1. Introduction
L'implantation ionique est l'un des principaux processus de fabrication de circuits intégrés. Il fait référence au processus d'accélération d'un faisceau d'ions jusqu'à une certaine énergie (généralement comprise entre keV et MeV), puis de son injection dans la surface d'un matériau solide pour modifier les propriétés physiques de la surface du matériau. Dans le processus de circuit intégré, le matériau solide est généralement du silicium et les ions d'impuretés implantés sont généralement des ions de bore, des ions de phosphore, des ions d'arsenic, des ions d'indium, des ions de germanium, etc. Les ions implantés peuvent modifier la conductivité de la surface du solide. matériau ou former une jonction PN. Lorsque la taille des caractéristiques des circuits intégrés a été réduite à l’ère submicronique, le processus d’implantation ionique a été largement utilisé.
Dans le processus de fabrication de circuits intégrés, l'implantation ionique est généralement utilisée pour les couches profondément enfouies, les puits dopés inversement, l'ajustement de la tension de seuil, l'implantation d'extensions de source et de drain, l'implantation de source et de drain, le dopage de grille en polysilicium, la formation de jonctions PN et de résistances/condensateurs, etc. Dans le processus de préparation de matériaux de substrat en silicium sur des isolants, la couche d'oxyde enterrée est principalement formée par une implantation d'ions oxygène à haute concentration, ou une découpe intelligente est réalisée par une implantation d'ions hydrogène à haute concentration.
L'implantation d'ions est réalisée par un implanteur d'ions et ses paramètres de processus les plus importants sont la dose et l'énergie : la dose détermine la concentration finale et l'énergie détermine la plage (c'est-à-dire la profondeur) des ions. Selon les différentes exigences de conception du dispositif, les conditions d'implantation sont divisées en énergie élevée à dose élevée, énergie moyenne à dose moyenne, énergie faible à dose moyenne ou énergie faible à dose élevée. Afin d'obtenir l'effet d'implantation idéal, différents implanteurs doivent être équipés pour répondre aux différentes exigences du processus.
Après l'implantation ionique, il est généralement nécessaire de subir un processus de recuit à haute température pour réparer les dommages au réseau causés par l'implantation ionique et activer les ions d'impuretés. Dans les processus de circuits intégrés traditionnels, bien que la température de recuit ait une grande influence sur le dopage, la température du processus d'implantation ionique lui-même n'est pas importante. Aux nœuds technologiques inférieurs à 14 nm, certains processus d'implantation ionique doivent être effectués dans des environnements à basse ou haute température pour modifier les effets des dommages au réseau, etc.
2. processus d'implantation ionique
2.1 Principes de base
L'implantation ionique est un procédé de dopage développé dans les années 1960 qui est supérieur aux techniques de diffusion traditionnelles dans la plupart des aspects.
Les principales différences entre le dopage par implantation ionique et le dopage par diffusion traditionnel sont les suivantes :
(1) La distribution de la concentration d'impuretés dans la région dopée est différente. La concentration maximale d'impuretés de l'implantation ionique est située à l'intérieur du cristal, tandis que la concentration maximale d'impuretés de diffusion est située à la surface du cristal.
(2) L'implantation ionique est un processus réalisé à température ambiante ou même à basse température, et le temps de production est court. Le dopage par diffusion nécessite un traitement à haute température plus long.
(3) L'implantation ionique permet une sélection plus flexible et plus précise des éléments implantés.
(4) Étant donné que les impuretés sont affectées par la diffusion thermique, la forme d'onde formée par l'implantation ionique dans le cristal est meilleure que la forme d'onde formée par diffusion dans le cristal.
(5) L'implantation ionique n'utilise généralement que du photorésist comme matériau de masque, mais le dopage par diffusion nécessite la croissance ou le dépôt d'un film d'une certaine épaisseur comme masque.
(6) L’implantation ionique a fondamentalement remplacé la diffusion et est devenue aujourd’hui le principal procédé de dopage dans la fabrication de circuits intégrés.
