1. مقدمه
کاشت یون یکی از فرآیندهای اصلی در ساخت مدارهای مجتمع است. این به فرآیند شتاب دادن یک پرتو یونی به یک انرژی معین (معمولاً در محدوده keV تا MeV) و سپس تزریق آن به سطح یک ماده جامد برای تغییر خواص فیزیکی سطح ماده اشاره دارد. در فرآیند مدار مجتمع، ماده جامد معمولاً سیلیکون است و یون‌های ناخالصی کاشته شده معمولاً یون‌های بور، یون‌های فسفر، یون‌های آرسنیک، یون‌های ایندیم، یون‌های ژرمانیوم و غیره هستند. یون‌های کاشته‌شده می‌توانند رسانایی سطح جامد را تغییر دهند. مواد یا یک اتصال PN را تشکیل دهید. هنگامی که اندازه ویژگی مدارهای مجتمع به دوران زیر میکرون کاهش یافت، فرآیند کاشت یون به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت.
در فرآیند تولید مدار مجتمع، کاشت یون معمولاً برای لایه‌های مدفون عمیق، چاه‌های دوپینگ معکوس، تنظیم ولتاژ آستانه، کاشت پسوند منبع و تخلیه، کاشت منبع و تخلیه، دوپینگ گیت پلی سیلیکون، تشکیل اتصالات PN و مقاومت‌ها/خازن‌ها و غیره استفاده می‌شود. در فرآیند تهیه مواد زیرلایه سیلیکونی روی عایق ها، لایه اکسید مدفون عمدتاً با کاشت یون اکسیژن با غلظت بالا تشکیل می شود یا برش هوشمند با کاشت یون هیدروژن با غلظت بالا به دست می آید.
کاشت یون توسط یک کاشت یون انجام می شود و مهمترین پارامترهای فرآیند آن دوز و انرژی است: دوز غلظت نهایی را تعیین می کند و انرژی محدوده (یعنی عمق) یون ها را تعیین می کند. با توجه به الزامات مختلف طراحی دستگاه، شرایط کاشت به دوز بالا پرانرژی، با دوز متوسط با انرژی متوسط، دوز متوسط کم انرژی، یا با دوز بالا کم انرژی تقسیم می شود. برای به دست آوردن اثر کاشت ایده آل، ایمپلنت های مختلف باید برای نیازهای فرآیندی مختلف مجهز شوند.
پس از کاشت یون، به طور کلی لازم است که فرآیند بازپخت در دمای بالا برای ترمیم آسیب شبکه ناشی از کاشت یون و فعال کردن یون های ناخالصی انجام شود. در فرآیندهای مدار مجتمع سنتی، اگرچه دمای بازپخت تأثیر زیادی بر دوپینگ دارد، دمای فرآیند کاشت یون به خودی خود مهم نیست. در گره های فناوری زیر 14 نانومتر، فرآیندهای کاشت یون خاصی باید در محیط های با دمای پایین یا بالا انجام شود تا اثرات آسیب شبکه و غیره تغییر کند.
2. فرآیند کاشت یون
2.1 اصول اساسی
کاشت یون یک فرآیند دوپینگ است که در دهه 1960 توسعه یافت و در بیشتر جنبه ها نسبت به تکنیک های انتشار سنتی برتری دارد.
تفاوت اصلی بین دوپینگ کاشت یون و دوپینگ انتشار سنتی به شرح زیر است:
(1) توزیع غلظت ناخالصی در ناحیه دوپ شده متفاوت است. حداکثر غلظت ناخالصی کاشت یون در داخل کریستال قرار دارد، در حالی که اوج غلظت ناخالصی انتشار روی سطح کریستال قرار دارد.
(2) کاشت یون فرآیندی است که در دمای اتاق یا حتی دمای پایین انجام می شود و زمان تولید کوتاه است. دوپینگ دیفیوژن نیاز به درمان طولانی تری با دمای بالا دارد.
(3) کاشت یون امکان انتخاب انعطاف پذیرتر و دقیق تر عناصر کاشته شده را فراهم می کند.
