1. Introducción
La implantación de iones es uno de los principales procesos en la fabricación de circuitos integrados. Se refiere al proceso de acelerar un haz de iones hasta una determinada energía (generalmente en el rango de keV a MeV) y luego inyectarlo en la superficie de un material sólido para cambiar las propiedades físicas de la superficie del material. En el proceso de circuito integrado, el material sólido suele ser silicio y los iones de impureza implantados suelen ser iones de boro, iones de fósforo, iones de arsénico, iones de indio, iones de germanio, etc. Los iones implantados pueden cambiar la conductividad de la superficie del sólido. material o formar una unión PN. Cuando el tamaño de las características de los circuitos integrados se redujo a la era submicrónica, el proceso de implantación de iones se utilizó ampliamente.
En el proceso de fabricación de circuitos integrados, la implantación de iones se utiliza generalmente para capas enterradas profundamente, pozos dopados inversos, ajuste de voltaje umbral, implantación de extensión de fuente y drenaje, implantación de fuente y drenaje, dopaje de puerta de polisilicio, formación de uniones PN y resistencias/condensadores, etc. En el proceso de preparación de materiales de sustrato de silicio en aisladores, la capa de óxido enterrada se forma principalmente mediante la implantación de iones de oxígeno de alta concentración, o se logra un corte inteligente mediante la implantación de iones de hidrógeno de alta concentración.
La implantación de iones se realiza mediante un implantador de iones y sus parámetros de proceso más importantes son la dosis y la energía: la dosis determina la concentración final y la energía determina el rango (es decir, la profundidad) de los iones. Según los diferentes requisitos de diseño del dispositivo, las condiciones de implantación se dividen en dosis alta de alta energía, dosis media de energía media, dosis media de baja energía o dosis alta de baja energía. Para obtener el efecto de implantación ideal, se deben equipar diferentes implantadores para diferentes requisitos del proceso.
Después de la implantación de iones, generalmente es necesario someterse a un proceso de recocido a alta temperatura para reparar el daño de la red causado por la implantación de iones y activar los iones de impureza. En los procesos de circuitos integrados tradicionales, aunque la temperatura de recocido tiene una gran influencia en el dopaje, la temperatura del proceso de implantación de iones en sí no es importante. En los nodos tecnológicos por debajo de 14 nm, ciertos procesos de implantación de iones deben realizarse en entornos de baja o alta temperatura para cambiar los efectos del daño de la red, etc.
2. proceso de implantación de iones
2.1 Principios básicos
La implantación de iones es un proceso de dopaje desarrollado en la década de 1960 que es superior a las técnicas de difusión tradicionales en la mayoría de los aspectos.
Las principales diferencias entre el dopaje por implantación de iones y el dopaje por difusión tradicional son las siguientes:
(1) La distribución de la concentración de impurezas en la región dopada es diferente. La concentración máxima de impurezas de implantación de iones se encuentra dentro del cristal, mientras que la concentración máxima de impurezas de difusión se encuentra en la superficie del cristal.
(2) La implantación de iones es un proceso que se lleva a cabo a temperatura ambiente o incluso a baja temperatura, y el tiempo de producción es corto. El dopaje por difusión requiere un tratamiento más prolongado a alta temperatura.
(3) La implantación de iones permite una selección más flexible y precisa de los elementos implantados.
(4) Dado que las impurezas se ven afectadas por la difusión térmica, la forma de onda formada por la implantación de iones en el cristal es mejor que la forma de onda formada por la difusión en el cristal.
(5) La implantación de iones generalmente solo utiliza fotoprotector como material de máscara, pero el dopaje por difusión requiere el crecimiento o deposición de una película de cierto espesor como máscara.
(6) La implantación de iones ha sustituido básicamente a la difusión y se ha convertido en la actualidad en el principal proceso de dopaje en la fabricación de circuitos integrados.
