1. Pendahuluan
Implantasi ion adalah salah satu proses utama dalam pembuatan sirkuit terpadu. Ini mengacu pada proses percepatan berkas ion ke energi tertentu (umumnya dalam kisaran keV hingga MeV) dan kemudian menyuntikkannya ke permukaan material padat untuk mengubah sifat fisik permukaan material tersebut. Dalam proses rangkaian terpadu, bahan padat biasanya silikon, dan ion pengotor yang ditanamkan biasanya berupa ion boron, ion fosfor, ion arsenik, ion indium, ion germanium, dll. Ion yang ditanamkan dapat mengubah konduktivitas permukaan padatan. material atau membentuk sambungan PN. Ketika ukuran fitur sirkuit terpadu dikurangi menjadi era sub-mikron, proses implantasi ion banyak digunakan.
Dalam proses pembuatan sirkuit terpadu, implantasi ion biasanya digunakan untuk lapisan yang terkubur dalam, sumur doping terbalik, penyesuaian tegangan ambang batas, implantasi ekstensi sumber dan saluran, implantasi sumber dan saluran, doping gerbang polisilikon, pembentukan sambungan PN dan resistor/kapasitor, dll. Dalam proses pembuatan bahan substrat silikon pada isolator, lapisan oksida yang terkubur terutama dibentuk oleh implantasi ion oksigen konsentrasi tinggi, atau pemotongan cerdas dicapai dengan implantasi ion hidrogen konsentrasi tinggi.
Implantasi ion dilakukan oleh penanam ion, dan parameter prosesnya yang paling penting adalah dosis dan energi: dosis menentukan konsentrasi akhir, dan energi menentukan kisaran (yaitu, kedalaman) ion. Menurut persyaratan desain perangkat yang berbeda, kondisi implantasi dibagi menjadi energi tinggi dosis tinggi, energi sedang dosis sedang, energi rendah dosis sedang, atau energi rendah dosis tinggi. Untuk mendapatkan efek implantasi yang ideal, implanter yang berbeda harus dilengkapi untuk kebutuhan proses yang berbeda.
Setelah implantasi ion, umumnya perlu menjalani proses anil suhu tinggi untuk memperbaiki kerusakan kisi akibat implantasi ion dan mengaktifkan ion pengotor. Dalam proses sirkuit terpadu tradisional, meskipun suhu anil mempunyai pengaruh besar terhadap doping, suhu proses implantasi ion itu sendiri tidak penting. Pada node teknologi di bawah 14nm, proses implantasi ion tertentu perlu dilakukan di lingkungan bersuhu rendah atau tinggi untuk mengubah efek kerusakan kisi, dll.
2. proses implantasi ion
2.1 Prinsip Dasar
Implantasi ion adalah proses doping yang dikembangkan pada tahun 1960an yang lebih unggul dari teknik difusi tradisional dalam banyak aspek.
Perbedaan utama antara doping implantasi ion dan doping difusi tradisional adalah sebagai berikut:
(1) Distribusi konsentrasi pengotor di wilayah yang diolah berbeda-beda. Konsentrasi pengotor puncak implantasi ion terletak di dalam kristal, sedangkan konsentrasi pengotor puncak difusi terletak di permukaan kristal.
(2) Implantasi ion merupakan proses yang dilakukan pada suhu ruangan atau bahkan suhu rendah, dan waktu produksinya singkat. Doping difusi memerlukan perlakuan suhu tinggi yang lebih lama.
(3) Implantasi ion memungkinkan pemilihan elemen implan yang lebih fleksibel dan tepat.
(4) Karena pengotor dipengaruhi oleh difusi termal, bentuk gelombang yang dibentuk oleh implantasi ion dalam kristal lebih baik daripada bentuk gelombang yang dibentuk oleh difusi dalam kristal.
(5) Implantasi ion biasanya hanya menggunakan photoresist sebagai bahan masker, tetapi doping difusi memerlukan pertumbuhan atau pengendapan film dengan ketebalan tertentu sebagai masker.
(6) Implantasi ion pada dasarnya telah menggantikan difusi dan menjadi proses doping utama dalam pembuatan sirkuit terpadu saat ini.
