1. Introduzione
L'implantazione di ioni hè unu di i prucessi principali in a fabricazione di circuiti integrati. Si riferisce à u prucessu di accelerà un fasciu di ioni à una certa energia (in generale in a gamma di keV à MeV) è poi injecting in a superficia di un materiale solidu per cambià e proprietà fisiche di a superficia di u materiale. In u prucessu di circuitu integratu, u materiale solidu hè di solitu silicium, è i ioni impurità impiantati sò generalmente ioni boru, fosforu, ioni arsenicu, ioni indiu, ioni germaniu, etc. materiale o formanu una junction PN. Quandu a dimensione di e caratteristiche di i circuiti integrati hè stata ridutta à l'era sub-micron, u prucessu di implantazione di ioni hè stata largamente utilizata.
In u prucessu di fabricazione di circuiti integrati, l'implantazione di ioni hè generalmente aduprata per strati sepolti in profondità, pozzi dopati inversi, aghjustamentu di tensione di soglia, implantazione di estensione di fonte è drenu, implantazione di fonte è drain, doping di porta di polisiliconu, formate junctions PN è resistori / condensatori, etc. In u prucessu di preparazione di materiali di sustrato di siliciu nantu à l'insulators, a strata d'ossidu intarrata hè principalmente furmata da l'implantazione di ioni d'ossigenu à alta cuncentrazione, o u taglio intelligente hè ottenutu da l'implantazione di ioni d'idrogenu à alta cuncentrazione.
L'implantazione di ioni hè realizatu da un implantatore di ioni, è i so paràmetri di prucessu più impurtanti sò a dosa è l'energia: a dosa determina a cuncentrazione finale, è l'energia determina a gamma (ie, a prufundità) di i ioni. Sicondu diverse esigenze di cuncepimentu di u dispusitivu, i cundizioni di l'implantazione sò divisi in alta dosa, alta energia, media dose, media, media dosa, bassa energia, o alta dose, bassa energia. Per ottene l'effettu di l'implantazione ideale, i diversi implanters duveranu esse equipati per diverse esigenze di prucessu.
Dopu à l'implantazione di ioni, hè in generale necessariu di passà un prucessu d'anneling à alta temperatura per riparà i danni di lattice causati da l'implantazione di ioni è attivà i ioni impurità. In i prucessi di circuiti integrati tradiziunali, ancu s'è a temperatura di annealing hà una grande influenza nantu à u doping, a temperatura di u prucessu di implantazione di ioni ùn hè micca impurtante. À i nodi tecnulugichi sottu 14nm, certi prucessi di implantazione di ioni anu da esse realizatu in ambienti di temperatura bassa o alta per cambià l'effetti di danni di lattice, etc.
2. prucessu di implantation ion
2.1 Principi basi
L'implantazione di ioni hè un prucessu di doping sviluppatu in l'anni 1960 chì hè superiore à e tecniche di diffusione tradiziunale in a maiò parte di l'aspetti.
I principali differenze trà u doping di implantazione di ioni è u doping di diffusione tradiziunale sò i seguenti:
(1) A distribuzione di cuncentrazione di impurità in a regione dopata hè diversa. A concentrazione di impurità di punta di l'implantazione di ioni si trova in u cristallu, mentre chì a cuncintrazione di impurità di diffusione hè situata nantu à a superficia di u cristallu.
(2) L'implantazione di ioni hè un prucessu realizatu à a temperatura di l'ambienti o ancu à a bassa temperatura, è u tempu di produzzione hè cortu. U doping di diffusione richiede un trattamentu più longu à alta temperatura.
(3) L'implantazione di ioni permette una selezzione più flexible è precisa di elementi implantati.
(4) Siccomu l'impurità sò affettate da a diffusione termale, a forma d'onda formata da l'implantazione di ioni in u cristallu hè megliu cà l'onda formata da a diffusione in u cristalu.
(5) Implantazione di ioni di solitu usa solu photoresist cum'è u materiale di maschera, ma a diffusione di doping richiede a crescita o a deposizione di una film di un certu spessore cum'è maschera.
(6) L'implantazione di ioni hà basamente rimpiazzatu a diffusione è diventa u principale prucessu di doping in a fabricazione di circuiti integrati oghje.
