1. הקדמה
השתלת יונים היא אחד התהליכים העיקריים בייצור מעגלים משולבים. זה מתייחס לתהליך של האצת אלומת יונים לאנרגיה מסוימת (בדרך כלל בטווח של keV עד MeV) ולאחר מכן הזרקה לתוך פני השטח של חומר מוצק כדי לשנות את התכונות הפיזיקליות של פני החומר. בתהליך המעגל המשולב, החומר המוצק הוא בדרך כלל סיליקון, ויוני הטומאה המושתלים הם בדרך כלל יוני בורון, יוני זרחן, יוני ארסן, יוני אינדיום, יוני גרמניום וכו'. היונים המושתלים יכולים לשנות את מוליכות פני השטח של המוצק. חומר או ליצור צומת PN. כאשר גודל התכונה של מעגלים משולבים הצטמצם לעידן תת-מיקרון, נעשה שימוש נרחב בתהליך השתלת יונים.
בתהליך ייצור המעגל המשולב, השתלת יונים משמשת בדרך כלל לשכבות קבורות עמוקות, בארות מסוממות הפוכה, התאמת מתח סף, השתלת הרחבת מקור וניקוז, השתלת מקור וניקוז, סימום שער פוליסיליקון, יצירת חיבורי PN ונגדים/קבלים וכו'. בתהליך הכנת חומרי מצע סיליקון על מבודדים, שכבת התחמוצת הקבורה היא בעיקר נוצר על ידי השתלת יוני חמצן בריכוז גבוה, או חיתוך חכם מושג על ידי השתלת יוני מימן בריכוז גבוה.
השתלת יונים מתבצעת על ידי משתיל יונים, ופרמטרי התהליך החשובים ביותר שלו הם מינון ואנרגיה: המינון קובע את הריכוז הסופי, והאנרגיה קובעת את טווח (כלומר, עומק) היונים. על פי דרישות תכנון שונות של המכשיר, תנאי ההשתלה מחולקים למינון גבוה באנרגיה גבוהה, במינון בינוני באנרגיה, במינון בינוני באנרגיה נמוכה או במינון גבוה באנרגיה נמוכה. על מנת להשיג את אפקט ההשתלה האידיאלי, משתלים שונים צריכים להיות מצוידים לדרישות תהליך שונות.
לאחר השתלת יונים, בדרך כלל יש צורך לעבור תהליך חישול בטמפרטורה גבוהה כדי לתקן את נזקי הסריג הנגרמים מהשתלת יונים ולהפעיל יוני טומאה. בתהליכי מעגל משולבים מסורתיים, למרות שלטמפרטורת החישול יש השפעה רבה על סימום, הטמפרטורה של תהליך השתלת היונים עצמו אינה חשובה. בצמתים טכנולוגיים מתחת ל-14 ננומטר, יש לבצע תהליכי השתלת יונים מסוימים בסביבות טמפרטורות נמוכות או גבוהות כדי לשנות את ההשפעות של נזק לסריג וכו'.
2. תהליך השתלת יונים
2.1 עקרונות יסוד
השתלת יונים היא תהליך סימום שפותח בשנות ה-60 ועדיף על טכניקות דיפוזיה מסורתיות ברוב ההיבטים.
ההבדלים העיקריים בין סימום השתלת יונים לבין סימום דיפוזיה מסורתי הם כדלקמן:
(1) התפלגות ריכוז הטומאה באזור המסומם שונה. שיא ריכוז הטומאה של השתלת יונים ממוקם בתוך הגביש, בעוד שריכוז הטומאה של הדיפוזיה ממוקם על פני הגביש.
(2) השתלת יונים היא תהליך המתבצע בטמפרטורת החדר או אפילו בטמפרטורה נמוכה, וזמן הייצור קצר. סימום דיפוזיה דורש טיפול ארוך יותר בטמפרטורה גבוהה.
(3) השתלת יונים מאפשרת בחירה גמישה ומדויקת יותר של אלמנטים מושתלים.
(4) מאחר וזיהומים מושפעים מדיפוזיה תרמית, צורת הגל שנוצרת על ידי השתלת יונים בגביש טובה יותר מצורת הגל שנוצרת על ידי דיפוזיה בגביש.
(5) השתלת יונים משתמשת בדרך כלל רק בפוטו-רזיסט כחומר המסכה, אך סימום דיפוזיה דורש צמיחה או שקיעה של סרט בעובי מסוים כמסכה.
(6) השתלת יונים החליפה בעצם הדיפוזיה והפכה לתהליך הסימום העיקרי בייצור מעגלים משולבים כיום.
