1. Introduzione
L'impianto ionico è uno dei processi principali nella produzione di circuiti integrati. Si riferisce al processo di accelerazione di un fascio ionico a una certa energia (generalmente nell'intervallo da KeV a MeV) e quindi di iniezione nella superficie di un materiale solido per modificare le proprietà fisiche della superficie del materiale. Nel processo del circuito integrato, il materiale solido è solitamente silicio e gli ioni impurità impiantati sono solitamente ioni boro, ioni fosforo, ioni arsenico, ioni indio, ioni germanio, ecc. Gli ioni impiantati possono modificare la conduttività della superficie del solido materiale o formare una giunzione PN. Quando le dimensioni dei circuiti integrati furono ridotte all'era dei submicron, il processo di impiantazione ionica fu ampiamente utilizzato.
Nel processo di produzione di circuiti integrati, l'impianto ionico viene solitamente utilizzato per strati sepolti profondi, pozzetti drogati inversi, regolazione della tensione di soglia, impianto di estensioni di sorgente e drenaggio, impianto di sorgente e drenaggio, drogaggio del gate di polisilicio, formazione di giunzioni PN e resistori/condensatori, ecc. Nel processo di preparazione dei materiali del substrato di silicio sugli isolanti, lo strato di ossido sepolto è formato principalmente mediante impiantazione di ioni di ossigeno ad alta concentrazione, oppure il taglio intelligente è ottenuto mediante impiantazione di ioni di idrogeno ad alta concentrazione.
L'impianto ionico viene eseguito da un impiantatore ionico e i suoi parametri di processo più importanti sono la dose e l'energia: la dose determina la concentrazione finale e l'energia determina l'intervallo (cioè la profondità) degli ioni. In base ai diversi requisiti di progettazione del dispositivo, le condizioni di impianto sono suddivise in alta dose ad alta energia, media dose a media energia, media dose a bassa energia o alta dose a bassa energia. Per ottenere l'effetto di impianto ideale, diversi impiantatori dovrebbero essere attrezzati per requisiti di processo diversi.
Dopo l'impianto ionico, è generalmente necessario sottoporsi a un processo di ricottura ad alta temperatura per riparare il danno reticolare causato dall'impianto ionico e attivare gli ioni impurità. Nei processi tradizionali dei circuiti integrati, sebbene la temperatura di ricottura abbia una grande influenza sul drogaggio, la temperatura del processo di impiantazione ionica in sé non è importante. Nei nodi tecnologici inferiori a 14 nm, alcuni processi di impianto ionico devono essere eseguiti in ambienti a bassa o alta temperatura per modificare gli effetti del danno reticolare, ecc.
2. processo di impiantazione ionica
2.1 Principi di base
L'impianto ionico è un processo di drogaggio sviluppato negli anni '60 che è superiore alle tradizionali tecniche di diffusione sotto molti aspetti.
Le principali differenze tra il drogaggio per impiantazione ionica e il drogaggio per diffusione tradizionale sono le seguenti:
(1) La distribuzione della concentrazione di impurità nella regione drogata è diversa. Il picco di concentrazione di impurità dell'impianto ionico si trova all'interno del cristallo, mentre il picco di concentrazione di impurità di diffusione si trova sulla superficie del cristallo.
(2) L'impianto ionico è un processo eseguito a temperatura ambiente o anche a bassa temperatura e il tempo di produzione è breve. Il doping per diffusione richiede un trattamento più lungo ad alta temperatura.
(3) L'impianto ionico consente una selezione più flessibile e precisa degli elementi impiantati.
(4) Poiché le impurità sono influenzate dalla diffusione termica, la forma d'onda formata dall'impianto ionico nel cristallo è migliore della forma d'onda formata dalla diffusione nel cristallo.
(5) L'impianto ionico di solito utilizza solo il fotoresist come materiale della maschera, ma il drogaggio per diffusione richiede la crescita o la deposizione di una pellicola di un certo spessore come maschera.
(6) L'impianto ionico ha sostanzialmente sostituito la diffusione ed è diventato oggi il principale processo di drogaggio nella produzione di circuiti integrati.
