1. مقدمة
تعد عملية زرع الأيونات إحدى العمليات الرئيسية في تصنيع الدوائر المتكاملة. ويشير إلى عملية تسريع شعاع أيوني إلى طاقة معينة (عموما في نطاق كيلو إلكترون فولت إلى MeV) ثم حقنه في سطح مادة صلبة لتغيير الخواص الفيزيائية لسطح المادة. في عملية الدائرة المتكاملة، تكون المادة الصلبة عادةً من السيليكون، وتكون أيونات الشوائب المزروعة عادة أيونات البورون، وأيونات الفوسفور، وأيونات الزرنيخ، وأيونات الإنديوم، وأيونات الجرمانيوم، وما إلى ذلك. يمكن للأيونات المزروعة تغيير موصلية سطح المادة الصلبة مادة أو تشكل تقاطع PN. عندما تم تقليل حجم ميزات الدوائر المتكاملة إلى عصر الميكرون الفرعي، تم استخدام عملية زرع الأيونات على نطاق واسع.
في عملية تصنيع الدوائر المتكاملة، عادةً ما يتم استخدام زرع الأيونات للطبقات المدفونة العميقة، والآبار المخدرة العكسية، وتعديل جهد العتبة، وزرع امتداد المصدر والصرف، وزرع المصدر والصرف، وتطعيم بوابة البولي سيليكون، وتشكيل وصلات PN والمقاومات/المكثفات، إلخ. في عملية تحضير مواد ركيزة السيليكون على العوازل، يتم تشكيل طبقة الأكسيد المدفونة بشكل أساسي عن طريق زرع أيون الأكسجين عالي التركيز، أو يتم تحقيق القطع الذكي عن طريق الهيدروجين عالي التركيز زرع الأيونات.
يتم إجراء عملية زرع الأيونات بواسطة أداة زرع الأيونات، وأهم معلمات العملية هي الجرعة والطاقة: تحدد الجرعة التركيز النهائي، وتحدد الطاقة نطاق (أي عمق) الأيونات. وفقًا لمتطلبات تصميم الجهاز المختلفة، يتم تقسيم ظروف الزرع إلى جرعة عالية عالية الطاقة، جرعة متوسطة الطاقة، جرعة متوسطة منخفضة الطاقة، أو جرعة عالية منخفضة الطاقة. من أجل الحصول على تأثير الزرع المثالي، يجب أن تكون أجهزة الزرع المختلفة مجهزة لمتطلبات العملية المختلفة.
بعد زرع الأيونات، من الضروري عمومًا الخضوع لعملية التلدين بدرجة حرارة عالية لإصلاح تلف الشبكة الناتج عن زرع الأيونات وتنشيط الأيونات الملوثة. في عمليات الدوائر المتكاملة التقليدية، على الرغم من أن درجة حرارة التلدين لها تأثير كبير على المنشطات، إلا أن درجة حرارة عملية زرع الأيونات نفسها ليست مهمة. في العقد التكنولوجية التي يقل طولها عن 14 نانومتر، يجب إجراء بعض عمليات زرع الأيونات في بيئات ذات درجات حرارة منخفضة أو عالية لتغيير تأثيرات تلف الشبكة، وما إلى ذلك.
2. عملية زرع الأيونات
2.1 المبادئ الأساسية
إن زرع الأيونات هو عملية منشطات تم تطويرها في الستينيات وهي متفوقة على تقنيات الانتشار التقليدية في معظم الجوانب.
الاختلافات الرئيسية بين منشطات زرع الأيونات ومنشطات الانتشار التقليدية هي كما يلي:
(1) يختلف توزيع تركيز الشوائب في المنطقة المخدرة. يقع تركيز ذروة الشوائب لزرع الأيونات داخل البلورة، في حين يقع تركيز ذروة الشوائب للانتشار على سطح البلورة.
(2) عملية زرع الأيونات تتم في درجة حرارة الغرفة أو حتى درجة حرارة منخفضة، ووقت الإنتاج قصير. يتطلب نشر المنشطات معالجة أطول بدرجة حرارة عالية.
