1. Giriş
İyon implantasyonu entegre devre imalatındaki ana süreçlerden biridir. Bir iyon ışınının belirli bir enerjiye (genellikle keV ila MeV aralığında) hızlandırılması ve ardından malzemenin yüzeyinin fiziksel özelliklerini değiştirmek için katı bir malzemenin yüzeyine enjekte edilmesi işlemini ifade eder. Entegre devre işleminde, katı malzeme genellikle silikondur ve implante edilen yabancı madde iyonları genellikle bor iyonları, fosfor iyonları, arsenik iyonları, indiyum iyonları, germanyum iyonları vb.'dir. İmplante edilen iyonlar, katının yüzeyinin iletkenliğini değiştirebilir. malzeme veya bir PN bağlantısı oluşturun. Entegre devrelerin özellik boyutu mikron altı çağa indirildiğinde, iyon yerleştirme işlemi yaygın olarak kullanıldı.
Entegre devre üretim sürecinde iyon implantasyonu genellikle derin gömülü katmanlar, ters katkılı kuyular, eşik voltajı ayarı, kaynak ve drenaj uzatma implantasyonu, kaynak ve drenaj implantasyonu, polisilikon kapı katkılaması, PN bağlantılarının ve dirençlerin/kapasitörlerin oluşturulması vb. için kullanılır. Yalıtkanlar üzerinde silikon alt tabaka malzemelerinin hazırlanması sürecinde, gömülü oksit tabakası esas olarak yüksek konsantrasyonlu oksijen iyonu implantasyonuyla oluşturulur veya akıllı kesme, yüksek konsantrasyonlu hidrojen iyonu implantasyonuyla elde edilir.
İyon implantasyonu bir iyon implantörü tarafından gerçekleştirilir ve bunun en önemli süreç parametreleri doz ve enerjidir: doz nihai konsantrasyonu belirler ve enerji iyonların aralığını (yani derinliğini) belirler. Farklı cihaz tasarımı gereksinimlerine göre implantasyon koşulları, yüksek dozda yüksek enerji, orta dozda orta enerji, orta dozda düşük enerji veya yüksek dozda düşük enerji olarak ayrılır. İdeal implantasyon etkisini elde etmek amacıyla, farklı implantasyon cihazlarının farklı proses gereksinimlerine göre donatılması gerekir.
İyon implantasyonundan sonra, iyon implantasyonunun neden olduğu kafes hasarını onarmak ve safsızlık iyonlarını aktive etmek için genellikle yüksek sıcaklıkta bir tavlama işleminden geçmek gerekir. Geleneksel entegre devre proseslerinde tavlama sıcaklığının katkılama üzerinde büyük etkisi olmasına rağmen iyon implantasyon prosesinin sıcaklığı önemli değildir. 14 nm'nin altındaki teknoloji düğümlerinde, kafes hasarının vb. etkilerini değiştirmek için düşük veya yüksek sıcaklıktaki ortamlarda belirli iyon implantasyon işlemlerinin gerçekleştirilmesi gerekir.
2. iyon implantasyon süreci
2.1 Temel Prensipler
İyon implantasyonu, 1960'larda geliştirilen ve birçok açıdan geleneksel difüzyon tekniklerinden üstün olan bir doping işlemidir.
İyon implantasyon katkılaması ile geleneksel difüzyon katkılaması arasındaki temel farklar şunlardır:
(1) Katkılı bölgedeki safsızlık konsantrasyonunun dağılımı farklıdır. İyon implantasyonunun en yüksek safsızlık konsantrasyonu kristalin içinde bulunurken, difüzyonun en yüksek safsızlık konsantrasyonu kristalin yüzeyinde bulunur.
(2) İyon implantasyonu oda sıcaklığında, hatta düşük sıcaklıkta gerçekleştirilen bir işlemdir ve üretim süresi kısadır. Difüzyon dopingi daha uzun bir yüksek sıcaklık tedavisi gerektirir.
(3) İyon implantasyonu, implante edilen elemanların daha esnek ve hassas seçimine olanak tanır.
(4) Safsızlıklar termal difüzyondan etkilendiğinden, kristale iyon implantasyonuyla oluşturulan dalga biçimi, kristalde difüzyonla oluşturulan dalga biçiminden daha iyidir.
(5) İyon implantasyonu genellikle maske malzemesi olarak yalnızca fotorezisti kullanır, ancak difüzyon katkılaması maske olarak belirli bir kalınlıkta bir filmin büyümesini veya birikmesini gerektirir.
(6) İyon implantasyonu temel olarak difüzyonun yerini almış ve günümüzde entegre devrelerin üretiminde ana katkılama işlemi haline gelmiştir.