Cuando un haz de iones incidente con cierta energía bombardea un objetivo sólido (generalmente una oblea), los iones y los átomos en la superficie del objetivo sufrirán una variedad de interacciones y transferirán energía a los átomos del objetivo de una cierta manera para excitarlos o ionizarlos. a ellos. Los iones también pueden perder una cierta cantidad de energía a través de la transferencia de impulso y finalmente ser dispersados por los átomos objetivo o detenerse en el material objetivo. Si los iones inyectados son más pesados, la mayoría de los iones se inyectarán en el objetivo sólido. Por el contrario, si los iones inyectados son más ligeros, muchos de los iones inyectados rebotarán en la superficie objetivo. Básicamente, estos iones de alta energía inyectados en el objetivo chocarán con los átomos de la red y los electrones del objetivo sólido en diversos grados. Entre ellos, la colisión entre iones y átomos objetivo sólidos puede considerarse una colisión elástica porque tienen masas cercanas.
2.2 Parámetros principales de la implantación de iones
La implantación de iones es un proceso flexible que debe cumplir estrictos requisitos de diseño y producción de chips. Los parámetros importantes de implantación de iones son: dosis, rango.
La dosis (D) se refiere al número de iones inyectados por unidad de área de la superficie de la oblea de silicio, en átomos por centímetro cuadrado (o iones por centímetro cuadrado). D se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
Donde D es la dosis de implantación (número de iones/unidad de área); t es el tiempo de implantación; I es la corriente del haz; q es la carga transportada por el ion (una sola carga es 1,6×1019C[1]); y S es el área de implantación.
Una de las principales razones por las que la implantación de iones se ha convertido en una tecnología importante en la fabricación de obleas de silicio es que puede implantar repetidamente la misma dosis de impurezas en las obleas de silicio. El implantador logra este objetivo con la ayuda de la carga positiva de los iones. Cuando los iones de impureza positivos forman un haz de iones, su caudal se denomina corriente del haz de iones y se mide en mA. El rango de corrientes medias y bajas es de 0,1 a 10 mA, y el rango de corrientes altas es de 10 a 25 mA.
La magnitud de la corriente del haz de iones es una variable clave para definir la dosis. Si la corriente aumenta, también aumenta el número de átomos de impureza implantados por unidad de tiempo. La alta corriente favorece el aumento del rendimiento de las obleas de silicio (inyectando más iones por unidad de tiempo de producción), pero también causa problemas de uniformidad.
3. equipo de implantación de iones
3.1 Estructura básica
El equipo de implantación de iones incluye 7 módulos básicos.:
① fuente de iones y absorbente;
② analizador de masas (es decir, imán analítico);
③ tubo acelerador;
④ disco de escaneo;
⑤ sistema de neutralización electrostática;
⑥ cámara de proceso;
⑦ sistema de control de dosis.
ATodos los módulos están en un ambiente de vacío establecido por el sistema de vacío. El diagrama estructural básico del implantador de iones se muestra en la siguiente figura.
(1)fuente de iones:
Generalmente en la misma cámara de vacío que el electrodo de succión. Las impurezas que esperan ser inyectadas deben existir en estado iónico para poder ser controladas y aceleradas por el campo eléctrico. Los más utilizados B+, P+, As+, etc. se obtienen ionizando átomos o moléculas.
Las fuentes de impurezas utilizadas son BF3, PH3 y AsH3, etc., y sus estructuras se muestran en la siguiente figura. Los electrones liberados por el filamento chocan con los átomos del gas para producir iones. Los electrones suelen ser generados por una fuente de filamento de tungsteno caliente. Por ejemplo, en la fuente de iones de Berners, el filamento catódico está instalado en una cámara de arco con una entrada de gas. La pared interior de la cámara de arco es el ánodo.
Cuando se introduce la fuente de gas, una gran corriente pasa a través del filamento y se aplica un voltaje de 100 V entre los electrodos positivo y negativo, lo que generará electrones de alta energía alrededor del filamento. Los iones positivos se generan después de que los electrones de alta energía chocan con las moléculas del gas fuente.
