1. Einführung
Die Ionenimplantation ist einer der Hauptprozesse bei der Herstellung integrierter Schaltkreise. Es bezieht sich auf den Prozess, einen Ionenstrahl auf eine bestimmte Energie zu beschleunigen (im Allgemeinen im Bereich von keV bis MeV) und ihn dann in die Oberfläche eines festen Materials zu injizieren, um die physikalischen Eigenschaften der Materialoberfläche zu verändern. Im Prozess der integrierten Schaltung ist das feste Material normalerweise Silizium, und die implantierten Verunreinigungsionen sind normalerweise Borionen, Phosphorionen, Arsenionen, Indiumionen, Germaniumionen usw. Die implantierten Ionen können die Leitfähigkeit der Oberfläche des Feststoffs verändern Material oder bilden einen PN-Übergang. Als die Strukturgröße integrierter Schaltkreise auf den Submikrometerbereich reduziert wurde, wurde der Ionenimplantationsprozess weit verbreitet.
Im Herstellungsprozess integrierter Schaltkreise wird die Ionenimplantation normalerweise für tief vergrabene Schichten, umgekehrt dotierte Wannen, die Einstellung der Schwellenspannung, die Implantation von Source- und Drain-Erweiterungen, die Implantation von Source- und Drain-Implantationen, die Dotierung von Polysilizium-Gates, die Bildung von PN-Übergängen und Widerständen/Kondensatoren usw. verwendet. Bei der Herstellung von Siliziumsubstratmaterialien auf Isolatoren wird die vergrabene Oxidschicht hauptsächlich durch die Implantation hochkonzentrierter Sauerstoffionen gebildet, oder intelligentes Schneiden wird durch die Implantation hochkonzentrierter Wasserstoffionen erreicht.
Die Ionenimplantation wird von einem Ionenimplantierer durchgeführt, und seine wichtigsten Prozessparameter sind Dosis und Energie: Die Dosis bestimmt die Endkonzentration und die Energie bestimmt die Reichweite (dh Tiefe) der Ionen. Je nach den unterschiedlichen Anforderungen an das Gerätedesign werden die Implantationsbedingungen in Hochdosis-Hochenergie, Mitteldosis-Mittelenergie, Mitteldosis-Niedrigenergie oder Hochdosis-Niedrigenergie unterteilt. Um den idealen Implantationseffekt zu erzielen, sollten unterschiedliche Implantierer für unterschiedliche Prozessanforderungen ausgestattet sein.
Nach der Ionenimplantation ist im Allgemeinen ein Hochtemperatur-Glühprozess erforderlich, um die durch die Ionenimplantation verursachten Gitterschäden zu reparieren und Verunreinigungsionen zu aktivieren. Bei herkömmlichen Prozessen für integrierte Schaltkreise hat die Glühtemperatur zwar einen großen Einfluss auf die Dotierung, die Temperatur des Ionenimplantationsprozesses selbst ist jedoch nicht wichtig. An Technologieknoten unter 14 nm müssen bestimmte Ionenimplantationsprozesse in Umgebungen mit niedrigen oder hohen Temperaturen durchgeführt werden, um die Auswirkungen von Gitterschäden usw. zu ändern.
2. Ionenimplantationsprozess
2.1 Grundprinzipien
Bei der Ionenimplantation handelt es sich um ein in den 1960er Jahren entwickeltes Dotierungsverfahren, das herkömmlichen Diffusionstechniken in vielen Aspekten überlegen ist.
Die Hauptunterschiede zwischen Ionenimplantationsdotierung und herkömmlicher Diffusionsdotierung sind folgende:
(1) Die Verteilung der Störstellenkonzentration im dotierten Bereich ist unterschiedlich. Die höchste Verunreinigungskonzentration der Ionenimplantation liegt im Inneren des Kristalls, während die höchste Verunreinigungskonzentration der Diffusion an der Oberfläche des Kristalls liegt.