Lorsqu'un faisceau d'ions incident avec une certaine énergie bombarde une cible solide (généralement une plaquette), les ions et les atomes sur la surface de la cible subiront diverses interactions et transféreront de l'énergie aux atomes cibles d'une certaine manière pour les exciter ou les ioniser. eux. Les ions peuvent également perdre une certaine quantité d'énergie par transfert d'impulsion, et finalement être dispersés par les atomes cibles ou s'arrêter dans le matériau cible. Si les ions injectés sont plus lourds, la plupart des ions seront injectés dans la cible solide. Au contraire, si les ions injectés sont plus légers, de nombreux ions injectés rebondiront sur la surface cible. Fondamentalement, ces ions à haute énergie injectés dans la cible entreront en collision à des degrés divers avec les atomes du réseau et les électrons de la cible solide. Parmi eux, la collision entre les ions et les atomes cibles solides peut être considérée comme une collision élastique car leur masse est proche.
2.2 Principaux paramètres de l'implantation ionique
L'implantation ionique est un processus flexible qui doit répondre à des exigences strictes en matière de conception et de production de puces. Les paramètres importants d'implantation ionique sont : la dose, la plage.
La dose (D) fait référence au nombre d'ions injectés par unité de surface de la surface de la plaquette de silicium, en atomes par centimètre carré (ou en ions par centimètre carré). D peut être calculé par la formule suivante :
Où D est la dose d'implantation (nombre d'ions/unité de surface) ; t est le temps d'implantation ; I est le courant du faisceau ; q est la charge portée par l'ion (une seule charge vaut 1,6×1019C[1]) ; et S est la zone d'implantation.
L’une des principales raisons pour lesquelles l’implantation ionique est devenue une technologie importante dans la fabrication de plaquettes de silicium est qu’elle peut implanter de manière répétée la même dose d’impuretés dans les plaquettes de silicium. L’implanteur atteint cet objectif grâce à la charge positive des ions. Lorsque les ions d'impuretés positifs forment un faisceau d'ions, son débit est appelé courant du faisceau d'ions, qui est mesuré en mA. La plage de courants moyens et faibles est de 0,1 à 10 mA et la plage de courants élevés est de 10 à 25 mA.
L’ampleur du courant du faisceau ionique est une variable clé dans la définition de la dose. Si le courant augmente, le nombre d’atomes d’impuretés implantés par unité de temps augmente également. Un courant élevé permet d’augmenter le rendement des plaquettes de silicium (en injectant plus d’ions par unité de temps de production), mais il entraîne également des problèmes d’uniformité.
3. équipement d'implantation ionique
3.1 Structure de base
L'équipement d'implantation ionique comprend 7 modules de base:
① source et absorbeur d'ions ;
② analyseur de masse (c'est-à-dire aimant analytique) ;
③ tube accélérateur ;
④ scanner le disque ;
⑤ système de neutralisation électrostatique ;
⑥ chambre de traitement ;
⑦ système de contrôle de dose.
ATous les modules sont dans un environnement de vide établi par le système de vide. Le schéma structurel de base de l'implanteur ionique est présenté dans la figure ci-dessous.
(1)Source d'ions:
Généralement dans la même chambre à vide que l'électrode d'aspiration. Les impuretés en attente d'injection doivent exister dans un état ionique pour être contrôlées et accélérées par le champ électrique. Les B+, P+, As+, etc. les plus couramment utilisés sont obtenus par ionisation d'atomes ou de molécules.
Les sources d'impuretés utilisées sont BF3, PH3 et AsH3, etc., et leurs structures sont présentées dans la figure ci-dessous. Les électrons libérés par le filament entrent en collision avec des atomes de gaz pour produire des ions. Les électrons sont généralement générés par une source de filament de tungstène chaud. Par exemple, dans la source d'ions Berners, le filament cathodique est installé dans une chambre à arc avec une entrée de gaz. La paroi intérieure de la chambre à arc est l'anode.
Lorsque la source de gaz est introduite, un courant important traverse le filament et une tension de 100 V est appliquée entre les électrodes positives et négatives, ce qui générera des électrons de haute énergie autour du filament. Des ions positifs sont générés après la collision des électrons à haute énergie avec les molécules de gaz source.
