1. Pengenalan
Implantasi ion adalah salah satu proses utama dalam pembuatan litar bersepadu. Ia merujuk kepada proses mempercepatkan rasuk ion kepada tenaga tertentu (biasanya dalam julat keV hingga MeV) dan kemudian menyuntiknya ke permukaan bahan pepejal untuk mengubah sifat fizikal permukaan bahan. Dalam proses litar bersepadu, bahan pepejal biasanya silikon, dan ion kekotoran yang ditanam biasanya ion boron, ion fosforus, ion arsenik, ion indium, ion germanium, dll. Ion yang ditanam boleh mengubah kekonduksian permukaan pepejal. bahan atau membentuk simpang PN. Apabila saiz ciri litar bersepadu dikurangkan kepada era sub-mikron, proses implantasi ion telah digunakan secara meluas.
Dalam proses pembuatan litar bersepadu, implantasi ion biasanya digunakan untuk lapisan terkubur dalam, telaga dop terbalik, pelarasan voltan ambang, implantasi sambungan punca dan longkang, implantasi punca dan longkang, doping pintu polisilikon, membentuk simpang PN dan perintang/kapasitor, dsb. Dalam proses penyediaan bahan substrat silikon pada penebat, lapisan oksida yang terkubur terutamanya dibentuk oleh implantasi ion oksigen kepekatan tinggi, atau pemotongan pintar dicapai dengan implantasi ion hidrogen kepekatan tinggi.
Implantasi ion dilakukan oleh implanter ion, dan parameter proses yang paling penting ialah dos dan tenaga: dos menentukan kepekatan akhir, dan tenaga menentukan julat (iaitu, kedalaman) ion. Mengikut keperluan reka bentuk peranti yang berbeza, keadaan implantasi dibahagikan kepada tenaga tinggi dos tinggi, tenaga sederhana dos sederhana, tenaga rendah dos sederhana, atau tenaga rendah dos tinggi. Untuk mendapatkan kesan implantasi yang ideal, implan yang berbeza harus dilengkapi untuk keperluan proses yang berbeza.
Selepas implantasi ion, secara amnya perlu menjalani proses penyepuhlindapan suhu tinggi untuk membaiki kerosakan kekisi yang disebabkan oleh implantasi ion dan mengaktifkan ion kekotoran. Dalam proses litar bersepadu tradisional, walaupun suhu penyepuhlindapan mempunyai pengaruh yang besar terhadap doping, suhu proses implantasi ion itu sendiri tidak penting. Pada nod teknologi di bawah 14nm, proses implantasi ion tertentu perlu dilakukan dalam persekitaran suhu rendah atau tinggi untuk menukar kesan kerosakan kekisi, dsb.
2. proses implantasi ion
2.1 Prinsip Asas
Implantasi ion ialah proses doping yang dibangunkan pada tahun 1960-an yang lebih unggul daripada teknik resapan tradisional dalam kebanyakan aspek.
Perbezaan utama antara doping implantasi ion dan doping resapan tradisional adalah seperti berikut:
(1) Pengagihan kepekatan kekotoran di kawasan doped adalah berbeza. Kepekatan kekotoran puncak implantasi ion terletak di dalam kristal, manakala kepekatan kekotoran puncak penyebaran terletak pada permukaan kristal.
(2) Implantasi ion ialah proses yang dijalankan pada suhu bilik atau pun suhu rendah, dan masa pengeluaran adalah singkat. Doping resapan memerlukan rawatan suhu tinggi yang lebih lama.
(3) Implantasi ion membolehkan pemilihan elemen implan yang lebih fleksibel dan tepat.
(4) Oleh kerana kekotoran dipengaruhi oleh resapan terma, bentuk gelombang yang terbentuk oleh implantasi ion dalam kristal adalah lebih baik daripada bentuk gelombang yang terbentuk oleh resapan dalam kristal.
(5) Implantasi ion biasanya hanya menggunakan photoresist sebagai bahan topeng, tetapi doping resapan memerlukan pertumbuhan atau pemendapan filem dengan ketebalan tertentu sebagai topeng.
(6) Implantasi ion pada asasnya telah menggantikan resapan dan menjadi proses doping utama dalam pembuatan litar bersepadu hari ini.
