Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Ionimplantáció Monolit technika előadás

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Ionimplantáció Monolit technika előadás"— Előadás másolata:

1 Ionimplantáció Monolit technika előadás

2 2 Ionimplantáció alapok Alapelv: –A kívánt adalékatomokat felgyorsított ionokként (B +, P +, As+, stb.) bombázzuk a félvezető szelet felszíni, felszín közeli rétegeibe –Vákuum technológia –Mind rétegnövelő, mind rétegalakító művelet –A diffúzióval szemben, az ionimplantáció erősen nem egyensúlyi folyamat (a becsapódó ion energiája pár keV- MeV) Diffúzió energiája :, amely 1200°C-on 0,1eV

3 3 Ionimplantáció ötlete Az ötlet W. Shockley (1957), rájött, hogy a rácshibákat hőkezeléssel lehet megszüntetni. A szabadalom 17 évre blokkolt, de akkor a diffúzió még „tudta”, ami kellett Az 1960-as évek végére a diffúziós eljárás gondjai kezdtek sűrűsödni: a scale down – Moore-törvény érvényesülése – miatt az IC szerkezete, ~elemei abba a mérettartományba jutottak, ahol –A pn-átmenet helye bizonytalan volt, gondot okozott akár a kemencébe betétel és kivétel időtartama/hőmérsékleti hatása –A diffúzióval elérhető adalékkoncentráció és elektromosan aktív hányad eltérése, a szilárd oldékonyság kérdései, stb. –Egyes alkalmazásoknál olyan profil is kellett, amely befelé növekszik (varicap) – ezt korábban bonyolult epitaxiás növesztésekkel, eltemetett rétegekkel próbálták megoldani Indulási stratégia a 1970-es években: –kis dózis – MOS V T alkalmazások, –nagy dózis – bipoláris (akár diffúzióhoz predepozíció) Stratégia-váltás 1980 tájára a µm vonalszélesség elérésével: minimalizálni a diffúziót, oda és annyi adalékot juttatni, amennyi éppen kell. Ma (!) implantációs lépés a technológiai sorban

4 4 Ionimplantáció K+F kezdeti kérdései – képes-e betörni a piacra? Primér eszköz igények kielégítése: pn-, np-átmenet mélysége, adalékatomok elektromos aktivitása, mozgékonyságok megtartása Bipoláris eszköz az alapkristály többszörös ‘átadalékolása’ n-p-n-… átmenetek, keskeny bázissal Unipoláris-MOS eszközök: V T pontos beállítása, S-D területek kialakítása A diffúziótól gyökeresen eltérő fizikai elvek (ionok fékeződése, stb.) a fizikában részben megvoltak, de az eszközök igényeihez fejleszteni kellett: Behatolási mélység – adalékprofil tervezése, multirétegek esetére is! Kristályos anyagba való belövés gondjai, sajátosságai Rácshibák detektálása, kijavítása – a Moore-törvényt követni képes hőkezelési stratégiák Technológiai lépések kölcsönhatásainak ismerete/modellezése Kapcsolódó berendezés igények Fizikusi részecskegyorsítóból ‘black box’ jellegű, tiszta-tér kompatibilis eszközt tervezni, cost-benefit tudatossággal. Eszköz, ami nem „testidegen” a félvezető gyárban – ma egy foundry-ban

5 5 Az ionimplanter felépítése I. Varian 350D ionimplanter, 4 és 6 inches szeletekhez KFKI 5 MeV-es Van de Graaff gyorsítója A California Institute of Technology Kellogg laboratóriuma – a Van de Graaff tank alatt, ahol a fontos eredmények születtek, hetvenes évek. Csak a vákuum volt „tiszta”...

6 6 Az ionimplanter felépítése, kis dózisok adalékolására (MOS) KFKI, 1975

7 7 Nagydózisú, tömegszeparátor elvű ionimplanter B szelet Ionforrás előgyorsító 10 kV apertúra utógyorsító eltérítő Utógyorsító: 100 kV-2.5 MV = ionenergia B: indukció a tömegszeparátorban KFKI, ILU-3A, 1970, az uránszeparátorok „butított” változata Helyi lamináris box – „tiszta” tér – foszforból 5 mA ionáram!