(2) Die Ionenimplantation ist ein Prozess, der bei Raumtemperatur oder sogar niedriger Temperatur durchgeführt wird und die Produktionszeit kurz ist. Die Diffusionsdotierung erfordert eine längere Hochtemperaturbehandlung.
(3) Die Ionenimplantation ermöglicht eine flexiblere und präzisere Auswahl implantierter Elemente.
(4) Da Verunreinigungen durch thermische Diffusion beeinflusst werden, ist die Wellenform, die durch die Ionenimplantation im Kristall entsteht, besser als die Wellenform, die durch Diffusion im Kristall entsteht.
(5) Bei der Ionenimplantation wird normalerweise nur Fotolack als Maskenmaterial verwendet, die Diffusionsdotierung erfordert jedoch das Wachstum oder die Abscheidung eines Films einer bestimmten Dicke als Maske.
(6) Die Ionenimplantation hat im Wesentlichen die Diffusion ersetzt und ist heute zum wichtigsten Dotierungsverfahren bei der Herstellung integrierter Schaltkreise geworden.
Wenn ein einfallender Ionenstrahl mit einer bestimmten Energie ein festes Ziel (normalerweise einen Wafer) bombardiert, gehen die Ionen und Atome auf der Zieloberfläche verschiedene Wechselwirkungen ein und übertragen auf bestimmte Weise Energie auf die Zielatome, um sie anzuregen oder zu ionisieren ihnen. Die Ionen können durch Impulsübertragung auch eine gewisse Energiemenge verlieren und schließlich an den Zielatomen gestreut werden oder im Zielmaterial anhalten. Wenn die injizierten Ionen schwerer sind, werden die meisten Ionen in das feste Ziel injiziert. Sind die injizierten Ionen hingegen leichter, prallen viele der injizierten Ionen von der Zieloberfläche ab. Grundsätzlich kollidieren diese in das Target injizierten hochenergetischen Ionen in unterschiedlichem Ausmaß mit den Gitteratomen und Elektronen im festen Target. Unter diesen kann die Kollision zwischen Ionen und festen Zielatomen als elastische Kollision angesehen werden, da sie eine ähnliche Masse haben.
2.2 Hauptparameter der Ionenimplantation
Die Ionenimplantation ist ein flexibler Prozess, der strenge Anforderungen an das Chipdesign und die Produktion erfüllen muss. Wichtige Parameter der Ionenimplantation sind: Dosis, Reichweite.
Dosis (D) bezieht sich auf die Anzahl der pro Flächeneinheit der Siliziumwaferoberfläche injizierten Ionen, in Atomen pro Quadratzentimeter (oder Ionen pro Quadratzentimeter). D kann nach folgender Formel berechnet werden:
Dabei ist D die Implantationsdosis (Anzahl der Ionen/Flächeneinheit); t ist die Implantationszeit; I ist der Strahlstrom; q ist die vom Ion getragene Ladung (eine einzelne Ladung beträgt 1,6×1019C[1]); und S ist der Implantationsbereich.
Einer der Hauptgründe, warum die Ionenimplantation zu einer wichtigen Technologie bei der Herstellung von Siliziumwafern geworden ist, besteht darin, dass sie wiederholt die gleiche Dosis an Verunreinigungen in Siliziumwafer implantieren kann. Dieses Ziel erreicht der Implanter mit Hilfe der positiven Ladung der Ionen. Wenn die positiven Verunreinigungsionen einen Ionenstrahl bilden, wird seine Flussrate als Ionenstrahlstrom bezeichnet und in mA gemessen. Der Bereich mittlerer und niedriger Ströme beträgt 0,1 bis 10 mA und der Bereich hoher Ströme 10 bis 25 mA.