Apabila pancaran ion kejadian dengan tenaga tertentu mengebom sasaran pepejal (biasanya wafer), ion dan atom pada permukaan sasaran akan mengalami pelbagai interaksi, dan memindahkan tenaga kepada atom sasaran dengan cara tertentu untuk menguja atau mengion. mereka. Ion juga boleh kehilangan sejumlah tenaga melalui pemindahan momentum, dan akhirnya diserakkan oleh atom sasaran atau berhenti dalam bahan sasaran. Jika ion yang disuntik lebih berat, kebanyakan ion akan disuntik ke dalam sasaran pepejal. Sebaliknya, jika ion yang disuntik lebih ringan, banyak ion yang disuntik akan melantun dari permukaan sasaran. Pada asasnya, ion bertenaga tinggi ini yang disuntik ke dalam sasaran akan berlanggar dengan atom kekisi dan elektron dalam sasaran pepejal pada tahap yang berbeza-beza. Antaranya, perlanggaran antara ion dan atom sasaran pepejal boleh dianggap sebagai perlanggaran kenyal kerana jisimnya rapat.
2.2 Parameter utama implantasi ion
Implantasi ion ialah proses fleksibel yang mesti memenuhi keperluan reka bentuk dan pengeluaran cip yang ketat. Parameter implantasi ion penting ialah: dos, julat.
Dos (D) merujuk kepada bilangan ion yang disuntik setiap unit luas permukaan wafer silikon, dalam atom setiap sentimeter persegi (atau ion setiap sentimeter persegi). D boleh dikira dengan formula berikut:
Di mana D ialah dos implantasi (bilangan ion/luas unit); t ialah masa implantasi; I ialah arus rasuk; q ialah cas yang dibawa oleh ion (satu cas ialah 1.6×1019C[1]); dan S ialah kawasan implantasi.
Salah satu sebab utama mengapa implantasi ion telah menjadi teknologi penting dalam pembuatan wafer silikon ialah ia boleh berulang kali menanamkan dos kekotoran yang sama ke dalam wafer silikon. Implanter mencapai matlamat ini dengan bantuan cas positif ion. Apabila ion kekotoran positif membentuk rasuk ion, kadar alirannya dipanggil arus rasuk ion, yang diukur dalam mA. Julat arus sederhana dan rendah ialah 0.1 hingga 10 mA, dan julat arus tinggi ialah 10 hingga 25 mA.
Magnitud arus pancaran ion adalah pembolehubah utama dalam menentukan dos. Jika arus meningkat, bilangan atom kekotoran yang ditanam setiap unit masa juga meningkat. Arus tinggi adalah kondusif untuk meningkatkan hasil wafer silikon (menyuntik lebih banyak ion setiap unit masa pengeluaran), tetapi ia juga menyebabkan masalah keseragaman.
3. peralatan implantasi ion
3.1 Struktur Asas
Peralatan implantasi ion termasuk 7 modul asas:
① sumber ion dan penyerap;
② penganalisis jisim (iaitu magnet analisis);
③ tiub pemecut;
④ mengimbas cakera;
⑤ sistem peneutralan elektrostatik;
⑥ ruang proses;
⑦ sistem kawalan dos.
All modul berada dalam persekitaran vakum yang ditubuhkan oleh sistem vakum. Gambar rajah struktur asas implanter ion ditunjukkan dalam rajah di bawah.
(1)Sumber ion:
Biasanya dalam ruang vakum yang sama dengan elektrod sedutan. Kekotoran yang menunggu untuk disuntik mesti wujud dalam keadaan ion untuk dikawal dan dipercepatkan oleh medan elektrik. B+, P+, As+, dsb. yang paling biasa digunakan diperoleh dengan mengion atom atau molekul.
Sumber kekotoran yang digunakan ialah BF3, PH3 dan AsH3, dsb., dan strukturnya ditunjukkan dalam rajah di bawah. Elektron yang dibebaskan oleh filamen berlanggar dengan atom gas untuk menghasilkan ion. Elektron biasanya dihasilkan oleh sumber filamen tungsten panas. Sebagai contoh, sumber ion Berners, filamen katod dipasang di ruang arka dengan salur masuk gas. Dinding dalaman ruang arka ialah anod.
Apabila sumber gas diperkenalkan, arus besar melalui filamen, dan voltan 100 V digunakan di antara elektrod positif dan negatif, yang akan menghasilkan elektron tenaga tinggi di sekeliling filamen. Ion positif terhasil selepas elektron bertenaga tinggi berlanggar dengan molekul gas sumber.
