1. はじめに
イオン注入は、集積回路製造における主要プロセスの 1 つです。これは、イオン ビームを特定のエネルギー (一般に keV から MeV の範囲) まで加速し、それを固体材料の表面に注入して、材料表面の物理的特性を変化させるプロセスを指します。集積回路プロセスでは、固体材料は通常シリコンであり、注入される不純物イオンは通常、ホウ素イオン、リンイオン、ヒ素イオン、インジウムイオン、ゲルマニウムイオンなどです。注入されたイオンは固体表面の導電率を変化させる可能性があります。材料または PN 接合を形成します。集積回路の形状サイズがサブミクロン時代まで縮小されたとき、イオン注入プロセスが広く使用されました。
集積回路の製造プロセスでは、イオン注入は通常、深い埋め込み層、逆ドープウェル、閾値電圧調整、ソースおよびドレイン拡張注入、ソースおよびドレイン注入、ポリシリコンゲートドーピング、PN接合および抵抗器/コンデンサの形成などに使用されます。絶縁体上にシリコン基板材料を作製するプロセスでは、主に高濃度酸素イオン注入による埋め込み酸化層の形成や、高濃度水素イオン注入によるインテリジェントな切断が行われます。
イオン注入はイオン注入機によって実行され、その最も重要なプロセスパラメータはドーズ量とエネルギーです。ドーズ量は最終濃度を決定し、エネルギーはイオンの範囲（つまり、深さ）を決定します。さまざまなデバイス設計要件に従って、移植条件は、高用量高エネルギー、中用量中エネルギー、中用量低エネルギー、または高用量低エネルギーに分類されます。理想的な注入効果を得るには、異なるプロセス要件に応じて異なる注入装置を装備する必要があります。
一般に、イオン注入後は、イオン注入によって生じた格子損傷を修復し、不純物イオンを活性化するために、高温のアニール処理が必要となる。従来の集積回路プロセスでは、アニール温度はドーピングに大きな影響を与えますが、イオン注入プロセス自体の温度は重要ではありません。 14nm未満のテクノロジーノードでは、格子損傷などの影響を変えるために、特定のイオン注入プロセスを低温または高温環境で実行する必要があります。
2. イオン注入工程
2.1 基本原則
イオン注入は、1960 年代に開発されたドーピング プロセスであり、ほとんどの点で従来の拡散技術よりも優れています。
イオン注入ドーピングと従来の拡散ドーピングの主な違いは次のとおりです。
（１）ドープ領域の不純物濃度分布が異なる。イオン注入の不純物濃度のピークは結晶内部にあり、拡散の不純物濃度のピークは結晶表面にあります。
（２）イオン注入は室温または低温で行うプロセスであり、製造時間が短い。拡散ドーピングには、より長時間の高温処理が必要です。
(3) イオン注入により、注入元素のより柔軟かつ正確な選択が可能になります。
（４）不純物は熱拡散の影響を受けるため、結晶中へのイオン注入によって形成される波形は、結晶中への拡散によって形成される波形よりも良好である。
(5) イオン注入では通常、マスク材料としてフォトレジストのみを使用しますが、拡散ドーピングではマスクとして一定の厚さの膜を成長または堆積する必要があります。
(6) イオン注入は基本的に拡散に取って代わり、今日の集積回路製造における主要なドーピングプロセスとなっています。
特定のエネルギーを持つ入射イオンビームが固体ターゲット (通常はウェーハ) に衝突すると、ターゲット表面上のイオンと原子はさまざまな相互作用を受け、特定の方法でターゲット原子にエネルギーを伝達して励起またはイオン化します。彼ら。イオンは運動量の移動によって一定量のエネルギーを失い、最終的にはターゲット原子によって散乱されるか、ターゲット材料内で停止する可能性があります。注入されるイオンが重い場合、イオンの大部分は固体ターゲットに注入されます。逆に、注入されたイオンが軽い場合、注入されたイオンの多くはターゲット表面で跳ね返ります。基本的に、ターゲットに注入されたこれらの高エネルギーイオンは、さまざまな程度で固体ターゲット内の格子原子および電子と衝突します。このうち、イオンと対象となる固体原子との衝突は、質量が近いため弾性衝突とみなすことができます。
2.2 イオン注入の主なパラメータ
イオン注入は、厳格なチップ設計および製造要件を満たす必要がある柔軟なプロセスです。重要なイオン注入パラメータは、ドーズ量、範囲です。
線量 (D) は、シリコン ウェーハ表面の単位面積あたりに注入されるイオンの数を、平方センチメートルあたりの原子数 (または平方センチメートルあたりのイオン数) で表します。 D は次の式で計算できます。