Die Stärke des Ionenstrahlstroms ist eine Schlüsselvariable bei der Bestimmung der Dosis. Wenn der Strom zunimmt, erhöht sich auch die Anzahl der pro Zeiteinheit implantierten Verunreinigungsatome. Ein hoher Strom trägt zur Erhöhung der Siliziumwaferausbeute bei (indem mehr Ionen pro Produktionszeiteinheit injiziert werden), verursacht aber auch Probleme mit der Gleichmäßigkeit.
3. Ionenimplantationsausrüstung
3.1 Grundstruktur
Die Ionenimplantationsausrüstung umfasst 7 Grundmodule:
① Ionenquelle und Absorber;
② Massenanalysator (dh analytischer Magnet);
③ Beschleunigerrohr;
④ Scannen der Festplatte;
⑤ elektrostatisches Neutralisationssystem;
⑥ Prozesskammer;
⑦ Dosiskontrollsystem.
AAlle Module befinden sich in einer Vakuumumgebung, die durch das Vakuumsystem erzeugt wird. Das grundlegende Strukturdiagramm des Ionenimplantators ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
(1)Ionenquelle:
Normalerweise in derselben Vakuumkammer wie die Saugelektrode. Die auf die Injektion wartenden Verunreinigungen müssen im Ionenzustand vorliegen, um durch das elektrische Feld kontrolliert und beschleunigt zu werden. Die am häufigsten verwendeten B+, P+, As+ usw. werden durch Ionisierung von Atomen oder Molekülen gewonnen.
Die verwendeten Verunreinigungsquellen sind BF3, PH3 und AsH3 usw., und ihre Strukturen sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Die vom Glühfaden freigesetzten Elektronen kollidieren mit Gasatomen und erzeugen Ionen. Elektronen werden normalerweise von einer heißen Wolfram-Glühfadenquelle erzeugt. Beispielsweise ist bei der Berners-Ionenquelle der Kathodenfaden in einer Lichtbogenkammer mit Gaseinlass installiert. Die Innenwand der Lichtbogenkammer ist die Anode.
Wenn die Gasquelle eingeführt wird, fließt ein großer Strom durch den Glühfaden und zwischen der positiven und der negativen Elektrode wird eine Spannung von 100 V angelegt, wodurch hochenergetische Elektronen um den Glühfaden erzeugt werden. Positive Ionen werden erzeugt, nachdem die hochenergetischen Elektronen mit den Quellgasmolekülen kollidieren.
Der externe Magnet legt ein Magnetfeld parallel zum Filament an, um die Ionisierung zu erhöhen und das Plasma zu stabilisieren. In der Lichtbogenkammer, am anderen Ende relativ zum Glühfaden, befindet sich ein negativ geladener Reflektor, der die Elektronen zurückreflektiert, um die Erzeugung und Effizienz der Elektronen zu verbessern.
(2)Absorption:
Es dient dazu, in der Lichtbogenkammer der Ionenquelle erzeugte positive Ionen zu sammeln und zu einem Ionenstrahl zu formen. Da die Lichtbogenkammer die Anode ist und die Kathode an der Saugelektrode unter Unterdruck steht, steuert das erzeugte elektrische Feld die positiven Ionen und bewirkt, dass sie sich in Richtung der Saugelektrode bewegen und aus dem Ionenspalt herausgezogen werden, wie in der Abbildung unten dargestellt . Je größer die elektrische Feldstärke, desto größer ist die kinetische Energie, die die Ionen nach der Beschleunigung gewinnen. An der Saugelektrode liegt zusätzlich eine Unterdrückungsspannung an, um Störungen durch Elektronen im Plasma zu verhindern. Gleichzeitig kann die Unterdrückungselektrode Ionen zu einem Ionenstrahl formen und sie zu einem parallelen Ionenstrahlstrom fokussieren, so dass er durch den Implanter verläuft.
(3)Massenanalysator:
Die Ionenquelle kann viele Arten von Ionen erzeugen. Durch die Beschleunigung der Anodenspannung bewegen sich die Ionen mit hoher Geschwindigkeit. Unterschiedliche Ionen haben unterschiedliche atomare Masseneinheiten und unterschiedliche Masse-Ladungs-Verhältnisse.