Quandu un fasciu di ioni incidente cù una certa energia bombarda un mira solidu (di solitu un wafer), l'ioni è l'atomi nantu à a superficia di u mira subiranu una varietà di interazzione, è trasfirìanu energia à l'atomi di destinazione in una certa manera per eccitare o ionizà. elli. I ioni pò ancu perde una certa quantità di energia attraversu u trasferimentu di momentu, è infine esse spargugliati da l'atomi di destinazione o fermanu in u materiale di destinazione. Se i ioni injected sò più pesanti, a maiò parte di l'ioni seranu injected in u mira solidu. À u cuntrariu, se l'ioni injected sò più ligeri, assai di l'ioni injected rimbalzaranu da a superficia di destinazione. In fondu, questi ioni d'alta energia injectati in u mira collideranu cù l'atomi di lattice è l'elettroni in u mira solidu à varii gradi. Frà elli, a colisazione trà ioni è atomi di mira solidu pò esse cunsideratu cum'è una colisazione elastica perchè sò vicinu in massa.
2.2 Parametri principali di l'implantazione di ioni
L'implantazione di ioni hè un prucessu flessibile chì deve risponde à i stretti requisiti di cuncepimentu di chip è di produzzione. I paràmetri impurtanti di l'implantazione di ioni sò: dosa, gamma.
A dosa (D) si riferisce à u numeru di ioni injected per unità di area di a superficia di u silicuu, in atomi per centimetru quadru (o ioni per centimetru quadru). D pò esse calculatu da a seguente formula:
Induve D hè a dosa di implantazione (numaru di ioni / unità di area); t hè u tempu di implantazione; I hè a corrente di fasciu; q hè a carica purtata da u ionu (una sola carica hè 1,6 × 1019C[1]); è S hè l'area di implantazione.
Unu di i mutivi principali perchè l'implantazione di ioni hè diventata una tecnulugia impurtante in a fabricazione di wafer di siliciu hè chì pò impianta ripetutamente a stessa dosa di impurità in wafers di silicium. L'implantatore ghjunghje stu scopu cù l'aiutu di a carica positiva di i ioni. Quandu i ioni di impurità pusitivi formanu un fasciu di ioni, u so flussu hè chjamatu currente di fasciu di ioni, chì hè misurata in mA. A gamma di currenti mediu è bassu hè da 0,1 à 10 mA, è a gamma di currenti alti hè da 10 à 25 mA.
A magnitudine di a corrente di u fasciu di ioni hè una variabile chjave in a definizione di a dosa. Se u currente aumenta, u numeru di atomi di impurità implantati per unità di tempu aumenta ancu. L'alta currente conduce à l'aumentu di u rendiment di wafer di siliciu (injecting more ions per unità di u tempu di produzzione), ma ancu causa prublemi di uniformità.
3. equipamentu di implantazione di ioni
3.1 Struttura basica
L'equipaggiu di implantazione di ioni include 7 moduli basi:
① fonte di ioni è assorbitori;
② analizzatore di massa (ie magnetu analiticu);
③ tubu acceleratore;
④ scanning discu;
⑤ sistema di neutralizazione elettrostatica;
⑥ camera di prucessu;
⑦ sistema di cuntrollu di dosi.
AI moduli sò in un ambiente di vacu stabilitu da u sistema di vacuum. U schema strutturale di basa di l'implantatore di ioni hè mostratu in a figura sottu.
(1)Fonte di ioni:
Di solitu in a stessa camera di vacuum cum'è l'elettrodu di aspirazione. L'impurità chì aspetta per esse injected deve esse in un statu di ioni per esse cuntrullati è accelerati da u campu elettricu. I più cumunimenti usati B+, P+, As+, etc. sò ottenuti da atomi o molécule ionizzanti.
I fonti impurità utilizati sò BF3, PH3 è AsH3, etc., è e so strutture sò mostrate in a figura sottu. L'elettroni liberati da u filamentu scontranu cù l'atomi di gas per pruduce ioni. L'elettroni sò generalmente generati da una fonte di filamentu di tungstenu caldu. Per esempiu, a fonte di ioni Berners, u filamentu di cathode hè stallatu in una camera d'arcu cù una entrata di gas. U muru internu di a camera d'arcu hè l'anodu.
Quandu a fonte di gasu hè introduttu, un grande currente passa per u filamentu, è una tensione di 100 V hè appiicata trà l'elettrodi pusitivi è negativi, chì generarà elettroni d'alta energia intornu à u filamentu. Ioni pusitivi sò generati dopu chì l'elettroni d'alta energia scontranu cù e molécule di gas di fonte.