Belirli bir enerjiye sahip bir iyon ışını katı bir hedefi (genellikle bir levha) bombardıman ettiğinde, hedef yüzeyindeki iyonlar ve atomlar çeşitli etkileşimlere girecek ve enerjiyi hedef atomlara belirli bir şekilde uyarmak veya iyonlaştırmak için aktaracaktır. onlara. İyonlar ayrıca momentum aktarımı yoluyla belirli miktarda enerji kaybedebilir ve sonunda hedef atomlar tarafından saçılabilir veya hedef malzemede durabilir. Enjekte edilen iyonlar daha ağırsa iyonların çoğu katı hedefe enjekte edilecektir. Aksine, eğer enjekte edilen iyonlar daha hafifse, enjekte edilen iyonların çoğu hedef yüzeyden yansıyacaktır. Temel olarak hedefe enjekte edilen bu yüksek enerjili iyonlar, katı hedefteki kafes atomları ve elektronlarla değişen derecelerde çarpışacaktır. Bunlar arasında iyonlar ile katı hedef atomlar arasındaki çarpışma, kütleleri yakın olduğundan elastik çarpışma olarak kabul edilebilir.
2.2 İyon implantasyonunun ana parametreleri
İyon implantasyonu, sıkı çip tasarımı ve üretim gereksinimlerini karşılaması gereken esnek bir süreçtir. Önemli iyon implantasyon parametreleri şunlardır: doz, aralık.
Doz (D), silikon levha yüzeyinin birim alanı başına, santimetre kare başına atom (veya santimetre kare başına iyon) cinsinden enjekte edilen iyon sayısını ifade eder. D aşağıdaki formülle hesaplanabilir:
Burada D implantasyon dozudur (iyon sayısı/birim alan); t implantasyon zamanıdır; I ışın akımıdır; q iyonun taşıdığı yüktür (tek bir yük 1,6×1019C[1]); ve S implantasyon alanıdır.
İyon implantasyonunun silikon levha üretiminde önemli bir teknoloji haline gelmesinin ana nedenlerinden biri, aynı dozdaki yabancı maddeleri silikon levhalara tekrar tekrar yerleştirebilmesidir. İmplanter bu amaca iyonların pozitif yükünün yardımıyla ulaşır. Pozitif safsızlık iyonları bir iyon ışını oluşturduğunda, akış hızına iyon ışını akımı denir ve mA cinsinden ölçülür. Orta ve düşük akım aralığı 0,1 ila 10 mA, yüksek akım aralığı ise 10 ila 25 mA'dır.
İyon ışın akımının büyüklüğü dozun tanımlanmasında önemli bir değişkendir. Akım artarsa birim zamanda implante edilen safsızlık atomlarının sayısı da artar. Yüksek akım, silikon levha veriminin artmasına (birim üretim süresi başına daha fazla iyon enjekte edilmesine) yardımcı olur, ancak aynı zamanda tekdüzelik sorunlarına da neden olur.
3. iyon implantasyon ekipmanı
3.1 Temel Yapı
İyon implantasyon ekipmanı 7 temel modül içerir:
① iyon kaynağı ve emici;
② kütle analizörü (yani analitik mıknatıs);
③ hızlandırıcı tüp;
④ tarama diski;
⑤ elektrostatik nötralizasyon sistemi;
⑥ işlem odası;
⑦ doz kontrol sistemi.
ATüm modüller vakum sisteminin oluşturduğu vakum ortamındadır. İyon implanterinin temel yapısal diyagramı aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.
(1)İyon kaynağı:
Genellikle emme elektroduyla aynı vakum odasındadır. Enjekte edilmeyi bekleyen yabancı maddelerin elektrik alanı tarafından kontrol edilebilmesi ve hızlandırılabilmesi için iyon halinde bulunması gerekir. En yaygın olarak kullanılan B+, P+, As+ vb. atomların veya moleküllerin iyonize edilmesiyle elde edilir.
Kullanılan safsızlık kaynakları BF3, PH3 ve AsH3 vb. olup yapıları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Filament tarafından salınan elektronlar iyon üretmek için gaz atomlarıyla çarpışır. Elektronlar genellikle sıcak bir tungsten filaman kaynağı tarafından üretilir. Örneğin, Berners iyon kaynağı, katot filamanı, gaz girişi olan bir ark odasına monte edilir. Ark odasının iç duvarı anottur.
Gaz kaynağı verildiğinde filamandan büyük bir akım geçer ve pozitif ve negatif elektrotlar arasına 100 V'luk bir voltaj uygulanır, bu da filamanın çevresinde yüksek enerjili elektronlar üretecektir. Yüksek enerjili elektronlar kaynak gaz molekülleriyle çarpıştıktan sonra pozitif iyonlar üretilir.
