1. Panimula
Ang pagtatanim ng ion ay isa sa mga pangunahing proseso sa pagmamanupaktura ng integrated circuit. Ito ay tumutukoy sa proseso ng pagpapabilis ng isang ion beam sa isang tiyak na enerhiya (karaniwan ay nasa hanay ng keV hanggang MeV) at pagkatapos ay iniksyon ito sa ibabaw ng isang solidong materyal upang baguhin ang mga pisikal na katangian ng ibabaw ng materyal. Sa proseso ng integrated circuit, ang solidong materyal ay kadalasang silikon, at ang itinanim na impurity ions ay kadalasang mga boron ions, phosphorus ions, arsenic ions, indium ions, germanium ions, atbp. Ang implanted ions ay maaaring magbago ng conductivity ng ibabaw ng solid. materyal o bumuo ng PN junction. Kapag ang laki ng tampok ng mga integrated circuit ay nabawasan sa panahon ng sub-micron, ang proseso ng pagtatanim ng ion ay malawakang ginamit.
Sa proseso ng pagmamanupaktura ng integrated circuit, ang ion implantation ay karaniwang ginagamit para sa malalim na nakabaon na mga layer, reverse doped wells, threshold voltage adjustment, source at drain extension implantation, source at drain implantation, polysilicon gate doping, bumubuo ng PN junctions at resistors/capacitors, atbp. Sa proseso ng paghahanda ng mga materyal na substrate ng silikon sa mga insulator, ang nakabaon na layer ng oxide ay pangunahing nabuo sa pamamagitan ng mataas na konsentrasyon ng oxygen ion. implantation, o intelligent cutting ay nakakamit sa pamamagitan ng high-concentration hydrogen ion implantation.
Ang pagtatanim ng ion ay isinasagawa ng isang ion implanter, at ang pinakamahalagang parameter ng proseso nito ay dosis at enerhiya: tinutukoy ng dosis ang panghuling konsentrasyon, at tinutukoy ng enerhiya ang saklaw (ibig sabihin, lalim) ng mga ion. Ayon sa iba't ibang mga kinakailangan sa disenyo ng device, ang mga kondisyon ng pagtatanim ay nahahati sa high-dose high-energy, medium-dose medium-energy, medium-dose low-energy, o high-dose low-energy. Upang makuha ang perpektong epekto ng pagtatanim, ang iba't ibang mga implanter ay dapat na nilagyan para sa iba't ibang mga kinakailangan sa proseso.
Pagkatapos ng ion implantation, sa pangkalahatan ay kinakailangan na sumailalim sa isang mataas na temperatura na proseso ng pagsusubo upang ayusin ang pinsala ng sala-sala na dulot ng pagtatanim ng ion at i-activate ang mga impurity ions. Sa tradisyonal na mga proseso ng integrated circuit, bagaman ang temperatura ng pagsusubo ay may malaking impluwensya sa doping, ang temperatura ng proseso ng pagtatanim ng ion mismo ay hindi mahalaga. Sa mga node ng teknolohiya na mas mababa sa 14nm, ang ilang mga proseso ng pagtatanim ng ion ay kailangang isagawa sa mababa o mataas na temperatura na mga kapaligiran upang mabago ang mga epekto ng pagkasira ng sala-sala, atbp.
2. proseso ng pagtatanim ng ion
2.1 Mga Pangunahing Prinsipyo
Ang ion implantation ay isang proseso ng doping na binuo noong 1960s na mas mataas kaysa sa tradisyonal na mga diskarte sa pagsasabog sa karamihan ng mga aspeto.
Ang mga pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng ion implantation doping at tradisyonal na diffusion doping ay ang mga sumusunod:
(1) Ang pamamahagi ng konsentrasyon ng karumihan sa doped na rehiyon ay iba. Ang peak impurity concentration ng ion implantation ay matatagpuan sa loob ng crystal, habang ang peak impurity concentration ng diffusion ay matatagpuan sa ibabaw ng crystal.
(2) Ang pagtatanim ng ion ay isang proseso na isinasagawa sa temperatura ng silid o kahit sa mababang temperatura, at ang oras ng produksyon ay maikli. Ang diffusion doping ay nangangailangan ng mas mahabang paggamot sa mataas na temperatura.