Ketika berkas ion datang dengan energi tertentu membombardir target padat (biasanya wafer), ion dan atom pada permukaan target akan mengalami berbagai interaksi, dan mentransfer energi ke atom target dengan cara tertentu untuk menggairahkan atau mengionisasi. mereka. Ion juga dapat kehilangan sejumlah energi melalui transfer momentum, dan akhirnya dihamburkan oleh atom target atau berhenti di material target. Jika ion yang diinjeksikan lebih berat, sebagian besar ion akan diinjeksikan ke dalam target padat. Sebaliknya, jika ion yang diinjeksikan lebih ringan, banyak ion yang diinjeksikan akan memantul dari permukaan target. Pada dasarnya, ion berenergi tinggi yang disuntikkan ke target akan bertabrakan dengan atom kisi dan elektron dalam target padat pada tingkat yang berbeda-beda. Diantaranya, tumbukan antara ion dan atom target padat dapat dikatakan sebagai tumbukan lenting karena massanya berdekatan.
2.2 Parameter utama implantasi ion
Implantasi ion adalah proses fleksibel yang harus memenuhi desain chip dan persyaratan produksi yang ketat. Parameter implantasi ion yang penting adalah: dosis, jangkauan.
Dosis (D) mengacu pada jumlah ion yang disuntikkan per satuan luas permukaan wafer silikon, dalam atom per sentimeter persegi (atau ion per sentimeter persegi). D dapat dihitung dengan rumus berikut:
Dimana D adalah dosis implantasi (jumlah ion/satuan luas); t adalah waktu implantasi; I adalah arus pancaran; q adalah muatan yang dibawa oleh ion (satu muatan adalah 1,6×1019C[1]); dan S adalah area implantasi.
Salah satu alasan utama mengapa implantasi ion menjadi teknologi penting dalam pembuatan wafer silikon adalah karena teknologi ini dapat berulang kali menanamkan pengotor dengan dosis yang sama ke dalam wafer silikon. Penanam mencapai tujuan ini dengan bantuan muatan positif ion. Ketika ion pengotor positif membentuk berkas ion, laju alirannya disebut arus berkas ion, yang diukur dalam mA. Kisaran arus sedang dan rendah adalah 0,1 hingga 10 mA, dan kisaran arus tinggi adalah 10 hingga 25 mA.
Besarnya arus berkas ion merupakan variabel kunci dalam menentukan dosis. Jika arus meningkat, jumlah atom pengotor yang ditanam per satuan waktu juga meningkat. Arus yang tinggi kondusif untuk meningkatkan hasil wafer silikon (menyuntikkan lebih banyak ion per unit waktu produksi), tetapi juga menyebabkan masalah keseragaman.
3. peralatan implantasi ion
3.1 Struktur Dasar
Peralatan implantasi ion mencakup 7 modul dasar:
① sumber dan penyerap ion;
② penganalisis massa (yaitu magnet analitik);
③ tabung akselerator;
④ memindai disk;
⑤ sistem netralisasi elektrostatis;
⑥ ruang proses;
⑦ sistem kontrol dosis.
ASemua modul berada dalam lingkungan vakum yang ditetapkan oleh sistem vakum. Diagram struktur dasar implanter ion ditunjukkan pada gambar di bawah.
(1)Sumber ion:
Biasanya di ruang vakum yang sama dengan elektroda hisap. Pengotor yang menunggu untuk disuntikkan harus ada dalam keadaan ion agar dapat dikontrol dan dipercepat oleh medan listrik. B+, P+, As+, dan lain-lain yang paling umum digunakan diperoleh dengan mengionisasi atom atau molekul.
Sumber pengotor yang digunakan adalah BF3, PH3 dan AsH3, dll., dan strukturnya ditunjukkan pada gambar di bawah. Elektron yang dilepaskan oleh filamen bertabrakan dengan atom gas untuk menghasilkan ion. Elektron biasanya dihasilkan oleh sumber filamen tungsten panas. Misalnya sumber ion Berners, filamen katoda dipasang di ruang busur dengan saluran masuk gas. Dinding bagian dalam ruang busur adalah anoda.
Ketika sumber gas dimasukkan, arus besar melewati filamen, dan tegangan 100 V diterapkan antara elektroda positif dan negatif, yang akan menghasilkan elektron berenergi tinggi di sekitar filamen. Ion positif dihasilkan setelah elektron berenergi tinggi bertabrakan dengan molekul gas sumber.