U magnetu esternu applica un campu magneticu parallelu à u filamentu per aumentà l'ionizazione è stabilizà u plasma. In a camera d'arcu, à l'altru finale relative à u filamentu, ci hè un riflettore caricatu negativamente chì riflette l'elettroni per migliurà a generazione è l'efficienza di l'elettroni.
(2)Assorbimentu:
Hè utilizatu per cullà ioni pusitivi generati in a camera d'arcu di a fonte di ioni è formanu in un fasciu di ioni. Siccomu a camera d'arcu hè l'anodu è u catodu hè pressurizatu negativamente nantu à l'elettrodu di aspirazione, u campu elettricu generatu cuntrola l'ioni pusitivi, facendu chì si movenu versu l'elettrodu di aspirazione è esse estratti da a fessura di ioni, cum'è mostra in a figura sottu. . Più grande hè a forza di u campu elettricu, più grande hè l'energia cinetica chì l'ioni guadagnanu dopu l'accelerazione. Ci hè ancu una tensione di suppressione in l'elettrodu di aspirazione per impedisce l'interferenza di l'elettroni in u plasma. À u listessu tempu, l'elettrodu di suppressione pò furmà ioni in un fasciu di ioni è fucalizza in un flussu di fasci di ioni paralleli in modu chì passa per l'implantatore.
(3)analizzatore di massa:
Ci ponu esse parechji tipi di ioni generati da a fonte di ioni. Sutta l'accelerazione di a tensione di l'anodu, i ioni si movenu à una velocità alta. Diversi ioni anu diverse unità di massa atomica è diverse proporzioni di massa à carica.
(4)Tubu acceleratore:
Per ottene una velocità più alta, hè necessaria una energia più alta. In più di u campu elettricu furnitu da l'anodu è l'analizzatore di massa, un campu elettricu furnitu in u tubu acceleratore hè ancu necessariu per l'accelerazione. U tubu di l'acceleratore hè custituitu da una serie di elettrodi isolati da un dielettricu, è a tensione negativa nantu à l'elettrodi aumenta in sequenza attraversu a cunnessione di serie. Quantu più altu hè a tensione tutale, più grande hè a velocità ottenuta da i ioni, vale à dì più grande hè l'energia purtata. L'alta energia pò permette à ioni di impurità per esse injected deep in u wafer di siliciu per furmà una junction profonda, mentre chì a bassa energia pò esse usata per fà una junction superficial.
(5)Scanning discu
U fasciu di ioni focalizatu hè di solitu assai chjucu in diametru. U diametru di u puntu di fasciu di un implantatore di corrente di fasciu mediu hè di circa 1 cm, è quellu di un implantatore di corrente di fasciu grande hè di circa 3 cm. L'intera wafer di silicone deve esse cuperta da scanning. A ripetibilità di l'implantazione di a dosa hè determinata da scanning. Di solitu, ci sò quattru tippi di sistemi di scanning di implanter:
① scansione elettrostatica;
② scanning meccanicu;
③ scanning hibridu;
④ scansione parallela.
(6)Sistema di neutralizazione di l'electricità statica:
Durante u prucessu d'implantazione, u fasciu di ioni colpisce a wafer di siliciu è face accumulà a carica nantu à a superficia di a maschera. L'accumulazione di carica resultanti cambia l'equilibriu di carica in u fasciu di ioni, facendu u spot di u fasciu più grande è a distribuzione di dosi irregolari. Puderia ancu sfondà a strata di l'ossidu di a superficia è causanu fallimentu di u dispositivu. Avà, u wafer di siliciu è u fasciu di ioni sò generalmente posti in un ambiente stabile di plasma d'alta densità chjamatu sistema di doccia di l'elettroni di plasma, chì pò cuntrullà a carica di l'ostia di siliciu. Stu metudu estrae l'elettroni da u plasma (di solitu argon o xenon) in una camera d'arcu situata in u percorsu di u fasciu di ioni è vicinu à a wafer di siliciu. U plasma hè filtratu è solu l'elettroni secundarii ponu ghjunghje à a superficia di l'oblea di siliciu per neutralizà a carica positiva.