Magnet luaran menggunakan medan magnet selari dengan filamen untuk meningkatkan pengionan dan menstabilkan plasma. Dalam ruang arka, di hujung yang lain berbanding filamen, terdapat pemantul bercas negatif yang memantulkan kembali elektron untuk meningkatkan penjanaan dan kecekapan elektron.
(2)Penyerapan:
Ia digunakan untuk mengumpul ion positif yang dihasilkan dalam ruang arka sumber ion dan membentuknya menjadi rasuk ion. Oleh kerana ruang arka adalah anod dan katod bertekanan negatif pada elektrod sedutan, medan elektrik yang dihasilkan mengawal ion positif, menyebabkan ia bergerak ke arah elektrod sedutan dan ditarik keluar dari celah ion, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah. . Semakin besar kekuatan medan elektrik, semakin besar tenaga kinetik yang diperoleh ion selepas pecutan. Terdapat juga voltan penindasan pada elektrod sedutan untuk mengelakkan gangguan daripada elektron dalam plasma. Pada masa yang sama, elektrod penindasan boleh membentuk ion menjadi rasuk ion dan memfokuskannya ke dalam aliran rasuk ion selari supaya ia melalui implanter.
(3)Penganalisis jisim:
Mungkin terdapat banyak jenis ion yang dihasilkan daripada sumber ion. Di bawah pecutan voltan anod, ion bergerak pada kelajuan tinggi. Ion yang berbeza mempunyai unit jisim atom yang berbeza dan nisbah jisim-ke-cas yang berbeza.
(4)Tiub pemecut:
Untuk mendapatkan kelajuan yang lebih tinggi, tenaga yang lebih tinggi diperlukan. Sebagai tambahan kepada medan elektrik yang disediakan oleh anod dan penganalisis jisim, medan elektrik yang disediakan dalam tiub pemecut juga diperlukan untuk pecutan. Tiub pemecut terdiri daripada satu siri elektrod yang diasingkan oleh dielektrik, dan voltan negatif pada elektrod meningkat mengikut turutan melalui sambungan siri. Semakin tinggi jumlah voltan, semakin besar kelajuan yang diperolehi oleh ion, iaitu, semakin besar tenaga yang dibawa. Tenaga tinggi boleh membenarkan ion kekotoran disuntik jauh ke dalam wafer silikon untuk membentuk persimpangan dalam, manakala tenaga rendah boleh digunakan untuk membuat persimpangan cetek.
(5)Mengimbas cakera
Rasuk ion terfokus biasanya berdiameter sangat kecil. Diameter titik rasuk bagi implan arus rasuk sederhana adalah kira-kira 1 cm, dan implan arus rasuk besar adalah kira-kira 3 cm. Seluruh wafer silikon mesti ditutup dengan pengimbasan. Kebolehulangan implantasi dos ditentukan dengan mengimbas. Biasanya, terdapat empat jenis sistem pengimbasan implan:
① pengimbasan elektrostatik;
② pengimbasan mekanikal;
③ pengimbasan hibrid;
④ pengimbasan selari.
(6)Sistem peneutralan elektrik statik:
Semasa proses implantasi, pancaran ion terkena wafer silikon dan menyebabkan cas terkumpul pada permukaan topeng. Pengumpulan cas yang terhasil mengubah keseimbangan cas dalam rasuk ion, menjadikan tempat rasuk lebih besar dan pengagihan dos tidak sekata. Ia juga boleh menembusi lapisan oksida permukaan dan menyebabkan kegagalan peranti. Kini, wafer silikon dan rasuk ion biasanya diletakkan dalam persekitaran plasma berketumpatan tinggi yang stabil yang dipanggil sistem pancuran elektron plasma, yang boleh mengawal pengecasan wafer silikon. Kaedah ini mengekstrak elektron daripada plasma (biasanya argon atau xenon) dalam ruang arka yang terletak di laluan pancaran ion dan berhampiran wafer silikon. Plasma ditapis dan hanya elektron sekunder boleh mencapai permukaan wafer silikon untuk meneutralkan cas positif.
(7)Rongga proses:
Suntikan rasuk ion ke dalam wafer silikon berlaku dalam ruang proses. Ruang proses adalah bahagian penting dalam implan, termasuk sistem pengimbasan, stesen terminal dengan kunci vakum untuk memuat dan memunggah wafer silikon, sistem pemindahan wafer silikon, dan sistem kawalan komputer. Di samping itu, terdapat beberapa peranti untuk memantau dos dan mengawal kesan saluran. Jika pengimbasan mekanikal digunakan, stesen terminal akan menjadi agak besar. Vakum ruang proses dipam ke tekanan bawah yang diperlukan oleh proses oleh pam mekanikal pelbagai peringkat, pam turbomolekul, dan pam pemeluwapan, yang biasanya kira-kira 1×10-6Torr atau kurang.
