Оборудование для проведения термический диффузии в технологии изготовления ИМС

 

При проведении диффузионного процесса обычно используется нечистые легирующие элементы, а их соединения, обладающие более высоким коэффициентом диффузии, обеспечивающие больший поток легирующей примеси и являющиес более технологичным. Такие соединения получили название диффузантов. В зависимости от агрегатного состояния в котором диффузанты находятся при комнатной температуре различают твердые, жидкие и газообразные. Наибольшей технологичностью обладают газообразные диффузанты, которые легко достигают легирование примесей к поверхности п/п.

Рассмотрим упрощенную схему диффузионной печи.

 

1. кварцевая труба.
2. заслонка, необходимая для загрузки и выгрузки лодки с п/п
3. лодочка с п/п пластинами
4. нагреватель
5. ротаметр, с помощью которого устанавливается расход газа.
6. краны для перекрытия газовой магистрали.
7. барбатёр.
8. жидкий диффузант.
9. нагреватель, который задает температурный режим испарения жидкого диффузанта.

 

 

В качестве основного носителя газового потока в данной установке используется Ar. О₂ используется для смягчения режима диффузии путем незначительного окисления поверхности п/п пластины. Постановка диффузанта в диффузионные печи обеспечивается путем продувки Ar через жидкость, температура которой поддерживается в заданном диапазоне. Кварцевая труба имеет длину порядка 4-5м, причем рабочая зона, в которой происходит процесс диффузии составляет порядка 2-3 м. В районе рабочей зоны обеспечивается поддержание температуры с точностью до (диапазон Т°С до 1250°С). Для обеспечения групповой обработки пластин их загрузка в диффузионную печь осуществляется с помощью специальной технологической оснастки - лодочки.

1. кварцевые трубки
2. экраны, предназначены для теплового удара, которому подвержены пластины в момент загрузки и выгрузки, а так же для выравнивания газового потока в процессе диффузии.
3. п/п пластины, в которых проводится процесс диффузии.
4. кварцевый крючок, предназначен для загрузки и выгрузки лодочки с пластины из диффузионной печи.

Для повышения равномерности легированияпо площади пластины и по лодочки в процессе диффузии лодочка с пластинами обычно совершает возвратно-поступательные движения внутри рабочей зоны кварцевой трубы.

Для обеспечения хорошей воспроизводимости технологического процесса диффузию примеси обычно проводят при полной загрузке лодочки. В случае небольшого количества легируемых пластин свободное место в лодочке заставляет балластом (нерабочими пластинами).

 

Упрощенный цикл диффузионного процессаможно представить в следующем виде:

1. межоперационная продувка кварцевой трубы Ar
2. загрузка лодочки с пластинами в диффузионную печь и выдержка в течение нескольких минут для достижения температурного баланса.
3. включение вместе с Ar кислорода и диффузанта и проведение процесса легирования.
4. включение диффузанта и выдержка п/п пластин среди Ar в течение нескольких минут.

 

Управление диффузионной печью(измерение t°С, вкл. и выкл. газов) автоматизировано и устанавливаются с помощью специального программатора. Для повышения производительности одна диффузионная печь обычно содержит 3 или 6 кварцевых труб, каждая из которых имеет автономное управление. Присутствие О₂ во время диффузионного процесса значительно повышает стабильность легирования, но при этом приводит к росту на поверхности п/п пластины тонкий окисной пленки, которая снижает коэффициент диффузии. В настоящее время для проведения диффузионных процессов на п/п пластинах большого Ø стали применяться диффузионные печи с вертикальным расположением каналов. Применение таких печей дает возможность улучшать равномерность легирования по всей площади пластины.

Ионное легирование

 

Рассмотренные ранее процессы термической диффузии имеют ряд недостатков и существующих ограничений:

1. Наличие высоких температур в процессе термической диффузии приводит к перераспределению примеси в уже сформированных п/п слоях и р/п переходах, что значит затрудняет изготовление приборов с мелкими р/п переходами.
2. Наличие значительной боковой диффузииприводит к заметному увеличению площади п/п приборов и накладывает ограничения на высокие степени интеграции МС.
3. Температурная зависимостькоэффициента диффузии и растворимости существенным образом сужает набор используемых диффузантов.

 

Для устранения недостатков был разработан метод ионного легирования, который заключается в следующем. Поток ионов, легируемого элемента, ускоряется до энергии от 10³ до 10⁶ В, затем осуществляется сепарирование ионного пучка и бомбардировка ионным пучком поверхности п/п пластины. В результате происходит внедрение (имплантация) ионов легирующего элемента в приповерхностную область п/п. Очевидно, что плотность и профиль распределения легирующей примеси зависит от типа легирующего элемента, энергии ионов и количества ионов, прошедших через поперечное сечение.

