Linde Electronics: новые подходы к совершенствованию процесса ионной имплантации

Linde Electronics: новые подходы к совершенствованию процесса ионной имплантации

Выпуск 6 (6705) от 26 марта 2020 г.
РУБРИКА: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Потребность в формировании все более разнообразных и сложных тонких пленок растет, поэтому ионная имплантация, несомненно, будет и дальше широко использоваться для внедрения в структуры новых видов легирующих веществ. Для обеспечения этих процессов необходимы новые материалы, совместная оптимизация физических и химических параметров процесса. Интересные наработки в данной области недавно представила фирма Linde Electronics (Пуллах, ФРГ).

Ионная имплантация – ​один из ключевых процессов, которые сделали ИС экономически жизнеспособными и в конечном итоге повсеместными в нашей жизни. В первые годы изготовления ИС (вплоть до середины 1970‑х гг.) основным процессом, используемым для введения легирующих веществ n-типа или p-типа в кремниевую подложку, была термодиффузия, однако содержание легирующих веществ на отдельных пластинах и от пластины к пластине в обрабатываемой партии могло варьироваться в диапазоне 20–30%. Такой разброс технологических параметров ограничивал производительность и надежность производственного процесса, препятствовал достижению экономии от масштаба и сокращению удельных затрат. Ионная имплантация стала решением этой проблемы благодаря появившейся возможности помещать нужные атомы в подложку с очень точным расположением, дозировкой и контролем глубины.

Сегодня процесс ионной имплантации используется для внедрения более чем 15 видов атомных частиц, и круг применений получившихся материалов весьма широк. Рис. 1 иллюстрирует эволюцию имплантируемых частиц по мере их введения в массовое производство.



Источник: Semiconductor Digest

Рисунок 1. Эволюция имплантируемых частиц и исходных материалов для ионной имплантации


Для изготовления более миниатюрных и сложных транзисторов требуются более тонкие пленки с малой глубиной имплантации, более высокой дозой легирующих добавок и модифицированных неэлектрических материалов. Однако внедрение новых видов имплантатов и сужение окон технологического процесса, в свою очередь, выявили проблемы функционирования инструментальных средств, влияющие на конечную производительность как приборов, так и технологических линий, на которых они производятся.

Ниже описываются решения, позволяющие и дальше обеспечивать коммерческую жизнеспособность процессов имплантации, на примере фирмы Linde Electronics.


Галогенный цикл: «убийца» производительности инструментальных средств

Фторсодержащие газы предпочтительны в качестве источников легирующих примесей благодаря таким свойствам, как ионизация и летучесть. При этом фторированные продукты, генерируемые в плазме дуговой камеры, бурно реагируют с компонентами камеры, изготовленными в основном из вольфрама или молибдена. На рис. 2 представлен механизм, лежащий в основе галогенного цикла фторида германия (GeF4), осуществляющегося в дуговых камерах. Этот механизм характерен для всех фторсодержащих исходных материалов.



Источник: Semiconductor Digest

Рисунок 2. Галогенный цикл: после инициации электронами цикла травления и осаждения в дуговой плазме он самовоспроизводится до тех пор, пока плазма и исходный материал находятся в рабочем состоянии


Последовательность травления и осаждения поддерживает регенерацию потребляемого фтора. Возникает самовоспроизводящийся процесс, известный как галогенный цикл. Это явление приводит к усовидному нарастанию вольфрама на элементах дуговой камеры, таких как катод, отражатель и диафрагма, а также на других компонентах источника ионов, таких как экстракционные электроды и изолирующие компоненты. Оксидные частицы порождают очень похожие наборы проблем (вследствие образования оксида вольфрама) в дуговой камере, что, в конечном итоге, приводит к выходу из строя источника ионов и как следствие – ​к остановке работы и необходимости восстановления или замены источника ионов. Галогенный цикл – ​причина наиболее распространенных видов отказов имплантационного оборудования.