(4) از آنجایی که ناخالصی ها تحت تأثیر انتشار حرارتی قرار می گیرند، شکل موجی که توسط کاشت یون در کریستال ایجاد می شود بهتر از شکل موجی است که توسط انتشار در کریستال ایجاد می شود.
(5) کاشت یون معمولاً فقط از فوتوریست به عنوان ماده ماسک استفاده می کند، اما دوپینگ انتشاری مستلزم رشد یا رسوب یک فیلم با ضخامت معین به عنوان ماسک است.
(6) کاشت یون اساساً جایگزین انتشار شده و امروزه به فرآیند اصلی دوپینگ در ساخت مدارهای مجتمع تبدیل شده است.
هنگامی که یک پرتو یونی برخوردی با انرژی معین، یک هدف جامد (معمولا یک ویفر) را بمباران می‌کند، یون‌ها و اتمهای سطح هدف متحمل برهمکنش‌های مختلفی می‌شوند و انرژی را به روشی خاص به اتمهای هدف منتقل می‌کنند تا برانگیخته یا یونیزه شوند. آنها یون ها همچنین می توانند مقدار مشخصی انرژی را از طریق انتقال تکانه از دست بدهند و در نهایت توسط اتم های هدف پراکنده شوند یا در ماده هدف متوقف شوند. اگر یون های تزریق شده سنگین تر باشند، بیشتر یون ها به هدف جامد تزریق می شوند. برعکس، اگر یون های تزریق شده سبک تر باشند، بسیاری از یون های تزریق شده از سطح هدف جهش می کنند. اساساً، این یون‌های پرانرژی تزریق شده به هدف با اتمهای شبکه و الکترون‌های موجود در هدف جامد به درجات مختلف برخورد می‌کنند. در میان آنها، برخورد بین یون ها و اتم های هدف جامد را می توان به عنوان یک برخورد کشسان در نظر گرفت زیرا جرم آنها نزدیک است.
2.2 پارامترهای اصلی کاشت یون
کاشت یون یک فرآیند انعطاف‌پذیر است که باید الزامات طراحی و تولید تراشه را برآورده کند. پارامترهای مهم کاشت یون عبارتند از: دوز، محدوده.
دوز (D) به تعداد یون های تزریق شده در واحد سطح از سطح ویفر سیلیکونی، بر حسب اتم در هر سانتی متر مربع (یا یون در هر سانتی متر مربع) اشاره دارد. D را می توان با فرمول زیر محاسبه کرد:
جایی که D دوز کاشت است (تعداد یون ها/واحد سطح)؛ t زمان کاشت است. من جریان پرتو است. q بار حمل شده توسط یون است (یک بار منفرد 1.6×1019C[1] است). و S ناحیه کاشت است.
یکی از دلایل اصلی که کاشت یون به یک فناوری مهم در تولید ویفر سیلیکونی تبدیل شده است این است که می تواند بارها و بارها همان دوز ناخالصی را در ویفرهای سیلیکونی کاشت کند. ایمپلنت کننده با کمک بار مثبت یون ها به این هدف می رسد. هنگامی که یون های ناخالصی مثبت یک پرتو یونی تشکیل می دهند، سرعت جریان آن را جریان پرتو یونی می نامند که بر حسب mA اندازه گیری می شود. محدوده جریان های متوسط و کم 0.1 تا 10 میلی آمپر و محدوده جریان های زیاد 10 تا 25 میلی آمپر است.
مقدار جریان پرتو یونی یک متغیر کلیدی در تعیین دوز است. اگر جریان افزایش یابد، تعداد اتم های ناخالصی کاشته شده در واحد زمان نیز افزایش می یابد. جریان بالا برای افزایش بازده ویفر سیلیکونی (تزریق یون بیشتر در واحد زمان تولید) مساعد است، اما باعث ایجاد مشکلات یکنواختی نیز می شود.
3. تجهیزات کاشت یون
3.1 ساختار اساسی
تجهیزات کاشت یون شامل 7 ماژول پایه است:
① منبع یون و جاذب؛
② تجزیه و تحلیل جرم (به عنوان مثال آهنربا تحلیلی).
