Parámetros del proceso de implantación de iones

En la fabricación de obleas de silicio, la distribución de iones juega un papel decisivo en el rendimiento del dispositivo, que a su vez está estrechamente vinculada a los parámetros principales del proceso de implantación de iones. Los principales parámetros de la tecnología de implantación de iones cubren factores como el tipo de fuente de iones, la dosis de inyección, la energía de inyección, el ángulo de inyección y la rotación de la oblea de silicio.

Parámetros del proceso de implantación de iones
1) dosis de implantación
La concentración general de iones dopados se ve afectada principalmente por la dosis inyectada. La dosis está determinada por el producto de la densidad del haz (es decir, el número de iones por unidad de área) y el tiempo de implantación, y su rango específico está estrechamente relacionado con el rendimiento del dispositivo de implantación de iones. En general, el rango de dosis de la máquina de inyección de haz medio/alta energía es 1011 ~ 1014cm -2. El inyector de haz alto está entre 1014 ~ 1016cm -2, y la fórmula teórica para calcular la dosis es:

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donde n representa la dosis de implantación de iones (unidad: cm -19 c). T es el tiempo de inyección, i es la cantidad de la corriente inyectada; A es el área de inyección, n es el número de cargas, y E es la carga unitaria. Es importante tener en cuenta que la dosis de implantación de iones se mide en términos de densidad del haz (es decir, el número de iones por unidad de área), mientras que En el análisis de concentración real, como la espectrometría de masas de iones secundarios (SIM), se expresa en concentración a granel (es decir, el número de iones por unidad de volumen). Por lo tanto, al usar estos dos métodos, uno debe prestar atención a la diferencia en sus unidades de cálculo.

Energía de implantación
La energía en el momento de la implantación de iones, que está directamente relacionada con la velocidad de movimiento de los iones, es un factor clave para determinar la profundidad de la implantación de iones. En la fabricación de circuitos integrados, el rango de energía de la implantación de iones es típicamente entre 0. 1 kev y 1000 keV.

La profundidad de la implantación de iones no solo está relacionada con la energía de la inyección, sino también con la dosis de inyección. Como se muestra en la figura a continuación, se muestra la distribución de profundidad de los iones SB bajo diferentes inyecciones de energía, que se obtiene mediante análisis SIMS. Se puede observar que a medida que aumenta la energía de la inyección, la profundidad de la implantación de iones también aumenta, pero en consecuencia, la concentración máxima disminuye.

Curvas de distribución de profundidad de iones SB bajo diferentes inyecciones de energía (análisis SIME)

La siguiente figura representa las curvas de la profundidad de inyección de B, P y como iones en el silicio amorfo en función de la energía de inyección. Desde el gráfico, está claro que existe una relación proporcional entre la profundidad de inyección y la energía de inyección. Además, para diferentes tipos de iones con la misma energía de implantación, cuanto mayor es la masa atómica relativa del ion, menor es el rango proyectado (RP) de la profundidad de implantación.

Curvas de B, P, como profundidad de inyección en el silicio amorfo en función de la energía de inyección
3) ángulo de implantación
Los parámetros de ángulo de la implantación de iones incluyen inclinación y giro, como se muestra en la figura a continuación. El ángulo de inclinación tiene un impacto significativo en la profundidad de implantación de iones, mientras que el ángulo de giro debe ajustarse de acuerdo con la orientación de la estructura del producto específica.

Inclinación y ángulos de giro de implantación de iones

En el proceso de oblea real, los cristales de silicio existen como cristales individuales, exhibiendo una estructura cristalina específica. Por lo tanto, cuando se ve desde diferentes direcciones de cristal, la proyección de la red mostrará una gran diferencia. Como se muestra en la figura a continuación, cuando se ve en la dirección de<110 >, se forman una gran cantidad de canales con grandes dimensiones. Si se desvía de este ángulo, el número de canales aumenta, pero el tamaño disminuye significativamente. Cuando se inyectan iones en el<110 > direction, some of the ions advance along these channels with minimal hindrance to the nuclei and electrons, resulting in a deeper than expected injection, resulting in a so-called channel effect.

0020-33806 Cámara superior DPS + Poly

Visualización de instrucciones
Bajo la influencia del efecto del canal, hay un segundo pico en la profundidad y concentración de la implantación de iones, como se muestra en la figura a continuación, lo que hace que la profundidad de la implantación sea difícil de controlar. Para evitar el efecto del canal, se adoptan dos métodos principales: uno es ajustar la dirección del eje principal del cristal de silicio para que se desvíe de la dirección de la inyección, es decir, ajustar el ángulo de inclinación (generalmente entre 3 grados y 7 grado) para que el cristal de silicio parezca amorfo. Al observar las curvas de distribución de profundidad de SIMS de iones dopados como como, sb, b y p en diferentes ángulos de inclinación (p. Ej., 5 grados, 30 grados, 60 grados y 80 grados), se puede encontrar que con el aumento de La inclinación, la profundidad de inyección disminuye, el valor máximo está más cerca de la superficie y la concentración máxima disminuye. El segundo es cubrir la superficie del cristal de silicio con una película dieléctrica amorfa, como dióxido de silicio y nitruro de silicio, o para amorfizar la superficie (como implantar el plasma GE o Si).PEFFECTO DEL EFECTO DEL CANAL SOBRE LA DISTRIBUCIÓN DE CONCENTRACIÓN DE UNA INYECCIÓN DE ENERGÍA DE 110 KEV
4) la oblea gira

Cuando la implantación de iones se lleva a cabo en obleas de silicio, a menudo hay un cierto patrón estructural en la superficie, lo que hace que las partes del área se ocluyan durante el proceso de inyección, lo que resulta en el llamado efecto de sombra. Para mejorar la uniformidad de la inyección de la superficie de la oblea de silicio, a menudo es necesario rotar la oblea de silicio. Por ejemplo, en algunos procesos de implantación de iones, la oblea se gira cuatro veces a 90 grados durante un cuarto de la dosis total para eliminar los efectos del sombreado (ver figura a continuación, nota: la línea punteada es el área sombreada).