(3) Ang ion implantation ay nagbibigay-daan para sa mas nababaluktot at tumpak na pagpili ng mga implant na elemento.
(4) Dahil ang mga impurities ay apektado ng thermal diffusion, ang waveform na nabuo ng ion implantation sa kristal ay mas mahusay kaysa sa waveform na nabuo sa diffusion sa crystal.
(5) Ang ion implantation ay kadalasang gumagamit lamang ng photoresist bilang mask material, ngunit ang diffusion doping ay nangangailangan ng paglaki o pagdeposito ng isang pelikula ng isang tiyak na kapal bilang isang maskara.
(6) Ang ion implantation ay karaniwang pinalitan ang diffusion at naging pangunahing proseso ng doping sa paggawa ng mga integrated circuit ngayon.
Kapag ang isang insidente na sinag ng ion na may isang tiyak na enerhiya ay nagbomba sa isang solidong target (karaniwan ay isang wafer), ang mga ion at ang mga atomo sa target na ibabaw ay sasailalim sa iba't ibang mga pakikipag-ugnayan, at maglilipat ng enerhiya sa mga target na atomo sa isang tiyak na paraan upang ma-excite o mag-ionize. sila. Ang mga ion ay maaari ring mawalan ng isang tiyak na halaga ng enerhiya sa pamamagitan ng paglipat ng momentum, at sa wakas ay nakakalat ng mga target na atomo o huminto sa target na materyal. Kung ang mga na-inject na ion ay mas mabigat, ang karamihan sa mga ion ay iturok sa solid target. Sa kabaligtaran, kung ang mga na-inject na ion ay mas magaan, marami sa mga na-inject na ion ay talbog sa target na ibabaw. Karaniwang, ang mga high-energy ions na ito na na-injected sa target ay magbabangga sa mga atomo ng sala-sala at mga electron sa solid na target sa iba't ibang antas. Kabilang sa mga ito, ang banggaan sa pagitan ng mga ion at solidong target na mga atomo ay maaaring ituring bilang isang nababanat na banggaan dahil malapit sila sa masa.
2.2 Pangunahing mga parameter ng ion implantation
Ang ion implantation ay isang flexible na proseso na dapat matugunan ang mahigpit na disenyo ng chip at mga kinakailangan sa produksyon. Ang mga mahahalagang parameter ng pagtatanim ng ion ay: dosis, saklaw.
Ang Dose (D) ay tumutukoy sa bilang ng mga ions na na-injected sa bawat unit area ng silicon wafer surface, sa mga atoms bawat square centimeter (o ions per square centimeter). Ang D ay maaaring kalkulahin sa pamamagitan ng sumusunod na formula:
Kung saan ang D ay ang implantation dose (bilang ng mga ion/unit area); t ay ang oras ng pagtatanim; Ako ang kasalukuyang sinag; q ay ang singil na dala ng ion (isang singil ay 1.6×1019C[1]); at S ay ang implantation area.
Isa sa mga pangunahing dahilan kung bakit ang ion implantation ay naging isang mahalagang teknolohiya sa paggawa ng silicon wafer ay ang paulit-ulit nitong implant ng parehong dosis ng mga impurities sa mga silicon na wafer. Nakamit ng implanter ang layuning ito sa tulong ng positibong singil ng mga ion. Kapag ang mga positibong impurity ions ay bumubuo ng isang ion beam, ang rate ng daloy nito ay tinatawag na ion beam current, na sinusukat sa mA. Ang hanay ng mga daluyan at mababang alon ay 0.1 hanggang 10 mA, at ang hanay ng mataas na alon ay 10 hanggang 25 mA.
Ang magnitude ng kasalukuyang ion beam ay isang pangunahing variable sa pagtukoy ng dosis. Kung ang kasalukuyang pagtaas, ang bilang ng mga impurity atoms na itinanim sa bawat yunit ng oras ay tataas din. Ang mataas na kasalukuyang ay nakakatulong sa pagtaas ng ani ng silicon wafer (pag-iniksyon ng higit pang mga ions bawat yunit ng oras ng produksyon), ngunit nagdudulot din ito ng mga problema sa pagkakapareho.