При отсутствии мер по смягчению последствий галогенного цикла в специализированных GeF4-операциях среднее время между отказами источника ионов может составлять всего 50 часов. Ранее в качестве исходных материалов легирующих примесей в равной степени применялись фториды (трифторид бора, BF3) и гидриды (арсенид водорода, AsH3, и фосфин, PH3). Для нейтрализации неблагоприятных последствий галогенного цикла было создано решение, предусматривавшее чередование гидридов и фторидов, в рамках которого гидриды действовали как чистящие средства. Однако в настоящее время используемые процессы сильно сместились в сторону фторирования и оксидирования, и использовать прежние решения стало невозможно. Внедрение этого второго поколения исходных материалов для имплантации буквально «убивает» производительность инструментальных средств, а ведущей причиной остается галогенный цикл. Это серьезная проблема, требующая решения.


Решение: повышение роли химических источников имптлантатов

Во время использования первого поколения инструментальных средств и процессов при разработке ионных имплантатов специалисты руководствовались в первую очередь физическими параметрами:

ионизацией;

селекцией ионов;

интенсивностью, энергией и формой ионного пучка.

 

При переходе ко второму поколению процессов и исходных материалов на первый план вышли химические параметры (как показано на примере галогенного цикла).

Важно отметить, что, поскольку отложения образуются непрерывно в течение галогенного цикла, решение применить после имплантации чистый раствор для удаления ранее образовавшихся отложений весьма далеко от оптимального. Такой вариант не только приводит к недопустимой изменчивости параметров между циклами очистки, но и увеличивает время простоя оборудования на время очистки после имплантации. Поэтому необходимо определять меры «по месту» (in situ) – ​с целью ослабить воздействие активных ионов фтора и нейтральных частиц, образующихся при инициации галогенного цикла, и нарушения галогенного цикла. Нужный результат может быть достигнут путем смешивания подходящих химических веществ с фторированными исходными материалами имплантата.

При решении проблемы с химическими параметрами необходимо также сохранять физические характеристики инструментальных средств, на что указывает такой ключевой показатель, как ток пучка. Следовательно, общая задача состоит в том, чтобы оптимизировать оба набора переменных: определить химический состав газовой смеси, увеличивающей время безотказной работы инструментальных средств и уменьшающей изменчивость параметров, при сохранении высокого тока пучка.

Оценив этот вызов, компания Linde Electronics разработала и построила испытательный стенд для ионных имплантатов с целью разработки новых газохимических решений, обеспечивающих высокую производительность процесса имплантации. Глубокое понимание как физических параметров процесса имплантации, так и химических составов газовой фазы позволило создать новые решения для источников легирующих веществ, которые не только смягчают последствия галогенного цикла или окисления, но и увеличивают ток пучка для дальнейшего улучшения производительности инструментальных средств имплантации. Тестовая система предназначена для быстрого скрининга (массовый отбор проб) и оптимизации химических составов газовых смесей, что значительно сокращает цикл внедрения лучших в своем классе решений владельцами/пользователями оборудования имплантации. В табл. 1 приводятся несколько новых источников легирующих веществ, предлагаемых в настоящее время фирмой Linde Electronics, которые повышают производительность установок имплантации, обеспечивая высокие параметры по всем ключевым показателям, перечисленным ранее. Ниже приведено исследование двух конкретных ситуаций, демонстрирующее преимущества, которые дает внедрение этих новых решений.


Таблица 1

Новые продукты семейства UpTime, улучшающие производительность заводов по обработке пластин*

Имплантируемые частицы

Традиционные источники имплантируемых частиц

Оптимизированные источники смесей и молекул

B, BF2

BF3

BF3/B2H6/H2

Ge

GeF4

GeF4/Xe/H2

Si

SiF4

SiF4/Si2H6

C

CO2

CO, CO/Xe/H2, CO/CF4

Sb

Sb2O3 (S)**, SbF3 (S)**

SbF5 (L)**

Se

SeO2

SeF6 (G)**


* Применимы как природные, так и изотопно-обогащенные аналоги.

** (S) – ​твердое состояние; (L) – ​жидкое состояние; (G) – ​газообразное состояние.


Cитуация 1: новые источники легирующих примесей для имплантации бора с высокой дозой и низкой энергией

Бор – ​наиболее широко имплантируемый в ИС элемент. Обычно легирование бором осуществляется при помощи ионов B+ и BF2+. Однако требуемая дозировка и энергия имплантации широко варьируются в зависимости от типа формируемого прибора и конкретных технологических процессов (рис. 3).