El imán externo aplica un campo magnético paralelo al filamento para aumentar la ionización y estabilizar el plasma. En la cámara de arco, en el otro extremo con respecto al filamento, hay un reflector cargado negativamente que refleja los electrones para mejorar la generación y eficiencia de los electrones.
(2)Absorción:
Se utiliza para recolectar iones positivos generados en la cámara de arco de la fuente de iones y convertirlos en un haz de iones. Dado que la cámara de arco es el ánodo y el cátodo está presurizado negativamente en el electrodo de succión, el campo eléctrico generado controla los iones positivos, lo que hace que se muevan hacia el electrodo de succión y salgan de la ranura iónica, como se muestra en la siguiente figura. . Cuanto mayor es la intensidad del campo eléctrico, mayor es la energía cinética que ganan los iones después de la aceleración. También hay un voltaje de supresión en el electrodo de succión para evitar interferencias de los electrones en el plasma. Al mismo tiempo, el electrodo de supresión puede formar iones en un haz de iones y enfocarlos en una corriente de haz de iones paralela para que pase a través del implantador.
(3)analizador de masas:
Puede haber muchos tipos de iones generados a partir de la fuente de iones. Bajo la aceleración del voltaje del ánodo, los iones se mueven a gran velocidad. Los diferentes iones tienen diferentes unidades de masa atómica y diferentes relaciones masa-carga.
(4)tubo acelerador:
Para obtener mayor velocidad, se requiere mayor energía. Además del campo eléctrico proporcionado por el ánodo y el analizador de masas, para la aceleración también se requiere un campo eléctrico proporcionado en el tubo del acelerador. El tubo del acelerador consta de una serie de electrodos aislados por un dieléctrico y el voltaje negativo en los electrodos aumenta secuencialmente a través de la conexión en serie. Cuanto mayor sea el voltaje total, mayor será la velocidad obtenida por los iones, es decir, mayor será la energía transportada. La energía alta puede permitir que se inyecten iones de impureza profundamente en la oblea de silicio para formar una unión profunda, mientras que se puede usar energía baja para hacer una unión poco profunda.
(5)disco de escaneo
El haz de iones enfocado suele tener un diámetro muy pequeño. El diámetro del punto del haz de un implantador de corriente de haz medio es de aproximadamente 1 cm, y el de un implantador de corriente de haz grande es de aproximadamente 3 cm. Toda la oblea de silicio debe quedar cubierta mediante escaneo. La repetibilidad de la implantación de la dosis se determina mediante escaneo. Generalmente, existen cuatro tipos de sistemas de escaneo de implantadores:
① escaneo electrostático;
② escaneo mecánico;
③ escaneo híbrido;
④ escaneo paralelo.
(6)Sistema de neutralización de electricidad estática.:
Durante el proceso de implantación, el haz de iones golpea la oblea de silicio y provoca que se acumule carga en la superficie de la máscara. La acumulación de carga resultante cambia el equilibrio de carga en el haz de iones, haciendo que el punto del haz sea más grande y la distribución de la dosis sea desigual. Incluso puede atravesar la capa de óxido de la superficie y provocar fallos en el dispositivo. Ahora, la oblea de silicio y el haz de iones generalmente se colocan en un entorno de plasma estable de alta densidad llamado sistema de ducha de electrones de plasma, que puede controlar la carga de la oblea de silicio. Este método extrae electrones del plasma (generalmente argón o xenón) en una cámara de arco ubicada en la trayectoria del haz de iones y cerca de la oblea de silicio. El plasma se filtra y sólo los electrones secundarios pueden alcanzar la superficie de la oblea de silicio para neutralizar la carga positiva.