Quando un fascio ionico incidente con una certa energia bombarda un bersaglio solido (solitamente un wafer), gli ioni e gli atomi sulla superficie del bersaglio subiranno una varietà di interazioni e trasferiranno energia agli atomi bersaglio in un certo modo per eccitare o ionizzare loro. Gli ioni possono anche perdere una certa quantità di energia attraverso il trasferimento di quantità di moto e infine essere dispersi dagli atomi bersaglio o fermarsi nel materiale bersaglio. Se gli ioni iniettati sono più pesanti, la maggior parte degli ioni verrà iniettata nel bersaglio solido. Al contrario, se gli ioni iniettati sono più leggeri, molti degli ioni iniettati rimbalzeranno sulla superficie del bersaglio. Fondamentalmente, questi ioni ad alta energia iniettati nel bersaglio entreranno in collisione con gli atomi e gli elettroni del reticolo nel bersaglio solido a vari livelli. Tra questi, la collisione tra ioni e atomi bersaglio solidi può essere considerata una collisione elastica perché hanno massa vicina.
2.2 Principali parametri dell'impianto ionico
L'impianto ionico è un processo flessibile che deve soddisfare severi requisiti di progettazione e produzione dei chip. Parametri importanti per l'impianto ionico sono: dose, intervallo.
La dose (D) si riferisce al numero di ioni iniettati per unità di area della superficie del wafer di silicio, in atomi per centimetro quadrato (o ioni per centimetro quadrato). D può essere calcolato con la seguente formula:
Dove D è la dose di impianto (numero di ioni/unità di superficie); t è il tempo di impianto; I è la corrente del fascio; q è la carica trasportata dallo ione (una singola carica è 1,6×1019C[1]); e S è l'area di impianto.
Uno dei motivi principali per cui l'impianto ionico è diventato una tecnologia importante nella produzione di wafer di silicio è che può impiantare ripetutamente la stessa dose di impurità nei wafer di silicio. L'impiantatore raggiunge questo obiettivo con l'aiuto della carica positiva degli ioni. Quando gli ioni impurità positivi formano un fascio ionico, la sua portata è chiamata corrente del fascio ionico, che viene misurata in mA. L'intervallo delle correnti medie e basse è compreso tra 0,1 e 10 mA, mentre l'intervallo delle correnti alte è compreso tra 10 e 25 mA.
L'entità della corrente del fascio ionico è una variabile chiave nella definizione della dose. Se la corrente aumenta, aumenta anche il numero di atomi di impurità impiantati nell'unità di tempo. Una corrente elevata favorisce l'aumento della resa del wafer di silicio (iniettando più ioni per unità di tempo di produzione), ma causa anche problemi di uniformità.
3. apparecchiature per l'impianto ionico
3.1 Struttura di base
L'attrezzatura per l'impianto ionico comprende 7 moduli base:
① sorgente ionica e assorbitore;
② analizzatore di massa (cioè magnete analitico);
③ tubo dell'acceleratore;
④ scansione del disco;
⑤ sistema di neutralizzazione elettrostatica;
⑥ camera di processo;
⑦ sistema di controllo della dose.
ATutti i moduli si trovano in un ambiente sottovuoto stabilito dal sistema del vuoto. Lo schema strutturale di base dell'impiantatore ionico è mostrato nella figura seguente.
(1)Sorgente ionica:
Solitamente nella stessa camera a vuoto dell'elettrodo di aspirazione. Le impurità in attesa di essere iniettate devono esistere allo stato ionico per essere controllate e accelerate dal campo elettrico. I B+, P+, As+, ecc. più comunemente usati si ottengono ionizzando atomi o molecole.
Le fonti di impurità utilizzate sono BF3, PH3 e AsH3, ecc., e le loro strutture sono mostrate nella figura seguente. Gli elettroni rilasciati dal filamento si scontrano con gli atomi del gas per produrre ioni. Gli elettroni sono solitamente generati da una sorgente di filamenti di tungsteno caldo. Ad esempio, la sorgente ionica Berners, il filamento catodico è installato in una camera ad arco con un ingresso del gas. La parete interna della camera d'arco è l'anodo.
