Processo e Equipamento de Semicondutores (6/7) - Processo e Equipamento de Implantação Iônica

1. Introdução

A implantação de íons é um dos principais processos na fabricação de circuitos integrados. Refere-se ao processo de acelerar um feixe de íons até uma certa energia (geralmente na faixa de keV a MeV) e depois injetá-lo na superfície de um material sólido para alterar as propriedades físicas da superfície do material. No processo de circuito integrado, o material sólido é geralmente silício, e os íons de impureza implantados são geralmente íons de boro, íons de fósforo, íons de arsênico, íons de índio, íons de germânio, etc. material ou formar uma junção PN. Quando o tamanho dos recursos dos circuitos integrados foi reduzido à era submícron, o processo de implantação iônica foi amplamente utilizado.

No processo de fabricação de circuitos integrados, a implantação iônica é geralmente usada para camadas profundamente enterradas, poços dopados reversos, ajuste de tensão limite, implantação de extensão de fonte e dreno, implantação de fonte e dreno, dopagem de porta de polissilício, formação de junções PN e resistores/capacitores, etc. No processo de preparação de materiais de substrato de silício em isoladores, a camada de óxido enterrada é formada principalmente por implantação de íons de oxigênio em alta concentração, ou o corte inteligente é obtido por implantação de íons de hidrogênio em alta concentração.

A implantação iônica é realizada por um implantador iônico, e seus parâmetros de processo mais importantes são dose e energia: a dose determina a concentração final e a energia determina o alcance (ou seja, profundidade) dos íons. De acordo com os diferentes requisitos de design do dispositivo, as condições de implantação são divididas em alta dose de alta energia, dose média de média energia, dose média de baixa energia ou alta dose de baixa energia. Para obter o efeito de implantação ideal, diferentes implantadores devem ser equipados para diferentes requisitos de processo.

Após a implantação iônica, geralmente é necessário passar por um processo de recozimento em alta temperatura para reparar o dano à rede causado pela implantação iônica e ativar íons de impureza. Nos processos tradicionais de circuitos integrados, embora a temperatura de recozimento tenha grande influência na dopagem, a temperatura do processo de implantação iônica em si não é importante. Em nós de tecnologia abaixo de 14 nm, certos processos de implantação iônica precisam ser realizados em ambientes de baixa ou alta temperatura para alterar os efeitos dos danos à rede, etc.

2. processo de implantação iônica

2.1 Princípios Básicos
A implantação iônica é um processo de dopagem desenvolvido na década de 1960 que é superior às técnicas tradicionais de difusão na maioria dos aspectos.
As principais diferenças entre a dopagem por implantação iônica e a dopagem por difusão tradicional são as seguintes:

(1) A distribuição da concentração de impurezas na região dopada é diferente. O pico de concentração de impurezas de implantação iônica está localizado dentro do cristal, enquanto o pico de concentração de impurezas de difusão está localizado na superfície do cristal.

(2) A implantação iônica é um processo realizado em temperatura ambiente ou mesmo em baixa temperatura, e o tempo de produção é curto. O doping por difusão requer um tratamento mais longo em altas temperaturas.

(3) A implantação iônica permite uma seleção mais flexível e precisa dos elementos implantados.

(4) Como as impurezas são afetadas pela difusão térmica, a forma de onda formada pela implantação iônica no cristal é melhor do que a forma de onda formada pela difusão no cristal.

(5) A implantação iônica geralmente usa apenas fotorresiste como material de máscara, mas a dopagem por difusão requer o crescimento ou deposição de um filme de certa espessura como máscara.

(6) A implantação iônica basicamente substituiu a difusão e se tornou o principal processo de dopagem na fabricação de circuitos integrados atualmente.

Quando um feixe de íons incidente com uma certa energia bombardeia um alvo sólido (geralmente um wafer), os íons e os átomos na superfície do alvo sofrerão uma variedade de interações e transferirão energia para os átomos alvo de uma certa maneira para excitar ou ionizar. eles. Os íons também podem perder uma certa quantidade de energia através da transferência de momento e, finalmente, serem espalhados pelos átomos alvo ou parar no material alvo. Se os íons injetados forem mais pesados, a maioria dos íons será injetada no alvo sólido. Pelo contrário, se os íons injetados forem mais leves, muitos dos íons injetados irão ricochetear na superfície alvo. Basicamente, esses íons de alta energia injetados no alvo colidirão com os átomos da rede e os elétrons do alvo sólido em graus variados. Entre eles, a colisão entre íons e átomos alvo sólidos pode ser considerada uma colisão elástica porque eles têm massas próximas.

2.2 Principais parâmetros de implantação iônica

A implantação de íons é um processo flexível que deve atender aos rígidos requisitos de design e produção de chips. Parâmetros importantes de implantação iônica são: dose, faixa.

Dose (D) refere-se ao número de íons injetados por unidade de área da superfície do wafer de silício, em átomos por centímetro quadrado (ou íons por centímetro quadrado). D pode ser calculado pela seguinte fórmula:

Onde D é a dose de implantação (número de íons/unidade de área); t é o tempo de implantação; I é a corrente do feixe; q é a carga transportada pelo íon (uma única carga é 1,6×1019C[1]); e S é a área de implantação.