Источник: Semiconductor Digest

Рисунок 3. Доза и энергия имплантируемого бора, требующиеся для различных применений и приборов


Непрерывно уменьшающиеся размеры устройств и появление архитектуры FinFET подтолкнули инженеров к созданию режимов имплантации, характеризующихся очень высокой дозой бора (1015–1016 атом/см2) и низкой энергией (менее 1 кэВ). Подобные режимы с использованием бора намного сложнее, чем другие. Во-первых, инструментальные средства имплантации обычно ограничивают ток пучка при низких энергиях, что значительно снижает производительность. В то время как средняя производительность при других режимах составляет 50–100 пластин в час, производительность при режимах с высокой дозой и малой энергией имплантации может быть ограничена 15–30 пластинами в час. Во-вторых, формируемые при таких режимах имплантированные слои обычно очень чувствительны к колебаниям параметров пучка, что приводит к возникновению дефектов. Нередко отказ источника ионов происходит из-за неспособности инструментального средства имплантации достичь требований к спецификации пучка, предъявляемых одним из режимов с высокой дозой и низкой энергией имплантации. Иными словами, очевидна необходимость разработки решений для улучшения тока пучка (производительности оборудования) и продолжительности сроков службы источников ионов, работающих в этих режимах.

Компания Linde Electronics разработала новую смесь из B2H6, H2 и BF3 (тримикс бора), которая широко используется интегрированными производителями ИС для повышения производительности процессов имплантации бора.

Разработка этого решения потребовала досконально разобраться в тонкостях процесса ионизации и получаемых в результате химических соединениях. Все другие потенциальные варианты, несмотря на то что они предлагали уменьшенную фторную атаку, приводили к нежелательному снижению тока пучка (рис. 4). Специалисты Linde Electronics также воспользовались благоприятными свойствами B2H6, чтобы фундаментально изменить химические и физические характеристики плазмы внутри дуговой камеры. В этой модифицированной плазменной среде ионизация BF3 усиливается благодаря таким свойствам, как сечение ионизации, в результате чего возникает большее число ионов BF2+ и В+ (рис. 5).



Источник: Semiconductor Digest

Рисунок 4. Результаты быстрого отбора проб (скрининга) источников легирующих примесей на испытательном стенде Linde Electronics

* RG – инертный газ (аргон, криптон или ксенон).



Источник: Semiconductor Digest

Рисунок 5. Улучшение параметров тримикса B2H6 по сравнению с BF3


Проведенное компанией тестирование показало, что тримикс бора обеспечивает по крайней мере 13%-ное усиление тока пучка для B+ по сравнению с обычным источником легирующей примеси BF3. Водород и гидриды, полученные из H2 и B2H6, смягчали галогенный цикл, благодаря чему на протяжении длительного процесса поддерживался очень низкий уровень загрязнений. Использование фирменного испытательного стенда дало заказчикам готовый к развертыванию лучший в своем классе источник легирующей примеси бора (т. е. заказчикам не нужно тратить значительные средства и время на его разработку). На рис. 6 показана сводная картина преимуществ, которые клиенты могут реализовать при использовании тримикса бора на своих заводах по обработке пластин. При использовании тримикса бора на производственных мощностях нескольких избранных клиентов Linde Electronics было достигнуто усиление тока пучка на 15–30%.



Источник: Semiconductor Digest

Рисунок 6. Эксплуатационные характеристики основных параметров процесса при использовании тримикса B2H6 по сравнению с BF3: а – высокий ток пучка B+; б – высокий ток пучка BF2+; в – снижение дефектности; г – увеличение срока службы источника; д – снижение частоты появления отклонений параметров процесса 


Ситуация 2: источник газообразных легирующих примесей сурьмы

В последнее время третье поколение имплантируемых частиц либо массово применяется в производстве, либо становится кандидатом для использования в следующем поколении технологических процессов. С целью снижения контактного сопротивления изучается селен, а алюминий и сурьма находят все большее применение в связи с расширением сектора мощных полупроводниковых приборов. В качестве потенциальной легирующей примеси р-типа рассматривается галлий.

