1. Introdución
A implantación iónica é un dos principais procesos na fabricación de circuítos integrados. Refírese ao proceso de acelerar un feixe iónico ata unha determinada enerxía (xeralmente no rango de keV a MeV) e despois inxectalo na superficie dun material sólido para cambiar as propiedades físicas da superficie do material. No proceso de circuíto integrado, o material sólido adoita ser silicio, e os ións de impurezas implantados adoitan ser ións de boro, ións de fósforo, ións de arsénico, ións de indio, ións de xermanio, etc. Os ións implantados poden cambiar a condutividade da superficie do sólido. material ou formar unha unión PN. Cando o tamaño das características dos circuítos integrados foi reducido á era submicrónica, o proceso de implantación iónica foi moi utilizado.
No proceso de fabricación de circuítos integrados, a implantación iónica adoita utilizarse para capas profundas enterradas, pozos dopados inversamente, axuste de tensión de limiar, implantación de extensión de fonte e drenaxe, implantación de fonte e drenaxe, dopaxe de porta de polisilicio, formación de unións PN e resistencias/condensadores, etc. No proceso de preparación de materiais de substrato de silicio sobre illantes, a capa de óxido enterrada está formada principalmente por a implantación de ións de osíxeno de alta concentración ou o corte intelixente conséguese mediante a implantación de ións de hidróxeno de alta concentración.
A implantación de ións realízase mediante un implantador de ións, e os seus parámetros de proceso máis importantes son a dose e a enerxía: a dose determina a concentración final e a enerxía determina o rango (é dicir, a profundidade) dos ións. Segundo os diferentes requisitos de deseño do dispositivo, as condicións de implantación divídense en doses altas de alta enerxía, doses medias de enerxía media, doses medias de baixa enerxía ou altas doses de baixa enerxía. Para obter o efecto de implantación ideal, os diferentes implantadores deben estar equipados para diferentes requisitos do proceso.
Despois da implantación iónica, xeralmente é necesario someterse a un proceso de recocido a alta temperatura para reparar o dano da rede causado pola implantación iónica e activar os ións impurezas. Nos procesos de circuítos integrados tradicionais, aínda que a temperatura de recocido ten unha gran influencia no dopaxe, a temperatura do propio proceso de implantación de ións non é importante. Nos nodos tecnolóxicos inferiores a 14 nm, hai que realizar certos procesos de implantación iónica en ambientes de baixa ou alta temperatura para cambiar os efectos do dano da rede, etc.
2. proceso de implantación iónica
2.1 Principios básicos
A implantación iónica é un proceso de dopaxe desenvolvido na década de 1960 que é superior ás técnicas de difusión tradicionais na maioría dos aspectos.
As principais diferenzas entre a dopaxe por implantación iónica e a dopaxe tradicional por difusión son as seguintes:
(1) A distribución da concentración de impurezas na rexión dopada é diferente. A concentración máxima de impurezas da implantación de ións sitúase no interior do cristal, mentres que a concentración máxima de impurezas da difusión sitúase na superficie do cristal.
(2) A implantación iónica é un proceso que se realiza a temperatura ambiente ou incluso a baixa temperatura e o tempo de produción é curto. A dopaxe por difusión require un tratamento máis longo a alta temperatura.
(3) A implantación iónica permite unha selección máis flexible e precisa dos elementos implantados.
(4) Dado que as impurezas se ven afectadas pola difusión térmica, a forma de onda formada pola implantación de ións no cristal é mellor que a forma de onda formada pola difusión no cristal.
(5) A implantación iónica adoita empregar só fotorresistente como material da máscara, pero a dopaxe por difusión require o crecemento ou a deposición dunha película de certo grosor como máscara.
(6) A implantación iónica substituíu basicamente á difusión e converteuse no principal proceso de dopaxe na fabricación de circuítos integrados na actualidade.
