu aktivizēšanās ir saistīta ar laiku un temperatūru: jo ilgāks laiks un augstāka temperatūra, jo pilnīgāk tiek aktivizēti piemaisījumi. Ir divas pamatmetodes silīcija vafeļu atkausēšanai:
① augstas temperatūras krāsns atkausēšana;
② ātrā termiskā atkausēšana (RTA).
Augstas temperatūras krāsns atkausēšana: Augstas temperatūras krāsns atkausēšana ir tradicionāla atkausēšanas metode, kurā silīcija vafeles uzsildīšanai līdz 800-1000 ℃ un 30 minūtes izmanto augstas temperatūras krāsni. Šajā temperatūrā silīcija atomi atgriežas režģa pozīcijā, un piemaisījumu atomi var arī aizstāt silīcija atomus un iekļūt režģī. Tomēr termiskā apstrāde šādā temperatūrā un laikā novedīs pie piemaisījumu difūzijas, ko mūsdienu IC ražošanas nozare nevēlas redzēt.
Ātrā termiskā atkvēlināšana: Ātrā termiskā rūdīšana (RTA) apstrādā silīcija vafeles ar ārkārtīgi ātru temperatūras paaugstināšanos un īsu laiku mērķa temperatūrā (parasti 1000 °C). Implantēto silīcija plātņu atkausēšana parasti tiek veikta ātrā termiskā procesorā ar Ar vai N2. Ātrais temperatūras paaugstināšanās process un īss ilgums var optimizēt režģa defektu novēršanu, piemaisījumu aktivizēšanu un piemaisījumu difūzijas kavēšanu. RTA var arī samazināt pārejošu pastiprinātu difūziju un ir labākais veids, kā kontrolēt savienojuma dziļumu seklos savienojuma implantos.
——————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera var nodrošinātgrafīta daļas, mīksts/stingrs filcs, silīcija karbīda detaļas, CVD silīcija karbīda detaļas, unSiC/TaC pārklātas detaļasar 30 dienu laikā.
Ja jūs interesē iepriekš minētie pusvadītāju izstrādājumi,lūdzu, nevilcinieties sazināties ar mums pirmo reizi.
Tālr.: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Publicēšanas laiks: 31. augusts 2024