(4)Beschleunigerrohr:
Um eine höhere Geschwindigkeit zu erreichen, ist eine höhere Energie erforderlich. Zur Beschleunigung ist neben dem von Anode und Massenanalysator bereitgestellten elektrischen Feld auch ein in der Beschleunigerröhre bereitgestelltes elektrisches Feld erforderlich. Die Beschleunigerröhre besteht aus einer Reihe von Elektroden, die durch ein Dielektrikum isoliert sind, und die negative Spannung an den Elektroden steigt durch die Reihenschaltung der Reihe nach an. Je höher die Gesamtspannung, desto größer ist die Geschwindigkeit, die die Ionen erreichen, d. h. desto größer ist die transportierte Energie. Mit hoher Energie können Verunreinigungsionen tief in den Siliziumwafer injiziert werden, um einen tiefen Übergang zu bilden, während mit niedriger Energie ein flacher Übergang erzeugt werden kann.
(5)Festplatte scannen
Der fokussierte Ionenstrahl hat normalerweise einen sehr kleinen Durchmesser. Der Strahlfleckdurchmesser eines Stromimplantierers mit mittlerem Strahl beträgt etwa 1 cm und der eines Stromimplantierers mit großem Strahl etwa 3 cm. Der gesamte Siliziumwafer muss durch den Scan erfasst werden. Die Wiederholbarkeit der Dosisimplantation wird durch Scannen bestimmt. Normalerweise gibt es vier Arten von Implanter-Scansystemen:
① elektrostatisches Scannen;
② mechanisches Scannen;
③ Hybrid-Scannen;
④ paralleles Scannen.
(6)System zur Neutralisierung statischer Elektrizität:
Während des Implantationsprozesses trifft der Ionenstrahl auf den Siliziumwafer und führt zu einer Ladungsakkumulation auf der Maskenoberfläche. Die daraus resultierende Ladungsakkumulation verändert das Ladungsgleichgewicht im Ionenstrahl, wodurch der Strahlfleck größer und die Dosisverteilung ungleichmäßiger wird. Es kann sogar die oberflächliche Oxidschicht durchbrechen und zum Ausfall des Geräts führen. Heutzutage werden der Siliziumwafer und der Ionenstrahl normalerweise in einer stabilen Plasmaumgebung mit hoher Dichte, einem sogenannten Plasma-Elektronen-Duschsystem, platziert, das die Aufladung des Siliziumwafers steuern kann. Bei dieser Methode werden Elektronen aus dem Plasma (normalerweise Argon oder Xenon) in einer Lichtbogenkammer extrahiert, die sich im Ionenstrahlpfad und in der Nähe des Siliziumwafers befindet. Das Plasma wird gefiltert und nur Sekundärelektronen können die Oberfläche des Siliziumwafers erreichen, um die positive Ladung zu neutralisieren.
(7)Prozesshohlraum:
Die Injektion von Ionenstrahlen in Siliziumwafer erfolgt in der Prozesskammer. Die Prozesskammer ist ein wichtiger Teil des Implanters, einschließlich eines Scansystems, einer Terminalstation mit Vakuumschleuse zum Be- und Entladen von Siliziumwafern, einem Siliziumwafer-Transfersystem und einem Computersteuerungssystem. Darüber hinaus gibt es einige Geräte zur Dosisüberwachung und Steuerung von Kanaleffekten. Bei mechanischer Abtastung ist die Endstation relativ groß. Das Vakuum der Prozesskammer wird durch eine mehrstufige mechanische Pumpe, eine Turbomolekularpumpe und eine Kondensationspumpe auf den für den Prozess erforderlichen Bodendruck gepumpt, der im Allgemeinen etwa 1 × 10-6 Torr oder weniger beträgt.