L'aimant externe applique un champ magnétique parallèle au filament pour augmenter l'ionisation et stabiliser le plasma. Dans la chambre à arc, à l’autre extrémité par rapport au filament, se trouve un réflecteur chargé négativement qui réfléchit les électrons pour améliorer la génération et l’efficacité des électrons.
(2)Absorption:
Il est utilisé pour collecter les ions positifs générés dans la chambre à arc de la source d'ions et les transformer en un faisceau d'ions. Étant donné que la chambre à arc est l'anode et que la cathode est sous pression négative sur l'électrode d'aspiration, le champ électrique généré contrôle les ions positifs, les faisant se déplacer vers l'électrode d'aspiration et les extraire de la fente ionique, comme le montre la figure ci-dessous. . Plus l’intensité du champ électrique est élevée, plus l’énergie cinétique acquise par les ions après l’accélération est importante. Il existe également une tension de suppression sur l'électrode d'aspiration pour empêcher les interférences des électrons dans le plasma. Dans le même temps, l'électrode de suppression peut former des ions dans un faisceau d'ions et les concentrer dans un flux de faisceau d'ions parallèle afin qu'il traverse l'implanteur.
(3)Analyseur de masse:
De nombreux types d’ions peuvent être générés à partir de la source d’ions. Sous l’accélération de la tension anodique, les ions se déplacent à grande vitesse. Différents ions ont différentes unités de masse atomique et différents rapports masse/charge.
(4)Tube d'accélérateur:
Pour obtenir une vitesse plus élevée, une énergie plus élevée est nécessaire. En plus du champ électrique fourni par l'anode et l'analyseur de masse, un champ électrique fourni dans le tube accélérateur est également nécessaire pour l'accélération. Le tube accélérateur est constitué d'une série d'électrodes isolées par un diélectrique, et la tension négative sur les électrodes augmente en séquence grâce à la connexion en série. Plus la tension totale est élevée, plus la vitesse obtenue par les ions est grande, c'est-à-dire plus l'énergie transportée est grande. Une énergie élevée peut permettre aux ions d'impuretés d'être injectés profondément dans la plaquette de silicium pour former une jonction profonde, tandis qu'une énergie faible peut être utilisée pour créer une jonction peu profonde.
(5)Analyse du disque
Le faisceau d’ions focalisé a généralement un diamètre très petit. Le diamètre du spot de faisceau d'un implanteur à courant de faisceau moyen est d'environ 1 cm, et celui d'un implanteur à courant de faisceau important est d'environ 3 cm. La totalité de la plaquette de silicium doit être recouverte par numérisation. La répétabilité de l'implantation de la dose est déterminée par balayage. Il existe généralement quatre types de systèmes de numérisation pour implanteurs :
① balayage électrostatique ;
② balayage mécanique ;
③ numérisation hybride ;
④ balayage parallèle.
(6)Système de neutralisation de l'électricité statique:
Pendant le processus d'implantation, le faisceau d'ions frappe la plaquette de silicium et provoque une accumulation de charges sur la surface du masque. L’accumulation de charges qui en résulte modifie l’équilibre des charges dans le faisceau d’ions, rendant le point du faisceau plus grand et la répartition de la dose inégale. Il peut même traverser la couche d'oxyde de surface et provoquer une panne du dispositif. Désormais, la plaquette de silicium et le faisceau d'ions sont généralement placés dans un environnement plasma stable à haute densité appelé système de douche d'électrons plasma, qui peut contrôler la charge de la plaquette de silicium. Cette méthode extrait les électrons du plasma (généralement de l'argon ou du xénon) dans une chambre à arc située sur le trajet du faisceau ionique et à proximité de la plaquette de silicium. Le plasma est filtré et seuls les électrons secondaires peuvent atteindre la surface de la plaquette de silicium pour neutraliser la charge positive.