Dış mıknatıs, iyonizasyonu artırmak ve plazmayı stabilize etmek için filamana paralel bir manyetik alan uygular. Ark odasında, filamanın diğer ucunda, elektronların üretimini ve verimliliğini artırmak için elektronları geri yansıtan negatif yüklü bir reflektör bulunur.
(2)Emilim:
İyon kaynağının ark odasında oluşan pozitif iyonları toplamak ve bunları bir iyon ışınına dönüştürmek için kullanılır. Ark odası anot olduğundan ve katot emme elektrodu üzerinde negatif basınç altında olduğundan, oluşturulan elektrik alanı pozitif iyonları kontrol ederek onların emme elektroduna doğru hareket etmelerine ve aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi iyon yarığından dışarı çekilmelerine neden olur. . Elektrik alan kuvveti ne kadar büyük olursa, iyonların hızlanma sonrasında kazanacağı kinetik enerji de o kadar büyük olur. Plazmadaki elektronların girişimini önlemek için emme elektrodu üzerinde bir bastırma voltajı da bulunmaktadır. Aynı zamanda, bastırma elektrodu iyonları bir iyon ışınına dönüştürebilir ve bunları implanterden geçecek şekilde paralel bir iyon ışın akışına odaklayabilir.
(3)Kütle analizörü:
İyon kaynağından birçok türde iyon üretilebilir. Anot voltajının hızlanması altında iyonlar yüksek hızda hareket eder. Farklı iyonların farklı atomik kütle birimleri ve farklı kütle-yük oranları vardır.
(4)Hızlandırıcı tüp:
Daha yüksek hız elde etmek için daha yüksek enerjiye ihtiyaç vardır. Hızlanma için anot ve kütle analizörünün sağladığı elektrik alanına ek olarak hızlandırıcı tüpünde sağlanan bir elektrik alanına da ihtiyaç vardır. Hızlandırıcı tüp, bir dielektrik ile izole edilmiş bir dizi elektrottan oluşur ve elektrotlar üzerindeki negatif voltaj, seri bağlantı yoluyla sırayla artar. Toplam voltaj ne kadar yüksek olursa, iyonların elde ettiği hız da o kadar büyük olur, yani taşınan enerji de o kadar büyük olur. Yüksek enerji, saf olmayan iyonların derin bir bağlantı oluşturmak için silikon tabakanın derinliklerine enjekte edilmesine izin verirken, düşük enerji sığ bir bağlantı oluşturmak için kullanılabilir.
(5)Tarama diski
Odaklanmış iyon ışınının çapı genellikle çok küçüktür. Orta ışınlı akım implanterinin ışın noktası çapı yaklaşık 1 cm'dir ve büyük ışınlı akım implanterinin ışın noktası çapı yaklaşık 3 cm'dir. Silikon tabakanın tamamı tarama ile kaplanmalıdır. Doz implantasyonunun tekrarlanabilirliği taramayla belirlenir. Genellikle dört tip implanter tarama sistemi vardır:
① elektrostatik tarama;
② mekanik tarama;
③ hibrit tarama;
④ paralel tarama.
(6)Statik elektrik nötralizasyon sistemi:
İmplantasyon işlemi sırasında iyon ışını silikon levhaya çarpar ve maske yüzeyinde yük birikmesine neden olur. Ortaya çıkan yük birikimi, iyon ışınındaki yük dengesini değiştirerek ışın noktasını daha büyük hale getirir ve doz dağılımını eşitsiz hale getirir. Hatta yüzeydeki oksit tabakasını kırıp cihazın arızalanmasına neden olabilir. Şimdi, silikon levha ve iyon ışını genellikle, silikon levhanın şarjını kontrol edebilen, plazma elektron duş sistemi adı verilen sabit, yüksek yoğunluklu bir plazma ortamına yerleştirilir. Bu yöntem, iyon ışını yolunda ve silikon levhanın yakınında bulunan bir ark odasındaki plazmadan (genellikle argon veya ksenon) elektronları çıkarır. Plazma filtrelenir ve pozitif yükü nötralize etmek için yalnızca ikincil elektronlar silikon levhanın yüzeyine ulaşabilir.
(7)Proses boşluğu:
İyon ışınlarının silikon plakalara enjeksiyonu işlem odasında gerçekleşir. İşlem odası, bir tarama sistemi, silikon levhaların yüklenmesi ve boşaltılması için vakum kilitli bir terminal istasyonu, bir silikon levha transfer sistemi ve bir bilgisayar kontrol sistemi içeren implanterin önemli bir parçasıdır. Ayrıca dozların izlenmesi ve kanal etkilerinin kontrol edilmesi için bazı cihazlar bulunmaktadır. Mekanik tarama kullanılırsa terminal istasyonu nispeten büyük olacaktır. Proses odasının vakumu, çok kademeli bir mekanik pompa, bir turbomoleküler pompa ve bir yoğuşma pompası tarafından prosesin gerektirdiği alt basınca kadar pompalanır; bu genellikle yaklaşık 1×10-6Torr veya daha azdır.