ここで、D は注入量 (単位面積あたりのイオン数) です。 t は注入時間です。 I はビーム電流です。 q はイオンが運ぶ電荷です (単一電荷は 1.6×1019C[1])。 S は注入領域です。
イオン注入がシリコンウェーハ製造において重要な技術となっている主な理由の 1 つは、同じ量の不純物をシリコンウェーハに繰り返し注入できることです。注入装置は、イオンの正電荷を利用してこの目標を達成します。正の不純物イオンがイオン ビームを形成するとき、その流量はイオン ビーム電流と呼ばれ、mA 単位で測定されます。中電流および低電流の範囲は 0.1 ～ 10 mA、高電流の範囲は 10 ～ 25 mA です。
イオンビーム電流の大きさは、線量を定義する際の重要な変数です。電流が増加すると、単位時間当たりに注入される不純物原子の数も増加する。高電流はシリコンウェーハの歩留まり（単位製造時間あたりにより多くのイオンを注入する）の向上に役立ちますが、均一性の問題も引き起こします。
3. イオン注入装置
3.1 基本構造
イオン注入装置には 7 つの基本モジュールが含まれています:
① イオン源と吸収体。
② 質量分析装置（つまり分析用磁石）。
③加速管。
④ スキャンディスク;
⑤静電気除去システム。
⑥ プロセスチャンバー。
⑦ 線量制御システム。
Aすべてのモジュールは、真空システムによって確立された真空環境内にあります。イオン注入装置の基本構造図を下図に示します。
(1)イオン源:
通常は吸引電極と同じ真空チャンバー内にあります。注入を待つ不純物は、電場によって制御され加速されるために、イオン状態で存在する必要がある。最も一般的に使用される B+、P+、As+ などは、原子または分子をイオン化することによって得られます。
不純物源としてはBF3、PH3、AsH3などを使用しており、その構造は下図に示します。フィラメントから放出された電子はガス原子と衝突してイオンを生成します。電子は通常、高温のタングステン フィラメント源によって生成されます。たとえば、バーナー イオン源の陰極フィラメントは、ガス入口を備えたアーク チャンバーに設置されます。アーク室の内壁が陽極になります。
ガス源が導入されると、フィラメントに大電流が流れ、正極と負極の間に100Vの電圧が印加され、フィラメントの周囲に高エネルギーの電子が発生します。高エネルギーの電子がソースガス分子と衝突すると、正イオンが生成されます。
外部磁石はフィラメントに平行な磁場を加えてイオン化を高め、プラズマを安定させます。アークチャンバー内のフィラメントの他端には、電子を反射して電子の生成と効率を向上させる負に帯電した反射板があります。
(2)吸収:
イオン源のアークチャンバーで生成された正イオンを収集し、イオンビームを形成するために使用されます。アーク室が陽極、陰極が吸引電極に対して負圧になっているため、発生した電場によって正イオンが制御され、下図に示すように陽イオンが吸引電極に向かって移動し、イオンスリットから引き出されます。 。電界強度が大きいほど、加速後にイオンが獲得する運動エネルギーも大きくなります。プラズマ内の電子による干渉を防ぐために、吸引電極には抑制電圧もあります。同時に、抑制電極はイオンをイオン ビームに形成し、イオン ビームが注入装置を通過できるように平行なイオン ビーム流に集束します。
(3)質量分析装置:
イオン源から生成されるイオンは多種多様である。アノード電圧が加速されると、イオンは高速で移動します。イオンが異なれば、原子質量単位も質量電荷比も異なります。
(4)加速管:
より高い速度を得るためには、より多くのエネルギーが必要となります。加速には、アノードと質量分析器によって提供される電場に加えて、加速管に提供される電場も必要です。加速管は誘電体で隔離された一連の電極で構成されており、電極上の負の電圧は直列接続を通じて順番に増加します。総電圧が高くなるほど、イオンによって得られる速度は大きくなり、運ばれるエネルギーも大きくなります。高エネルギーを使用すると不純物イオンをシリコンウェーハの奥深くに注入して深い接合を形成でき、低エネルギーを使用すると浅い接合を形成できます。
(5)スキャンディスク
集束イオンビームの直径は通常非常に小さいです。中ビーム電流注入装置のビームスポット直径は約１ｃｍ、大ビーム電流注入装置のビームスポット直径は約３ｃｍである。シリコンウェーハ全体をスキャンする必要があります。線量注入の再現性は、スキャンによって決定されます。通常、注入器スキャン システムには 4 つのタイプがあります。
①静電走査。
②機械的スキャン。