8 8 Az ionimplanter felépítése A becsapódó ion energiája jól szabályozható a gyorsító feszültséggel (szub-keV-MeV) Mágneses térrel hangolható m/q szelekció, ez akár izotóp-tiszta adalékolást tesz lehetővé A beérkezett dózist áramintegrátor kontrollálja – bármely praktikus nagyságrendnél három értékes jegyre A pásztázás kezdetben főleg elektrosztatikus volt, ma az ipari gépeknél mechanikus – főleg a szeletátmérő megnövekedése miatt (300+ mm!) Mindez lehet sok-szeletes, méteres átmérőjű vákuum- konstrukció, zsilipelt, a szeletkezelés a tiszta térben

9 9 Tömegszeparátor A mágneses tér és az ionok sebességvektora merőlegesek egymásra -> az ionok körpályára kerülnek A kör sugara függ az ion tömegétől v: belépő ion sebessége V: gyorsító feszültség Ha kell, izotópos tisztaságot tesz lehetővé

10 10 Belőtt ionok és a szubsztrát kölcsönhatása Az ionimplantáció porlasztással jár kis és közepes energiák esetén is (egy belépő ionra 5-10 porlasztott ion jut) Ez nagyobb dózisok és energiák esetén egyensúlyba kerülhet a részecskeárammal – maximális koncentrációhoz vezet a kémiai összetétel mértékénél A belépő ionok fékeződését a Coulomb-erők okozzák –Kétféle mechanizmus: Elektronfékeződés Nukleáris fékeződés

11 11 Elektronfékeződés Belépő ionok és a szubsztrát atomjainak elektronfelhői közti kölcsönhatás A fékeződés mechanizmusa az ion pillanatnyi energiájától függ Ez dominál nagyobb (100 keV - MeV) energiákon „Rugalmatlan” folyamatok, azaz az ionok kinetikus energiája fény-, röntgensugárzás formájában emésztődik fel Polarizálja a rácsot, de kevés és zömmel ponthibát kelt csak

12 12 Nukleáris fékeződés Kisebb energiákon a magok közti Coulomb kölcsönhatás dominál „Rugalmas” ütközés, azaz képes rácsatomokat kiütni a helyéről, a szereplő atomi tömegek viszonya szabályozza Ez az energiaátadás vezet rácshibák keletkezéséhez Az ionimplantációnál ez a domináns hatás

13 13 Fékező hatások összehasonlítása

14 14 Becsapódás R – az ion által megtett út –R p – a hordozó felületétől való távolság –R függ a belőtt anyag rendszámától –Nagy rendszámú anyagba kis rendszámú lövedék: R>>R p Az implantáció áramsűrűsége alapján több hatás léphet fel, az egyidejűleg aktív (~ns időtartam) kaszkádok átfedése révén; „Egyszerű” implantációnál, azaz a szokott ionáramsűrűsé- gek (dose rate) esetén az események függetlennek tekinthetők IBIEC, IBIA: Ion Beam Induced Epitaxial Crystallization, ~Amorphization, FIB: Focused Ion Beam, PIB: Pulsed Ion Beam

15 15 Alapfogalmak Összes belőtt adalék: Dózis: Energia –> Gyorsító feszültség [eV] Gummel -szám

16 16 Adalékeloszlás A folyamatokat az implantált ion rendszáma a gyorsító energia és a szubsztrátot alkotó elem rendszáma befolyásolja A becsapódó ionok átlagos mélységben, normális eloszlás szerint kerülnek nyugalmi állapotba A végső eloszlás kialakulásában szerepelnek azonban másodrendű hatások, mint pl. a sugárzás stimulálta diffúzió (RED – Radiation Enhanced Diffusion) Pontosabb számításokhoz a Pearson-IV eloszlást használják, amely a négy paraméterrel képes leírni az eloszlás aszimmetriáit Maximum: R p Szórás:  R p