(7)Cavité de processus:
L'injection de faisceaux d'ions dans des tranches de silicium a lieu dans la chambre de traitement. La chambre de traitement est une partie importante de l'implanteur, comprenant un système de numérisation, une station terminale avec un sas à vide pour le chargement et le déchargement des tranches de silicium, un système de transfert de tranches de silicium et un système de contrôle informatique. De plus, il existe certains dispositifs permettant de surveiller les doses et de contrôler les effets des canaux. Si un balayage mécanique est utilisé, la station terminale sera relativement grande. Le vide de la chambre de traitement est pompé jusqu'à la pression inférieure requise par le processus par une pompe mécanique à plusieurs étages, une pompe turbomoléculaire et une pompe à condensation, qui est généralement d'environ 1 × 10-6 Torr ou moins.
(8)Système de contrôle du dosage:
La surveillance de la dose en temps réel dans un implanteur d'ions est réalisée en mesurant le faisceau d'ions atteignant la plaquette de silicium. Le courant du faisceau ionique est mesuré à l’aide d’un capteur appelé coupe de Faraday. Dans un système Faraday simple, il y a un capteur de courant dans le trajet du faisceau ionique qui mesure le courant. Cependant, cela pose un problème, car le faisceau d'ions réagit avec le capteur et produit des électrons secondaires qui entraîneront des lectures de courant erronées. Un système Faraday peut supprimer les électrons secondaires à l’aide de champs électriques ou magnétiques pour obtenir une véritable lecture du courant du faisceau. Le courant mesuré par le système Faraday est introduit dans un contrôleur de dose électronique, qui agit comme un accumulateur de courant (qui accumule en permanence le courant de faisceau mesuré). Le contrôleur est utilisé pour relier le courant total au temps d'implantation correspondant et calculer le temps requis pour une certaine dose.
3.2 Réparation des dommages
L’implantation ionique fera sortir les atomes de la structure du réseau et endommagera le réseau de la plaquette de silicium. Si la dose implantée est importante, la couche implantée deviendra amorphe. De plus, les ions implantés n’occupent fondamentalement pas les points du réseau du silicium, mais restent dans les positions des espaces vides du réseau. Ces impuretés interstitielles ne peuvent être activées qu'après un processus de recuit à haute température.
Le recuit peut chauffer la plaquette de silicium implantée pour réparer les défauts du réseau ; il peut également déplacer les atomes d'impuretés vers les points du réseau et les activer. La température requise pour réparer les défauts du réseau est d'environ 500 °C et la température requise pour activer les atomes d'impuretés est d'environ 950 °C. L'activation des impuretés est liée au temps et à la température : plus le temps est long et plus la température est élevée, plus les impuretés sont pleinement activées. Il existe deux méthodes de base pour recuire des tranches de silicium :
① recuit au four à haute température ;
② recuit thermique rapide (RTA).
Recuit au four à haute température : Le recuit au four à haute température est une méthode de recuit traditionnelle, qui utilise un four à haute température pour chauffer la plaquette de silicium à 800-1 000 ℃ et la conserver pendant 30 minutes. À cette température, les atomes de silicium reviennent à la position du réseau et des atomes d'impuretés peuvent également remplacer les atomes de silicium et entrer dans le réseau. Cependant, un traitement thermique à une telle température et une telle durée entraînera la diffusion d'impuretés, ce que l'industrie moderne de fabrication de circuits intégrés ne souhaite pas voir.
Recuit thermique rapide : le recuit thermique rapide (RTA) traite les tranches de silicium avec une montée en température extrêmement rapide et une courte durée à la température cible (généralement 1 000 °C). Le recuit des tranches de silicium implantées est généralement effectué dans un processeur thermique rapide avec Ar ou N2. Le processus d'augmentation rapide de la température et sa courte durée peuvent optimiser la réparation des défauts du réseau, l'activation des impuretés et l'inhibition de la diffusion des impuretés. Le RTA peut également réduire la diffusion transitoire améliorée et constitue le meilleur moyen de contrôler la profondeur de jonction dans les implants à jonction peu profonde.
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Heure de publication : 31 août 2024