Quando viene introdotta la fonte di gas, una grande corrente passa attraverso il filamento e viene applicata una tensione di 100 V tra gli elettrodi positivo e negativo, che genererà elettroni ad alta energia attorno al filamento. Gli ioni positivi vengono generati dopo che gli elettroni ad alta energia si scontrano con le molecole del gas sorgente.
Il magnete esterno applica un campo magnetico parallelo al filamento per aumentare la ionizzazione e stabilizzare il plasma. Nella camera ad arco, all'altra estremità rispetto al filamento, è presente un riflettore caricato negativamente che riflette gli elettroni per migliorare la generazione e l'efficienza degli elettroni.
(2)Assorbimento:
Viene utilizzato per raccogliere gli ioni positivi generati nella camera ad arco della sorgente ionica e formarli in un fascio ionico. Poiché la camera ad arco è l'anodo e il catodo è pressurizzato negativamente sull'elettrodo di aspirazione, il campo elettrico generato controlla gli ioni positivi, facendoli spostare verso l'elettrodo di aspirazione ed essere estratti dalla fessura ionica, come mostrato nella figura seguente . Maggiore è l'intensità del campo elettrico, maggiore è l'energia cinetica acquisita dagli ioni dopo l'accelerazione. È inoltre presente una tensione di soppressione sull'elettrodo di aspirazione per evitare interferenze da parte degli elettroni nel plasma. Allo stesso tempo, l'elettrodo di soppressione può formare ioni in un fascio ionico e focalizzarli in un flusso di fascio ionico parallelo in modo che passi attraverso l'impiantatore.
(3)Analizzatore di massa:
Possono esserci molti tipi di ioni generati dalla sorgente ionica. Sotto l'accelerazione della tensione anodica, gli ioni si muovono ad alta velocità. Ioni diversi hanno unità di massa atomica diverse e rapporti massa/carica diversi.
(4)Tubo acceleratore:
Per ottenere una velocità maggiore è necessaria una maggiore energia. Per l'accelerazione, oltre al campo elettrico fornito dall'anodo e dall'analizzatore di massa, è necessario anche il campo elettrico fornito nel tubo dell'acceleratore. Il tubo acceleratore è costituito da una serie di elettrodi isolati da un dielettrico e la tensione negativa sugli elettrodi aumenta in sequenza attraverso il collegamento in serie. Maggiore è la tensione totale, maggiore è la velocità ottenuta dagli ioni, cioè maggiore è l'energia trasportata. L'elevata energia può consentire l'iniezione di ioni impurità in profondità nel wafer di silicio per formare una giunzione profonda, mentre la bassa energia può essere utilizzata per creare una giunzione superficiale.
(5)Scansione del disco
Il fascio ionico focalizzato ha solitamente un diametro molto piccolo. Il diametro dello spot del fascio di un impiantatore di corrente a fascio medio è di circa 1 cm, e quello di un impiantatore di corrente a fascio grande è di circa 3 cm. L'intero wafer di silicio deve essere coperto dalla scansione. La ripetibilità dell'impianto della dose è determinata mediante scansione. Solitamente esistono quattro tipi di sistemi di scansione implanter:
① scansione elettrostatica;
② scansione meccanica;
③ scansione ibrida;
④ scansione parallela.
(6)Sistema di neutralizzazione dell'elettricità statica:
Durante il processo di impianto, il fascio ionico colpisce il wafer di silicio e provoca l'accumulo di carica sulla superficie della maschera. L’accumulo di carica risultante modifica il bilancio di carica nel fascio ionico, rendendo lo spot del fascio più grande e la distribuzione della dose non uniforme. Potrebbe addirittura sfondare lo strato di ossido superficiale e causare guasti al dispositivo. Ora, il wafer di silicio e il fascio ionico vengono solitamente collocati in un ambiente stabile di plasma ad alta densità chiamato sistema a doccia di elettroni al plasma, che può controllare la carica del wafer di silicio. Questo metodo estrae gli elettroni dal plasma (solitamente argon o xeno) in una camera ad arco situata nel percorso del fascio ionico e vicino al wafer di silicio. Il plasma viene filtrato e solo gli elettroni secondari possono raggiungere la superficie del wafer di silicio per neutralizzare la carica positiva.
