1. Inleiding
Ionenimplantatie is een van de belangrijkste processen bij de productie van geïntegreerde schakelingen. Het verwijst naar het proces waarbij een ionenbundel wordt versneld tot een bepaalde energie (meestal in het bereik van keV tot MeV) en deze vervolgens in het oppervlak van een vast materiaal wordt geïnjecteerd om de fysieke eigenschappen van het oppervlak van het materiaal te veranderen. Bij het geïntegreerde circuitproces is het vaste materiaal meestal silicium en zijn de geïmplanteerde onzuiverheidionen meestal boorionen, fosforionen, arseenionen, indiumionen, germaniumionen, enz. De geïmplanteerde ionen kunnen de geleidbaarheid van het oppervlak van de vaste stof veranderen. materiaal of vormen een PN-overgang. Toen de kenmerkgrootte van geïntegreerde schakelingen werd teruggebracht tot het sub-micron-tijdperk, werd het ionenimplantatieproces op grote schaal gebruikt.
In het productieproces van geïntegreerde schakelingen wordt ionenimplantatie meestal gebruikt voor diep begraven lagen, omgekeerd gedoteerde putten, aanpassing van de drempelspanning, implantatie van source- en drain-extensies, source- en drain-implantatie, dotering van polysiliciumpoorten, het vormen van PN-overgangen en weerstanden / condensatoren, enz. Bij het bereiden van siliciumsubstraatmaterialen op isolatoren wordt de begraven oxidelaag voornamelijk gevormd door implantatie van zuurstofionen met een hoge concentratie, of wordt intelligent snijden bereikt door implantatie van waterstofionen met een hoge concentratie.
Ionenimplantatie wordt uitgevoerd door een ionenimplantator en de belangrijkste procesparameters zijn dosis en energie: de dosis bepaalt de uiteindelijke concentratie, en de energie bepaalt het bereik (dwz de diepte) van de ionen. Volgens verschillende apparaatontwerpvereisten zijn de implantatieomstandigheden onderverdeeld in hoge dosis hoge energie, gemiddelde dosis gemiddelde energie, gemiddelde dosis lage energie of hoge dosis lage energie. Om het ideale implantatie-effect te verkrijgen, moeten verschillende implantaten worden uitgerust voor verschillende procesvereisten.
Na ionenimplantatie is het over het algemeen noodzakelijk om een gloeiproces bij hoge temperatuur te ondergaan om de roosterschade veroorzaakt door ionenimplantatie te herstellen en onzuivere ionen te activeren. Hoewel bij traditionele geïntegreerde schakelingenprocessen de gloeitemperatuur een grote invloed heeft op de doping, is de temperatuur van het ionenimplantatieproces zelf niet belangrijk. Bij technologieknooppunten onder 14 nm moeten bepaalde ionenimplantatieprocessen worden uitgevoerd in omgevingen met lage of hoge temperaturen om de effecten van roosterschade enz. te veranderen.
2. ionenimplantatieproces
2.1 Basisprincipes
Ionenimplantatie is een dopingproces dat in de jaren zestig is ontwikkeld en in de meeste opzichten superieur is aan traditionele diffusietechnieken.
De belangrijkste verschillen tussen ionenimplantatiedoping en traditionele diffusiedoping zijn als volgt:
(1) De verdeling van de onzuiverheidsconcentratie in het gedoteerde gebied is anders. De piekconcentratie van onzuiverheid bij ionenimplantatie bevindt zich in het kristal, terwijl de piekconcentratie van onzuiverheid bij diffusie zich op het oppervlak van het kristal bevindt.
(2) Ionenimplantatie is een proces dat wordt uitgevoerd bij kamertemperatuur of zelfs lage temperatuur, en de productietijd is kort. Diffusiedoping vereist een langere behandeling bij hoge temperatuur.
(3) Ionenimplantatie maakt een flexibelere en nauwkeurigere selectie van geïmplanteerde elementen mogelijk.
(4) Omdat onzuiverheden worden beïnvloed door thermische diffusie, is de golfvorm die wordt gevormd door ionenimplantatie in het kristal beter dan de golfvorm die wordt gevormd door diffusie in het kristal.
(5) Bij ionenimplantatie wordt doorgaans alleen fotoresist als maskermateriaal gebruikt, maar diffusiedoping vereist de groei of afzetting van een film van een bepaalde dikte als masker.
(6) Ionenimplantatie heeft in principe de diffusie vervangen en is tegenwoordig het belangrijkste dopingproces bij de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen geworden.
