Các thông số quá trình cấy ghép ion

Trong chế tạo wafer silicon, sự phân phối các ion đóng vai trò quyết định trong hiệu suất của thiết bị, do đó được liên kết chặt chẽ với các tham số chính của quá trình cấy ion. Các thông số chính của các yếu tố bao gồm công nghệ cấy ghép ion như loại nguồn ion, liều tiêm, năng lượng phun, góc phun và xoay của wafer silicon.

Các thông số quá trình cấy ghép ion
1) Liều cấy ghép
Nồng độ tổng thể của các ion pha tạp chủ yếu bị ảnh hưởng bởi liều tiêm. Liều được xác định bởi sản phẩm của mật độ chùm tia (nghĩa là số lượng ion trên mỗi đơn vị diện tích) và thời gian cấy ghép và phạm vi cụ thể của nó liên quan chặt chẽ đến hiệu suất của thiết bị cấy ion. Nói chung, phạm vi liều của máy phun dầm trung bình/năng lượng cao là 1011 ~ 1014cm -2. Kim phun chùm cao nằm trong khoảng 1014 ~ 1016cm -2 và công thức lý thuyết để tính toán liều là:

0040-09094 Chamber 200mm
trong đó n đại diện cho liều cấy ion (đơn vị: cm -19 c). T là thời gian tiêm, tôi là lượng dòng được tiêm; A là khu vực tiêm, n là số điện tích và E là điện tích đơn vị. Điều quan trọng cần lưu ý là liều cấy ion được đo theo mật độ chùm tia (tức là số lượng ion trên mỗi đơn vị), trong khi đó Trong phân tích nồng độ thực tế, chẳng hạn như quang phổ khối ion thứ cấp (SIMS), nó được biểu thị ở nồng độ khối (nghĩa là số lượng ion trên một đơn vị thể tích). Do đó, khi sử dụng hai phương pháp này, người ta nên chú ý đến sự khác biệt trong các đơn vị tính toán của họ.

Năng lượng cấy ghép
Năng lượng tại thời điểm cấy ion, liên quan trực tiếp đến tốc độ chuyển động của các ion, là một yếu tố chính trong việc xác định độ sâu của cấy ghép ion. Trong sản xuất mạch tích hợp, phạm vi năng lượng của cấy ghép ion thường nằm giữa 0. 1 keV và 1000 keV.

Độ sâu cấy ghép của các ion không chỉ liên quan đến năng lượng tiêm, mà còn với liều tiêm. Như được hiển thị trong hình dưới đây, sự phân bố độ sâu của các ion SB dưới các mũi tiêm năng lượng khác nhau được hiển thị, thu được bằng phân tích SIMS. Có thể quan sát thấy rằng khi năng lượng tiêm tăng, độ sâu của cấy ghép ion cũng tăng, nhưng tương ứng, nồng độ cực đại giảm.

Đường cong phân phối độ sâu của các ion SB dưới các năng lượng khác nhau (phân tích SIME)

Hình dưới đây mô tả các đường cong của độ sâu tiêm của B, P và như các ion trong silicon vô định hình như là một hàm của năng lượng tiêm. Rõ ràng từ biểu đồ rằng có một mối quan hệ tỷ lệ giữa độ sâu tiêm và năng lượng tiêm. Ngoài ra, đối với các loại ion khác nhau có cùng năng lượng cấy ghép, khối lượng nguyên tử tương đối của ion càng lớn, phạm vi dự kiến ​​(RP) của độ sâu cấy ghép càng nhỏ.

Các đường cong của B, P, dưới dạng độ sâu tiêm trong silicon vô định hình như là một hàm của năng lượng tiêm
3) Góc cấy ghép
Các tham số góc của cấy ghép ion bao gồm độ nghiêng và xoắn, như thể hiện trong hình dưới đây. Góc nghiêng có tác động đáng kể đến độ sâu cấy ion, trong khi góc xoắn cần được điều chỉnh phù hợp theo hướng của cấu trúc sản phẩm cụ thể.