Uma das principais razões pelas quais a implantação iônica se tornou uma tecnologia importante na fabricação de pastilhas de silício é que ela pode implantar repetidamente a mesma dose de impurezas em pastilhas de silício. O implantador atinge esse objetivo com a ajuda da carga positiva dos íons. Quando os íons de impureza positivos formam um feixe de íons, sua taxa de fluxo é chamada de corrente do feixe de íons, que é medida em mA. A faixa de correntes médias e baixas é de 0,1 a 10 mA, e a faixa de correntes altas é de 10 a 25 mA.

A magnitude da corrente do feixe de íons é uma variável chave na definição da dose. Se a corrente aumentar, o número de átomos de impureza implantados por unidade de tempo também aumenta. A alta corrente conduz ao aumento do rendimento do wafer de silício (injetando mais íons por unidade de tempo de produção), mas também causa problemas de uniformidade.
 

3. equipamento de implantação iônica

3.1 Estrutura Básica

O equipamento de implantação iônica inclui 7 módulos básicos:

① fonte e absorvedor de íons;

② analisador de massa (ou seja, ímã analítico);

③ tubo acelerador;

④ digitalização de disco;

⑤ sistema de neutralização eletrostática;

⑥ câmara de processo;

⑦ sistema de controle de dose.

ATodos os módulos estão em um ambiente de vácuo estabelecido pelo sistema de vácuo. O diagrama estrutural básico do implantador iônico é mostrado na figura abaixo.

Porta epitaxia de 8 polegadas

 

(1)Fonte de íons:
Geralmente na mesma câmara de vácuo que o eletrodo de sucção. As impurezas que aguardam para serem injetadas devem existir em estado iônico para serem controladas e aceleradas pelo campo elétrico. Os B+, P+, As+, etc. mais comumente usados ​​são obtidos pela ionização de átomos ou moléculas.

As fontes de impurezas utilizadas são BF3, PH3 e AsH3, etc., e suas estruturas são mostradas na figura abaixo. Os elétrons liberados pelo filamento colidem com átomos de gás para produzir íons. Os elétrons são geralmente gerados por uma fonte quente de filamento de tungstênio. Por exemplo, na fonte de íons Berners, o filamento catódico é instalado em uma câmara de arco com entrada de gás. A parede interna da câmara de arco é o ânodo.

Quando a fonte de gás é introduzida, uma grande corrente passa pelo filamento e uma tensão de 100 V é aplicada entre os eletrodos positivo e negativo, o que irá gerar elétrons de alta energia ao redor do filamento. Os íons positivos são gerados depois que os elétrons de alta energia colidem com as moléculas do gás fonte.

O ímã externo aplica um campo magnético paralelo ao filamento para aumentar a ionização e estabilizar o plasma. Na câmara de arco, na outra extremidade em relação ao filamento, existe um refletor carregado negativamente que reflete os elétrons de volta para melhorar a geração e a eficiência dos elétrons.

cadinho revestido com tac

(2)Absorção:
É usado para coletar íons positivos gerados na câmara de arco da fonte de íons e transformá-los em um feixe de íons. Como a câmara do arco é o ânodo e o cátodo é pressurizado negativamente no eletrodo de sucção, o campo elétrico gerado controla os íons positivos, fazendo com que eles se movam em direção ao eletrodo de sucção e sejam retirados da fenda de íons, conforme mostrado na figura abaixo . Quanto maior a intensidade do campo elétrico, maior será a energia cinética que os íons ganham após a aceleração. Há também uma tensão de supressão no eletrodo de sucção para evitar interferência de elétrons no plasma. Ao mesmo tempo, o eletrodo de supressão pode formar íons em um feixe de íons e focalizá-los em um fluxo de feixe de íons paralelo para que passe através do implantador.

susceptor de crescimento de cristal revestido com tac

 

(3)Analisador de massa:
Pode haver muitos tipos de íons gerados a partir da fonte de íons. Sob a aceleração da tensão anódica, os íons se movem em alta velocidade. Íons diferentes têm diferentes unidades de massa atômica e diferentes proporções entre massa e carga.

(4)Tubo acelerador:
Para obter maior velocidade, é necessária maior energia. Além do campo elétrico fornecido pelo ânodo e pelo analisador de massa, um campo elétrico fornecido no tubo acelerador também é necessário para a aceleração. O tubo acelerador consiste em uma série de eletrodos isolados por um dielétrico, e a tensão negativa nos eletrodos aumenta em sequência através da conexão em série. Quanto maior a tensão total, maior será a velocidade obtida pelos íons, ou seja, maior será a energia transportada. Alta energia pode permitir que íons de impureza sejam injetados profundamente no wafer de silício para formar uma junção profunda, enquanto baixa energia pode ser usada para fazer uma junção rasa.