(3) يسمح زرع الأيونات باختيار أكثر مرونة ودقة للعناصر المزروعة.
(4) بما أن الشوائب تتأثر بالانتشار الحراري، فإن شكل الموجة المتكون عن طريق زرع الأيونات في البلورة أفضل من شكل الموجة المتكون عن طريق الانتشار في البلورة.
(5) عادةً ما يستخدم زرع الأيونات فقط مقاوم الضوء كمادة للقناع، ولكن التنشيط بالانتشار يتطلب نمو أو ترسيب فيلم بسماكة معينة كقناع.
(6) لقد حل زرع الأيونات محل الانتشار وأصبح عملية المنشطات الرئيسية في صناعة الدوائر المتكاملة اليوم.
عندما يقصف شعاع أيوني وارد بطاقة معينة هدفًا صلبًا (عادةً رقاقة)، فإن الأيونات والذرات الموجودة على سطح الهدف ستخضع لمجموعة متنوعة من التفاعلات، وتنقل الطاقة إلى ذرات الهدف بطريقة معينة للإثارة أو التأين هم. يمكن أن تفقد الأيونات أيضًا قدرًا معينًا من الطاقة من خلال نقل الزخم، وفي النهاية تتناثر بواسطة الذرات المستهدفة أو تتوقف في المادة المستهدفة. إذا كانت الأيونات المحقونة أثقل، فسيتم حقن معظم الأيونات في الهدف الصلب. على العكس من ذلك، إذا كانت الأيونات المحقونة أخف وزنا، فإن العديد من الأيونات المحقونة سوف ترتد عن السطح المستهدف. في الأساس، هذه الأيونات عالية الطاقة التي يتم حقنها في الهدف سوف تصطدم مع ذرات الشبكة والإلكترونات الموجودة في الهدف الصلب بدرجات متفاوتة. ومن بينها يمكن اعتبار التصادم بين الأيونات والذرات الصلبة المستهدفة بمثابة تصادم مرن لأنها متقاربة في الكتلة.
2.2 المعالم الرئيسية لزرع الأيونات
تعد عملية زرع الأيونات عملية مرنة يجب أن تلبي متطلبات تصميم وإنتاج الرقائق الصارمة. معلمات زرع الأيونات الهامة هي: الجرعة، والمدى.
تشير الجرعة (D) إلى عدد الأيونات المحقونة لكل وحدة مساحة من سطح رقاقة السيليكون، بالذرات لكل سنتيمتر مربع (أو الأيونات لكل سنتيمتر مربع). يمكن حساب D بالصيغة التالية:
حيث D هي جرعة الزرع (عدد الأيونات/وحدة المساحة)؛ ر هو وقت الزرع. أنا هو الشعاع الحالي. q هي الشحنة التي يحملها الأيون (الشحنة الواحدة هي 1.6×1019C[1]); وS هي منطقة الزرع.
أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل زرع الأيونات أصبح تقنية مهمة في تصنيع رقائق السيليكون هو أنه يمكن زرع نفس الجرعة من الشوائب بشكل متكرر في رقائق السيليكون. يحقق المزروع هذا الهدف بمساعدة الشحنة الموجبة للأيونات. عندما تشكل أيونات الشوائب الموجبة شعاعًا أيونيًا، فإن معدل تدفقها يسمى تيار الشعاع الأيوني، والذي يقاس بوحدة مللي أمبير. نطاق التيارات المتوسطة والمنخفضة هو 0.1 إلى 10 مللي أمبير، ومدى التيارات العالية هو 10 إلى 25 مللي أمبير.
يعد حجم تيار الشعاع الأيوني متغيرًا رئيسيًا في تحديد الجرعة. إذا زاد التيار، فإن عدد ذرات الشوائب المزروعة لكل وحدة زمنية يزيد أيضًا. يؤدي التيار العالي إلى زيادة إنتاجية رقاقة السيليكون (حقن المزيد من الأيونات لكل وحدة وقت إنتاج)، ولكنه يسبب أيضًا مشاكل في التجانس.