Cando un feixe de ións incidente cunha determinada enerxía bombardea un obxectivo sólido (xeralmente unha oblea), os ións e os átomos da superficie do obxectivo experimentarán unha variedade de interaccións e transferirán enerxía aos átomos obxectivo dun xeito determinado para excitar ou ionizar. eles. Os ións tamén poden perder unha certa cantidade de enerxía a través da transferencia de momento e, finalmente, ser dispersados polos átomos obxectivo ou deterse no material obxectivo. Se os ións inxectados son máis pesados, a maioría dos ións inxectaranse no obxectivo sólido. Pola contra, se os ións inxectados son máis lixeiros, moitos dos ións inxectados rebotarán na superficie obxectivo. Basicamente, estes ións de alta enerxía inxectados no obxectivo chocarán cos átomos e electróns da rede no obxectivo sólido en diferentes graos. Entre eles, a colisión entre ións e átomos obxectivo sólido pode considerarse como unha colisión elástica porque teñen masa próxima.
2.2 Principais parámetros da implantación iónica
A implantación iónica é un proceso flexible que debe cumprir estritos requisitos de deseño e produción de chips. Os parámetros importantes de implantación iónica son: dose, rango.
A dose (D) refírese ao número de ións inxectados por unidade de área da superficie da oblea de silicio, en átomos por centímetro cadrado (ou ións por centímetro cadrado). D pódese calcular coa seguinte fórmula:
Onde D é a dose de implantación (número de ións/unidade de área); t é o tempo de implantación; I é a corrente do feixe; q é a carga que leva o ión (unha única carga é 1,6×1019C[1]); e S é a área de implantación.
Unha das principais razóns polas que a implantación iónica converteuse nunha tecnoloxía importante na fabricación de obleas de silicio é que pode implantar repetidamente a mesma dose de impurezas nas obleas de silicio. O implantador consegue este obxectivo coa axuda da carga positiva dos ións. Cando os ións de impurezas positivos forman un feixe iónico, o seu caudal chámase corrente do feixe iónico, que se mide en mA. O rango de correntes medias e baixas é de 0,1 a 10 mA e o rango de correntes altas é de 10 a 25 mA.
A magnitude da corrente do feixe iónico é unha variable clave na definición da dose. Se a corrente aumenta, tamén aumenta o número de átomos de impureza implantados por unidade de tempo. A alta corrente favorece o aumento do rendemento da oblea de silicio (inxectando máis ións por unidade de tempo de produción), pero tamén causa problemas de uniformidade.
3. equipos de implantación iónica
3.1 Estrutura básica
Os equipos de implantación iónica inclúen 7 módulos básicos:
① fonte de iones e absorbente;
② analizador de masas (é dicir, imán analítico);
③ tubo acelerador;
④ disco de dixitalización;
⑤ sistema de neutralización electrostática;
⑥ cámara de proceso;
⑦ sistema de control de dose.
ATodos os módulos están nun ambiente de baleiro establecido polo sistema de baleiro. O diagrama estrutural básico do implantador iónico móstrase na seguinte figura.
(1)Fonte de ións:
Normalmente na mesma cámara de baleiro que o electrodo de succión. As impurezas que esperan ser inxectadas deben existir en estado iónico para poder ser controladas e aceleradas polo campo eléctrico. Os B+, P+, As+, etc. máis utilizados obtéñense ionizando átomos ou moléculas.
As fontes de impurezas utilizadas son BF3, PH3 e AsH3, etc., e as súas estruturas móstranse na figura seguinte. Os electróns liberados polo filamento chocan cos átomos de gas para producir ións. Os electróns son xeralmente xerados por unha fonte de filamentos de wolframio quente. Por exemplo, a fonte de ións Berners, o filamento do cátodo está instalado nunha cámara de arco cunha entrada de gas. A parede interior da cámara de arco é o ánodo.
Cando se introduce a fonte de gas, atravesa o filamento unha gran corrente e aplícase unha tensión de 100 V entre os electrodos positivos e negativos, que xerarán electróns de alta enerxía ao redor do filamento. Os ións positivos xéranse despois de que os electróns de alta enerxía chocan coas moléculas do gas fonte.