(8)Dozaj kontrol sistemi:
Bir iyon implanterinde gerçek zamanlı doz izleme, silikon levhaya ulaşan iyon ışınının ölçülmesiyle gerçekleştirilir. İyon ışını akımı, Faraday kabı adı verilen bir sensör kullanılarak ölçülür. Basit bir Faraday sisteminde iyon ışını yolunda akımı ölçen bir akım sensörü bulunmaktadır. Ancak iyon ışınının sensörle reaksiyona girmesi ve hatalı akım okumalarına yol açacak ikincil elektronlar üretmesi nedeniyle bu durum bir sorun teşkil etmektedir. Bir Faraday sistemi, gerçek bir ışın akımı okuması elde etmek için elektrik veya manyetik alanları kullanarak ikincil elektronları bastırabilir. Faraday sistemi tarafından ölçülen akım, akım akümülatörü görevi gören (ölçülen ışın akımını sürekli olarak toplayan) bir elektronik doz kontrol cihazına beslenir. Kontrolör, toplam akımı karşılık gelen implantasyon süresiyle ilişkilendirmek ve belirli bir doz için gereken süreyi hesaplamak için kullanılır.
3.2 Hasar onarımı
İyon implantasyonu, atomları kafes yapısından dışarı atacak ve silikon levha kafesine zarar verecektir. İmplante edilen doz büyükse implante edilen katman amorf hale gelecektir. Ek olarak, implante edilen iyonlar temel olarak silikonun kafes noktalarını işgal etmez, ancak kafes aralığı pozisyonlarında kalır. Bu arayer yabancı maddeleri yalnızca yüksek sıcaklıkta tavlama işleminden sonra etkinleştirilebilir.
Tavlama, kafes kusurlarını onarmak için implante edilen silikon levhayı ısıtabilir; aynı zamanda safsızlık atomlarını kafes noktalarına taşıyıp aktive edebilir. Kafes kusurlarını onarmak için gereken sıcaklık yaklaşık 500°C'dir ve safsızlık atomlarını aktive etmek için gereken sıcaklık yaklaşık 950°C'dir. Safsızlıkların aktivasyonu zaman ve sıcaklıkla ilgilidir: süre ne kadar uzunsa ve sıcaklık ne kadar yüksek olursa, yabancı maddeler o kadar tam olarak etkinleştirilir. Silikon levhaları tavlamak için iki temel yöntem vardır:
① yüksek sıcaklıkta fırın tavlaması;
② hızlı termal tavlama (RTA).
Yüksek sıcaklıkta fırın tavlaması: Yüksek sıcaklıkta fırın tavlaması, silikon levhayı 800-1000 ° C'ye ısıtmak ve 30 dakika tutmak için yüksek sıcaklıkta bir fırın kullanan geleneksel bir tavlama yöntemidir. Bu sıcaklıkta silikon atomları kafes konumuna geri döner ve safsızlık atomları da silikon atomlarının yerini alarak kafese girebilir. Bununla birlikte, böyle bir sıcaklık ve sürede ısıl işlem, yabancı maddelerin yayılmasına yol açacaktır ve bu, modern IC imalat endüstrisinin görmek istemediği bir şeydir.
Hızlı Termal Tavlama: Hızlı termal tavlama (RTA), silikon plakaları son derece hızlı sıcaklık artışıyla ve hedef sıcaklıkta (genellikle 1000°C) kısa süreyle işler. İmplante edilen silikon levhaların tavlanması genellikle Ar veya N2 içeren hızlı bir termal işlemcide gerçekleştirilir. Hızlı sıcaklık artış süreci ve kısa süre, kafes kusurlarının onarımını, safsızlıkların aktivasyonunu ve safsızlık difüzyonunun inhibisyonunu optimize edebilir. RTA aynı zamanda geçici gelişmiş difüzyonu da azaltabilir ve sığ bağlantı implantlarında bağlantı derinliğini kontrol etmenin en iyi yoludur.
—————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera sağlayabilirgrafit parçaları, yumuşak/sert keçe, silisyum karbür parçalar, CVD silisyum karbür parçalar, VeSiC/TaC kaplı parçalar30 gün içinde.
Yukarıdaki yarı iletken ürünlerle ilgileniyorsanız,lütfen ilk kez bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.
Tel: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Gönderim zamanı: Ağu-31-2024