3. kagamitan sa pagtatanim ng ion
3.1 Pangunahing Istruktura
Ang mga kagamitan sa pagtatanim ng ion ay may kasamang 7 pangunahing mga module:
① pinagmulan ng ion at sumisipsip;
② mass analyzer (ibig sabihin, analytical magnet);
③ accelerator tube;
④ pag-scan sa disk;
⑤ electrostatic neutralization system;
⑥ proseso ng silid;
⑦ sistema ng pagkontrol sa dosis.
AAng lahat ng mga module ay nasa isang vacuum na kapaligiran na itinatag ng vacuum system. Ang pangunahing structural diagram ng ion implanter ay ipinapakita sa figure sa ibaba.
(1)Pinagmumulan ng ion:
Karaniwan sa parehong silid ng vacuum bilang ang suction electrode. Ang mga dumi na naghihintay na ma-inject ay dapat na nasa isang estado ng ion upang makontrol at mapabilis ng electric field. Ang pinakakaraniwang ginagamit na B+, P+, As+, atbp. ay nakukuha sa pamamagitan ng ionizing atoms o molecules.
Ang mga pinagmumulan ng karumihan na ginamit ay BF3, PH3 at AsH3, atbp., at ang kanilang mga istruktura ay ipinapakita sa figure sa ibaba. Ang mga electron na inilabas ng filament ay bumabangga sa mga atomo ng gas upang makagawa ng mga ion. Ang mga electron ay karaniwang nabuo sa pamamagitan ng isang mainit na pinagmumulan ng filament ng tungsten. Halimbawa, ang Berners ion source, ang cathode filament ay naka-install sa isang arc chamber na may gas inlet. Ang panloob na dingding ng silid ng arko ay ang anode.
Kapag ang pinagmumulan ng gas ay ipinakilala, isang malaking kasalukuyang dumadaan sa filament, at isang boltahe na 100 V ang inilapat sa pagitan ng positibo at negatibong mga electrodes, na bubuo ng mga electron na may mataas na enerhiya sa paligid ng filament. Nabubuo ang mga positibong ion pagkatapos bumangga ang mga electron na may mataas na enerhiya sa mga molekula ng pinagmulang gas.
Ang panlabas na magnet ay naglalapat ng magnetic field na kahanay ng filament upang mapataas ang ionization at patatagin ang plasma. Sa arc chamber, sa kabilang dulo na may kaugnayan sa filament, mayroong isang negatibong sisingilin na reflector na sumasalamin sa mga electron pabalik upang mapabuti ang henerasyon at kahusayan ng mga electron.
(2)Pagsipsip:
Ito ay ginagamit upang mangolekta ng mga positibong ion na nabuo sa arc chamber ng pinagmulan ng ion at bumuo ng mga ito sa isang ion beam. Dahil ang arc chamber ay ang anode at ang cathode ay negatibong may presyon sa suction electrode, ang electric field na nabuo ay kumokontrol sa mga positibong ion, na nagiging sanhi ng mga ito na lumipat patungo sa suction electrode at maaalis mula sa ion slit, tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba . Kung mas malaki ang lakas ng electric field, mas malaki ang kinetic energy na nakukuha ng mga ions pagkatapos ng acceleration. Mayroon ding suppression voltage sa suction electrode upang maiwasan ang interference mula sa mga electron sa plasma. Kasabay nito, ang suppression electrode ay maaaring bumuo ng mga ions sa isang ion beam at ituon ang mga ito sa isang parallel ion beam stream upang ito ay dumaan sa implanter.
(3)Mass analyzer:
Maaaring may maraming uri ng mga ion na nabuo mula sa pinagmulan ng ion. Sa ilalim ng acceleration ng anode boltahe, ang mga ions ay gumagalaw sa isang mataas na bilis. Ang iba't ibang mga ion ay may iba't ibang mga atomic mass unit at iba't ibang mass-to-charge ratios.