Magnet eksternal menerapkan medan magnet sejajar dengan filamen untuk meningkatkan ionisasi dan menstabilkan plasma. Di ruang busur, di ujung lain yang relatif terhadap filamen, terdapat reflektor bermuatan negatif yang memantulkan kembali elektron untuk meningkatkan pembangkitan dan efisiensi elektron.
(2)Penyerapan:
Ini digunakan untuk mengumpulkan ion positif yang dihasilkan di ruang busur sumber ion dan membentuknya menjadi berkas ion. Karena ruang busur adalah anoda dan katoda diberi tekanan negatif pada elektroda hisap, medan listrik yang dihasilkan mengontrol ion positif, menyebabkan ion positif bergerak menuju elektroda hisap dan ditarik keluar dari celah ion, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah. . Semakin besar kuat medan listrik, semakin besar pula energi kinetik yang diperoleh ion setelah percepatan. Terdapat juga tegangan penekan pada elektroda hisap untuk mencegah gangguan dari elektron dalam plasma. Pada saat yang sama, elektroda penekan dapat membentuk ion menjadi berkas ion dan memfokuskannya menjadi aliran berkas ion paralel sehingga melewati implanter.
(3)Penganalisis massa:
Mungkin ada banyak jenis ion yang dihasilkan dari sumber ion. Di bawah percepatan tegangan anoda, ion-ion bergerak dengan kecepatan tinggi. Ion yang berbeda memiliki satuan massa atom yang berbeda dan rasio massa terhadap muatan yang berbeda.
(4)Tabung akselerator:
Untuk memperoleh kecepatan yang lebih tinggi, diperlukan energi yang lebih tinggi. Selain medan listrik yang disediakan oleh anoda dan penganalisis massa, medan listrik yang disediakan dalam tabung akselerator juga diperlukan untuk percepatan. Tabung akselerator terdiri dari serangkaian elektroda yang diisolasi oleh dielektrik, dan tegangan negatif pada elektroda meningkat secara berurutan melalui sambungan seri. Semakin tinggi tegangan total maka semakin besar pula kecepatan yang diperoleh ion-ion tersebut, artinya semakin besar pula energi yang dibawa. Energi tinggi memungkinkan ion pengotor disuntikkan jauh ke dalam wafer silikon untuk membentuk sambungan dalam, sedangkan energi rendah dapat digunakan untuk membuat sambungan dangkal.
(5)Memindai disk
Berkas ion terfokus biasanya berdiameter sangat kecil. Diameter titik berkas pada alat penanaman arus berkas sedang adalah sekitar 1 cm, dan diameter titik sinar pada alat penanaman arus berkas besar adalah sekitar 3 cm. Seluruh wafer silikon harus ditutupi dengan pemindaian. Pengulangan implantasi dosis ditentukan dengan pemindaian. Biasanya, ada empat jenis sistem pemindaian implanter:
① pemindaian elektrostatis;
② pemindaian mekanis;
③ pemindaian hibrida;
④ pemindaian paralel.
(6)Sistem netralisasi listrik statis:
Selama proses implantasi, berkas ion mengenai wafer silikon dan menyebabkan muatan terakumulasi pada permukaan masker. Akumulasi muatan yang dihasilkan mengubah keseimbangan muatan dalam berkas ion, menjadikan titik berkas lebih besar dan distribusi dosis tidak merata. Bahkan dapat menembus lapisan oksida permukaan dan menyebabkan kegagalan perangkat. Sekarang, wafer silikon dan berkas ion biasanya ditempatkan di lingkungan plasma berdensitas tinggi yang stabil yang disebut sistem pancuran elektron plasma, yang dapat mengontrol pengisian wafer silikon. Metode ini mengekstraksi elektron dari plasma (biasanya argon atau xenon) dalam ruang busur yang terletak di jalur berkas ion dan dekat wafer silikon. Plasma disaring dan hanya elektron sekunder yang dapat mencapai permukaan wafer silikon untuk menetralkan muatan positif.
(7)Proses rongga:
Injeksi berkas ion ke dalam wafer silikon terjadi di ruang proses. Ruang proses merupakan bagian penting dari implanter, termasuk sistem pemindaian, stasiun terminal dengan kunci vakum untuk memuat dan mengeluarkan wafer silikon, sistem transfer wafer silikon, dan sistem kontrol komputer. Selain itu, terdapat beberapa perangkat untuk memantau dosis dan mengendalikan efek saluran. Jika pemindaian mekanis digunakan, stasiun terminal akan berukuran relatif besar. Kevakuman ruang proses dipompa ke tekanan bawah yang diperlukan oleh proses melalui pompa mekanis multi-tahap, pompa turbomolekul, dan pompa kondensasi, yang umumnya sekitar 1×10-6Torr atau kurang.
