بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
فرايند انتقال ناخالصي به درون ويفر با روش کاشت يون (ion implantation)
چکيده - کاشت يون يکي از مهم ترين روش نفوذ ناخالصي به درون ويفر در صنايع قطعه سازي الکترونيک و ميکروالکترونيک است و نسبت به روش ديگر (نفوذ) مزاياي بسياري را دارد و کاشت يون فرايندي در مهندسي است که در آن يون هاي برخي مواد را مي توان در مادهاي ديگر کاشت و ويژگي هاي فيزيکي آن ماده را تغيير داد و يک فناوري قوي و دقيق در ساخت آي سي هاي مهم و پيشرفته است . در روش کاشت يون يک دستگاه شتاب دهنده ذرات با ولتاژ بسيار بالا ، يک پرتو يونهاي ناخالصي را با سرعت بسيار زياد توليد مي کند که مي تواند در سطح سيليکوني ويفر هدف نفوذ کند و آن مزاياي بسياري نسبت به رسوب هاي نفوذ در دماي بالا ارائه مي کند. کاشت يون يک فرايند در دماي پايين است و براي حداقل رساندن جنبش ناخالصي هاي نفوذ يافته در مدارات VLSI بسيار مهم است و بصورت کلي فرآيند کاشت يون را توضيح و اشکالات روش فوق را بيان مي کنيم . به عنوان يک مقدمه ي کوتاه، اين بخش را آغاز مي کنيم که هنگامي که شما متن را مي خوانيد بتوانيد بفهميد.
کليد واژه - کاشت يون ، نفوذ
١- مقدمه
اولين بار shockley مفهوم کاشت يون را براي آلايش نيمه رسانا در سال ١٩٥٦ مطرح کرد و اولين دستگاه کاشت يون در سال ١٩٧٣ طراحي گرديد. در کاشت يون يک دستگاه شتاب دهنده ذرات با ولتاژ بسيار بالا ، يک پرتو يونهاي ناخالصي را با سرعت بسيار زياد توليد مي کند که مي تواند در سطح سيليکوني ويفر هدف نفوذ کند و سپس با برخورد يون به اتم شبکه ويفر نيمه هادي ، انرژي يون از دست مي رود و يون متوقف مي شود و در بين اتم هاي شبکه ويفر فضاي باز وجود دارد که باعث کانال زدن يون مي شود و براي جلوگيري از آن ويفر را کج و مي چرخانيم و هنگامي که يونهاي کاشت شده انژري خود را به اتمهاي شبکه منتقل مي دهند باعث حرکت اتم شبکه مي شود وسطح ويفر را تخريب مي کند و درمرحله بعد ، تخريب ايجاد شده توسط يونهاي کاشت شده را ترميم مي کنند که فرآيند بازپخت يا تابکاري مي گويند. در بخش هاي بعد 884 فرآيندهاي فوق را توضيح کامل همراه با شکل و مدل رياضي تشريح مي شود .
٢- دستگاه کاشت يون
در روش کاشت يون يک دستگاه شتاب دهنده ذرات با ولتاژ بسيار بالا ، يک پرتو يونهاي ناخالصي با سرعت بسيار زياد را توليد مي کند که مي تواند در سطح سيليکوني ويفر هدف نفوذ کند. دستگاه کاشت يون شامل بخش هاي اصلي منبع يون ، طيف سنج جرمي ، شتاب دهنده ولتاژ بالا ، سيستم اسکن ، محفظه هدف است .
شکل ١- نمونه اي از دستگاه کاشت يون :١- منبع يون، ٢- طيف سنج جرمي ،
٣- ستون شتاب دهنده با ولتاژ بالا ، ٤- سيستم اسکن x و y و ٥- اتاق هدف
٢-١- منبع يون
منبع يون در ولتاژ بالا برابر ٢٥ تا ٤٠ کيلوولت کار مي کند ، و پلاسمايي را توليد مي کند که شامل ناخالصي هاي مطلوب و همچنين انواع ناخالصي هاي ناخواسته است و آرسين (AsH3) و فسفين (PH3) و ديبورون(B2H6) و گازهاي ديگر مي تواند در منبع استفاده گردد و مواد جامد مي توانند در منابع خاص يوني پراکنده شوند و اين روش انعطاف پذيري بيشتري در انتخاب درجه گسترده اي از ناخالصي ها ، به ما مي دهد.
٢-٢- طيف سنج جرمي
آهنرباي تجزيه و تحليل ، پرتوي يوني را در جهت يک زاويه راست براي انتخاب يون ناخالصي مطلوب خم مي کند و يون انتخاب شده از طريق يک روزنه بسيار کوچک به ستون شتابدهنده اصلي ، وارد مي شود و فقط يون هاي با نسبت جرم بر بار صحيح مي توانند از آن عبور کنند. پرتو يون توسط يک آهنربا بصورت يک زاويه ٩٠ درجه خم مي شود و يون ناخالصي انتخاب شده بصورت خط راست ميل ميکند و از طريق يک شکاف ديافراگم به ستون شتاب دهنده اصلي انتقال مي يابد. مکانيزم آن توسط ميدان مغناطيسي است .
٢-٣- شتابدهنده ولتاژ
ستون شتاب دهنده انرژيش از طريق پرتو افکندن به بالا ٥ مگا الکترون ولت افزايش مي يابد و شتاب يون به سرعت نهايي خود مي رسد و ستون شتاب دهنده و منبع يون ، هر دو نسبت به هدف در يک ولتاژ بسيار بالا کار مي کنند و براي حفاظت از منبع يون و شتاب دهنده در برابر ولتاژ بسيار بالا و احتمال تابش اشعه X هردو را در يک لايه حفاظتي در درون يک سپر قرار مي دهند.