(4)Tubong accelerator:
Upang makakuha ng mas mataas na bilis, kinakailangan ang mas mataas na enerhiya. Bilang karagdagan sa electric field na ibinigay ng anode at mass analyzer, ang isang electric field na ibinigay sa accelerator tube ay kinakailangan din para sa acceleration. Ang accelerator tube ay binubuo ng isang serye ng mga electrodes na nakahiwalay sa pamamagitan ng isang dielectric, at ang negatibong boltahe sa mga electrodes ay tumataas sa pagkakasunud-sunod sa pamamagitan ng serye na koneksyon. Kung mas mataas ang kabuuang boltahe, mas malaki ang bilis na nakuha ng mga ions, iyon ay, mas malaki ang enerhiya na dinadala. Ang mataas na enerhiya ay maaaring magpapahintulot sa mga impurity ions na ma-inject nang malalim sa silicon wafer upang bumuo ng isang malalim na junction, habang ang mababang enerhiya ay maaaring gamitin upang makagawa ng isang mababaw na junction.
(5)Pag-scan sa disk
Ang nakatutok na ion beam ay kadalasang napakaliit sa diameter. Ang diameter ng beam spot ng isang medium beam current implanter ay mga 1 cm, at ang sa isang malaking beam current implanter ay mga 3 cm. Ang buong silicon wafer ay dapat na sakop ng pag-scan. Ang repeatability ng implantation ng dosis ay tinutukoy sa pamamagitan ng pag-scan. Karaniwan, mayroong apat na uri ng implanter scanning system:
① electrostatic scanning;
② mekanikal na pag-scan;
③ hybrid scanning;
④ parallel scanning.
(6)Static na sistema ng neutralisasyon ng kuryente:
Sa panahon ng proseso ng pagtatanim, ang ion beam ay tumama sa silicon wafer at nagiging sanhi ng pag-iipon ng singil sa ibabaw ng maskara. Ang nagresultang akumulasyon ng singil ay nagbabago sa balanse ng singil sa ion beam, na ginagawang mas malaki ang beam spot at hindi pantay ang pamamahagi ng dosis. Maaari pa itong masira sa ibabaw na layer ng oxide at maging sanhi ng pagkabigo ng device. Ngayon, ang silicon wafer at ion beam ay karaniwang inilalagay sa isang stable na high-density na plasma na kapaligiran na tinatawag na plasma electron shower system, na maaaring makontrol ang pagsingil ng silicon wafer. Ang pamamaraang ito ay kumukuha ng mga electron mula sa plasma (karaniwan ay argon o xenon) sa isang arc chamber na matatagpuan sa landas ng ion beam at malapit sa silicon wafer. Ang plasma ay sinasala at ang mga pangalawang electron lamang ang makakarating sa ibabaw ng silicon wafer upang ma-neutralize ang positibong singil.
(7)Proseso ng lukab:
Ang pag-iniksyon ng mga ion beam sa mga wafer ng silikon ay nangyayari sa silid ng proseso. Ang process chamber ay isang mahalagang bahagi ng implanter, kabilang ang isang scanning system, isang terminal station na may vacuum lock para sa paglo-load at pag-unload ng mga silicon wafer, isang silicon wafer transfer system, at isang computer control system. Bilang karagdagan, mayroong ilang mga aparato para sa pagsubaybay sa mga dosis at pagkontrol sa mga epekto ng channel. Kung ginamit ang mekanikal na pag-scan, ang terminal station ay magiging medyo malaki. Ang vacuum ng process chamber ay ibinobomba sa ilalim na presyon na kinakailangan ng proseso ng isang multi-stage mechanical pump, isang turbomolecular pump, at isang condensation pump, na sa pangkalahatan ay mga 1×10-6Torr o mas mababa.
(8)Sistema ng kontrol ng dosis:
Ang real-time na pagsubaybay sa dosis sa isang ion implanter ay nagagawa sa pamamagitan ng pagsukat ng ion beam na umaabot sa silicon wafer. Ang ion beam current ay sinusukat gamit ang isang sensor na tinatawag na Faraday cup. Sa isang simpleng sistema ng Faraday, mayroong kasalukuyang sensor sa landas ng ion beam na sumusukat sa kasalukuyang. Gayunpaman, ito ay nagpapakita ng isang problema, dahil ang ion beam ay tumutugon sa sensor at gumagawa ng mga pangalawang electron na magreresulta sa mga maling kasalukuyang pagbabasa. Maaaring sugpuin ng sistema ng Faraday ang mga pangalawang electron gamit ang mga electric o magnetic field upang makakuha ng totoong beam current reading. Ang kasalukuyang sinusukat ng sistema ng Faraday ay inilalagay sa isang electronic dose controller, na nagsisilbing kasalukuyang nagtitipon (na patuloy na nag-iipon ng sinusukat na beam current). Ginagamit ang controller upang iugnay ang kabuuang kasalukuyang sa kaukulang oras ng pagtatanim at kalkulahin ang oras na kinakailangan para sa isang tiyak na dosis.