17 17 R p és ΔR p meghatározása I. LSS elmélet (Lindhard, Scharff, Schiøtt) amorf szubsztrátot tételez fel –Mitől áll meg az ion és hol? Atomokkal való kölcsönhatásElektronokkal való kölcsönhatás

18 18 R p és ΔR p meghatározása II. M 1 : Implant atomtömege M 2 : Target atomtömege Z 1 : Implant rendszáma  : Target sűrűsége Ha M 1 >>M 2, akkor R  R p Modellezés: 2

19 Behatolás és profil - szimulációk Az ionbehatolást, profilokat ma szimulációkkal számoljuk. A legelterjedtebb a Monte Carlo szimulációval dolgozó SRIM, amely végig követi az ion útját NU De sok, más, pl. inkább fenomenologikus (Pearson-IV) megoldás van, amelyek beépülnek akár a teljes monolit technológiát szimuláló programcsomagokba (pl. az EET TransTran programja; ICECREM, stb.)

20 20 Bór ionok eloszlása Si hordozóban Si-ba irányból (ez kb. 7 o az (100) felület normálisától) lőnek, mivel innen tűnik a rácsa közel „amorfnak”, de a szeletátmérő megnövekedése miatt nem egyszerű megvalósítani – jobb a mechanikus pásztázás Amorf Si Si-ba irányból lőve

21 21 Kaszkádok, sérült tartományok és amorfizáció Hőkezelés: „szilárd fázisú epitaxia”

22 Egyetlen kaszkád hatása, defekt képződés Hogy az atommá semlegesülő ion a legutolsó ugráskor rácspontba kerül-e vagy defektként „fagy be”, sok tényezőtől függ A valósághoz közeli képet kapunk, ha a kaszkád sorsáért a szubsztrát hővezetését tesszük felelőssé: a kaszkád kezdeti plazma- állapota eljut egy olyan állapotba, ahol már van „hőmérséklet” és „termodinamika” Defektek a kaszkád utolsó ugrásainál csillámban 217 MeV Ne ion becsapódásakor, AFM kép (LP Biró, J Gyulai, K Havancsak, Vacuum 50(1998)263

23 23 Laterális szóródás, maszkolás I. Fotoreziszt is használható maszknak – bár nagydózisú implantációnál a „krakkolódó” lakk későbbi eltávolítására csak plazmás marással van esély Szemben a diffúzióval, ahol a felület közelében mindig nagyobb a koncentráció, itt elérhető, hogy a felületen kisebb, míg beljebb nagyobb legyen ~ tetszőleges profilok készíthetőek Oda kell figyelni az alászóródásra, ami a laterális diffúzió megfelelője

24 24 Laterális szóródás, maszkolás, II. A legnagyobb koncentráció nem a felszínen van A alászóródás „kicsiny” volta csak viszonylagos: Δy ≈ ΔR p Ionimplantációval kialakított adalékprofil

25 25 Bór ionok okozta defektek eloszlása Si-ban Mélységi eloszlás (Brice után) a defekt csúcs a koncentráció csúcs előtt van Defektek jellege az energiaátadás előre csúcsosodó jellege következtében: R p -re intersticiális jellegű hibák bonyolítja a hibátlan kristállyá való visszanövést

26 26 Csatornahatás I. Az ionimplantációval pontos adalékeloszlás hozható létre, egyes adalék ionok azonban „eltévedhetnek”, és esetleg mélyebbre jutnak, mint szeretnénk (nem LSS eloszlás). Gyémántrács˙különböző irányokból

27 27 Csatornahatás II.

28 28 Csatornahatás elkerülése A szelet pozicionálása (döntés és forgatás) Amorf vékony oxid réteg növesztése ( Å) A kristály amorffá tétele „ön-implantációval” (Si vagy Ge implantálás Si-ba) – „pre-amorphization implant”, PAI, ez lett az elfogadott eljárás; ezzel és az (100)-Si-re való átállással (l. később) – vált az implantáció „fizikus egzotikumból” valódi „technológiává” Konkurens ötlet: BF 2 + implantáció (előnye lehetne, hogy a BF 3 gázforrásból több molekula-ion keletkezik, mint bórion!) – ez, beütközéskor szétesik atomokra, a bór kb. 20% energiát visz. A fluor is amorfizál, de a beépülése nem közömbös...