Wanneer een invallende ionenbundel met een bepaalde energie een vast doel (meestal een wafel) bombardeert, zullen de ionen en de atomen op het doeloppervlak een verscheidenheid aan interacties ondergaan en op een bepaalde manier energie naar de doelatomen overbrengen om te exciteren of te ioniseren. hen. De ionen kunnen ook een bepaalde hoeveelheid energie verliezen door momentumoverdracht en uiteindelijk door de doelatomen worden verspreid of in het doelmateriaal terechtkomen. Als de geïnjecteerde ionen zwaarder zijn, zullen de meeste ionen in het vaste doel worden geïnjecteerd. Als de geïnjecteerde ionen daarentegen lichter zijn, zullen veel van de geïnjecteerde ionen van het doeloppervlak stuiteren. Kortom, deze hoogenergetische ionen die in het doelwit worden geïnjecteerd, zullen in verschillende mate in botsing komen met de roosteratomen en elektronen in het vaste doelwit. Onder hen kan de botsing tussen ionen en vaste doelatomen worden beschouwd als een elastische botsing omdat ze qua massa dicht bij elkaar liggen.
2.2 Belangrijkste parameters van ionenimplantatie
Ionenimplantatie is een flexibel proces dat moet voldoen aan strenge chipontwerp- en productie-eisen. Belangrijke parameters voor ionenimplantatie zijn: dosis, bereik.
Dosis (D) verwijst naar het aantal geïnjecteerde ionen per oppervlakte-eenheid van het siliciumwafeloppervlak, in atomen per vierkante centimeter (of ionen per vierkante centimeter). D kan worden berekend met de volgende formule:
Waarbij D de implantatiedosis is (aantal ionen/oppervlakte-eenheid); t is de implantatietijd; I is de straalstroom; q is de lading die door het ion wordt gedragen (een enkele lading is 1,6×1019C[1]); en S is het implantatiegebied.
Een van de belangrijkste redenen waarom ionenimplantatie een belangrijke technologie is geworden bij de productie van siliciumwafels, is dat het herhaaldelijk dezelfde dosis onzuiverheden in siliciumwafels kan implanteren. De implantator bereikt dit doel met behulp van de positieve lading van de ionen. Wanneer de positieve onzuiverheidionen een ionenbundel vormen, wordt de stroomsnelheid de ionenbundelstroom genoemd, die wordt gemeten in mA. Het bereik van gemiddelde en lage stromen is 0,1 tot 10 mA, en het bereik van hoge stromen is 10 tot 25 mA.
De grootte van de ionenbundelstroom is een sleutelvariabele bij het definiëren van de dosis. Als de stroom toeneemt, neemt ook het aantal onzuiverheidsatomen dat per tijdseenheid wordt geïmplanteerd toe. Een hoge stroom is bevorderlijk voor het verhogen van de opbrengst aan siliciumwafels (het injecteren van meer ionen per productietijd), maar veroorzaakt ook uniformiteitsproblemen.
3. apparatuur voor ionenimplantatie
3.1 Basisstructuur
Ionenimplantatieapparatuur omvat 7 basismodules:
① ionenbron en absorber;
② massa-analysator (dwz analytische magneet);
③ gaspedaalbuis;
④ scanschijf;
⑤ elektrostatisch neutralisatiesysteem;
⑥ proceskamer;
⑦ dosiscontrolesysteem.
AAlle modules bevinden zich in een vacuümomgeving die door het vacuümsysteem wordt gecreëerd. Het structurele basisdiagram van de ionenimplantator wordt weergegeven in de onderstaande figuur.
(1)Ionenbron:
Meestal in dezelfde vacuümkamer als de zuigelektrode. De onzuiverheden die wachten om te worden geïnjecteerd, moeten in een ionenstaat voorkomen om door het elektrische veld te kunnen worden gecontroleerd en versneld. De meest gebruikte B+, P+, As+, etc. worden verkregen door atomen of moleculen te ioniseren.
De gebruikte onzuiverheidsbronnen zijn BF3, PH3 en AsH3, enz., en hun structuren worden weergegeven in de onderstaande afbeelding. De elektronen die door de gloeidraad vrijkomen, botsen met gasatomen en produceren ionen. Elektronen worden gewoonlijk gegenereerd door een hete wolfraamgloeidraadbron. Bij de Berners-ionenbron wordt het kathodefilament bijvoorbeeld geïnstalleerd in een boogkamer met een gasinlaat. De binnenwand van de boogkamer is de anode.
Wanneer de gasbron wordt geïntroduceerd, stroomt er een grote stroom door de gloeidraad en wordt er een spanning van 100 V aangelegd tussen de positieve en negatieve elektroden, die hoogenergetische elektronen rond de gloeidraad zullen genereren. Positieve ionen worden gegenereerd nadat de hoogenergetische elektronen in botsing komen met de brongasmoleculen.