③ لوله شتاب دهنده؛
④ دیسک اسکن.
⑤ سیستم خنثی سازی الکترواستاتیک؛
⑥ اتاق فرآیند؛
⑦ سیستم کنترل دوز.
Aماژول های ll در یک محیط خلاء ایجاد شده توسط سیستم خلاء هستند. نمودار ساختاری پایه ایمپلنت یون در شکل زیر نشان داده شده است.
(1)منبع یون:
معمولاً در همان محفظه خلاء الکترود مکش است. ناخالصی هایی که منتظر تزریق هستند باید در حالت یونی وجود داشته باشند تا توسط میدان الکتریکی کنترل و شتاب بگیرند. متداول ترین B+، P+، As+ و غیره از طریق یونیزه کردن اتم ها یا مولکول ها به دست می آیند.
منابع ناخالصی مورد استفاده BF3، PH3 و AsH3 و ... می باشد که ساختار آنها در شکل زیر نشان داده شده است. الکترون های آزاد شده توسط رشته با اتم های گاز برخورد می کنند و یون تولید می کنند. الکترون ها معمولاً توسط یک منبع رشته تنگستن داغ تولید می شوند. به عنوان مثال، منبع یون برنرز، رشته کاتد در یک محفظه قوس با ورودی گاز نصب شده است. دیواره داخلی محفظه قوس آند است.
هنگامی که منبع گاز وارد می شود، جریان زیادی از فیلامنت عبور می کند و ولتاژ 100 ولت بین الکترودهای مثبت و منفی اعمال می شود که باعث تولید الکترون های پر انرژی در اطراف رشته می شود. یون های مثبت پس از برخورد الکترون های پرانرژی با مولکول های گاز منبع تولید می شوند.
آهنربای خارجی یک میدان مغناطیسی موازی با رشته اعمال می کند تا یونیزاسیون را افزایش دهد و پلاسما را تثبیت کند. در محفظه قوس، در انتهای دیگر نسبت به رشته، یک بازتابنده با بار منفی وجود دارد که الکترون ها را به عقب منعکس می کند تا تولید و کارایی الکترون ها را بهبود بخشد.
(2)جذب:
برای جمع‌آوری یون‌های مثبت تولید شده در محفظه قوس منبع یون و تبدیل آنها به یک پرتو یونی استفاده می‌شود. از آنجایی که محفظه قوس آند است و کاتد بر روی الکترود مکش فشار منفی دارد، میدان الکتریکی ایجاد شده یون‌های مثبت را کنترل می‌کند و باعث می‌شود که آنها به سمت الکترود مکش حرکت کنند و از شکاف یون خارج شوند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. . هر چه قدرت میدان الکتریکی بیشتر باشد، انرژی جنبشی یون ها پس از شتاب گرفتن بیشتر می شود. همچنین یک ولتاژ سرکوب بر روی الکترود مکش وجود دارد تا از تداخل الکترون ها در پلاسما جلوگیری کند. در همان زمان، الکترود سرکوب می‌تواند یون‌ها را به یک پرتو یونی تبدیل کند و آنها را در جریان پرتو یونی موازی متمرکز کند تا از طریق کاشت‌کننده عبور کند.
(3)تجزیه و تحلیل جرم:
ممکن است انواع مختلفی از یون ها از منبع یون تولید شوند. تحت شتاب ولتاژ آند، یون ها با سرعت بالایی حرکت می کنند. یون های مختلف دارای واحدهای جرم اتمی متفاوت و نسبت جرم به بار متفاوت هستند.