Độ nghiêng và góc xoắn của cấy ghép ion

Trong quá trình wafer thực tế, các tinh thể silicon tồn tại dưới dạng các tinh thể đơn, thể hiện một cấu trúc tinh thể cụ thể. Do đó, khi nhìn từ các hướng tinh thể khác nhau, phép chiếu mạng sẽ cho thấy một sự khác biệt lớn. Như trong hình dưới đây, khi được xem theo hướng<110 >, một số lượng lớn các kênh có kích thước lớn được hình thành. Nếu bạn đi chệch khỏi góc này, số lượng kênh tăng, nhưng kích thước sẽ giảm đáng kể. Khi các ion được tiêm vào<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 DPS buồng trên + poly

Xem hướng dẫn
Dưới ảnh hưởng của hiệu ứng kênh, có một đỉnh thứ hai về độ sâu và nồng độ của cấy ghép ion, như thể hiện trong hình dưới đây, làm cho độ sâu của cấy ghép khó kiểm soát. Để tránh hiệu ứng kênh, hai phương pháp chính được áp dụng: một là điều chỉnh hướng trục chính của tinh thể silicon để nó lệch khỏi hướng tiêm, nghĩa là điều chỉnh góc nghiêng (thường là từ 3 đến 7 độ độ) để làm cho tinh thể silicon xuất hiện vô định hình. Bằng cách quan sát các đường cong phân phối độ sâu SIMS của các ion pha tạp như AS, SB, B và P ở các góc nghiêng khác nhau (ví dụ: 5 độ, 30 độ, 60 độ và 80 độ), có thể thấy rằng với sự gia tăng của Độ nghiêng, độ sâu tiêm giảm, giá trị cực đại gần hơn với bề mặt và nồng độ cực đại giảm. Thứ hai là bao phủ bề mặt của tinh thể silicon bằng một màng điện môi vô định hình, như silicon dioxide và silicon nitride, hoặc để vô định hình bề mặt (như cấy GE hoặc SI plasma).Peffect của hiệu ứng kênh đối với phân phối nồng độ dưới 110 keV năng lượng
4) Wafer quay vòng

Khi cấy ion được thực hiện trên các tấm silicon, thường có một mô hình cấu trúc nhất định trên bề mặt, khiến các bộ phận của khu vực bị tắc trong quá trình tiêm, dẫn đến hiệu ứng bóng được gọi là. Để cải thiện tính đồng nhất tiêm của bề mặt wafer silicon, thường cần phải xoay wafer silicon. Ví dụ, trong một số quá trình cấy ghép ion, wafer được xoay bốn lần ở 90 độ trong một phần tư tổng liều để loại bỏ các tác động của bóng mờ (xem hình bên dưới, Lưu ý: Đường chấm chấm là khu vực bóng mờ).

Chặn cấu trúc phun nghiêng ion
5) Lựa chọn nguồn ionCó nhiều loại nguyên tố doping, bao gồm boron (B), phốt pho (P), arsenic (AS), indium (in), oxy (O), hydro (H), fluorine (F) và germanium (GE). Tùy thuộc vào nhu cầu ứng dụng của sản phẩm, các yếu tố khác nhau cần phải được pha tạp. Các nguồn ion thường được sử dụng cho boron là boron trifluoride (bf₃) hoặc borane (b₂h₆), được sử dụng để pha tạp loại p, chẳng hạn như sự hình thành của bẫy loại P, điều chỉnh điện áp ngưỡng của các thiết bị P-Type, Việc pha tạp của các thiết bị loại P và hình thành các cống nguồn. Do khối lượng nguyên tử boron thấp và lượng năng lượng cấy ghép tương đối thấp, các ion BF₃⁺ thường được chọn để cấy ghép.

Phốt pho thường được sử dụng làm nguồn ion cho phosphine (ph) hoặc phốt pho đỏ rắn cho doping loại N, chẳng hạn như sự hình thành bẫy loại N, điều chỉnh điện áp ngưỡng của các thiết bị N Loại thiết bị, và sự hình thành các cống nguồn.
Arsenic có thể được sử dụng như một nguồn ion, asen (ASH₃), arsenic rắn hoặc as₂O, loại n pha tạp như phốt pho và arsenic cũng có thể được sử dụng để tiêm trong các lớp chôn sâu. Indium là indium iodide (INI) là nguồn ion, được pha tạp P như boron, và thường được sử dụng để tiêm pha tạp nhẹ như một ion nặng.