De externe magneet oefent een magnetisch veld uit evenwijdig aan de gloeidraad om de ionisatie te verhogen en het plasma te stabiliseren. In de boogkamer, aan het andere uiteinde ten opzichte van de gloeidraad, bevindt zich een negatief geladen reflector die de elektronen terugkaatst om de opwekking en efficiëntie van elektronen te verbeteren.
(2)Absorptie:
Het wordt gebruikt om positieve ionen te verzamelen die in de boogkamer van de ionenbron worden gegenereerd en deze in een ionenbundel te vormen. Omdat de boogkamer de anode is en de kathode een negatieve druk op de zuigelektrode heeft, controleert het gegenereerde elektrische veld de positieve ionen, waardoor ze naar de zuigelektrode bewegen en uit de ionenspleet worden getrokken, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. . Hoe groter de elektrische veldsterkte, hoe groter de kinetische energie die de ionen verkrijgen na versnelling. Ook staat er een onderdrukkingsspanning op de zuigelektrode om interferentie van elektronen in het plasma te voorkomen. Tegelijkertijd kan de onderdrukkingselektrode ionen vormen tot een ionenbundel en deze focusseren tot een evenwijdige ionenbundelstroom, zodat deze door de implantator gaat.
(3)Massa-analysator:
Er kunnen vele soorten ionen worden gegenereerd door de ionenbron. Onder de versnelling van de anodespanning bewegen de ionen met hoge snelheid. Verschillende ionen hebben verschillende atomaire massa-eenheden en verschillende massa-ladingsverhoudingen.
(4)Versneller buis:
Om een hogere snelheid te verkrijgen is meer energie nodig. Naast het elektrische veld dat door de anode en de massa-analysator wordt geleverd, is voor de versnelling ook een elektrisch veld in de gaspedaalbuis nodig. De versnellerbuis bestaat uit een reeks elektroden die zijn geïsoleerd door een diëlektricum, en de negatieve spanning op de elektroden neemt door de serieschakeling achtereenvolgens toe. Hoe hoger de totale spanning, hoe groter de snelheid die door de ionen wordt verkregen, dat wil zeggen hoe groter de getransporteerde energie. Met hoge energie kunnen onzuivere ionen diep in de siliciumwafel worden geïnjecteerd om een diepe verbinding te vormen, terwijl lage energie kan worden gebruikt om een ondiepe verbinding te maken.
(5)Schijf scannen
De gefocusseerde ionenbundel heeft gewoonlijk een zeer kleine diameter. De bundelvlekdiameter van een implantator met gemiddelde bundelstroom is ongeveer 1 cm, en die van een implantator met grote bundelstroom ongeveer 3 cm. De gehele siliciumwafel moet worden bedekt door scannen. De herhaalbaarheid van de dosisimplantatie wordt bepaald door middel van scannen. Normaal gesproken zijn er vier typen scansystemen voor implantaten:
① elektrostatisch scannen;
② mechanisch scannen;
③ hybride scannen;
④ parallel scannen.
(6)Neutralisatiesysteem voor statische elektriciteit:
Tijdens het implantatieproces raakt de ionenbundel de siliciumwafel en zorgt ervoor dat lading zich ophoopt op het maskeroppervlak. De resulterende ladingsaccumulatie verandert de ladingsbalans in de ionenbundel, waardoor de bundelvlek groter wordt en de dosisverdeling ongelijkmatig. Het kan zelfs de oxidelaag aan het oppervlak doorbreken en defecten aan het apparaat veroorzaken. Nu worden de siliciumwafel en de ionenbundel gewoonlijk in een stabiele plasmaomgeving met hoge dichtheid geplaatst, een zogenaamde plasma-elektronendouchesysteem, dat het opladen van de siliciumwafel kan regelen. Deze methode extraheert elektronen uit het plasma (meestal argon of xenon) in een boogkamer die zich in het ionenbundelpad en nabij de siliciumwafel bevindt. Het plasma wordt gefilterd en alleen secundaire elektronen kunnen het oppervlak van de siliciumwafel bereiken om de positieve lading te neutraliseren.