(4)لوله شتاب دهنده:
برای به دست آوردن سرعت بالاتر، انرژی بیشتری مورد نیاز است. علاوه بر میدان الکتریکی ارائه شده توسط آند و آنالایزر جرم، یک میدان الکتریکی ارائه شده در لوله شتاب دهنده نیز برای شتاب مورد نیاز است. لوله شتاب دهنده شامل یک سری الکترود است که توسط یک دی الکتریک جدا شده اند و ولتاژ منفی روی الکترودها به ترتیب از طریق اتصال سری افزایش می یابد. هر چه ولتاژ کل بیشتر باشد، سرعت به دست آمده توسط یون ها بیشتر می شود، یعنی انرژی حمل شده بیشتر است. انرژی بالا می تواند به یون های ناخالصی اجازه دهد تا به عمق ویفر سیلیکونی تزریق شوند تا یک اتصال عمیق ایجاد کنند، در حالی که انرژی کم می تواند برای ایجاد یک اتصال کم عمق استفاده شود.
(5)دیسک اسکن
پرتو یون متمرکز معمولاً قطر بسیار کمی دارد. قطر نقطه پرتو کاشت کننده جریان پرتو متوسط حدود 1 سانتی متر و کاشت جریان پرتو بزرگ حدود 3 سانتی متر است. کل ویفر سیلیکونی باید با اسکن پوشانده شود. تکرارپذیری کاشت دوز با اسکن تعیین می شود. معمولاً چهار نوع سیستم اسکن ایمپلنت وجود دارد:
① اسکن الکترواستاتیک.
② اسکن مکانیکی؛
③ اسکن ترکیبی.
④ اسکن موازی.
(6)سیستم خنثی سازی الکتریسیته ساکن:
در طی فرآیند کاشت، پرتو یونی به ویفر سیلیکونی برخورد می کند و باعث تجمع بار روی سطح ماسک می شود. تجمع بار حاصل، تعادل بار را در پرتو یونی تغییر می‌دهد و باعث می‌شود نقطه پرتو بزرگ‌تر و توزیع دوز ناهموار باشد. حتی ممکن است از لایه اکسید سطحی عبور کند و باعث خرابی دستگاه شود. در حال حاضر، ویفر سیلیکونی و پرتو یونی معمولاً در یک محیط پلاسمایی با چگالی بالا به نام سیستم دوش الکترونی پلاسما قرار می‌گیرند که می‌تواند شارژ ویفر سیلیکونی را کنترل کند. این روش الکترون ها را از پلاسما (معمولاً آرگون یا زنون) در محفظه قوسی واقع در مسیر پرتو یونی و نزدیک ویفر سیلیکونی استخراج می کند. پلاسما فیلتر می شود و فقط الکترون های ثانویه می توانند به سطح ویفر سیلیکونی برسند تا بار مثبت را خنثی کنند.
(7)حفره فرآیند:
تزریق پرتوهای یونی به ویفرهای سیلیکونی در محفظه فرآیند اتفاق می افتد. محفظه فرآیند بخش مهمی از کاشت است که شامل یک سیستم اسکن، یک ایستگاه پایانه با قفل خلاء برای بارگیری و تخلیه ویفرهای سیلیکونی، یک سیستم انتقال ویفر سیلیکونی و یک سیستم کنترل کامپیوتری است. علاوه بر این، برخی از دستگاه ها برای نظارت بر دوز و کنترل اثرات کانال وجود دارد. اگر از اسکن مکانیکی استفاده شود، ایستگاه ترمینال نسبتاً بزرگ خواهد بود. خلاء محفظه فرآیند توسط یک پمپ مکانیکی چند مرحله‌ای، یک پمپ توربومولکولی و یک پمپ تراکم به فشار پایین مورد نیاز فرآیند پمپ می‌شود که معمولاً حدود 1×10-6Torr یا کمتر است.