Одним из кандидатов для легирования n-типа, помимо мышьяка и фосфора, становится сурьма (Sb). Однако ее применение было ограничено из-за отсутствия источника газа. Традиционно использовались только твердые источники легирующих примесей, такие как SbF3, Sb2O3 или металлическая сурьма. Эти источники обычно подаются через испарительный узел, где помещаются в тигель очень близко к дуговой камере. Тигель нагревают до температуры 250–1000 °C для испарения, выпаренные твердые частицы транспортируются протекающим над ним газом-носителем.

Все эти ограничения в сумме препятствовали более широкому внедрению процессов легирования сурьмой – ​несмотря на превосходные свойства получаемых при этом приборов, такие как более мелкий профиль имплантата и снижение ускоренной миграции по сравнению с As.

Компания Linde Electronics представила газовый источник Sb в виде пентафторида сурьмы (SbF5), что позволяет заменить громоздкий испаритель на простую систему подачи на основе баллонов. SbF5 обладает рядом благоприятных свойств, делающих его подходящим источником для легирования сурьмой (табл. 2).


Таблица 2

Сопоставление твердого и газового источников сурьмы

Твердый источник

Газовый источник (баллон)

Длительность режима. Для каждой операции нагрева–охлаждения испарителя требуется 20–30 минут

Ограниченный срок службы тигля – ~60–100 часов

Ограниченные возможности регулирования процесса – ​сложный контроль дозы

Повторное осаждение твердых частиц на охлажденные поверхности приводит к возникновению дефектов и учащению операций профилактического обслуживания

Давление паров в 7–10 Торр легко снижается за счет стандартного оборудования

Управление потоком газа с помощью регуляторов массового (весового) расхода обеспечивает мгновенную реакцию на изменение параметров процесса

Благоприятные параметры ионизации – ​высокая генерация ионов Sb+ и Sb++

Совместимость со стандартными компонентами газового коллектора



Надежным средством смягчения галогенного цикла служат подаваемые вместе с парами Sb5 водород (H2) или смесь H2 с инертными газами, такими как Ar, Kr или Xe.

Полная аттестация продуктов семейства UpTime фирмы Linde Electronics в настоящее время осуществляется на мощностях нескольких ведущих изготовителей полупроводникового оборудования и приборов.


Sinha Ashwini. Source Materials Enable the Evolution of the Ion-Implantation Process. Semiconductor Digest, February 8, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/02/08/source-materials-enable-the-evolution-of-the-ion-implantation-process/


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Давид Тетельбаум

В данной статье рассмотрен важный для совре- менной микроэлектроники вопрос, касающий- ся необходимости оптимального выбора ис- ходных веществ для получения нужных ионов в технологии ионной имплантации. Начиная с середины 70-х гг. прошлого века и до наших дней ионная имплантация является ключевым методом в изготовлении интегральных схем (ИС), без которых немыслима современная ци- вилизация. По мере уменьшения размеров эле- ментов ИС изменялся и становился все более разнообразным набор использующихся в тех- нологии ионов. В частности, появилась потреб- ность в получении пучков молекулярных ионов, содержащих такие химически агрессивные элементы, как фтор, которые сокращают срок службы ионных источников. Поэтому значи- тельные усилия технологов были направлены на разработку газовых смесей, оптимальных с точки зрения минимизации разрушающего влияния на аппаратуру при одновременном по- вышении ионного тока. Немецкая компания Linde Electronics, о раз- работках которой идет речь в статье, недавно предложила несколько новых газовых смесей, удовлетворяющих этим требованиям. В част- ности, утверждается, что использование смеси «тримикс» (B2H6, H2 и BF3) позволяет существен- но увеличить плотность ионного тока бора, снизить дефектность легированных слоев, уве- личить срок службы ионного источника. Та же компания разработала проект газового источ- ника ионов сурьмы вместо ранее употреблявшегося громоздкого и времязатратного твердо- тельного источника. В статье справедливо подчеркивается необхо- димость глубокого изучения не только физики, но и химии процессов, происходящих в ионных источниках, для совершенствования оборудо- вания ионной имплантации. Давид Тетельбаум, почетный работник науки и техники РФ, доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского физико-технического института Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