1. Johdanto
Ioni-istutus on yksi tärkeimmistä integroitujen piirien valmistuksen prosesseista. Se viittaa prosessiin, jossa ionisäde kiihdytetään tiettyyn energiaan (yleensä välillä keV - MeV) ja ruiskutetaan sitten kiinteän materiaalin pintaan materiaalin pinnan fysikaalisten ominaisuuksien muuttamiseksi. Integroidussa piiriprosessissa kiinteä materiaali on yleensä pii, ja istutetut epäpuhtausionit ovat yleensä boori-, fosfori-, arseeni-, indium-, germanium-, jne. Istutetut ionit voivat muuttaa kiinteän aineen pinnan johtavuutta. materiaalia tai muodostaa PN-liitoksen. Kun integroitujen piirien ominaisuuskoko pienennettiin alle mikronin aikakauteen, ioni-istutusprosessia käytettiin laajalti.
Integroidun piirin valmistusprosessissa ioni-implantaatiota käytetään yleensä syvälle haudattuihin kerroksiin, käänteisseostetuille kaivoille, kynnysjännitteen säätöön, lähteen ja viemärin laajennusten istuttamiseen, lähde- ja viemäri-istutuksiin, polypii-hilasoostukseen, PN-liitosten ja vastusten/kondensaattorien muodostamiseen jne. Valmistettaessa piisubstraattimateriaaleja eristeille haudattu oksidikerros muodostuu pääasiassa korkeapitoisuudelta happi-ioni-istutuksella, tai älykäs leikkaus saavutetaan korkeapitoisuuksilla vetyioni-istutuksella.
Ioni-istutus suoritetaan ioni-istuttimella ja sen tärkeimmät prosessiparametrit ovat annos ja energia: annos määrää lopullisen pitoisuuden ja energia määrää ionien alueen (eli syvyyden). Erilaisten laitesuunnitteluvaatimusten mukaan implantointiolosuhteet jaetaan suuren annoksen korkean energian, keskiannoksen keskienergian, keskiannoksen matalaenergian tai suuren annoksen matalaenergian. Ihanteellisen implantointivaikutuksen saavuttamiseksi eri implantaattoreita tulee varustaa erilaisille prosessivaatimuksille.
Ioni-istutuksen jälkeen on yleensä tarpeen suorittaa korkean lämpötilan hehkutusprosessi ioni-istutuksen aiheuttaman hilavaurion korjaamiseksi ja epäpuhtausionien aktivoimiseksi. Perinteisissä integroitujen piirien prosesseissa, vaikka hehkutuslämpötilalla on suuri vaikutus dopingiin, itse ionin istutusprosessin lämpötila ei ole tärkeä. Alle 14 nm:n teknologiasolmuissa tiettyjä ioni-istutusprosesseja on suoritettava matalassa tai korkeassa lämpötilassa, jotta hilavaurioiden vaikutukset jne.
2. ioni-istutusprosessi
2.1 Perusperiaatteet
Ioni-istutus on 1960-luvulla kehitetty dopingprosessi, joka on useimmilta osin parempi kuin perinteiset diffuusiotekniikat.
Tärkeimmät erot ioni-implantaatiodopingin ja perinteisen diffuusiodopingin välillä ovat seuraavat:
(1) Epäpuhtauspitoisuuden jakautuminen seostetulla alueella on erilainen. Ioni-istutuksen epäpuhtauksien huippupitoisuus sijaitsee kiteen sisällä, kun taas diffuusion epäpuhtauksien huippupitoisuus sijaitsee kiteen pinnalla.
(2) Ioni-istutus on prosessi, joka suoritetaan huoneenlämpötilassa tai jopa alhaisessa lämpötilassa, ja tuotantoaika on lyhyt. Diffuusiodoping vaatii pidemmän korkean lämpötilan käsittelyn.
(3) Ioni-implantaatio mahdollistaa implantoitujen elementtien joustavamman ja tarkemman valinnan.
(4) Koska lämpödiffuusio vaikuttaa epäpuhtauksiin, kiteen ioni-istutuksella muodostuva aaltomuoto on parempi kuin kiteen diffuusion muodostama aaltomuoto.
(5) Ioni-implantaatiossa käytetään yleensä vain fotoresistiä maskin materiaalina, mutta diffuusiodoping vaatii tietyn paksuisen kalvon kasvattamista tai kerrostamista maskina.
(6) Ioni-implantaatio on periaatteessa korvannut diffuusion, ja siitä on tullut tärkein dopingprosessi integroitujen piirien valmistuksessa nykyään.