O imán externo aplica un campo magnético paralelo ao filamento para aumentar a ionización e estabilizar o plasma. Na cámara de arco, no outro extremo en relación ao filamento, hai un reflector cargado negativamente que reflicte os electróns para mellorar a xeración e eficiencia de electróns.
(2)Absorción:
Utilízase para recoller ións positivos xerados na cámara de arco da fonte de ións e formalos nun feixe de ións. Dado que a cámara de arco é o ánodo e o cátodo está presurizado negativamente no electrodo de succión, o campo eléctrico xerado controla os ións positivos, o que fai que se movan cara ao electrodo de succión e sexan extraídos da fenda iónica, como se mostra na figura seguinte. . Canto maior sexa a intensidade do campo eléctrico, maior será a enerxía cinética que gañan os ións despois da aceleración. Tamén hai unha tensión de supresión no electrodo de succión para evitar a interferencia dos electróns no plasma. Ao mesmo tempo, o electrodo de supresión pode formar ións nun feixe de ións e enfocalos nun fluxo de feixe de ións paralelo para que pase a través do implantador.
(3)Analizador de masas:
Pode haber moitos tipos de ións xerados a partir da fonte de ións. Baixo a aceleración da tensión do ánodo, os ións móvense a gran velocidade. Diferentes ións teñen diferentes unidades de masa atómica e diferentes relacións masa-carga.
(4)Tubo acelerador:
Para obter maior velocidade, é necesaria unha maior enerxía. Ademais do campo eléctrico proporcionado polo ánodo e o analizador de masa, tamén se require un campo eléctrico proporcionado no tubo acelerador para a aceleración. O tubo acelerador consiste nunha serie de electrodos illados por un dieléctrico, e a tensión negativa nos electrodos aumenta en secuencia a través da conexión en serie. Canto maior sexa a tensión total, maior será a velocidade que obteñen os ións, é dicir, maior será a enerxía transportada. A alta enerxía pode permitir que os ións de impurezas sexan inxectados profundamente na oblea de silicio para formar unha unión profunda, mentres que a baixa enerxía pode usarse para facer unha unión pouco profunda.
(5)Disco escaneado
O feixe iónico enfocado adoita ter un diámetro moi pequeno. O diámetro do punto do feixe dun implantador de corrente de feixe medio é de aproximadamente 1 cm, e o dun implantador de corrente de feixe grande é duns 3 cm. Toda a oblea de silicio debe ser cuberta mediante a dixitalización. A repetibilidade da implantación da dose determínase mediante a exploración. Normalmente, hai catro tipos de sistemas de exploración de implantadores:
① dixitalización electrostática;
② dixitalización mecánica;
③ dixitalización híbrida;
④ dixitalización paralela.
(6)Sistema de neutralización de electricidade estática:
Durante o proceso de implantación, o feixe iónico golpea a oblea de silicio e fai que se acumule carga na superficie da máscara. A acumulación de carga resultante cambia o equilibrio de carga no feixe iónico, facendo que o punto do feixe sexa máis grande e a distribución da dose desigual. Incluso pode atravesar a capa de óxido superficial e provocar fallos no dispositivo. Agora, a oblea de silicio e o feixe iónico adoitan colocarse nun ambiente estable de plasma de alta densidade chamado sistema de ducha de electróns de plasma, que pode controlar a carga da oblea de silicio. Este método extrae electróns do plasma (xeralmente argón ou xenón) nunha cámara de arco situada no camiño do feixe iónico e preto da oblea de silicio. O plasma é filtrado e só os electróns secundarios poden chegar á superficie da oblea de silicio para neutralizar a carga positiva.