٢-٤- سيستم اسکن
صفحات انحراف محورهاي X و Y براي اسکن پرتو، جهت دستيابي به کاشت يکنواخت و دوز مطلوب در سراسر ويفر استفاده مي شوند و پرتو براي جلوگيري از برخورد ذرات خنثي به هدف ، اندکي خم مي شود و ذرات خنثي تله beam جذب مي شود .
شکل ٣- سيستم اسکن
٢-٥- محفظه هدف
سيليکون به عنوان هدف براي پرتوي يون مي باشد براي ايمنـي ، منطقه هدف نزديک پتانسيل زمين نگه داشته ميشود . سيسـتم دستگاه کاشت يون کاملا تحت شرايط خلاء اداره مي شود. قطـر شعاع يوني در حدود mm ٢٥ است و بـراي اينکـه تمـام سـطح ويفر در معرض شعاع يوني قرار گيـرد، بايـد شـعاع يـوني و ويفـر متحرک باشند که با روش هاي چرخاندن ويفر ( Spin wheel)
، چرخاندن صفحه ( Spin disk ) و پوييدن ويفر تـک( Single wafer scan) انجام مي پذيرد .
شکل ٤- روش چرخاندن ويفر (Spin wheel (
شکل ٥ - روش پوييدن ويفر تک(Single wafer scan)
يونهاي ناخالصي مورد نظر از خروجي منبع انتخاب شده و ميدان مغناطيسي براي تجزيه و تحليل استفاده ميشود . يک ذره بـاردار در حال حرکت با سرعت v از طريق يـک ميـدان مغناطيسـي B يک نيرو F وارد مي شود ، برابر است با :
نيروي حرکت ذرات بصورت دايره اي تمايل دارد و نيروي گريز از مرکز باعث تعادل F خواهد شد . اگر ميدان مغناطيسي B عمود
بر سرعت v باشد، که در آن qV است و V ولتاژ شتاب دهنده است . بنابراين ، بزرگي ميدان مغناطيسي B ممکن است براي تنظيم گونه يون که داراي جرم باشد انتخاب شود :
منبع يون در شکل يک پتانسيل ثابت kev25 عمـل ميکنـد بـه طوري که ولتاژ V معلوم است ، و گونه هاي يوني انتخـاب شـده توسط تغييـر منبـع جريـان DC تجزيـه و تحليـل مغناطيسـي ميشود . ناخالصي انتخاب شده در ستون ولتاژ بالا شتاب بيشتري مي گيرد و سپس به سرعت نهايي خود ميرسد. ويفر سيليکون در تماس الکتريکي خوب با نگه دارنده هدف نگهداري مي شود، بنابراين الکترون به راحتي مي تواند در ويفر جاري شود اين جريان الکترون در طول زمان براي اندازه گيري ميشود و کل بار Q برابر است با :
که در آن I جريان پرتو و واحد آن آمپر است ، A مساحت ويفر است ، ١ = m يون هاي يونيزه تکي و ٢=m براي گونه هاي يونيزه شده دوتايي ، و T زمان کاشت يون است . استفاده از گونه هاي يونيزه شده دوتايي قابليت انرژي دستگاه را با ضريب ٢ طبق فرمول افزايش ميدهد.
٣- مدل رياضي روش کاشت يون
همانطوري که يک يون بر سطح ويفر وارد ميشود ، يون با اتم ها در شبکه بهم برخورد ميکنند و با الکترونها داخل بلور فعل وانفعالات دارد .هر تعامل هسته اي يا الکترونيکي انرژي يوني را بر اثر فعل وانفعال کاهش مي دهد تا زماني که در داخل هدف مستقر شود ادامه مي يابد .تعامل با کريستال يک فرايند آماري است ، و مشخصات ناخالصي کاشته شده را مي توان با تابع توزيع گاوسي نشان داده شود .
شکل ٦-توزيع گاوسي ناشي از کاشت يون
ناخالصي به طور کامل در زير سطح ويفر (O =x ) نشانده شده است . ((Projected Range)Rp )ميانگين فاصله هاي طي شده نرمال از سطح است و يک پارامتر مهم است زيرا نشان دهنده انرژي مورد نياز يون براي بدست آوردن عمق نفوذ ناخالصي مطلوب است .
(straggle( ΔRp)) انحراف معيار Projected Range است که براي يون هاي سنگين Rp و Rp∆ کوچکتر و براي يونهاي سبک Rp و Rp∆ بزرگتري است . توزيع گاوسي ناشي از کاشت يون برابر است با :
سطح زير منحني توزيع ناخالصي برابر بار Q کاشته شده است
در اغلب موارد، ما تمايل به کاشت ناخالصي فقط در مناطق انتخاب شده از ويفر را داريم . در مرز ماده ، پنجره ها باز هستند هر جا که ناخالصي تمايل دارد نفوذ کنند . در مرکز پنجره، توزيع ناخالصي توسط معادله گوسي شرح داده شده است ، اما در نزديکي لبه کاهش توزيع و در واقع در زير لبه گسترش پنجره ، همانطور که در شکل ٨ نشان داده شده است .توزيع را بطور کلي مي توان طبق رابطه ٦ مدل کرد .
به منظور کاشت يون نقاب گذاري ميکنيم ، زيرا در سطح زير لايه مانع سيليکون براي جلوگيري از سطح تغيير دوپينگ ناخالصي کاشته شده ضروري است
شکل ٨ خطوط يون براي کاشت يون در داخل سيليکون از طريق يک پنجره يک ميکرومتري برابر است مشخصات متقارن تقريبا در مورد محور x است و با استفاده از معادله ٦ محاسبه شده است .