③ハイブリッドスキャン。
④並列スキャン。
(6)静電気除電システム:
注入プロセス中に、イオン ビームがシリコン ウェーハに衝突し、マスク表面に電荷が蓄積されます。結果として生じる電荷の蓄積により、イオンビーム内の電荷バランスが変化し、ビームスポットが大きくなり、線量分布が不均一になります。表面の酸化層を突き破ってデバイスの故障を引き起こす可能性もあります。現在、シリコンウェーハとイオンビームは通常、プラズマ電子シャワーシステムと呼ばれる安定した高密度プラズマ環境に置かれ、シリコンウェーハの帯電を制御することができます。この方法では、イオン ビーム経路内のシリコン ウェーハ近くにあるアーク チャンバー内のプラズマ (通常はアルゴンまたはキセノン) から電子が抽出されます。プラズマは濾過され、二次電子のみがシリコンウェーハの表面に到達して正電荷を中和します。
(7)プロセスキャビティ:
シリコンウェーハへのイオンビームの注入はプロセスチャンバー内で行われます。プロセス チャンバは、スキャン システム、シリコン ウェーハをロードおよびアンロードするための真空ロックを備えたターミナル ステーション、シリコン ウェーハ搬送システム、およびコンピュータ制御システムを含む注入装置の重要な部分です。さらに、線量を監視し、チャネル効果を制御するためのデバイスがいくつかあります。機械スキャンを使用する場合、ターミナル駅は比較的大きくなります。プロセスチャンバの真空は、多段機械ポンプ、ターボ分子ポンプ、および凝縮ポンプによってプロセスに必要な底部圧力まで汲み上げられ、一般に約1×10-6Torr以下である。
(8)投与量制御システム:
イオン注入装置におけるリアルタイムの線量モニタリングは、シリコン ウェーハに到達するイオン ビームを測定することによって実現されます。イオンビーム電流はファラデーカップと呼ばれるセンサーを使用して測定されます。単純なファラデー システムでは、イオン ビームの経路に電流を測定する電流センサーがあります。ただし、イオン ビームがセンサーと反応して二次電子を生成し、電流の読み取り値に誤りが生じるため、これには問題が生じます。ファラデーシステムは、電場または磁場を使用して二次電子を抑制し、正確なビーム電流の読み取り値を取得できます。ファラデーシステムによって測定された電流は、電流アキュムレータとして機能する電子線量コントローラに供給されます（測定されたビーム電流を継続的に蓄積します）。コントローラは、総電流を対応する注入時間に関連付け、特定の線量に必要な時間を計算するために使用されます。
3.2 損傷の修復
イオン注入は原子を格子構造から叩き出し、シリコンウェーハ格子に損傷を与えます。注入量が多いと、注入層は非晶質になる。また、注入されたイオンは基本的にシリコンの格子点を占有せず、格子ギャップ位置に留まる。これらの格子間不純物は、高温アニーリングプロセス後にのみ活性化されます。
アニーリングにより注入されたシリコンウェーハを加熱して格子欠陥を修復することができます。また、不純物原子を格子点に移動させて活性化することもできます。格子欠陥の修復に必要な温度は約500℃、不純物原子の活性化に必要な温度は約950℃です。不純物の活性化は時間と温度に関連しており、時間が長くなり温度が高いほど、不純物はより完全に活性化されます。シリコンウェーハをアニールするには 2 つの基本的な方法があります。
①高温炉アニール。
②急速熱アニール（RTA）。
高温炉アニール: 高温炉アニールは、高温炉を使用してシリコンウェーハを800〜1000℃に加熱し、30分間保持する伝統的なアニール方法です。この温度では、シリコン原子は格子位置に戻り、不純物原子もシリコン原子と置き換わって格子に入る可能性があります。しかし、このような温度と時間での熱処理は不純物の拡散につながり、これは現代の IC 製造業界では望ましくないことです。
急速熱アニーリング: 急速熱アニーリング (RTA) は、非常に速い温度上昇と目標温度 (通常 1000°C) での短時間の持続時間でシリコン ウェーハを処理します。注入されたシリコンウェーハのアニーリングは、通常、Ar または N2 を使用した急速熱処理装置で実行されます。急速な温度上昇プロセスと短時間により、格子欠陥の修復、不純物の活性化、不純物の拡散の抑制を最適化できます。 RTA は一時的な増速拡散を低減することもでき、浅い接合注入における接合深さを制御する最良の方法です。
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投稿日時: 2024 年 8 月 31 日