(8)سیستم کنترل دوز:
نظارت بر دوز در زمان واقعی در یک کاشت یونی با اندازه گیری پرتو یونی که به ویفر سیلیکونی می رسد انجام می شود. جریان پرتو یونی با استفاده از حسگری به نام فنجان فارادی اندازه گیری می شود. در یک سیستم ساده فارادی، یک حسگر جریان در مسیر پرتو یونی وجود دارد که جریان را اندازه گیری می کند. با این حال، این یک مشکل است، زیرا پرتو یونی با حسگر واکنش می‌دهد و الکترون‌های ثانویه تولید می‌کند که منجر به خوانش اشتباه جریان می‌شود. یک سیستم فارادی می‌تواند الکترون‌های ثانویه را با استفاده از میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی سرکوب کند تا جریان پرتو واقعی را به دست آورد. جریان اندازه گیری شده توسط سیستم فارادی به یک کنترل کننده دوز الکترونیکی وارد می شود که به عنوان یک انباشت کننده جریان (که به طور مداوم جریان پرتو اندازه گیری شده را جمع می کند) عمل می کند. کنترلر برای ارتباط کل جریان با زمان کاشت مربوطه و محاسبه زمان مورد نیاز برای دوز معین استفاده می شود.
3.2 تعمیر آسیب
کاشت یون اتم ها را از ساختار شبکه خارج کرده و به شبکه ویفر سیلیکونی آسیب می رساند. اگر دوز کاشته شده زیاد باشد، لایه کاشته شده بی شکل می شود. علاوه بر این، یون های کاشته شده اساساً نقاط شبکه سیلیکون را اشغال نمی کنند، اما در موقعیت های شکاف شبکه باقی می مانند. این ناخالصی های بینابینی فقط پس از یک فرآیند بازپخت در دمای بالا فعال می شوند.
بازپخت می تواند ویفر سیلیکونی کاشته شده را برای ترمیم عیوب شبکه گرم کند. همچنین می تواند اتم های ناخالصی را به نقاط شبکه منتقل کرده و آنها را فعال کند. دمای مورد نیاز برای تعمیر عیوب شبکه حدود 500 درجه سانتیگراد و دمای لازم برای فعال کردن اتمهای ناخالصی حدود 950 درجه سانتیگراد است. فعال شدن ناخالصی ها مربوط به زمان و دما است: هر چه زمان طولانی تر و دما بیشتر باشد، ناخالصی ها به طور کامل فعال می شوند. دو روش اساسی برای بازپخت ویفرهای سیلیکونی وجود دارد:
① آنیل کوره با دمای بالا.
② بازپخت حرارتی سریع (RTA).
آنیل کوره با دمای بالا: آنیل کوره با دمای بالا یک روش پخت سنتی است که از یک کوره با دمای بالا برای گرم کردن ویفر سیلیکونی تا دمای 800-1000 درجه سانتیگراد استفاده می کند و آن را به مدت 30 دقیقه نگه می دارد. در این دما، اتم های سیلیکون به موقعیت شبکه برمی گردند و اتم های ناخالصی نیز می توانند جایگزین اتم های سیلیکون شوند و وارد شبکه شوند. با این حال، عملیات حرارتی در چنین دما و زمانی منجر به انتشار ناخالصی‌ها می‌شود، چیزی که صنعت مدرن تولید آی‌سی مایل به دیدن آن نیست.
بازپخت حرارتی سریع: آنیل حرارتی سریع (RTA) ویفرهای سیلیکونی را با افزایش دما بسیار سریع و مدت زمان کوتاه در دمای مورد نظر (معمولاً 1000 درجه سانتیگراد) درمان می کند. بازپخت ویفرهای سیلیکونی کاشته شده معمولاً در یک پردازنده حرارتی سریع با Ar یا N2 انجام می شود. فرآیند افزایش سریع دما و مدت زمان کوتاه می تواند ترمیم عیوب شبکه، فعال سازی ناخالصی ها و مهار انتشار ناخالصی را بهینه کند. RTA همچنین می تواند انتشار افزایش یافته گذرا را کاهش دهد و بهترین راه برای کنترل عمق اتصال در ایمپلنت های اتصال کم عمق است.
—————————————————————————————————————————————————— ————————————
Semicera می تواند ارائه دهدقطعات گرافیت, نمد نرم / سفت, قطعات کاربید سیلیکون, قطعات کاربید سیلیکون CVD، وقطعات با پوشش SiC/TaCبا در 30 روز
اگر به محصولات نیمه هادی فوق علاقه مند هستید،لطفا در اولین بار با ما تماس بگیرید.
تلفن: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
زمان ارسال: اوت-31-2024