(8)Sistem kontrol dosis:
Pemantauan dosis real-time dalam implantasi ion dilakukan dengan mengukur berkas ion yang mencapai wafer silikon. Arus berkas ion diukur menggunakan sensor yang disebut cangkir Faraday. Dalam sistem Faraday sederhana, terdapat sensor arus di jalur berkas ion yang mengukur arus. Namun, hal ini menimbulkan masalah, karena berkas ion bereaksi dengan sensor dan menghasilkan elektron sekunder yang akan mengakibatkan pembacaan arus yang salah. Sistem Faraday dapat menekan elektron sekunder menggunakan medan listrik atau magnet untuk mendapatkan pembacaan arus pancaran yang sebenarnya. Arus yang diukur oleh sistem Faraday dimasukkan ke dalam pengontrol dosis elektronik, yang bertindak sebagai akumulator arus (yang secara terus menerus mengakumulasi arus pancaran yang diukur). Pengontrol digunakan untuk menghubungkan total arus dengan waktu implantasi yang sesuai dan menghitung waktu yang diperlukan untuk dosis tertentu.
3.2 Perbaikan kerusakan
Implantasi ion akan menjatuhkan atom dari struktur kisi dan merusak kisi wafer silikon. Jika dosis yang ditanamkan besar, lapisan yang ditanamkan akan menjadi amorf. Selain itu, ion-ion yang ditanamkan pada dasarnya tidak menempati titik kisi silikon, tetapi tetap berada pada posisi celah kisi. Pengotor interstisial ini hanya dapat diaktifkan setelah proses anil suhu tinggi.
Annealing dapat memanaskan wafer silikon yang ditanamkan untuk memperbaiki cacat kisi; ia juga dapat memindahkan atom pengotor ke titik kisi dan mengaktifkannya. Suhu yang diperlukan untuk memperbaiki cacat kisi adalah sekitar 500°C, dan suhu yang diperlukan untuk mengaktifkan atom pengotor adalah sekitar 950°C. Aktivasi pengotor berhubungan dengan waktu dan suhu: semakin lama waktu dan semakin tinggi suhu, semakin aktif pengotor tersebut. Ada dua metode dasar untuk anil wafer silikon:
① anil tungku suhu tinggi;
② anil termal cepat (RTA).
Anil tungku suhu tinggi: Anil tungku suhu tinggi adalah metode anil tradisional, yang menggunakan tungku suhu tinggi untuk memanaskan wafer silikon hingga 800-1000℃ dan menyimpannya selama 30 menit. Pada suhu ini, atom silikon kembali ke posisi kisi, dan atom pengotor juga dapat menggantikan atom silikon dan masuk ke dalam kisi. Namun, perlakuan panas pada suhu dan waktu seperti itu akan menyebabkan difusi pengotor, sesuatu yang tidak ingin dilihat oleh industri manufaktur IC modern.
Rapid Thermal Annealing: Rapid thermal annealing (RTA) mengolah wafer silikon dengan kenaikan suhu yang sangat cepat dan durasi yang singkat pada suhu target (biasanya 1000°C). Annealing wafer silikon yang ditanamkan biasanya dilakukan dalam prosesor termal cepat dengan Ar atau N2. Proses kenaikan suhu yang cepat dan durasi yang singkat dapat mengoptimalkan perbaikan cacat kisi, aktivasi pengotor dan penghambatan difusi pengotor. RTA juga dapat mengurangi peningkatan difusi sementara dan merupakan cara terbaik untuk mengontrol kedalaman sambungan pada implan sambungan dangkal.
------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------
Semicera dapat menyediakanbagian grafit, terasa lembut/kaku, bagian silikon karbida, Bagian silikon karbida CVD, DanBagian yang dilapisi SiC/TaCdengan dalam 30 hari.
Jika Anda tertarik dengan produk semikonduktor di atas,jangan ragu untuk menghubungi kami pada saat pertama.
Telp: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Waktu posting: 31 Agustus-2024