Kun tietyllä energialla tuleva ionisäde pommittaa kiinteää kohdetta (yleensä kiekkoa), kohteen pinnalla olevat ionit ja atomit käyvät läpi erilaisia vuorovaikutuksia ja siirtävät energiaa kohdeatomeille tietyllä tavalla virittäytyäkseen tai ionisoituakseen. niitä. Ionit voivat myös menettää tietyn määrän energiaa liikemäärän siirron kautta ja lopulta hajota kohdeatomien toimesta tai pysähtyä kohdemateriaaliin. Jos ruiskutetut ionit ovat raskaampia, suurin osa ioneista ruiskutetaan kiinteään kohteeseen. Päinvastoin, jos injektoidut ionit ovat kevyempiä, monet injektoiduista ioneista pomppaavat pois kohdepinnalta. Pohjimmiltaan nämä kohteeseen ruiskutetut korkeaenergiset ionit törmäävät eriasteisesti kiinteän kohteen hilaatomien ja elektronien kanssa. Niistä ionien ja kiinteiden kohdeatomien törmäystä voidaan pitää elastisena törmäyksenä, koska ne ovat massaltaan lähellä toisiaan.
2.2 Ioni-istutuksen pääparametrit
Ioni-istutus on joustava prosessi, jonka on täytettävä tiukat sirun suunnittelu- ja tuotantovaatimukset. Tärkeitä ioni-istutusparametreja ovat: annos, alue.
Annos (D) viittaa injektoitujen ionien määrään piikiekon pinta-alayksikköä kohti atomeina neliösenttimetriä kohti (tai ioneja neliösenttimetriä kohti). D voidaan laskea seuraavalla kaavalla:
missä D on implantaatioannos (ionien lukumäärä/pinta-alayksikkö); t on istutusaika; I on säteen nykyinen; q on ionin kantama varaus (yksi varaus on 1,6 × 1019C[1]); ja S on implantaatioalue.
Yksi tärkeimmistä syistä, miksi ioni-implantaatiosta on tullut tärkeä teknologia piikiekkojen valmistuksessa, on se, että se pystyy toistuvasti istuttamaan saman annoksen epäpuhtauksia piikiekoihin. Implantaattori saavuttaa tämän tavoitteen ionien positiivisen varauksen avulla. Kun positiiviset epäpuhtauden ionit muodostavat ionisäteen, sen virtausnopeutta kutsutaan ionisäteen virraksi, joka mitataan mA. Keskisuurten ja pienten virtojen alue on 0,1 - 10 mA ja suurten virtojen alue 10 - 25 mA.
Ionisädevirran suuruus on keskeinen muuttuja annoksen määrittelyssä. Jos virta kasvaa, myös aikayksikköä kohti istutettujen epäpuhtausatomien määrä kasvaa. Suuri virta lisää piikiekkojen saantoa (ruiskuttaa enemmän ioneja tuotantoaikayksikköä kohti), mutta se aiheuttaa myös tasaisuusongelmia.
3. ioni-istutuslaitteet
3.1 Perusrakenne
Ioni-implantaatiolaitteisto sisältää 7 perusmoduulia:
① ionilähde ja absorboija;
② massaanalysaattori (eli analyyttinen magneetti);
③ kiihdytin putki;
④ skannauslevy;
⑤ sähköstaattinen neutralointijärjestelmä;
⑥ prosessi kammio;
⑦ annosohjausjärjestelmä.
AKaikki moduulit ovat tyhjiöjärjestelmän luomassa tyhjiöympäristössä. Ioni-istuttimen perusrakennekaavio on esitetty alla olevassa kuvassa.
(1)Ionilähde:
Yleensä samassa tyhjiökammiossa kuin imuelektrodi. Injektointia odottavien epäpuhtauksien on oltava ionitilassa, jotta sähkökenttä hallitsee ja kiihdyttää niitä. Yleisimmin käytetyt B+, P+, As+ jne. saadaan ionisoimalla atomeja tai molekyylejä.
Käytetyt epäpuhtauslähteet ovat BF3, PH3 ja AsH3 jne., ja niiden rakenteet on esitetty alla olevassa kuvassa. Filamentin vapauttamat elektronit törmäävät kaasuatomeihin muodostaen ioneja. Elektronit syntyvät yleensä kuumasta volframifilamenttilähteestä. Esimerkiksi Bernersin ionilähde, katodifilamentti asennetaan kaarikammioon, jossa on kaasun sisääntulo. Valokaarikammion sisäseinä on anodi.
Kun kaasulähde syötetään, hehkulangan läpi kulkee suuri virta, ja positiivisen ja negatiivisen elektrodin väliin syötetään 100 V jännite, joka synnyttää korkean energian elektroneja hehkulangan ympärille. Positiiviset ionit syntyvät sen jälkeen, kun korkeaenergiset elektronit törmäävät lähdekaasumolekyyleihin.
