1. Giới thiệu
Cấy ion là một trong những quy trình chính trong sản xuất mạch tích hợp. Nó đề cập đến quá trình tăng tốc chùm ion đến một năng lượng nhất định (thường nằm trong khoảng keV đến MeV) và sau đó bơm nó vào bề mặt vật liệu rắn để thay đổi tính chất vật lý của bề mặt vật liệu. Trong quy trình mạch tích hợp, vật liệu rắn thường là silicon và các ion tạp chất được cấy ghép thường là ion boron, ion phốt pho, ion asen, ion indi, ion germani, v.v. Các ion được cấy ghép có thể thay đổi độ dẫn điện của bề mặt chất rắn vật liệu hoặc tạo thành một điểm nối PN. Khi kích thước tính năng của mạch tích hợp giảm xuống mức dưới micron, quy trình cấy ion đã được sử dụng rộng rãi.
Trong quy trình sản xuất mạch tích hợp, cấy ion thường được sử dụng cho các lớp chôn sâu, giếng pha tạp ngược, điều chỉnh điện áp ngưỡng, cấy mở rộng nguồn và cống, cấy nguồn và cống, pha tạp cổng polysilicon, hình thành các mối nối PN và điện trở/tụ điện, v.v. Trong quá trình chuẩn bị vật liệu nền silicon trên chất cách điện, lớp oxit chôn chủ yếu được hình thành bằng cách cấy ion oxy nồng độ cao hoặc cắt thông minh bằng cách cấy ion hydro nồng độ cao.
Việc cấy ion được thực hiện bởi một máy cấy ion và các thông số quy trình quan trọng nhất của nó là liều lượng và năng lượng: liều lượng xác định nồng độ cuối cùng và năng lượng xác định phạm vi (tức là độ sâu) của các ion. Theo các yêu cầu thiết kế thiết bị khác nhau, các điều kiện cấy ghép được chia thành năng lượng cao liều cao, năng lượng trung bình liều trung bình, năng lượng thấp liều trung bình hoặc năng lượng thấp liều cao. Để đạt được hiệu quả cấy ghép lý tưởng, các bộ cấy ghép khác nhau cần được trang bị cho các yêu cầu quy trình khác nhau.
Sau khi cấy ion, thông thường cần phải trải qua quá trình ủ ở nhiệt độ cao để sửa chữa các tổn thương mạng tinh thể do cấy ion và kích hoạt các ion tạp chất. Trong các quy trình mạch tích hợp truyền thống, mặc dù nhiệt độ ủ có ảnh hưởng lớn đến doping nhưng bản thân nhiệt độ của quá trình cấy ion không quan trọng. Tại các nút công nghệ dưới 14nm, một số quy trình cấy ion nhất định cần được thực hiện trong môi trường nhiệt độ thấp hoặc cao để thay đổi ảnh hưởng của hư hỏng mạng tinh thể, v.v.
2. Quy trình cấy ion
2.1 Nguyên tắc cơ bản
Cấy ion là một quá trình doping được phát triển vào những năm 1960, vượt trội hơn so với các kỹ thuật khuếch tán truyền thống về hầu hết các khía cạnh.
Sự khác biệt chính giữa doping cấy ion và doping khuếch tán truyền thống như sau:
(1) Sự phân bố nồng độ tạp chất trong vùng pha tạp là khác nhau. Nồng độ tạp chất cực đại của quá trình cấy ion nằm bên trong tinh thể, trong khi nồng độ tạp chất cực đại của quá trình khuếch tán nằm trên bề mặt tinh thể.
(2) Cấy ion là một quá trình được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc thậm chí ở nhiệt độ thấp và thời gian sản xuất ngắn. Doping khuếch tán đòi hỏi phải xử lý ở nhiệt độ cao lâu hơn.
(3) Cấy ion cho phép lựa chọn linh hoạt và chính xác hơn các phần tử được cấy ghép.
(4) Do tạp chất bị ảnh hưởng bởi sự khuếch tán nhiệt nên dạng sóng hình thành do cấy ion vào tinh thể sẽ tốt hơn dạng sóng hình thành do khuếch tán trong tinh thể.
(5) Cấy ion thường chỉ sử dụng chất quang dẫn làm vật liệu mặt nạ, nhưng pha tạp khuếch tán đòi hỏi sự phát triển hoặc lắng đọng của một màng có độ dày nhất định làm mặt nạ.
(6) Cấy ion về cơ bản đã thay thế khuếch tán và trở thành quá trình pha tạp chủ yếu trong chế tạo mạch tích hợp hiện nay.