כאשר אלומת יונים תקרית עם אנרגיה מסוימת מפגיזה מטרה מוצקה (בדרך כלל רקיק), היונים והאטומים על פני המטרה יעברו מגוון אינטראקציות, ויעבירו אנרגיה לאטומי המטרה בצורה מסוימת כדי לעורר או ליינן אוֹתָם. היונים יכולים גם לאבד כמות מסוימת של אנרגיה באמצעות העברת מומנטום, ולבסוף להתפזר על ידי אטומי המטרה או להיעצר בחומר המטרה. אם היונים המוזרקים כבדים יותר, רוב היונים יוזרקו למטרה המוצקה. להיפך, אם היונים המוזרקים קלים יותר, רבים מהיונים המוזרקים יקפצו מעל פני המטרה. בעיקרון, יונים אלה בעלי אנרגיה גבוהה המוזרקים למטרה יתנגשו באטומי הסריג והאלקטרונים במטרה המוצקה בדרגות שונות. ביניהם, ההתנגשות בין יונים ואטומי מטרה מוצקים יכולה להיחשב כהתנגשות אלסטית מכיוון שהם קרובים במסה.
2.2 פרמטרים עיקריים של השתלת יונים
השתלת יונים היא תהליך גמיש שחייב לעמוד בדרישות קפדניות של עיצוב וייצור שבבים. פרמטרים חשובים של השתלת יונים הם: מינון, טווח.
מינון (D) מתייחס למספר היונים המוזרקים ליחידת שטח של משטח פרוסת הסיליקון, באטומים לסנטימטר רבוע (או יונים לסנטימטר רבוע). ניתן לחשב את D לפי הנוסחה הבאה:
כאשר D הוא מנת ההשתלה (מספר יונים/יחידת שטח); t הוא זמן ההשתלה; I הוא זרם האלומה; q הוא המטען שנושא היון (מטען בודד הוא 1.6×1019C[1]); ו-S הוא אזור ההשתלה.
אחת הסיבות העיקריות לכך שהשתלת יונים הפכה לטכנולוגיה חשובה בייצור פרוסות סיליקון היא שהיא יכולה להשתיל שוב ושוב את אותה מינון של זיהומים לתוך פרוסות סיליקון. המשתיל משיג מטרה זו בעזרת המטען החיובי של היונים. כאשר יוני הטומאה החיוביים יוצרים אלומת יונים, קצב הזרימה שלו נקרא זרם אלומת היונים, הנמדד ב-mA. טווח הזרמים הבינוניים והנמוכים הוא 0.1 עד 10 mA, וטווח הזרמים הגבוהים הוא 10 עד 25 mA.
גודל זרם אלומת היונים הוא משתנה מרכזי בהגדרת המינון. אם הזרם גדל, מספר אטומי הטומאה המושתלים ביחידת זמן גדל גם הוא. זרם גבוה תורם להגדלת תפוקת פרוסות סיליקון (הזרקת יותר יונים ליחידת זמן ייצור), אך הוא גם גורם לבעיות אחידות.
3. ציוד להשתלת יונים
3.1 מבנה בסיסי
ציוד להשתלת יונים כולל 7 מודולים בסיסיים:
① מקור יונים ובולם;
② מנתח מסה (כלומר מגנט אנליטי);
③ צינור מאיץ;
④ דיסק סריקה;
⑤ מערכת נטרול אלקטרוסטטית;
⑥ תא תהליך;
⑦ מערכת בקרת מינון.
Aכל המודולים נמצאים בסביבת ואקום שהוקמה על ידי מערכת הוואקום. התרשים המבני הבסיסי של משתיל היונים מוצג באיור למטה.
(1)מקור יון:
בדרך כלל באותו תא ואקום כמו אלקטרודת היניקה. הזיהומים הממתינים להזרקה חייבים להתקיים במצב יונים על מנת להיות נשלטים ומואצים על ידי השדה החשמלי. ה-B+, P+, As+ וכו' הנפוצים ביותר מתקבלים על ידי מייננת אטומים או מולקולות.
מקורות הטומאה המשמשים הם BF3, PH3 ו-AsH3 וכו', והמבנים שלהם מוצגים באיור למטה. האלקטרונים שמשחררים החוט מתנגשים באטומי גז כדי לייצר יונים. אלקטרונים נוצרים בדרך כלל על ידי מקור חוט טונגסטן חם. לדוגמה, מקור יוני ברנרס, חוט הקתודה מותקן בתא קשת עם כניסת גז. הקיר הפנימי של תא הקשת הוא האנודה.
כאשר מקור הגז מוכנס, זרם גדול עובר דרך החוט, ובין האלקטרודות החיוביות והשליליות מופעל מתח של 100 וולט, שייצור אלקטרונים עתירי אנרגיה סביב החוט. יונים חיוביים נוצרים לאחר שהאלקטרונים עתירי האנרגיה מתנגשים עם מולקולות גז המקור.