(7)Cavità di prucessu:
L'iniezione di fasci di ioni in wafers di siliciu si trova in a camera di prucessu. A camera di prucessu hè una parte impurtante di l'implantatore, cumpresu un sistema di scanning, una stazione terminale cù un serratura di vacuum per a carica è scaricamentu di wafers di siliciu, un sistema di trasferimentu di wafer di siliciu è un sistema di cuntrollu di computer. In più, ci sò qualchi dispusitivi per surviglianza dosi è cuntrullà effetti canali. Se u scanning meccanicu hè utilizatu, a stazione terminale serà relativamente grande. U vacuum di a camera di prucessu hè pumped à a pressione di fondu necessariu da u prucessu da una pompa meccanica multi-stadi, una pompa turbomolecular, è una pompa di condensazione, chì generalmente hè di circa 1 × 10-6Torr o menu.
(8)Sistema di cuntrollu di dosa:
U monitoraghju di a dosa in tempu reale in un implantatore di ioni hè realizatu da a misurazione di u fasciu di ioni chì ghjunghje à a wafer di siliciu. A corrente di u fasciu di ioni hè misurata cù un sensoru chjamatu tazza di Faraday. In un sistema Faraday simplice, ci hè un sensoru di corrente in u percorsu di u fasciu di ioni chì misura u currente. In ogni casu, questu presenta un prublema, cum'è u fasciu di ioni reagisce cù u sensoru è pruduce elettroni secundari chì risulteranu in letture di corrente errate. Un sistema di Faraday pò supprime l'elettroni secundarii utilizendu campi elettrici o magnetichi per ottene una vera lettura di corrente di fasciu. U currente misuratu da u sistema Faraday hè alimentatu in un controller di dosi elettronicu, chì agisce cum'è un accumulatore di corrente (chì accumula continuamente a corrente di fasciu misurata). U controller hè utilizatu per rapportà u currente tutale à u tempu d'implantazione currispundente è calculà u tempu necessariu per una certa dosa.
3.2 Riparazione di danni
L'implantazione di ioni caccià l'atomi fora di a struttura di u reticulatu è dannu u reticulatu di silicio. Se a dosa implantata hè grande, a capa implantata diventerà amorfa. Inoltre, i ioni impiantati basamente ùn occupanu micca i punti di lattice di silicium, ma fermanu in i pusizioni di lattice gap. Queste impurità interstiziali ponu esse attivate solu dopu un prucessu di annealing à alta temperatura.
L'anneling pò scaldà u wafer di siliciu implantatu per riparà i difetti di lattice; si pò dinù spustà atomi impurità à i punti lattice è li attivà. A temperatura necessaria per riparà i difetti di lattice hè di circa 500 ° C, è a temperatura necessaria per attivà l'atomi di impurità hè di circa 950 ° C. L'attivazione di l'impurità hè ligata à u tempu è a temperatura: u più longu u tempu è a temperatura più alta, u più cumpletamente l'impurità sò attivate. Ci hè dui metudi basi per l'annealing wafers di silicium:
① ricottura di furnace à alta temperatura;
② ricottura termica rapida (RTA).
Recuit à u furnace à alta temperatura: U recuit à u fornu à alta temperatura hè un metudu tradiziunale di ricottura, chì usa un furnace à alta temperatura per riscalda u wafer di siliciu à 800-1000 ℃ è mantene per 30 minuti. À sta temperatura, l'atomi di siliciu si movenu à a pusizioni di u lattice, è l'atomi di impurità ponu ancu rimpiazzà l'atomi di siliciu è entre in u lattice. Tuttavia, u trattamentu di u calore à una tale temperatura è u tempu vi purterà à a diffusione di impurità, chì hè qualcosa chì l'industria di manifattura muderna IC ùn vole micca vede.
Rapid Thermal Annealing: Rapid Thermal Annealing (RTA) tratta i wafers di siliciu cù una crescita di temperatura estremamente rapida è una corta durata à a temperatura di destinazione (in generale 1000 ° C). L'anneling di wafers di siliciu implantati hè generalmente realizatu in un processatore termale rapidu cù Ar o N2. U prucessu rapidu di aumentu di a temperatura è a corta durata pò ottimisà a riparazione di difetti di lattice, attivazione di impurità è inhibizione di diffusione di impurità. L'RTA pò ancu riduce a diffusione avanzata transitoria è hè u megliu modu per cuntrullà a prufundità di junction in implants junction low.
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