3. معدات زرع الأيونات
3.1 الهيكل الأساسي
تشتمل معدات زرع الأيونات على 7 وحدات أساسية:
① مصدر الأيونات وامتصاصها؛
② محلل الكتلة (أي المغناطيس التحليلي)؛
③ أنبوب التسريع؛
④ قرص المسح؛
⑤ نظام تحييد الكهرباء الساكنة.
⑥ غرفة العملية؛
⑦ نظام التحكم في الجرعة.
Aجميع الوحدات موجودة في بيئة فراغية أنشأها نظام الفراغ. يظهر الرسم التخطيطي الهيكلي الأساسي لغرس الأيونات في الشكل أدناه.
(1)مصدر ايون:
عادة في نفس الغرفة المفرغة مثل قطب الشفط. يجب أن تكون الشوائب المنتظرة للحقن موجودة في حالة أيونية حتى يتم التحكم فيها وتسريعها بواسطة المجال الكهربائي. يتم الحصول على B+، P+، As+، وما إلى ذلك الأكثر استخدامًا عن طريق تأين الذرات أو الجزيئات.
مصادر الشوائب المستخدمة هي BF3، PH3 وAsH3، وما إلى ذلك، وتظهر هياكلها في الشكل أدناه. تصطدم الإلكترونات الصادرة عن الخيط بذرات الغاز لتنتج الأيونات. عادة ما يتم توليد الإلكترونات بواسطة مصدر خيوط التنغستن الساخن. على سبيل المثال، مصدر أيون بيرنرز، يتم تثبيت خيوط الكاثود في غرفة قوسية مع مدخل غاز. الجدار الداخلي لغرفة القوس هو الأنود.
عند إدخال مصدر الغاز، يمر تيار كبير عبر الفتيل، ويتم تطبيق جهد 100 فولت بين الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة، مما سيولد إلكترونات عالية الطاقة حول الفتيل. يتم إنشاء الأيونات الموجبة بعد اصطدام الإلكترونات عالية الطاقة بجزيئات الغاز المصدر.
يطبق المغناطيس الخارجي مجالًا مغناطيسيًا موازيًا للخيط لزيادة التأين وتثبيت البلازما. في حجرة القوس، في الطرف الآخر بالنسبة للخيط، يوجد عاكس ذو شحنة سالبة يعكس الإلكترونات مرة أخرى لتحسين توليد وكفاءة الإلكترونات.
(2)امتصاص:
يتم استخدامه لجمع الأيونات الموجبة المتولدة في الغرفة القوسية لمصدر الأيونات وتشكيلها في شعاع أيوني. نظرًا لأن حجرة القوس هي الأنود ويتم ضغط الكاثود سلبًا على قطب الشفط، فإن المجال الكهربائي المتولد يتحكم في الأيونات الموجبة، مما يؤدي إلى تحركها نحو قطب الشفط وسحبها من شق الأيون، كما هو موضح في الشكل أدناه . كلما زادت شدة المجال الكهربائي، زادت الطاقة الحركية التي تكتسبها الأيونات بعد التسارع. يوجد أيضًا جهد قمع على قطب الشفط لمنع تداخل الإلكترونات الموجودة في البلازما. وفي الوقت نفسه، يمكن لقطب القمع أن يشكل الأيونات في شعاع أيوني ويركزها في تيار شعاع أيوني متوازي بحيث يمر عبر جهاز الزرع.
(3)محلل الشامل:
قد يكون هناك أنواع عديدة من الأيونات المتولدة من مصدر الأيون. وتحت تسارع جهد الأنود، تتحرك الأيونات بسرعة عالية. الأيونات المختلفة لها وحدات كتلة ذرية مختلفة ونسب مختلفة من الكتلة إلى الشحنة.