3.2 Pag-aayos ng pinsala
Ang pagtatanim ng ion ay magpapatumba ng mga atomo mula sa istraktura ng sala-sala at masisira ang silicon wafer lattice. Kung malaki ang itinanim na dosis, ang itinanim na layer ay magiging amorphous. Bilang karagdagan, ang mga nakatanim na ion ay karaniwang hindi sumasakop sa mga lattice point ng silikon, ngunit manatili sa mga posisyon ng lattice gap. Ang mga interstitial impurities na ito ay maaari lamang i-activate pagkatapos ng isang mataas na temperatura na proseso ng pagsusubo.
Ang pagsusubo ay maaaring magpainit sa itinanim na silicon na wafer upang ayusin ang mga depekto ng sala-sala; maaari din nitong ilipat ang mga impurity atom sa mga lattice point at i-activate ang mga ito. Ang temperatura na kinakailangan upang ayusin ang mga depekto sa sala-sala ay humigit-kumulang 500°C, at ang temperatura na kinakailangan upang maisaaktibo ang mga atomo ng karumihan ay humigit-kumulang 950°C. Ang pag-activate ng mga impurities ay nauugnay sa oras at temperatura: mas mahaba ang oras at mas mataas ang temperatura, mas ganap na aktibo ang mga impurities. Mayroong dalawang pangunahing pamamaraan para sa pagsusubo ng mga wafer ng silikon:
① mataas na temperatura na pagsusubo ng pugon;
② mabilis na thermal annealing (RTA).
High temperature furnace annealing: Ang high temperature furnace annealing ay isang tradisyunal na paraan ng annealing, na gumagamit ng high temperature furnace para painitin ang silicon wafer sa 800-1000℃ at panatilihin ito ng 30 minuto. Sa temperaturang ito, ang mga atomo ng silikon ay bumalik sa posisyon ng sala-sala, at ang mga atomo ng karumihan ay maaari ring palitan ang mga atomo ng silikon at makapasok sa sala-sala. Gayunpaman, ang paggamot sa init sa gayong temperatura at oras ay hahantong sa pagsasabog ng mga dumi, na isang bagay na hindi gustong makita ng modernong industriya ng pagmamanupaktura ng IC.
Rapid Thermal Annealing: Tinatrato ng Rapid thermal annealing (RTA) ang mga silicon na wafer na may napakabilis na pagtaas ng temperatura at maikling tagal sa target na temperatura (karaniwan ay 1000°C). Ang pagsusubo ng mga implanted na silicon na wafer ay karaniwang ginagawa sa isang mabilis na thermal processor na may Ar o N2. Ang mabilis na proseso ng pagtaas ng temperatura at maikling tagal ay maaaring ma-optimize ang pag-aayos ng mga depekto sa sala-sala, pag-activate ng mga impurities at pagsugpo ng diffusion ng impurity. Maaari ding bawasan ng RTA ang lumilipas na pinahusay na pagsasabog at ito ang pinakamahusay na paraan upang makontrol ang lalim ng junction sa mga shallow junction implant.
—————————————————————————————————————————————————— ———————————-
Maaaring magbigay ang Semiceramga bahagi ng grapayt, malambot/matigas ang pakiramdam, mga bahagi ng silicon carbide, Mga bahagi ng CVD silicon carbide, atMga bahaging pinahiran ng SiC/TaCkasama sa loob ng 30 araw.
Kung interesado ka sa mga produktong semiconductor sa itaas,mangyaring huwag mag-atubiling makipag-ugnay sa amin sa unang pagkakataon.
Tel: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Oras ng post: Aug-31-2024