(8)Sistem kawalan dos:
Pemantauan dos masa nyata dalam implanter ion dicapai dengan mengukur pancaran ion yang mencapai wafer silikon. Arus pancaran ion diukur menggunakan sensor yang dipanggil cawan Faraday. Dalam sistem Faraday yang mudah, terdapat penderia arus dalam laluan pancaran ion yang mengukur arus. Walau bagaimanapun, ini menimbulkan masalah, kerana pancaran ion bertindak balas dengan penderia dan menghasilkan elektron sekunder yang akan mengakibatkan bacaan arus yang salah. Sistem Faraday boleh menekan elektron sekunder menggunakan medan elektrik atau magnet untuk mendapatkan bacaan arus rasuk yang benar. Arus yang diukur oleh sistem Faraday dimasukkan ke dalam pengawal dos elektronik, yang bertindak sebagai penumpuk arus (yang secara berterusan mengumpul arus rasuk yang diukur). Pengawal digunakan untuk mengaitkan jumlah arus dengan masa implantasi yang sepadan dan mengira masa yang diperlukan untuk dos tertentu.
3.2 Pembaikan kerosakan
Implantasi ion akan mengetuk atom keluar daripada struktur kekisi dan merosakkan kekisi wafer silikon. Jika dos yang diimplan adalah besar, lapisan yang diimplan akan menjadi amorf. Di samping itu, ion yang ditanam pada dasarnya tidak menduduki titik kekisi silikon, tetapi kekal dalam kedudukan jurang kekisi. Kekotoran celahan ini hanya boleh diaktifkan selepas proses penyepuhlindapan suhu tinggi.
Penyepuhlindapan boleh memanaskan wafer silikon yang ditanam untuk membaiki kecacatan kekisi; ia juga boleh menggerakkan atom kekotoran ke titik kekisi dan mengaktifkannya. Suhu yang diperlukan untuk membaiki kecacatan kekisi adalah kira-kira 500°C, dan suhu yang diperlukan untuk mengaktifkan atom kekotoran ialah kira-kira 950°C. Pengaktifan kekotoran adalah berkaitan dengan masa dan suhu: semakin lama masa dan semakin tinggi suhu, semakin banyak kekotoran diaktifkan. Terdapat dua kaedah asas untuk menyepuh wafer silikon:
① penyepuhlindapan relau suhu tinggi;
② penyepuhlindapan haba pantas (RTA).
Penyepuhlindapan relau suhu tinggi: Penyepuhlindapan relau suhu tinggi ialah kaedah penyepuhlindapan tradisional, yang menggunakan relau suhu tinggi untuk memanaskan wafer silikon kepada 800-1000 ℃ dan simpan selama 30 minit. Pada suhu ini, atom silikon bergerak kembali ke kedudukan kekisi, dan atom kekotoran juga boleh menggantikan atom silikon dan memasuki kekisi. Walau bagaimanapun, rawatan haba pada suhu dan masa sedemikian akan membawa kepada penyebaran kekotoran, yang merupakan sesuatu yang industri pembuatan IC moden tidak mahu lihat.
Penyepuhlindapan Terma Pantas: Penyepuhlindapan terma pantas (RTA) merawat wafer silikon dengan kenaikan suhu yang sangat cepat dan tempoh yang singkat pada suhu sasaran (biasanya 1000°C). Penyepuhlindapan wafer silikon yang ditanam biasanya dilakukan dalam pemproses haba pantas dengan Ar atau N2. Proses kenaikan suhu yang cepat dan tempoh yang singkat boleh mengoptimumkan pembaikan kecacatan kekisi, pengaktifan kekotoran dan perencatan penyebaran kekotoran. RTA juga boleh mengurangkan resapan dipertingkat sementara dan merupakan cara terbaik untuk mengawal kedalaman simpang dalam implan simpang cetek.
————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera boleh sediakanbahagian grafit, terasa lembut/tegar, bahagian silikon karbida, Bahagian silikon karbida CVD, danBahagian bersalut SiC/TaCdengan dalam 30 hari.
Jika anda berminat dengan produk semikonduktor di atas,sila jangan teragak-agak untuk menghubungi kami pada kali pertama.
Tel: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Masa siaran: 31 Ogos 2024