(4)أنبوب المسرع:
ومن أجل الحصول على سرعة أعلى، هناك حاجة إلى طاقة أعلى. بالإضافة إلى المجال الكهربائي الذي يوفره الأنود ومحلل الكتلة، يلزم وجود مجال كهربائي متوفر في أنبوب المسرع أيضًا من أجل التسارع. يتكون أنبوب المسرع من سلسلة من الأقطاب الكهربائية المعزولة بواسطة عازل، ويزداد الجهد السلبي على الأقطاب الكهربائية بالتسلسل من خلال اتصال السلسلة. كلما ارتفع الجهد الإجمالي، زادت السرعة التي تحصل عليها الأيونات، أي زادت الطاقة المنقولة. يمكن أن تسمح الطاقة العالية بحقن أيونات الشوائب في عمق رقاقة السيليكون لتشكيل تقاطع عميق، في حين يمكن استخدام الطاقة المنخفضة لإنشاء تقاطع سطحي.
(5)قرص المسح
عادة ما يكون قطر الحزمة الأيونية المركزة صغيرًا جدًا. يبلغ قطر بقعة الشعاع لغرسة تيار شعاع متوسط حوالي 1 سم، ويبلغ قطر بقعة شعاع تيار كبير حوالي 3 سم. يجب تغطية رقاقة السيليكون بأكملها عن طريق المسح الضوئي. يتم تحديد تكرار زرع الجرعة عن طريق المسح. عادة، هناك أربعة أنواع من أنظمة المسح المزروعة:
① المسح الكهروستاتيكي؛
② المسح الميكانيكي؛
③ المسح الهجين.
④ المسح المتوازي.
(6)نظام تحييد الكهرباء الساكنة:
أثناء عملية الزرع، يضرب شعاع الأيونات رقاقة السيليكون ويتسبب في تراكم الشحنة على سطح القناع. يؤدي تراكم الشحنة الناتج إلى تغيير توازن الشحنة في شعاع الأيونات، مما يجعل بقعة الشعاع أكبر وتوزيع الجرعة غير متساوٍ. وقد يخترق طبقة الأكسيد السطحية ويتسبب في فشل الجهاز. الآن، عادةً ما يتم وضع رقاقة السيليكون وشعاع الأيونات في بيئة بلازما مستقرة عالية الكثافة تسمى نظام الدش الإلكتروني البلازمي، والذي يمكنه التحكم في شحن رقاقة السيليكون. تستخرج هذه الطريقة الإلكترونات من البلازما (عادةً الأرجون أو الزينون) في حجرة قوسية تقع في مسار الشعاع الأيوني وبالقرب من رقاقة السيليكون. يتم ترشيح البلازما ويمكن للإلكترونات الثانوية فقط الوصول إلى سطح رقاقة السيليكون لتحييد الشحنة الموجبة.
(7)تجويف العملية:
يتم حقن الحزم الأيونية في رقائق السيليكون في غرفة المعالجة. تعد غرفة المعالجة جزءًا مهمًا من جهاز الزرع، بما في ذلك نظام المسح، ومحطة طرفية مزودة بقفل مفرغ لتحميل وتفريغ رقائق السيليكون، ونظام نقل رقائق السيليكون، ونظام التحكم بالكمبيوتر. بالإضافة إلى ذلك، هناك بعض الأجهزة لمراقبة الجرعات والتحكم في تأثيرات القناة. إذا تم استخدام المسح الميكانيكي، ستكون المحطة الطرفية كبيرة نسبيًا. يتم ضخ فراغ غرفة العملية إلى الضغط السفلي الذي تتطلبه العملية بواسطة مضخة ميكانيكية متعددة المراحل، ومضخة توربينية جزيئية، ومضخة تكثيف، والتي تبلغ بشكل عام حوالي 1 × 10-6 تور أو أقل.
(8)نظام مراقبة الجرعة:
تتم مراقبة الجرعة في الوقت الفعلي في جهاز زرع الأيونات عن طريق قياس شعاع الأيون الذي يصل إلى رقاقة السيليكون. يتم قياس تيار الشعاع الأيوني باستخدام جهاز استشعار يسمى كوب فاراداي. في نظام فاراداي البسيط، يوجد مستشعر تيار في مسار الشعاع الأيوني الذي يقيس التيار. ومع ذلك، فإن هذا يمثل مشكلة، حيث يتفاعل شعاع الأيونات مع المستشعر وينتج إلكترونات ثانوية تؤدي إلى قراءات تيار خاطئة. يمكن لنظام فاراداي قمع الإلكترونات الثانوية باستخدام المجالات الكهربائية أو المغناطيسية للحصول على قراءة حقيقية لتيار الشعاع. يتم تغذية التيار المقاس بواسطة نظام فاراداي إلى وحدة التحكم الإلكترونية في الجرعة، والتي تعمل كمجمع تيار (الذي يقوم بتجميع تيار الشعاع المقاس بشكل مستمر). يتم استخدام وحدة التحكم لربط التيار الإجمالي بوقت الزرع المقابل وحساب الوقت اللازم لجرعة معينة.