Khi một chùm ion tới có năng lượng nhất định bắn vào mục tiêu rắn (thường là tấm wafer), các ion và nguyên tử trên bề mặt mục tiêu sẽ trải qua nhiều tương tác khác nhau và truyền năng lượng đến các nguyên tử mục tiêu theo một cách nhất định để kích thích hoặc ion hóa họ. Các ion cũng có thể mất đi một lượng năng lượng nhất định thông qua việc truyền động lượng và cuối cùng bị phân tán bởi các nguyên tử mục tiêu hoặc dừng lại trong vật liệu mục tiêu. Nếu các ion được bơm vào nặng hơn thì hầu hết các ion sẽ được bơm vào mục tiêu rắn. Ngược lại, nếu các ion được bơm vào nhẹ hơn thì nhiều ion được bơm vào sẽ bật ra khỏi bề mặt mục tiêu. Về cơ bản, các ion năng lượng cao này được bơm vào mục tiêu sẽ va chạm với các nguyên tử và electron trong mạng trong mục tiêu rắn ở các mức độ khác nhau. Trong số đó, va chạm giữa các ion và nguyên tử rắn của bia có thể coi là va chạm đàn hồi vì chúng có khối lượng gần nhau.
2.2 Các thông số chính của cấy ion
Cấy ion là một quy trình linh hoạt phải đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về thiết kế và sản xuất chip. Các thông số cấy ion quan trọng là: liều lượng, phạm vi.
Liều lượng (D) đề cập đến số lượng ion được bơm trên một đơn vị diện tích bề mặt tấm wafer silicon, tính bằng nguyên tử trên mỗi cm vuông (hoặc các ion trên mỗi cm vuông). D có thể được tính theo công thức sau:
Trong đó D là liều cấy (số lượng ion/đơn vị diện tích); t là thời gian cấy ghép; I là chùm tia hiện tại; q là điện tích mà ion mang theo (một điện tích là 1,6×1019C[1]); và S là diện tích cấy ghép.
Một trong những lý do chính khiến việc cấy ion trở thành một công nghệ quan trọng trong sản xuất tấm bán dẫn silicon là vì nó có thể cấy nhiều lần cùng một lượng tạp chất vào tấm bán dẫn silicon. Bộ cấy đạt được mục tiêu này nhờ sự trợ giúp của điện tích dương của các ion. Khi các ion tạp chất dương tạo thành chùm ion, tốc độ dòng của nó được gọi là dòng ion, được đo bằng mA. Phạm vi dòng điện trung bình và thấp là 0,1 đến 10 mA và phạm vi dòng điện cao là 10 đến 25 mA.
Độ lớn của dòng tia ion là biến số quan trọng trong việc xác định liều lượng. Nếu dòng điện tăng thì số nguyên tử tạp chất được cấy vào trong một đơn vị thời gian cũng tăng. Dòng điện cao có lợi cho việc tăng năng suất tấm bán dẫn silicon (tiêm nhiều ion hơn trên một đơn vị thời gian sản xuất), nhưng nó cũng gây ra các vấn đề về tính đồng nhất.
3. Thiết bị cấy ion
3.1 Cấu trúc cơ bản
Thiết bị cấy ion gồm 7 module cơ bản:
① nguồn ion và chất hấp thụ;
② máy phân tích khối lượng (tức là nam châm phân tích);
③ ống tăng tốc;
④ quét đĩa;
⑤ hệ thống trung hòa tĩnh điện;
⑥ buồng xử lý;
⑦ hệ thống kiểm soát liều lượng.
All mô-đun ở trong môi trường chân không được thiết lập bởi hệ thống chân không. Sơ đồ cấu trúc cơ bản của máy cấy ion được thể hiện trong hình bên dưới.
(1)Nguồn ion:
Thông thường trong cùng buồng chân không với điện cực hút. Các tạp chất chờ được bơm vào phải tồn tại ở trạng thái ion để được điều khiển và tăng tốc bởi điện trường. B+, P+, As+, v.v. được sử dụng phổ biến nhất thu được bằng cách ion hóa các nguyên tử hoặc phân tử.
Các nguồn tạp chất được sử dụng là BF3, PH3 và AsH3, v.v. và cấu trúc của chúng được thể hiện trong hình bên dưới. Các electron do dây tóc giải phóng va chạm với các nguyên tử khí tạo ra các ion. Các electron thường được tạo ra bởi nguồn dây tóc vonfram nóng. Ví dụ, nguồn ion Berners, dây tóc catốt được lắp đặt trong buồng hồ quang có đầu vào khí. Thành trong của buồng hồ quang là cực dương.
Khi nguồn khí được đưa vào, một dòng điện lớn đi qua dây tóc và đặt một điện áp 100 V giữa các điện cực dương và âm, điều này sẽ tạo ra các electron năng lượng cao xung quanh dây tóc. Các ion dương được tạo ra sau khi các electron năng lượng cao va chạm với các phân tử khí nguồn.