(7)Cavità di processo:
L'iniezione dei fasci ionici nei wafer di silicio avviene nella camera di processo. La camera di processo è una parte importante dell'impiantatore, compreso un sistema di scansione, una stazione terminale con un blocco del vuoto per caricare e scaricare wafer di silicio, un sistema di trasferimento di wafer di silicio e un sistema di controllo computerizzato. Inoltre, sono presenti alcuni dispositivi per il monitoraggio delle dosi e il controllo degli effetti dei canali. Se viene utilizzata la scansione meccanica, la stazione terminale sarà relativamente grande. Il vuoto della camera di processo viene pompato alla pressione di fondo richiesta dal processo da una pompa meccanica multistadio, una pompa turbomolecolare e una pompa di condensazione, che generalmente è di circa 1×10-6Torr o meno.
(8)Sistema di controllo del dosaggio:
Il monitoraggio della dose in tempo reale in un impiantatore di ioni viene effettuato misurando il fascio ionico che raggiunge il wafer di silicio. La corrente del fascio ionico viene misurata utilizzando un sensore chiamato tazza di Faraday. In un semplice sistema di Faraday, nel percorso del fascio ionico è presente un sensore di corrente che misura la corrente. Tuttavia, ciò rappresenta un problema, poiché il fascio ionico reagisce con il sensore e produce elettroni secondari che daranno luogo a letture errate della corrente. Un sistema di Faraday può sopprimere gli elettroni secondari utilizzando campi elettrici o magnetici per ottenere una lettura della corrente del fascio reale. La corrente misurata dal sistema Faraday viene immessa in un regolatore elettronico della dose, che funge da accumulatore di corrente (che accumula continuamente la corrente del fascio misurata). Il controller viene utilizzato per mettere in relazione la corrente totale con il tempo di impianto corrispondente e calcolare il tempo necessario per una determinata dose.
3.2 Riparazione dei danni
L'impianto ionico eliminerà gli atomi dalla struttura reticolare e danneggerà il reticolo del wafer di silicio. Se la dose impiantata è elevata, lo strato impiantato diventerà amorfo. Inoltre, gli ioni impiantati fondamentalmente non occupano i punti del reticolo del silicio, ma rimangono nelle posizioni del gap reticolare. Queste impurità interstiziali possono essere attivate solo dopo un processo di ricottura ad alta temperatura.
La ricottura può riscaldare il wafer di silicio impiantato per riparare i difetti del reticolo; può anche spostare gli atomi di impurità nei punti del reticolo e attivarli. La temperatura richiesta per riparare i difetti reticolari è di circa 500°C, e la temperatura richiesta per attivare gli atomi di impurità è di circa 950°C. L'attivazione delle impurità è legata al tempo e alla temperatura: più lungo è il tempo e più alta è la temperatura, più pienamente le impurità vengono attivate. Esistono due metodi di base per la ricottura dei wafer di silicio:
① ricottura in forno ad alta temperatura;
② ricottura termica rapida (RTA).
Ricottura in forno ad alta temperatura: La ricottura in forno ad alta temperatura è un metodo di ricottura tradizionale, che utilizza un forno ad alta temperatura per riscaldare il wafer di silicio a 800-1000 ℃ e mantenerlo per 30 minuti. A questa temperatura, gli atomi di silicio ritornano nella posizione del reticolo e anche gli atomi di impurità possono sostituire gli atomi di silicio ed entrare nel reticolo. Tuttavia, il trattamento termico a tale temperatura e tempo porterà alla diffusione di impurità, cosa che la moderna industria manifatturiera di circuiti integrati non vuole vedere.
Ricottura termica rapida: la ricottura termica rapida (RTA) tratta i wafer di silicio con un aumento della temperatura estremamente rapido e una breve durata alla temperatura target (solitamente 1000°C). La ricottura dei wafer di silicio impiantati viene solitamente eseguita in un processore termico rapido con Ar o N2. Il rapido aumento della temperatura e la breve durata possono ottimizzare la riparazione dei difetti reticolari, l'attivazione delle impurità e l'inibizione della diffusione delle impurità. La RTA può anche ridurre la diffusione potenziata transitoria ed è il modo migliore per controllare la profondità della giunzione negli impianti a giunzione superficiale.
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Orario di pubblicazione: 31 agosto 2024