Fluorine có thể được sử dụng làm nguồn ion để trung hòa phím huyền phù SI tại giao diện SI/SIO₂ để giảm mật độ của các trạng thái tại giao diện và giảm nhiễu dòng điện rò rỉ và nhiễu tín hiệu điện ngẫu nhiên.
Khi được tiêm liều cao, Germanium có thể phá vỡ cấu trúc mạng của silicon và tạo thành một lớp vô định hình, giúp giảm hiệu ứng kênh. Ngoài ra, nó hỗ trợ kết tinh lại và kích hoạt điện trong quá trình ủ sau khi cấy ion.
Giám sát quá trình cấy ion
Các tham số của quá trình cấy ion có tác động đáng kể đến hiệu suất của thiết bị sản phẩm cuối cùng, vì vậy điều quan trọng là phải theo dõi quá trình liên tục và hiệu quả. Dưới đây là một vài loại giám sát chính:

Công nghệ phát hiện thiệt hại sóng nhiệt (xem hình bên dưới)
Sau khi cấy ion, mạng tinh thể của wafer silicon sẽ bị hỏng ở một mức độ nhất định. Bằng cách phát hiện mức độ của thiệt hại mạng này, chúng ta có thể theo dõi sự ổn định của quá trình cấy ion. Điều này được thực hiện bằng cách làm nóng bề mặt của wafer bằng chùm tia laser, và sau đó độ phản xạ của bề mặt wafer thay đổi. Khi một khu vực cụ thể của bề mặt wafer được đo bằng laser khác, tín hiệu phản xạ thay đổi theo sự thay đổi độ phản xạ và thay đổi được phát hiện này được gọi là tín hiệu sóng nhiệt (TW). Tín hiệu sóng nhiệt có liên quan chặt chẽ đến mức độ thiệt hại đối với mạng tinh thể. Phương pháp này phản ứng nhanh chóng mà không bị hư hỏng wafer, làm cho nó trở nên lý tưởng để theo dõi thời gian thực về tính ổn định của quá trình cấy ion trên dây chuyền sản xuất.

热波操作监控

2) Đo điện trở vuôngCác wafer sau khi cấy ion cần phải trải qua quá trình ủ nhiệt nhanh để kích thích hoạt động điện tử của các dopants. Đồng hồ đo điện trở (RS) sử dụng phương pháp bốn đầu dò, trong đó dòng điện được áp dụng giữa hai chân thử và điện áp giữa hai chân thử khác được đo để tính giá trị điện trở vuông của wafer. Giá trị RS là một chỉ số giám sát thường được sử dụng trong ION Implanters, có liên quan đến liều tiêm và góc. Nói chung, liều càng cao, giá trị RS càng nhỏ. Kết quả đo của RS cũng bị ảnh hưởng bởi sự ổn định của quá trình ủ nhiệt nhanh. Mặc dù phương pháp này không đơn giản như phát hiện thiệt hại sóng nhiệt, nhưng kết quả của nó chính xác hơn và do đó được sử dụng rộng rãi để theo dõi nội tuyến trên các dây chuyền sản xuất.

Phép đo phổ khối ion thứ cấpBằng cách bắn phá bề mặt wafer bằng một chùm ion nặng và thu thập phổ khối của các ion thứ cấp phóng xạ vào các thời điểm khác nhau, chúng ta có thể đo loại, nồng độ và độ sâu của các yếu tố pha tạp. Đây hiện là phương pháp giám sát chính xác nhất để cấy ion. Tuy nhiên, phân tích SIMS không cho phép phân tích toàn diện toàn bộ wafer, đòi hỏi phải phân tích trong phòng thí nghiệm chuyên dụng sử dụng thiết bị phân tích SIMS và yêu cầu phá hủy wafer để lấy mẫu, do đó, không thể đo lường được là tương đối dài.

4) Công nghệ giám sát hạt bề mặtĐối với các quá trình cấy ghép ion, mối nguy hiểm chính của các hạt bề mặt là chúng chặn vùng phun pha tạp, dẫn đến các cấu trúc pha tạp không hoàn chỉnh, từ đó có thể ảnh hưởng đến năng suất của sản phẩm. Do đó, chúng ta cần sử dụng các phương pháp như kính hiển vi điện tử để theo dõi các hạt bề mặt.