(7)Cavidade do proceso:
A inxección de feixes iónicos nas obleas de silicio prodúcese na cámara de proceso. A cámara de proceso é unha parte importante do implantador, incluíndo un sistema de dixitalización, unha estación terminal cun bloqueo de baleiro para cargar e descargar obleas de silicio, un sistema de transferencia de obleas de silicio e un sistema de control informático. Ademais, hai algúns dispositivos para controlar as doses e controlar os efectos da canle. Se se utiliza a exploración mecánica, a estación terminal será relativamente grande. O baleiro da cámara de proceso é bombeado ata a presión inferior requirida polo proceso mediante unha bomba mecánica de varias etapas, unha bomba turbomolecular e unha bomba de condensación, que xeralmente é de aproximadamente 1 × 10-6Torr ou menos.
(8)Sistema de control de dosificación:
A monitorización da dose en tempo real nun implantador iónico realízase medindo o feixe iónico que chega á oblea de silicio. A corrente do feixe iónico mídese mediante un sensor chamado copa de Faraday. Nun sistema de Faraday sinxelo, hai un sensor de corrente no camiño do feixe iónico que mide a corrente. Non obstante, isto presenta un problema, xa que o feixe iónico reacciona co sensor e produce electróns secundarios que darán lugar a lecturas de corrente erróneas. Un sistema de Faraday pode suprimir electróns secundarios usando campos eléctricos ou magnéticos para obter unha lectura real da corrente do feixe. A corrente medida polo sistema Faraday introdúcese nun controlador electrónico de dose, que actúa como un acumulador de corrente (que acumula continuamente a corrente do feixe medida). O controlador utilízase para relacionar a corrente total co tempo de implantación correspondente e calcular o tempo necesario para unha determinada dose.
3.2 Reparación de danos
A implantación de ións eliminará átomos da estrutura da rede e danará a rede de obleas de silicio. Se a dose implantada é grande, a capa implantada volverase amorfa. Ademais, os ións implantados basicamente non ocupan os puntos de celosía do silicio, senón que permanecen nas posicións do espazo da rede. Estas impurezas intersticiais só poden activarse despois dun proceso de recocido a alta temperatura.
O recocido pode quentar a oblea de silicio implantada para reparar defectos da rede; tamén pode mover átomos de impurezas aos puntos da rede e activalos. A temperatura necesaria para reparar os defectos da rede é duns 500 °C e a temperatura necesaria para activar os átomos de impurezas é duns 950 °C. A activación das impurezas está relacionada co tempo e a temperatura: canto máis longo sexa o tempo e canto maior sexa a temperatura, máis activaranse as impurezas. Existen dous métodos básicos para recocer obleas de silicio:
① recocido de forno de alta temperatura;
② recocido térmico rápido (RTA).
Recozido de forno de alta temperatura: o recocido de forno de alta temperatura é un método de recocido tradicional, que usa un forno de alta temperatura para quentar a oblea de silicio a 800-1000 ℃ e mantelo durante 30 minutos. A esta temperatura, os átomos de silicio volven á posición da rede, e os átomos de impurezas tamén poden substituír aos átomos de silicio e entrar na rede. Non obstante, o tratamento térmico a tal temperatura e tempo levará á difusión de impurezas, algo que a industria moderna de fabricación de IC non quere ver.
Recocido térmico rápido: o recocido térmico rápido (RTA) trata as obleas de silicio cun aumento de temperatura extremadamente rápido e unha duración curta á temperatura obxectivo (xeralmente 1000 °C). O recocido das obleas de silicio implantadas adoita realizarse nun procesador térmico rápido con Ar ou N2. O proceso de aumento rápido da temperatura e a curta duración poden optimizar a reparación dos defectos da rede, a activación de impurezas e a inhibición da difusión de impurezas. O RTA tamén pode reducir a difusión mellorada transitoria e é a mellor forma de controlar a profundidade da unión en implantes de unión pouco profundas.
———————————————————————————————————————————————————— —————————————
Semicera pode proporcionarpezas de grafito, feltro suave/ríxido, pezas de carburo de silicio, Pezas de carburo de silicio CVD, ePezas recubertas de SiC/TaCcon en 30 días.
Se estás interesado nos produtos de semicondutores anteriores,por favor, non dubide en contactar connosco a primeira vez.
Teléfono: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Hora de publicación: 31-Ago-2024