29 29 Több implant egymás után

30 30 Hőkezelési stratégia Az ionimplantációs kutatások súllyal a rácskárosodás hatásainak kompenzálásával foglalkoznak – évtizedek óta (pl. Ion Implantation Technology, Ed. J.F. Ziegler, ) Világos, hogy valamiféle hőkezelés lehet alkalmas az implantáció okozta roncsolás (kristályhibák) kijavítására, de a „helyüket megtaláló” atomok nélkül nem lehetséges. Emiatt a Boltzmann-faktornál nem csak az aktivációs energia, hanem a pre-exponenciális befolyásolása is eszköz lehet: defect engineering – hibamérnökség Az arzenál: izoterm, ill. adiabatikus Eszközét tekintve: kemence, sugárzó hő, lézeres, nagy áramsűrűségű implantáció, RF, stb. Si esetén már °C-on is megindul az újrarendeződés, az SPE

31 31 Hőkezelési stratégia eszközei Kemence Sugárzó hő (impulzus sugárzó, μs, adiabatikus, – Rapid Thermal Processor, RTP, izotermikus – sec), Lézeres: –CW lézer – izotermikus, –impulzus lézer – adiabatikus, –Ultrarövid – ULSI? nagy áramsűrűségű implantáció – IBIEC, PIBA, adiabatikus hatásúak) A kaszkád átfedés térben, időben, mindkettő esetén Si esetén már °C-on is megindul az újrarendeződés, az SPE

32 32 Hőkezelési stratégia – I A rendeződés eltérő minőségben, sebességgel valósul meg különböző kristályorientációk esetén: v SPE (111)< v SPE (100)< v SPE (110) Ahogy a termikus oxid minősége esetén, úgy a hőkezelődésre is az (100) Si az alkalmasabb (a kristálysíkokból nincs kilógó atom) – ezek miatt tért át a Si-ipar az (111)-ről az (100) kristályok növesztésére! (111) (100)

33 33 Hőkezelési stratégia – II A hőkezelésnek összhangban kell lennie az egyéb technológiai lépésekkel (a mai stratégia: oda és annyi ion, amennyi ott kell – a diffúzió minimalizálandó) A szilícium rendeződése rendkívül széles hőmérsékleti tartományban, azonos vakancia-mechanizmussal történik, ≈2.3 eV aktivációs energiával (Csepregi) Majd a lézeres hőkezelés „divatja” során kiderült, hogy ez mechanizmus a halmazállapottól is független! (Oztürk kompendiális ábrája)

34 34 Adiabatikus hőkezelés - lézeres és ionos Az adiabatikus kezelés vonzó, de a defektreakciókhoz szükséges szerkezetnek, atomoknak helyben rendelkezésre kell állniuk Kisüléses lámpák (μs, kondenzátor kisülés) használata – egzotikum maradt, A YAG-lézeres impulzus (ns) hőkezelés (1975, I. Khaibullin): A Si az infravörösben átlátszó (nem melegszik), de ahol az ionkárosodás van, ott van abszorpció – ott melegít. Pásztázás szükséges – ez a gond, de itt-ott használják Protonimpulzussal való hőkezelés (PIBA) is egzotikum maradt (ezzel: a hibamentes Si-kötés létrejöttéhez szükséges idő ~ s) Ma a Rapid Thermal Treatment, ~Annealing (RTP, RTA) a bevált, ami közel izoterm (1-2 s), azaz melegíti a szeletet is – beleszól a többi réteg állapotába

35 35 Ionok aktiválása – ‘defect engineering’ – I. Az izoterm/adiabatikus hőkezelések révén előálló pn- átmenet vándorlás As esetén, D=√(Lt) modellel ( C. Hill, Nucl. Instr. Meth., 209/210 (1983) 381 ) Az elfogadható relokalizáció érték alapján lehet dönteni A mai áramkörökben az izoterm hőkezelés (Rapid Thermal Processing, RTP, néhány s időtartamban) dominál A rövidebb, lézeres megoldás terjedésének a pásztázás igénye szabott mindeddig korlátot