המגנט החיצוני מחיל שדה מגנטי במקביל ללהט כדי להגביר את היינון ולייצב את הפלזמה. בתא הקשת, בקצה השני ביחס ללהט, ישנו רפלקטור בעל מטען שלילי המשקף את האלקטרונים בחזרה כדי לשפר את היצירה והיעילות של אלקטרונים.
(2)קְלִיטָה:
הוא משמש לאיסוף יונים חיוביים הנוצרים בתא הקשת של מקור היונים וליצור אותם לקרן יונים. מכיוון שתא הקשת הוא האנודה והקתודה בלחץ שלילי על אלקטרודת היניקה, השדה החשמלי שנוצר שולט על היונים החיוביים, וגורם להם לנוע לעבר אלקטרודת היניקה ולהימשך החוצה מחריץ היונים, כפי שמוצג באיור למטה . ככל שעוצמת השדה החשמלי גדולה יותר, כך האנרגיה הקינטית שהיונים צוברים לאחר האצה גדולה יותר. יש גם מתח דיכוי על אלקטרודת היניקה כדי למנוע הפרעות מאלקטרונים בפלזמה. במקביל, אלקטרודת הדיכוי יכולה ליצור יונים לקרן יונים ולמקד אותם לזרם קרן יונים מקביל כך שיעבור דרך המשתיל.
(3)מנתח המונים:
ייתכנו סוגים רבים של יונים שנוצרו ממקור היונים. תחת האצה של מתח האנודה, היונים נעים במהירות גבוהה. ליונים שונים יש יחידות מסה אטומיות שונות ויחסי מסה למטען שונים.
(4)צינור מאיץ:
על מנת להשיג מהירות גבוהה יותר, נדרשת אנרגיה גבוהה יותר. בנוסף לשדה החשמלי שמספק האנודה ומנתח המסה, נדרש גם שדה חשמלי המסופק בצינור המאיץ להאצה. צינור המאיץ מורכב מסדרה של אלקטרודות המבודדות על ידי דיאלקטרי, והמתח השלילי על האלקטרודות גדל ברצף דרך החיבור הסדרתי. ככל שהמתח הכולל גבוה יותר, כך המהירות המתקבלת על ידי היונים גדולה יותר, כלומר, האנרגיה הנישאת גדולה יותר. אנרגיה גבוהה יכולה לאפשר הזרקת יוני טומאה לעומק פרוסת הסיליקון ליצירת צומת עמוק, בעוד שניתן להשתמש באנרגיה נמוכה ליצירת צומת רדוד.
(5)סורק דיסק
קרן היונים הממוקדת היא בדרך כלל קטנה מאוד בקוטר. קוטר נקודת הקרן של משתיל זרם קרן בינוני הוא כ-1 ס"מ, ושל משתיל זרם קרן גדול הוא כ-3 ס"מ. יש לכסות את כל רקיקת הסיליקון בסריקה. יכולת החזרה של השתלת המינון נקבעת על ידי סריקה. בדרך כלל, ישנם ארבעה סוגים של מערכות סריקת משתלים:
① סריקה אלקטרוסטטית;
② סריקה מכנית;
③ סריקה היברידית;
④ סריקה מקבילה.
(6)מערכת נטרול חשמל סטטי:
במהלך תהליך ההשתלה, קרן היונים פוגעת בפריסת הסיליקון וגורמת להצטברות מטען על פני המסכה. הצטברות המטען המתקבלת משנה את מאזן המטען בקרן היונים, מה שהופך את נקודת הקרן לגדולה יותר ואת חלוקת המינון לא אחידה. זה עלול אפילו לפרוץ את שכבת התחמוצת פני השטח ולגרום לכשל במכשיר. כעת, רקיקת הסיליקון וקרן היונים ממוקמים בדרך כלל בסביבת פלזמה יציבה בצפיפות גבוהה הנקראת מערכת מקלחת אלקטרונים פלזמה, שיכולה לשלוט בטעינת פרוסת הסיליקון. שיטה זו מחלצת אלקטרונים מהפלזמה (בדרך כלל ארגון או קסנון) בתא קשת הממוקם בנתיב אלומת היונים וליד פרוסת הסיליקון. הפלזמה עוברת סינון ורק אלקטרונים משניים יכולים להגיע אל פני השטח של פרוסת הסיליקון כדי לנטרל את המטען החיובי.
(7)חלל תהליך:
הזרקת קרני יונים לפרוסות סיליקון מתרחשת בתא התהליך. תא התהליך מהווה חלק חשוב מהמשתל, הכולל מערכת סריקה, עמדת מסוף עם נעילת ואקום לטעינה ופריקה של פרוסות סיליקון, מערכת העברת פרוסות סיליקון ומערכת בקרת מחשב. בנוסף, ישנם כמה מכשירים לניטור מינונים ולבקרת השפעות הערוץ. אם נעשה שימוש בסריקה מכנית, תחנת הטרמינל תהיה גדולה יחסית. הוואקום של תא התהליך נשאב ללחץ התחתון הנדרש בתהליך על ידי משאבה מכנית רב-שלבית, משאבה טורבומולקולרית ומשאבת עיבוי, שהיא בדרך כלל בערך 1×10-6Torr או פחות.