(7)Cavidad de proceso:
La inyección de haces de iones en obleas de silicio se produce en la cámara de proceso. La cámara de proceso es una parte importante del implantador, e incluye un sistema de escaneo, una estación terminal con una cerradura de vacío para cargar y descargar obleas de silicio, un sistema de transferencia de obleas de silicio y un sistema de control por computadora. Además, existen algunos dispositivos para monitorear dosis y controlar los efectos del canal. Si se utiliza exploración mecánica, la estación terminal será relativamente grande. El vacío de la cámara de proceso se bombea hasta la presión inferior requerida por el proceso mediante una bomba mecánica de múltiples etapas, una bomba turbomolecular y una bomba de condensación, que generalmente es de aproximadamente 1×10-6Torr o menos.
(8)Sistema de control de dosis:
El monitoreo de dosis en tiempo real en un implantador de iones se logra midiendo el haz de iones que llega a la oblea de silicio. La corriente del haz de iones se mide mediante un sensor llamado copa de Faraday. En un sistema Faraday simple, hay un sensor de corriente en la trayectoria del haz de iones que mide la corriente. Sin embargo, esto presenta un problema, ya que el haz de iones reacciona con el sensor y produce electrones secundarios que darán como resultado lecturas de corriente erróneas. Un sistema Faraday puede suprimir electrones secundarios utilizando campos eléctricos o magnéticos para obtener una lectura real de la corriente del haz. La corriente medida por el sistema de Faraday se alimenta a un controlador de dosis electrónico, que actúa como un acumulador de corriente (que acumula continuamente la corriente del haz medido). El controlador se utiliza para relacionar la corriente total con el tiempo de implantación correspondiente y calcular el tiempo necesario para una determinada dosis.
3.2 Reparación de daños
La implantación de iones expulsará los átomos de la estructura reticular y dañará la red de la oblea de silicio. Si la dosis implantada es grande, la capa implantada se volverá amorfa. Además, los iones implantados básicamente no ocupan los puntos de la red de silicio, sino que permanecen en las posiciones de los huecos de la red. Estas impurezas intersticiales sólo pueden activarse después de un proceso de recocido a alta temperatura.
El recocido puede calentar la oblea de silicio implantada para reparar defectos de la red; también puede mover átomos de impurezas a los puntos de la red y activarlos. La temperatura requerida para reparar defectos de la red es de aproximadamente 500°C, y la temperatura requerida para activar los átomos de impureza es de aproximadamente 950°C. La activación de las impurezas está relacionada con el tiempo y la temperatura: cuanto más tiempo y mayor es la temperatura, más completamente se activan las impurezas. Existen dos métodos básicos para recocer obleas de silicio:
① recocido en horno de alta temperatura;
② recocido térmico rápido (RTA).
Recocido en horno a alta temperatura: El recocido en horno a alta temperatura es un método de recocido tradicional, que utiliza un horno de alta temperatura para calentar la oblea de silicio a 800-1000 ℃ y mantenerla durante 30 minutos. A esta temperatura, los átomos de silicio regresan a la posición de la red y los átomos de impurezas también pueden reemplazar a los átomos de silicio y entrar en la red. Sin embargo, el tratamiento térmico a esa temperatura y tiempo dará lugar a la difusión de impurezas, algo que la moderna industria de fabricación de circuitos integrados no quiere ver.
Recocido térmico rápido: El recocido térmico rápido (RTA) trata las obleas de silicio con un aumento de temperatura extremadamente rápido y una duración corta a la temperatura objetivo (generalmente 1000 °C). El recocido de obleas de silicio implantadas normalmente se realiza en un procesador térmico rápido con Ar o N2. El rápido proceso de aumento de temperatura y la corta duración pueden optimizar la reparación de defectos de la red, la activación de impurezas y la inhibición de la difusión de impurezas. La RTA también puede reducir la difusión mejorada transitoria y es la mejor manera de controlar la profundidad de la unión en implantes de unión poco profunda.
——————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera puede proporcionarpiezas de grafito, fieltro suave/rígido, piezas de carburo de silicio, Piezas de carburo de silicio CVD, yPiezas recubiertas de SiC/TaCcon en 30 días.
Si está interesado en los productos semiconductores anteriores,no dude en contactarnos la primera vez.
Teléfono: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Hora de publicación: 31 de agosto de 2024