(7)Procesholte:
De injectie van ionenbundels in siliciumwafels vindt plaats in de proceskamer. De proceskamer is een belangrijk onderdeel van de implantator en omvat een scansysteem, een eindstation met een vacuümsluis voor het laden en lossen van siliciumwafels, een overdrachtsysteem voor siliciumwafels en een computerbesturingssysteem. Daarnaast zijn er enkele apparaten voor het monitoren van doses en het controleren van kanaaleffecten. Als mechanisch scannen wordt gebruikt, zal het eindstation relatief groot zijn. Het vacuüm van de proceskamer wordt naar de voor het proces vereiste bodemdruk gepompt door een meertraps mechanische pomp, een turbomoleculaire pomp en een condensatiepomp, die doorgaans ongeveer 1×10-6Torr of minder bedraagt.
(8)Doseringscontrolesysteem:
Real-time dosismonitoring in een ionenimplantator wordt bereikt door de ionenbundel te meten die de siliciumwafel bereikt. De ionenbundelstroom wordt gemeten met behulp van een sensor die een Faraday-beker wordt genoemd. In een eenvoudig Faraday-systeem bevindt zich een stroomsensor in het ionenbundelpad die de stroom meet. Dit levert echter een probleem op, omdat de ionenbundel reageert met de sensor en secundaire elektronen produceert die tot foutieve stroommetingen zullen leiden. Een Faraday-systeem kan secundaire elektronen onderdrukken met behulp van elektrische of magnetische velden om een echte bundelstroomwaarde te verkrijgen. De door het Faraday-systeem gemeten stroom wordt naar een elektronische dosisregelaar gevoerd, die fungeert als stroomaccumulator (die de gemeten straalstroom continu accumuleert). De controller wordt gebruikt om de totale stroom te relateren aan de overeenkomstige implantatietijd en de tijd te berekenen die nodig is voor een bepaalde dosis.
3.2 Schadeherstel
Ionenimplantatie zal atomen uit de roosterstructuur slaan en het siliciumwafelrooster beschadigen. Als de geïmplanteerde dosis groot is, zal de geïmplanteerde laag amorf worden. Bovendien bezetten de geïmplanteerde ionen in principe niet de roosterpunten van silicium, maar blijven ze in de roosterspleetposities. Deze interstitiële onzuiverheden kunnen alleen worden geactiveerd na een gloeiproces bij hoge temperatuur.
Door gloeien kan de geïmplanteerde siliciumwafel worden verwarmd om roosterdefecten te herstellen; het kan ook onzuiverheidsatomen naar de roosterpunten verplaatsen en deze activeren. De temperatuur die nodig is om roosterdefecten te herstellen is ongeveer 500°C, en de temperatuur die nodig is om onzuiverheidsatomen te activeren is ongeveer 950°C. De activering van onzuiverheden is gerelateerd aan tijd en temperatuur: hoe langer de tijd en hoe hoger de temperatuur, hoe vollediger de onzuiverheden worden geactiveerd. Er zijn twee basismethoden voor het uitgloeien van siliciumwafels:
① ovengloeien bij hoge temperatuur;
② snelle thermische gloeien (RTA).
Ovengloeien op hoge temperatuur: Ovengloeien op hoge temperatuur is een traditionele gloeimethode, waarbij een oven op hoge temperatuur wordt gebruikt om de siliciumwafel tot 800-1000 ℃ te verwarmen en deze gedurende 30 minuten te bewaren. Bij deze temperatuur bewegen de siliciumatomen terug naar de roosterpositie en kunnen onzuiverheidsatomen ook de siliciumatomen vervangen en het rooster binnendringen. Warmtebehandeling bij een dergelijke temperatuur en tijd zal echter leiden tot de verspreiding van onzuiverheden, iets dat de moderne IC-productie-industrie niet wil zien.
Rapid Thermal Annealing: Rapid Thermal Annealing (RTA) behandelt siliciumwafels met extreem snelle temperatuurstijging en korte duur bij de doeltemperatuur (meestal 1000 ° C). Het gloeien van geïmplanteerde siliciumwafels wordt meestal uitgevoerd in een snelle thermische processor met Ar of N2. Het snelle temperatuurstijgingsproces en de korte duur kunnen het herstel van roosterdefecten, de activering van onzuiverheden en de remming van de diffusie van onzuiverheden optimaliseren. RTA kan ook tijdelijke verbeterde diffusie verminderen en is de beste manier om de junctiediepte bij ondiepe junctie-implantaten te controleren.
————————————————————————————————————————————————— ————————————-
Semicera kan dit biedengrafiet onderdelen, zacht/stijf vilt, onderdelen van siliciumcarbide, CVD siliciumcarbide onderdelen, EnOnderdelen met SiC/TaC-coatingmet binnen 30 dagen.
Als u geïnteresseerd bent in de bovengenoemde halfgeleiderproducten,Aarzel dan niet om de eerste keer contact met ons op te nemen.
Tel: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Posttijd: 31 augustus 2024