Nam châm bên ngoài tác dụng một từ trường song song với dây tóc để tăng khả năng ion hóa và ổn định plasma. Trong buồng hồ quang, ở đầu bên kia so với dây tóc, có một tấm phản xạ tích điện âm phản xạ lại các electron để cải thiện khả năng tạo ra và hiệu suất của các electron.
(2)Hấp thụ:
Nó được sử dụng để thu thập các ion dương được tạo ra trong buồng hồ quang của nguồn ion và tạo thành chùm ion. Vì buồng hồ quang là cực dương và cực âm được tạo áp suất âm trên điện cực hút nên điện trường tạo ra sẽ điều khiển các ion dương, khiến chúng di chuyển về phía điện cực hút và bị hút ra khỏi khe ion, như thể hiện trong hình bên dưới. . Cường độ điện trường càng lớn thì động năng mà các ion thu được sau khi tăng tốc càng lớn. Ngoài ra còn có một điện áp triệt tiêu trên điện cực hút để ngăn chặn sự can thiệp từ các electron trong plasma. Đồng thời, điện cực triệt tiêu có thể tạo thành các ion thành chùm ion và tập trung chúng thành dòng chùm ion song song để đi qua thiết bị cấy ghép.
(3)Máy phân tích khối lượng:
Có thể có nhiều loại ion được tạo ra từ nguồn ion. Dưới sự tăng tốc của điện áp anode, các ion di chuyển với tốc độ cao. Các ion khác nhau có đơn vị khối lượng nguyên tử khác nhau và tỷ lệ khối lượng trên điện tích khác nhau.
(4)Ống tăng tốc:
Để đạt được tốc độ cao hơn, cần phải có năng lượng cao hơn. Ngoài điện trường được cung cấp bởi cực dương và máy phân tích khối lượng, điện trường được cung cấp trong ống gia tốc cũng cần thiết để tăng tốc. Ống gia tốc bao gồm một loạt các điện cực được cách ly bởi một chất điện môi và điện áp âm trên các điện cực tăng theo thứ tự thông qua kết nối nối tiếp. Tổng điện áp càng cao thì tốc độ mà các ion thu được càng lớn, nghĩa là năng lượng mang theo càng lớn. Năng lượng cao có thể cho phép các ion tạp chất được bơm sâu vào tấm bán dẫn silicon để tạo thành điểm nối sâu, trong khi năng lượng thấp có thể được sử dụng để tạo điểm nối nông.
(5)Đang quét đĩa
Chùm ion tập trung thường có đường kính rất nhỏ. Đường kính vệt tia của máy cấy dòng chùm trung bình là khoảng 1 cm, và đường kính vệt tia của máy cấy dòng chùm tia lớn là khoảng 3 cm. Toàn bộ tấm wafer silicon phải được quét qua. Độ lặp lại của việc cấy liều được xác định bằng cách quét. Thông thường, có bốn loại hệ thống quét cấy ghép:
① quét tĩnh điện;
② quét cơ học;
③ quét lai;
④ quét song song.
(6)Hệ thống trung hòa tĩnh điện:
Trong quá trình cấy ghép, chùm ion chạm vào tấm wafer silicon và khiến điện tích tích tụ trên bề mặt mặt nạ. Sự tích tụ điện tích tạo ra làm thay đổi cân bằng điện tích trong chùm ion, làm cho vệt tia lớn hơn và sự phân bố liều lượng không đồng đều. Nó thậm chí có thể xuyên thủng lớp oxit bề mặt và khiến thiết bị bị hỏng. Hiện nay, tấm bán dẫn silicon và chùm ion thường được đặt trong môi trường plasma mật độ cao ổn định được gọi là hệ thống vòi sen điện tử plasma, có thể kiểm soát quá trình sạc của tấm bán dẫn silicon. Phương pháp này tách các electron từ plasma (thường là argon hoặc xenon) trong buồng hồ quang nằm trong đường dẫn tia ion và gần tấm bán dẫn silicon. Plasma được lọc và chỉ các electron thứ cấp mới có thể chạm tới bề mặt của tấm bán dẫn silicon để trung hòa điện tích dương.
(7)Khoang xử lý:
Việc phun các chùm ion vào các tấm silicon xảy ra trong buồng xử lý. Buồng xử lý là một bộ phận quan trọng của máy cấy, bao gồm hệ thống quét, trạm đầu cuối có khóa chân không để nạp và dỡ các tấm silicon, hệ thống chuyển tấm wafer silicon và hệ thống điều khiển máy tính. Ngoài ra, còn có một số thiết bị theo dõi liều lượng và kiểm soát hiệu ứng kênh. Nếu sử dụng chức năng quét cơ học thì trạm đầu cuối sẽ tương đối lớn. Chân không của buồng xử lý được bơm đến áp suất đáy theo yêu cầu của quy trình bằng bơm cơ học nhiều giai đoạn, bơm turbo phân tử và bơm ngưng tụ, thường khoảng 1 × 10-6Torr hoặc ít hơn.