3.2 إصلاح الأضرار
سيؤدي زرع الأيونات إلى إخراج الذرات من بنية الشبكة وإتلاف شبكة رقاقة السيليكون. إذا كانت الجرعة المزروعة كبيرة، فإن الطبقة المزروعة سوف تصبح غير متبلورة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الأيونات المزروعة لا تشغل بشكل أساسي النقاط الشبكية للسيليكون، ولكنها تبقى في مواضع الفجوة الشبكية. لا يمكن تنشيط هذه الشوائب الخلالية إلا بعد عملية التلدين بدرجة حرارة عالية.
يمكن للتليين تسخين رقاقة السيليكون المزروعة لإصلاح عيوب الشبكة؛ ويمكنه أيضًا نقل ذرات الشوائب إلى نقاط الشبكة وتنشيطها. تبلغ درجة الحرارة اللازمة لإصلاح عيوب الشبكة حوالي 500 درجة مئوية، ودرجة الحرارة اللازمة لتنشيط ذرات الشوائب حوالي 950 درجة مئوية. يرتبط تنشيط الشوائب بالوقت ودرجة الحرارة: كلما زاد الوقت وارتفعت درجة الحرارة، تم تنشيط الشوائب بشكل كامل. هناك طريقتان أساسيتان لتليين رقائق السيليكون:
① التلدين بفرن درجة الحرارة العالية؛
② التلدين الحراري السريع (RTA).
التلدين بفرن درجة الحرارة العالية: التلدين بفرن درجة الحرارة العالية هو طريقة التلدين التقليدية، والتي تستخدم فرن درجة الحرارة العالية لتسخين رقاقة السيليكون إلى 800-1000 درجة مئوية والاحتفاظ بها لمدة 30 دقيقة. عند درجة الحرارة هذه، تعود ذرات السيليكون إلى موضع الشبكة، ويمكن لذرات الشوائب أيضًا أن تحل محل ذرات السيليكون وتدخل الشبكة. ومع ذلك، فإن المعالجة الحرارية عند درجة الحرارة والوقت هذه ستؤدي إلى انتشار الشوائب، وهو أمر لا ترغب صناعة تصنيع الدوائر المتكاملة الحديثة في رؤيته.
التلدين الحراري السريع: يعالج التلدين الحراري السريع (RTA) رقائق السيليكون مع ارتفاع سريع للغاية في درجة الحرارة ومدة قصيرة عند درجة الحرارة المستهدفة (عادة 1000 درجة مئوية). عادةً ما يتم إجراء التلدين لرقائق السيليكون المزروعة في معالج حراري سريع باستخدام Ar أو N2. يمكن لعملية ارتفاع درجة الحرارة السريعة والمدة القصيرة تحسين إصلاح عيوب الشبكة وتفعيل الشوائب وتثبيط انتشار الشوائب. يمكن لهيئة الطرق والمواصلات أيضًا تقليل الانتشار المعزز العابر وهي أفضل طريقة للتحكم في عمق الوصلات في غرسات الوصلات الضحلة.
———————————————————————————————————————————— ———————————-
يمكن أن توفر Semiceraأجزاء الجرافيت, شعر ناعم/صلب, أجزاء كربيد السيليكون, أجزاء كربيد السيليكون CVD، والأجزاء المغلفة بـ SiC/TaCمع في 30 يوما.
إذا كنت مهتمًا بمنتجات أشباه الموصلات المذكورة أعلاه،من فضلك لا تتردد في الاتصال بنا في المرة الأولى.
هاتف: +86-13373889683
واتساب: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
وقت النشر: 31 أغسطس 2024