36 36 Bór ionok aktiválása – ‘defect engineering’ – II. A preamorfizáció sem „panacea”: a R p -re intersticiális (I) jellegű hibák miatt nem áll helyben rendelkezésre elegendő atom a hibátlan kristállyá való visszanövéshez – a hőmérséklet nem-kívánatos emelése nélkül. Egy megoldás arra, hogy maradjon az amorf réteg, de legyen a közelben rácsközi atom a vakanciák betöltéséhez: kettős pre-amorfizációval lehet javítani a mélységbeli átfedést a V-, ill. I-dús rétegek között (a két szaggatott vonal között) De az I-jellegű End-of-Range, EOR, hibák száma nagyon nehezen csökkenthető (a/c) Az ULSI stratégiában ez már nem működik – nincs idő ekkora mosgásokra, l később.

37 37 Az elektromosan „aktív” dózis A rácshibák komplex volta miatt nem minden implantált atom válik elektromosan „aktívvá”, sőt, komplexként csapdaként is működhetik, pl. B-O-komplex Az elektromosan aktív adalék koncentrációja közelebb van a névleges dózishoz FZ- és epi- Si-ben, mint CZ-Si-ben, ennek oxigéntartalma miatt A szilárd oldékonyság a határ az egyensúlyi állapotban aktív adalékkoncentrációnál Egyéb „dezaktiváló” reakciók is felléphetnek

38 Mai Si-alapanyag és az implantáció: a Silicon-On-Insulator, SOI történet A sugárzás-érzéketlenség (katonai alkalmazások, valamint a kisebb fogyasztás motiválta a SOS, (Si- On-Sapphire), majd a SOI fejlesztést – a pre-amorphization itt is áttörést jelentett... Laterális epitaxia – –„ablak” az oxidban –polikristályos Si, –pl. lézeres olvasztás, –orientációt a szelet ad SIMOX (Separation by Implantation of Oxygen, 1985), magas hőmérsékleten végrehajtott, nagydózisú, sztöchiometriát eredményező, ≈200 keV oxigén SMART CUT ©, Bruel, 1994: „trükkös” DWB (Direct Wafer Bonding), Si hasítás (l. ábra) „Megkerülés”, ill. Semiconductor- On-Anything

39 39 Az Ultra Shallow Junction A Moore-törvény szerinti fejlődés nem csak az elkészülő eszközben jut a határokig, hanem minden technológiánál is határokat rengető követelményeket támaszt (ennek is főleg gazdasági okai vannak: nem gazdaságos előre és túlfejleszteni az eljárásokat, ”cost of ownership”). A scale-down teljesítményében a litográfia, az oxidminőség a legismertebb csúcsteljesítmény De az implantációnak sincs könnyű sora...

40 40 Az Ultra Shallow Junction A PAI eredeti ötlete, azaz, hogy az End-of- Range, EOR-defektek intersticiálisai jussanak a V-dús részbe, nem működik a diffúziós hosszak miatt Három mai stratégia: –szub-keV bór implant – 0,5 keV bórnál már alig van csatornázás, –Gázmolekula implant (dekaborán, átfedő kaszkádok) –PAI, esetleg BF 2 + -szal kombinálva, –”Cocktail” nem-adalékoló, de diffúziót gátló (N,F) implant az EOR-réteg elé, hogy akadályozza az I-diffúziót az EOR-ból

41 Az ULSI implanter-fejlesztései, nehézségek A keV-es ionforrások –Nagyon csökken az áramsűrűség – tömeggyártás? –Ionfókuszálás nehézségei Megoldás: Ionfékezés a szelet közelében Szelethűtés –Knudsen tartomány pascal-tartományú hőtranszportja jobb, mint a fémes összefekvés, nem kell a szilikonzsír sem, de veszélyes a vákuumra (törés, nagy szeletátmérőnél...) Neutralizálás –Elektronelárasztás Vákuum minőség –Kriopumpák! Pásztázás –Elektrosztatikus pásztázásnaál már a 200 mm- es szeletnél sem teljesíthető a irányú beütközés a szelet minden pontján... A párhuzamos pásztázás költséges, a mechanikus pásztázás alkalmas: –nem csak a tilt, hanem az azimut szöge is beállítható