Ulkoinen magneetti kohdistaa hehkulangan kanssa yhdensuuntaisen magneettikentän lisäämään ionisaatiota ja stabiloimaan plasmaa. Valokaarikammiossa, filamentin toisessa päässä, on negatiivisesti varautunut heijastin, joka heijastaa elektronit takaisin parantaakseen elektronien muodostumista ja tehokkuutta.
(2)Imeytyminen:
Sitä käytetään keräämään ionilähteen kaarikammiossa syntyneet positiiviset ionit ja muodostamaan ne ionisäteeksi. Koska kaarikammio on anodi ja katodi on negatiivisesti paineistettu imuelektrodiin, muodostuva sähkökenttä ohjaa positiivisia ioneja, jolloin ne liikkuvat kohti imuelektrodia ja vedetään ulos ioniraosta, kuten alla olevassa kuvassa näkyy. . Mitä suurempi sähkökentän voimakkuus, sitä suuremman kineettisen energian ionit saavat kiihdytyksen jälkeen. Imuelektrodissa on myös vaimennusjännite estämään plasmassa olevien elektronien aiheuttamat häiriöt. Samanaikaisesti vaimennuselektrodi voi muodostaa ioneja ionisäteeksi ja fokusoida ne rinnakkaiseksi ionisädevirtaukseksi siten, että se kulkee implantterin läpi.
(3)Massa-analysaattori:
Ionilähteestä voi syntyä monenlaisia ioneja. Anodin jännitteen kiihtyessä ionit liikkuvat suurella nopeudella. Eri ioneilla on erilaiset atomimassayksiköt ja erilaiset massa-varaussuhteet.
(4)Kiihdytysputki:
Suuremman nopeuden saavuttamiseksi tarvitaan enemmän energiaa. Anodin ja massa-analysaattorin tuottaman sähkökentän lisäksi kiihdytykseen tarvitaan myös kiihdytinputkessa oleva sähkökenttä. Kiihdytysputki koostuu sarjasta dielektrillä eristettyjä elektrodeja, ja elektrodien negatiivinen jännite kasvaa peräkkäin sarjakytkennän kautta. Mitä suurempi kokonaisjännite on, sitä suuremman nopeuden ionit saavat, eli sitä enemmän kuljetetaan energiaa. Suuri energia voi mahdollistaa epäpuhtausionien injektoinnin syvälle piikiekkoon syvän liitoksen muodostamiseksi, kun taas matalaa energiaa voidaan käyttää matalan liitoksen tekemiseen.
(5)Skannauslevy
Fokusoidun ionisäteen halkaisija on yleensä hyvin pieni. Keskisädevirran implantaattorin sädepisteen halkaisija on noin 1 cm ja suuren säteen virtaimplantaattorin noin 3 cm. Koko piikiekko tulee peittää skannaamalla. Annosistutuksen toistettavuus määritetään skannaamalla. Yleensä on olemassa neljän tyyppisiä implantteriskannausjärjestelmiä:
① sähköstaattinen skannaus;
② mekaaninen skannaus;
③ hybridi skannaus;
④ rinnakkaisskannaus.
(6)Staattisen sähkön neutralointijärjestelmä:
Implantaatioprosessin aikana ionisäde osuu piikiekkoon ja saa varauksen kerääntymään maskin pinnalle. Tuloksena oleva varauksen kertymä muuttaa ionisäteen varaustasapainoa, mikä tekee säteen pisteestä suuremman ja annosjakauman epätasaiseksi. Se voi jopa murtautua pintaoksidikerroksen läpi ja aiheuttaa laitevian. Nyt piikiekko ja ionisäde sijoitetaan yleensä vakaaseen suuren tiheyden plasmaympäristöön, jota kutsutaan plasmaelektronisuihkujärjestelmäksi, joka voi ohjata piikiekon latausta. Tämä menetelmä erottaa plasmasta elektroneja (yleensä argonia tai ksenonia) valokaarikammiossa, joka sijaitsee ionisäteen reitillä ja lähellä piikiekkoa. Plasma suodatetaan ja vain toissijaiset elektronit pääsevät piikiekon pinnalle neutraloimaan positiivisen varauksen.