(8)Dosierungskontrollsystem:
Die Echtzeit-Dosisüberwachung in einem Ionenimplantierer erfolgt durch Messung des Ionenstrahls, der den Siliziumwafer erreicht. Der Ionenstrahlstrom wird mit einem Sensor namens Faraday-Becher gemessen. In einem einfachen Faraday-System befindet sich im Ionenstrahlpfad ein Stromsensor, der den Strom misst. Dies stellt jedoch ein Problem dar, da der Ionenstrahl mit dem Sensor reagiert und Sekundärelektronen erzeugt, die zu fehlerhaften Strommesswerten führen. Ein Faraday-System kann Sekundärelektronen mithilfe elektrischer oder magnetischer Felder unterdrücken, um einen echten Strahlstromwert zu erhalten. Der vom Faraday-System gemessene Strom wird in einen elektronischen Dosisregler eingespeist, der als Stromspeicher fungiert (der den gemessenen Strahlstrom kontinuierlich akkumuliert). Mithilfe des Controllers wird der Gesamtstrom mit der entsprechenden Implantationszeit in Beziehung gesetzt und die für eine bestimmte Dosis benötigte Zeit berechnet.
3.2 Schadensbehebung
Durch die Ionenimplantation werden Atome aus der Gitterstruktur geschleudert und das Siliziumwafergitter beschädigt. Wenn die implantierte Dosis groß ist, wird die implantierte Schicht amorph. Darüber hinaus besetzen die implantierten Ionen grundsätzlich nicht die Gitterpunkte des Siliziums, sondern bleiben in den Gitterlückenpositionen. Diese interstitiellen Verunreinigungen können erst nach einem Hochtemperatur-Glühprozess aktiviert werden.
Durch Tempern kann der implantierte Siliziumwafer erhitzt werden, um Gitterfehler zu reparieren. Es kann auch Verunreinigungsatome zu den Gitterpunkten bewegen und diese aktivieren. Die zur Reparatur von Gitterdefekten erforderliche Temperatur beträgt etwa 500 °C und die zur Aktivierung von Verunreinigungsatomen erforderliche Temperatur beträgt etwa 950 °C. Die Aktivierung von Verunreinigungen hängt von Zeit und Temperatur ab: Je länger die Zeit und je höher die Temperatur, desto vollständiger werden die Verunreinigungen aktiviert. Es gibt zwei grundlegende Methoden zum Tempern von Siliziumwafern:
① Hochtemperaturofenglühen;
② schnelles thermisches Ausheilen (RTA).
Hochtemperatur-Ofenglühen: Hochtemperatur-Ofenglühen ist eine traditionelle Glühmethode, bei der der Siliziumwafer in einem Hochtemperaturofen auf 800–1000 °C erhitzt und 30 Minuten lang gehalten wird. Bei dieser Temperatur wandern die Siliziumatome zurück in die Gitterposition, und auch Fremdatome können die Siliziumatome ersetzen und in das Gitter eindringen. Allerdings führt eine Wärmebehandlung bei einer solchen Temperatur und Zeit zur Diffusion von Verunreinigungen, was die moderne IC-Fertigungsindustrie nicht sehen möchte.
Schnelles thermisches Ausheilen: Beim schnellen thermischen Ausheilen (RTA) werden Siliziumwafer mit extrem schnellem Temperaturanstieg und kurzer Dauer bei der Zieltemperatur (normalerweise 1000 °C) behandelt. Das Ausheilen implantierter Siliziumwafer erfolgt üblicherweise in einem schnellen Thermoprozessor mit Ar oder N2. Der schnelle Temperaturanstiegsprozess und die kurze Dauer können die Reparatur von Gitterdefekten, die Aktivierung von Verunreinigungen und die Hemmung der Diffusion von Verunreinigungen optimieren. RTA kann auch die transiente verstärkte Diffusion reduzieren und ist die beste Möglichkeit, die Übergangstiefe bei Implantaten mit flachem Übergang zu steuern.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 31. August 2024