42 Önillesztett, implantált MOS lépések, a litográfiák hozzáképzelendők G n-tipusú szilícium Si 3 N 4 a nem-aktív területről eltávolítva nedv. ox., Si 3 N 4 marás, száraz ox. Poli-Si Al vezeték B ionok, nagy dózis, S/D SD B ionok, kis dózis, küszöbfesz. beállítás S: Forrás, D: nyelő, G: kapu Ablaknyitó oxidmarás

43 43 Ionimplantáció félvezető-technológiai alkalmazása Az egyéb alkalmazások - mint pl. a fémek, kerámiák kopásállóságának javítása – a 10 … 100keV, …10 22 ion/m 2 tartományba esnek, míg a polimerek kezelése az ún. mixinggel van nagyjából fedésben. 1/cm 2

44 44 Ionimplantáció félvezető-technológiai alkalmazása

45 45 Előnyök – nincs jobb –Meg tudott mindmáig felelni a Moore-törvény méretcsökkenési követelményének, azaz: Adalékanyag kontroll, szennyezés-mentes adalékolás, akár izotópos tisztaság Dózis kontroll, mind a mélység tekintetében (ma ≈keV gyorsító energia használatos) Mélységi kontroll, a gyorsítófeszültséggel adalékprofil kontroll – akár befelé növekvő –Kis oldalirányú szóródás –Utólag is lehetséges új réteg létrehozása –Meredek adalékprofil hozható létre –Alacsony hőmérsékleten végezhető –A vákuum miatt igen tiszta eljárás –Az egyensúlyi technológiákhoz képest oldékonyság feletti koncentráció is létrehozható (metastabil) –Egy mai processzorban 23 implantáció, de 60 implantációs lépéses bonyolult technológia is előfordul!

46 46 Hátrányok –A rácsszerkezet rongálódik – ez látta el a fejlesztőket mindmáig munkával, –Nehezen fogadta el a termelői szféra (1975-ig az Intel is elutasította), –mígnem drága, bonyolult, de közel „black box” berendezések nem kerültek a piacra. –Új típusú munkavédelem (nagyfeszültség, röntgensugárzás) vált szükségessé

47 47 Források Dr. Mojzes Imre: Mikroelektronika és elektronikai technológia helyenhttp://www.mfa.kfki.hu/~gyulai/_/ –Gyulai-Biro Implantácio.pdf, ill. a Giber János, Vargáné Josepovits Katalin, Gyulai József, Biró László Péter: Diffúzió és implantáció szilárdtestekben (Egyetemi tankönyv, Műegyetemi Kiadó, 1997) részeként –Gyulai (et al.) fejezetei az ”Ion Implantation Technology”, Ed. J.F. Ziegler könyvben –Michael I. Current fejezetei a 2012-es kiadásban

48 48 Adalékolás neutronsugárzással NTD (neutron transmutational doping) IGBT, teljesítmény eszközök: kicsi adalékolás, de pontos -> nagy letörési feszültség

49 49 Teljesítmény MOS tranzisztorok A DMOS (TMOS) szerkezet S D G

50 50 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Szigetelt vezérlőelektródájú bipoláris tranzisztor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Szigetelt vezérlőelektródájú bipoláris tranzisztor S D C E B G

51 51 Implantálás plazma immerzióval direct ion implantation from a plasma ambientionplasma Nem monoenergiás ionok keletkeznek, ez a precíz félvezetős alkalmazásoknál hátrányos. Az viszont, hogy az ionok merőlegesen érik a felületet, pl. árokfal adagolásnál előnyös Fémfelületek kezelésére alkalmas

52 52 Változatok plazma immerzióra


Letölteni ppt "Ionimplantáció Monolit technika előadás"

Hasonló előadás


Google Hirdetések