(7)Prosessiontelo:
Ionisäteiden ruiskuttaminen piikiekoihin tapahtuu prosessikammiossa. Prosessikammio on tärkeä osa implantaattoria, mukaan lukien skannausjärjestelmä, tyhjiölukolla varustettu pääteasema piikiekkojen lataamista ja purkamista varten, piikiekkojen siirtojärjestelmä ja tietokoneohjausjärjestelmä. Lisäksi on joitain laitteita annosten seurantaan ja kanavavaikutusten säätelyyn. Jos käytetään mekaanista skannausta, pääteasema on suhteellisen suuri. Prosessikammion tyhjiö pumpataan prosessin vaatimaan pohjapaineeseen monivaiheisella mekaanisella pumpulla, turbomolekyylipumpulla ja kondensaatiopumpulla, joka on yleensä noin 1 × 10-6 Torria tai vähemmän.
(8)Annostelujärjestelmä:
Reaaliaikainen annosvalvonta ioni-istuttimessa suoritetaan mittaamalla piikiekon saavuttavaa ionisädettä. Ionisäteen virta mitataan Faraday-kuppi-anturilla. Yksinkertaisessa Faraday-järjestelmässä ionisäteen reitillä on virta-anturi, joka mittaa virran. Tämä aiheuttaa kuitenkin ongelman, koska ionisäde reagoi anturin kanssa ja tuottaa toissijaisia elektroneja, jotka johtavat virheellisiin virtalukemiin. Faraday-järjestelmä voi tukahduttaa toissijaiset elektronit käyttämällä sähkö- tai magneettikenttiä todellisen sädevirran lukeman saamiseksi. Faraday-järjestelmän mittaama virta syötetään elektroniseen annossäätimeen, joka toimii virran varaajana (joka kerää jatkuvasti mitattua sädevirtaa). Säädintä käytetään yhdistämään kokonaisvirta vastaavaan implantaatioaikaan ja laskemaan tietyn annoksen vaatima aika.
3.2 Vahinkojen korjaaminen
Ioni-istutus lyö atomeja ulos hilarakenteesta ja vahingoittaa piikiekkohilaa. Jos implantoitu annos on suuri, istutettu kerros muuttuu amorfiseksi. Lisäksi istutetut ionit eivät periaatteessa täytä piin hilapisteitä, vaan pysyvät hilavälin asennoissa. Nämä interstitiaaliset epäpuhtaudet voidaan aktivoida vain korkean lämpötilan hehkutusprosessin jälkeen.
Hehkutus voi lämmittää istutettua piikiekkoa hilavirheiden korjaamiseksi; se voi myös siirtää epäpuhtausatomeja hilapisteisiin ja aktivoida niitä. Hilavirheiden korjaamiseen vaadittava lämpötila on noin 500°C ja epäpuhtausatomien aktivoimiseen vaadittava lämpötila noin 950°C. Epäpuhtauksien aktivoituminen liittyy aikaan ja lämpötilaan: mitä pidempi aika ja korkeampi lämpötila, sitä täydellisemmin epäpuhtaudet aktivoituvat. Piikiekkojen hehkuttamiseksi on kaksi perusmenetelmää:
① korkean lämpötilan uunin hehkutus;
② nopea lämpöhehkutus (RTA).
Korkean lämpötilan uunihehkutus: Korkean lämpötilan uunihehkutus on perinteinen hehkutusmenetelmä, joka käyttää korkean lämpötilan uunia lämmittämään piikiekko 800-1000 ℃ ja pitää sitä 30 minuuttia. Tässä lämpötilassa piiatomit siirtyvät takaisin hila-asentoon, ja myös epäpuhtausatomit voivat korvata piiatomit ja päästä hilaan. Lämpökäsittely sellaisessa lämpötilassa ja ajassa johtaa kuitenkin epäpuhtauksien leviämiseen, mitä nykyaikainen IC-valmistusteollisuus ei halua nähdä.
Nopea lämpöhehkutus: Nopea lämpöhehkutus (RTA) käsittelee piikiekkoja erittäin nopealla lämpötilan nousulla ja lyhyellä kestoajalla tavoitelämpötilassa (yleensä 1000 °C). Implantoitujen piikiekkojen hehkutus suoritetaan yleensä nopeassa lämpöprosessorissa, jossa on Ar tai N2. Nopea lämpötilan nousuprosessi ja lyhyt kesto voivat optimoida hilavirheiden korjaamisen, epäpuhtauksien aktivoitumisen ja epäpuhtauksien diffuusion estämisen. RTA voi myös vähentää ohimenevää tehostettua diffuusiota ja on paras tapa hallita liitossyvyyttä matalissa liitosimplanteissa.
——————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera voi tarjotagrafiittiosat, pehmeä/jäykkä huopa, piikarbidin osat, CVD piikarbidiosat, jaSiC/TaC-pinnoitetut osat30 päivän sisällä.
Jos olet kiinnostunut yllä olevista puolijohdetuotteista,älä epäröi ottaa meihin yhteyttä ensimmäisen kerran.
Puh: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Postitusaika: 31.8.2024