(8)מערכת בקרת מינון:
ניטור מינון בזמן אמת במשתל יונים מתבצע על ידי מדידת קרן היונים המגיעה אל רקיקת הסיליקון. זרם אלומת היונים נמדד באמצעות חיישן הנקרא כוס פאראדיי. במערכת פאראדיי פשוטה, קיים חיישן זרם בנתיב אלומת היונים המודד את הזרם. עם זאת, הדבר מהווה בעיה, שכן אלומת היונים מגיבה עם החיישן ומייצרת אלקטרונים משניים שיגרמו לקריאות זרם שגויות. מערכת Faraday יכולה לדכא אלקטרונים משניים באמצעות שדות חשמליים או מגנטיים כדי לקבל קריאת זרם קרן אמיתית. הזרם הנמדד על ידי מערכת פאראדיי מוזן לבקר מינון אלקטרוני, הפועל כצובר זרם (הצובר באופן רציף את זרם האלומה הנמדד). הבקר משמש כדי לקשר את הזרם הכולל לזמן ההשתלה המתאים ולחשב את הזמן הנדרש למינון מסוים.
3.2 תיקון נזקים
השתלת יונים תעיף אטומים ממבנה הסריג ותפגע בסריג פרוסות הסיליקון. אם המינון המושתל גדול, השכבה המושתלת תהפוך לאמורפית. בנוסף, היונים המושתלים בעצם אינם תופסים את נקודות הסריג של הסיליקון, אלא נשארים בעמדות מרווח הסריג. ניתן להפעיל זיהומים ביניים אלה רק לאחר תהליך חישול בטמפרטורה גבוהה.
חישול יכול לחמם את פרוסת הסיליקון המושתלת כדי לתקן פגמים בסריג; הוא יכול גם להעביר אטומי טומאה לנקודות הסריג ולהפעיל אותם. הטמפרטורה הנדרשת לתיקון פגמי הסריג היא כ-500 מעלות צלזיוס, והטמפרטורה הנדרשת להפעלת אטומי טומאה היא כ-950 מעלות צלזיוס. הפעלת הזיהומים קשורה לזמן ולטמפרטורה: ככל שהזמן ארוך יותר וככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, הזיהומים מופעלים בצורה מלאה יותר. ישנן שתי שיטות בסיסיות לחישול פרוסות סיליקון:
① חישול תנור בטמפרטורה גבוהה;
② חישול תרמי מהיר (RTA).
חישול תנור בטמפרטורה גבוהה: חישול תנור בטמפרטורה גבוהה היא שיטת חישול מסורתית, המשתמשת בכבשן בטמפרטורה גבוהה כדי לחמם את פרוסות הסיליקון ל-800-1000℃ ולשמור עליה למשך 30 דקות. בטמפרטורה זו, אטומי הסיליקון נעים בחזרה למצב הסריג, ואטומי טומאה יכולים גם להחליף את אטומי הסיליקון ולהיכנס לסריג. עם זאת, טיפול בחום בטמפרטורה ובזמן כאלה יוביל לפיזור של זיהומים, וזה משהו שתעשיית ייצור ה-IC המודרנית לא רוצה לראות.
חישול תרמי מהיר: חישול תרמי מהיר (RTA) מטפל בפרוסות סיליקון בעליית טמפרטורה מהירה במיוחד ומשך זמן קצר בטמפרטורת היעד (בדרך כלל 1000 מעלות צלזיוס). חישול של פרוסות סיליקון מושתלות מתבצע בדרך כלל במעבד תרמי מהיר עם Ar או N2. תהליך עליית הטמפרטורה המהיר ומשך הזמן הקצר יכולים לייעל את תיקון פגמי הסריג, הפעלת זיהומים ועיכוב דיפוזיה של זיהומים. RTA יכול גם להפחית דיפוזיה מוגברת חולפת והיא הדרך הטובה ביותר לשלוט בעומק הצומת בשתלי צומת רדודים.
———————————————————————————————————————————————— ———————————-
Semicera יכול לספקחלקי גרפיט, לבד רך/נוקשה, חלקי סיליקון קרביד, חלקי סיליקון קרביד CVD, וחלקים מצופים SiC/TaCעם תוך 30 יום.
אם אתה מעוניין במוצרי המוליכים למחצה לעיל,אנא אל תהסס לפנות אלינו בפעם הראשונה.
טל': +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
זמן פרסום: 31 באוגוסט 2024