(8)Hệ thống kiểm soát liều lượng:
Việc giám sát liều theo thời gian thực trong thiết bị cấy ion được thực hiện bằng cách đo chùm ion tới tấm bán dẫn silicon. Dòng tia ion được đo bằng cảm biến gọi là cốc Faraday. Trong một hệ thống Faraday đơn giản, có một cảm biến dòng điện trong đường truyền tia ion để đo dòng điện. Tuy nhiên, điều này gây ra một vấn đề vì chùm ion phản ứng với cảm biến và tạo ra các electron thứ cấp sẽ dẫn đến kết quả đọc dòng điện sai. Hệ thống Faraday có thể triệt tiêu các electron thứ cấp bằng cách sử dụng điện trường hoặc từ trường để thu được dòng điện chùm tia thực. Dòng điện đo bằng hệ thống Faraday được đưa vào bộ điều khiển liều điện tử, hoạt động như một bộ tích lũy dòng điện (liên tục tích lũy dòng điện đo được). Bộ điều khiển được sử dụng để liên hệ tổng dòng điện với thời gian cấy ghép tương ứng và tính toán thời gian cần thiết cho một liều lượng nhất định.
3.2 Sửa chữa hư hỏng
Việc cấy ion sẽ đánh bật các nguyên tử ra khỏi cấu trúc mạng tinh thể và làm hỏng mạng tinh thể bán dẫn silicon. Nếu liều cấy lớn, lớp cấy sẽ trở nên vô định hình. Ngoài ra, các ion được cấy ghép về cơ bản không chiếm các điểm mạng tinh thể của silicon mà nằm ở các vị trí khe hở mạng tinh thể. Các tạp chất kẽ này chỉ có thể được kích hoạt sau quá trình ủ ở nhiệt độ cao.
Quá trình ủ có thể làm nóng tấm bán dẫn silicon được cấy ghép để sửa chữa các khiếm khuyết trong mạng tinh thể; nó cũng có thể di chuyển các nguyên tử tạp chất đến các điểm mạng và kích hoạt chúng. Nhiệt độ cần thiết để sửa chữa các khuyết tật mạng là khoảng 500°C, và nhiệt độ cần thiết để kích hoạt các nguyên tử tạp chất là khoảng 950°C. Sự kích hoạt của tạp chất có liên quan đến thời gian và nhiệt độ: thời gian càng dài và nhiệt độ càng cao thì tạp chất càng được kích hoạt đầy đủ. Có hai phương pháp cơ bản để ủ tấm silicon:
① ủ lò nhiệt độ cao;
② ủ nhiệt nhanh (RTA).
Ủ lò nhiệt độ cao: Ủ lò nhiệt độ cao là phương pháp ủ truyền thống, sử dụng lò nhiệt độ cao để làm nóng tấm silicon đến 800-1000oC và giữ trong 30 phút. Ở nhiệt độ này, các nguyên tử silicon di chuyển trở lại vị trí mạng tinh thể và các nguyên tử tạp chất cũng có thể thay thế các nguyên tử silicon và đi vào mạng tinh thể. Tuy nhiên, xử lý nhiệt ở nhiệt độ và thời gian như vậy sẽ dẫn đến sự khuếch tán tạp chất, đây là điều mà ngành sản xuất vi mạch hiện đại không muốn thấy.
Ủ nhiệt nhanh: Ủ nhiệt nhanh (RTA) xử lý các tấm silicon có nhiệt độ tăng cực nhanh và thời gian ngắn ở nhiệt độ mục tiêu (thường là 1000°C). Việc ủ các tấm silicon cấy ghép thường được thực hiện trong bộ xử lý nhiệt nhanh với Ar hoặc N2. Quá trình tăng nhiệt độ nhanh và thời gian ngắn có thể tối ưu hóa việc sửa chữa các khuyết tật mạng, kích hoạt tạp chất và ức chế khuếch tán tạp chất. RTA cũng có thể làm giảm sự khuếch tán tăng cường nhất thời và là cách tốt nhất để kiểm soát độ sâu của mối nối trong cấy ghép mối nối nông.
————————————————————————————————————————————————————— ————————————-
Semicera có thể cung cấpbộ phận than chì, nỉ mềm/cứng, bộ phận cacbua silic, Các bộ phận cacbua silic CVD, VàCác bộ phận được phủ SiC/TaCvới trong 30 ngày.
Nếu bạn quan tâm đến các sản phẩm bán dẫn trên,xin vui lòng liên hệ với chúng tôi ở lần đầu tiên.
ĐT: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Thời gian đăng: 31/08/2024