(5)Digitalizando disco

O feixe de íons focado geralmente tem diâmetro muito pequeno. O diâmetro do ponto de feixe de um implantador de corrente de feixe médio é de cerca de 1 cm, e o de um implantador de corrente de feixe grande é de cerca de 3 cm. Todo o wafer de silício deve ser coberto pela digitalização. A repetibilidade da implantação da dose é determinada por varredura. Normalmente, existem quatro tipos de sistemas de digitalização de implantadores:

① varredura eletrostática;

② digitalização mecânica;

③ digitalização híbrida;

④ digitalização paralela.

 

(6)Sistema de neutralização de eletricidade estática:

Durante o processo de implantação, o feixe de íons atinge o wafer de silício e faz com que a carga se acumule na superfície da máscara. O acúmulo de carga resultante altera o equilíbrio de carga no feixe de íons, tornando o ponto do feixe maior e a distribuição da dose desigual. Pode até romper a camada de óxido superficial e causar falha no dispositivo. Agora, o wafer de silício e o feixe de íons são geralmente colocados em um ambiente de plasma estável de alta densidade chamado sistema de chuveiro de elétrons de plasma, que pode controlar o carregamento do wafer de silício. Este método extrai elétrons do plasma (geralmente argônio ou xenônio) em uma câmara de arco localizada no caminho do feixe de íons e perto da pastilha de silício. O plasma é filtrado e apenas os elétrons secundários podem atingir a superfície da pastilha de silício para neutralizar a carga positiva.

(7)Cavidade do processo:
A injeção de feixes de íons em pastilhas de silício ocorre na câmara de processo. A câmara de processo é uma parte importante do implantador, incluindo um sistema de digitalização, uma estação terminal com trava a vácuo para carregar e descarregar pastilhas de silício, um sistema de transferência de pastilhas de silício e um sistema de controle de computador. Além disso, existem alguns dispositivos para monitorar doses e controlar efeitos de canal. Se for utilizada varredura mecânica, a estação terminal será relativamente grande. O vácuo da câmara de processo é bombeado para a pressão inferior exigida pelo processo por uma bomba mecânica de múltiplos estágios, uma bomba turbomolecular e uma bomba de condensação, que geralmente é cerca de 1×10-6Torr ou menos.

(8)Sistema de controle de dosagem:
O monitoramento da dose em tempo real em um implantador de íons é realizado medindo o feixe de íons que atinge o wafer de silício. A corrente do feixe de íons é medida usando um sensor chamado copo de Faraday. Num sistema Faraday simples, existe um sensor de corrente no caminho do feixe de íons que mede a corrente. No entanto, isto representa um problema, pois o feixe de íons reage com o sensor e produz elétrons secundários que resultarão em leituras de corrente erradas. Um sistema Faraday pode suprimir elétrons secundários usando campos elétricos ou magnéticos para obter uma leitura verdadeira da corrente do feixe. A corrente medida pelo sistema Faraday é alimentada em um controlador eletrônico de dose, que atua como um acumulador de corrente (que acumula continuamente a corrente medida do feixe). O controlador é utilizado para relacionar a corrente total com o tempo de implantação correspondente e calcular o tempo necessário para uma determinada dose.

3.2 Reparação de danos

A implantação iônica eliminará os átomos da estrutura da rede e danificará a estrutura do wafer de silício. Se a dose implantada for grande, a camada implantada tornar-se-á amorfa. Além disso, os íons implantados basicamente não ocupam os pontos da rede do silício, mas permanecem nas posições do intervalo da rede. Essas impurezas intersticiais só podem ser ativadas após um processo de recozimento em alta temperatura.

O recozimento pode aquecer o wafer de silício implantado para reparar defeitos da rede; também pode mover átomos de impureza para os pontos da rede e ativá-los. A temperatura necessária para reparar defeitos da rede é de cerca de 500°C, e a temperatura necessária para ativar átomos de impureza é de cerca de 950°C. A ativação das impurezas está relacionada ao tempo e à temperatura: quanto maior o tempo e quanto maior a temperatura, mais plenamente as impurezas são ativadas. Existem dois métodos básicos para recozimento de wafers de silício:

① recozimento de forno de alta temperatura;

② recozimento térmico rápido (RTA).

Recozimento em forno de alta temperatura: O recozimento em forno de alta temperatura é um método de recozimento tradicional, que usa um forno de alta temperatura para aquecer o wafer de silício a 800-1000 ℃ e mantê-lo por 30 minutos. A esta temperatura, os átomos de silício voltam para a posição da rede, e os átomos de impureza também podem substituir os átomos de silício e entrar na rede. No entanto, o tratamento térmico a tal temperatura e tempo levará à difusão de impurezas, algo que a moderna indústria de fabricação de CI não deseja ver.

Recozimento térmico rápido: O recozimento térmico rápido (RTA) trata wafers de silício com aumento de temperatura extremamente rápido e curta duração na temperatura alvo (geralmente 1000°C). O recozimento de wafers de silício implantados geralmente é realizado em um processador térmico rápido com Ar ou N2. O rápido processo de aumento de temperatura e a curta duração podem otimizar o reparo de defeitos da rede, ativação de impurezas e inibição da difusão de impurezas. A RTA também pode reduzir a difusão aprimorada transitória e é a melhor maneira de controlar a profundidade da junção em implantes de junção rasa.

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Horário da postagem: 31 de agosto de 2024