Bloqueo de estructura de inyección de inclinación de iones
5) Selección de fuente de ionesExisten muchos tipos de elementos de dopaje, incluidos el boro (b), el fósforo (P), el arsénico (AS), el indio (in), el oxígeno (O), el hidrógeno (H), el flúor (F) y el germanio (GE). Dependiendo de las necesidades de aplicación del producto, deben doparse diferentes elementos. Las fuentes de iones de uso común para Boron son el trifluoruro de boro (BF₃) o Borane (B₂H₆), que se utilizan para el dopaje de tipo P, como la formación de trampas de tipo P, el ajuste del voltaje umbral de los dispositivos de tipo P, El dopaje de los dispositivos de tipo P y la formación de la fuente drenan. Debido a la baja masa de átomos de boro y la cantidad relativamente baja de energía de implantación requerida, los iones bf₃⁺ generalmente se seleccionan para la implantación.

El fosforus a menudo se usa como una fuente iónica para fosfina (ph₃) o fósforo rojo sólido para el dopaje de tipo N, como la formación de trampas de tipo N, el ajuste del voltaje umbral de los dispositivos de tipo N, el dopaje de N- Tipo de dispositivos y la formación de drenajes de origen.
El arsénico se puede usar como fuente de iones, arsénico (Ash₃), arsénico sólido o as₂o, que es de tipo n como fósforo, y el arsénico también se puede usar para inyección en capas enterradas profundas. El indio es yoduro de indio (INI) como la fuente de iones, que se dopa P como Boron, y a menudo se usa para la inyección de dopaje ligero como un ion pesado.

El flúor se puede usar como fuente de iones para neutralizar la tecla de suspensión SI en la interfaz Si/SiO₂ para reducir la densidad de los estados en la interfaz y reducir la interferencia de la corriente de fuga y el ruido de la señal eléctrica aleatoria.
Cuando se inyecta con altas dosis, el germanio puede interrumpir la estructura de la red del silicio y formar una capa amorfa, lo que ayuda a reducir el efecto del canal. Además, ayuda a la recristalización y la activación eléctrica durante el recocido después de la implantación de iones.
Monitoreo del proceso de implantación de iones
Los parámetros del proceso de implantación de iones tienen un impacto significativo en el rendimiento del dispositivo de producto final, por lo que es importante monitorear el proceso de manera continua y efectiva. Aquí hay algunos tipos principales de monitoreo:

Tecnología de detección de daños de onda térmica (ver figura a continuación)
Después de la implantación de iones, la red cristalina de una oblea de silicio se dañará hasta cierto punto. Al detectar el alcance de este daño en red, podemos monitorear la estabilidad del proceso de implantación de iones. Esto se hace calentando la superficie de la oblea con un haz láser, y luego la reflectividad de la superficie de la oblea cambia. Cuando se mide un área específica de la superficie de la oblea con otro láser, la señal reflejada cambia con el cambio en la reflectividad, y este cambio detectado se denomina señal de onda térmica (TW). La señal de onda térmica está estrechamente relacionada con el grado de daño a la red de cristal. Este método reacciona rápidamente sin daño a la oblea, lo que lo hace ideal para el monitoreo en tiempo real de la estabilidad del proceso de implantación de iones en la línea de producción.

热波操作监控

2) Medición de resistencia cuadradaLa oblea después de la implantación de iones debe sufrir recocido térmico rápido para estimular la actividad electrónica de los dopantes. El medidor de resistencia (RS) utiliza el método de cuatro sondas, en el que se aplica una corriente eléctrica entre dos pines de prueba y el voltaje entre los otros dos pines de prueba se mide para calcular el valor de resistencia cuadrada de la oblea. El valor RS es un índice de monitoreo de uso común en implantadores de iones, que está relacionado con la dosis y el ángulo de inyección. En general, cuanto mayor sea la dosis, menor es el valor RS. Los resultados de la medición de RS también se ven afectados por la estabilidad del proceso rápido de recocido térmico. Aunque este método no es tan sencillo como la detección de daño por onda térmica, sus resultados son más precisos y, por lo tanto, se usan ampliamente para el monitoreo en línea en las líneas de producción.

Espectrometría de masas de iones secundariosAl bombardear la superficie de la oblea con un haz de iones pesado y recolectar los espectros de masas de iones secundarios pulgados en diferentes momentos, podemos medir el tipo, la concentración y la profundidad de los elementos dopados. Este es actualmente el método de monitoreo más preciso para la implantación de iones. Sin embargo, el análisis SIMS no permite un análisis exhaustivo de toda la oblea, requiere un análisis en un laboratorio dedicado utilizando equipos de análisis SIMS y requiere la destrucción de la oblea para el muestreo, por lo que no es posible la medición en línea, y el tiempo de retroalimentación es relativamente largo.

4) Tecnología de monitoreo de partículas de superficiePara los procesos de implantación de iones, el principal peligro de las partículas de superficie es que bloquean la zona de inyección dopada, lo que resulta en estructuras de dopaje incompletas, que a su vez pueden afectar el rendimiento del producto. Por lo tanto, necesitamos usar métodos como microscopía electrónica para monitorear las partículas de la superficie.