Для прояснения принципа ионного легирования рассмотрим упрощенную схему ионного ускорения, применяемого в технологии производства ИМС.

1. источник ионов
2. вытягивающие электроды
3. электростатическая линза
4. каскадный ускоритель
5. пластина для корректировки пучка ионов
6. диафрагма (на входе и на выходе)
7. электромагнитный сепаратор
8. пластины для развертки ионного пуска
9. держатели пластин (в виде барабана)
10. п/п пластина

 

Источник ионов (1) за счет использования материала мишени обеспечивает перевод легирующего элемента в газо или парообразное состояние последующей ионизацией.

Заряженный пучок ионов вытягивается электрическим полем (не менее 10КэВ), создаваемый электродом (2). Полученный пучок ионов фокусируется электростатической линзой (3). Затем с помощью каскадного ускорителя (4) конечный пучок ускоряется до энергии, необходимых для осуществления легирования. С помощью корректирующих пластин (5) обеспечивается прохождение ионного пучка через диафрагму (6) и попадания его в электромагнитный сепаратор (7). В электромагнитном сепараторе происходит разделение ионов в соответствии с их массой. В результате на выходе сепаратора получается только ионный пучок, легируемого элемента. С помощью пластин (8) можно обеспечить сканирование ионным пучком поверхности п/п пластины (10), которая размещается на специальном держателе (9). Вся система ионного легирования находится в вакууме (10⁷-10⁸ Па) начиная с (2) и кончая держателем п/п пластины. В качестве держателя (9) п/п пластин, обычно используется специальный барабан, обеспечивающий вращение пластин. В результате за счет механического перемещения пластин и электрического сканирования ионным пучком поверхности всех пластин облучается равномерно. В некоторых установленных для производительности облучения проводят в расфокусированным ионным пучком.

 

При ионном легировании необходимо определить 2 основных факта:

1. Длину пробега ионов, которую определяют до легирования.
2. Возникновение радиационных дефектов.

 

Падающий ионный пучок можно разделить на 2 составляющие 1 – составляющая часть рассеивается в приповерхностной области п/п за счет взаимодействия, как с ядрами, находящиеся в узлах кристаллической решетки, так и с электрическими оболочками атомов. Для этой составляющей структуру п/п можно считать аморфной. 2-я составляющая пучка после преломления на поверхности кристалла, начинает двигаться в направлении параллельном узлам кристаллической решетки.

 

Движение ионов в междоузлием пространстве без столкновения с узлами кристаллической решетки, называют каналированием. При каналировании торможение ионов осуществляется только за счет взаимодействия с электрическими оболочками атомов и длина свободного пробега значительно превосходит длину пробега ионов в пространственной области. При ионном легировании каналированиесчитается нежелательным эффектом и его стремящиеся минимизировать путем подбора угла падения ионов на поверхность пластины. В случае отсутствия каналирования, можно считать что ионы рассеиваются в аморфном теле. Для этого случая распределение ионов по глубине кристалла носит случайный характер и определяется распределение Гаусса.

, где

- проекция вектора среднего пробега ионов на направление первоначального распределения ионного пучка.

- средняя длина пробега

- среднее квадратичное отклонение

- повышенная концентрация ионов легируемого элементов

 

Рассчитанный с помощью данной формулы и рассчитанный экспериментально профиль распадения легируемой примеси от энергетических ионов.

Как видно из рисунка с ↑ энергии ионов max концентрация смещается в глубь кристалла, причем для любой энергии ионов max концентрация примеси начинается не на поверхности, на в объёме п/п. Обычно глубина имплантации ионов ограничивается глубиной в 1 микрон. Однако при большой энергии ионов (около 1 МэВ) max концентрация легирующей примеси может сместиться в глубь кристалла, в результате чего в п/п возникает скрытый слой.

Основным приемом ионного легирования является возможность прецизионнымм управлением концентрацией и профилем распределения легируемой примеси, а так же min уход легирующей примеси за край маски. (практическое отсутствие боковой диффузии). В результате метод ион легирования является основным в технологии производства СБИС для получения мелких pn переходов п/п приборов с малыми проектными нормами. Ионное легирование часто используется при необходимости введения малых доз примесных элементов, например, при управлении пороговым напряжения МДП тр. путем введения в канал примеси с небольшой концентрацией. После введения примеси ионным легированием для активации примеси и устранения радиационного эффекта проводят термический отжиг пластин. Для минимизации используют фотонный отжиг, при котором нагрев пластины обусловлен ее освещением.