Ioni-implantointi on yksi kriittisimmistä prosesseista puolijohteiden valmistuksessa. Se mahdollistaa sähköisten ominaisuuksien tarkan hallinnan tuomalla puolijohdemateriaaleihin dopingioneja, kuten booria (B), fosforia (P) ja arseenia (As).
Kiihdyttämällä suurienergisiä ioneja ja istuttamalla niitä kideristikkoon ioni-istutuksella määritetään laitteen keskeiset ominaisuudet, kuten liitossyvyys, johtavuus ja kynnysjännite. Se on olennainen vaihe PN-liitosten muodostamisessa, ja sitä käytetään laajalti logiikka-, muisti- ja tehopuolijohdekomponenteissa.
Ioni-implantointiprosessi
Ioni-implantointiprosessiin kuuluu useita keskeisiä vaiheita:
- Ionien tuottaminen
Ionilähteessä ionisoidaan dopingkaasuja tai kiinteitä lähteitä, jolloin syntyy varattuja hiukkasia. - Ionien kiihtyvyys
Ionit kiihdytetään määritellylle energiatasolle, joka määrittää implantointisyvyyden. - Massa-analyysi
Magneettinen analysaattori valitsee halutut ionilajit ja varmistaa säteen puhtauden. - Säteen skannaaminen ja implantointi
Ionisäde skannataan kiekon pinnan yli tasaisen implantaation aikaansaamiseksi.
Istutuksen jälkeen kiekko hehkutetaan tyypillisesti ristikkovaurioiden korjaamiseksi ja dopanttien aktivoimiseksi. Yleisiä hehkutusmenetelmiä ovat mm:
- Nopea lämpökäsittely (RTP) 1000-1100 °C:ssa
- Laserhehkutus paikallista lämmitystä ja pienempää lämpöbudjettia varten
Ioni-implantointilaitteiden luokittelu
Energiatason mukaan
Matalaenergiset ioni-implantit (<100 keV)
Käytetään erittäin mataliin liitoksiin, source/drain-istutuksiin ja kehittyneisiin logiikkalaitteisiin, kuten tekoälypiireihin, suorittimiin, DRAM-muisteihin ja CIS-laitteisiin.
Keskipitkän energian ioni-implantit (100-300 keV)
Käytetään kynnysjännitteen säätöön, kevyesti seostettuihin tyhjennysrakenteisiin ja prosesseihin, kuten SIMOX ja Smart Cut.
Korkean energian ioni-implantit (>300 keV)
Käytetään syvään implantointiin teholaitteissa, RF-siruissa ja optisissa viestintälaitteissa, mikä mahdollistaa mikrometritason seostussyvyyden.
By Beam Current
Pienvirtaiset implantit (100 nA - 100 μA)
Soveltuu tarkkuutta vaativiin sovelluksiin, jotka edellyttävät tarkkaa annoksen hallintaa.
Keskivirtaimplantit (100 μA - 2000 μA)
Käytetään laajalti tavanomaisissa puolijohteiden valmistusprosesseissa.
Suuren virran implantit (2 mA - 30 mA)
Suunniteltu suurten annosten ja suuren läpimenon sovelluksiin, kuten lähde-/drain-istutuksiin.
Erittäin suuren virran implantit (>30 mA)
Käytetään erikoistuneissa suuren volyymin tai suuren annoksen tuotantoympäristöissä.
Erityistoiminnolla
Happi-ioni-implantit
Käytetään SOI (Silicon-on-Insulator) -valmistuksessa.
Vetyioni-implantit
Sovelletaan Smart Cut- ja materiaalitekniikan prosesseissa.
Korkean lämpötilan ioni-implantit
Mahdollistaa implantoinnin korkeissa lämpötiloissa SiC:n kaltaisia materiaaleja ja kehittyneitä puolijohdesovelluksia varten.
Järjestelmän arkkitehtuuri
Ioni-implantointijärjestelmä koostuu tyypillisesti viidestä suuresta osajärjestelmästä:
Kaasujärjestelmä
Tarjoaa ja käsittelee turvallisesti erikoiskaasuja, kuten arsiinia (AsH₃), fosfiinia (PH₃) ja booritrifluoridia (BF₃).
Teho ja sähköjärjestelmä
Syöttää korkeajännitevirtaa ionikiihdytykseen ja magneettikentän tuottamiseen.
Tyhjiöjärjestelmä
Ylläpitää korkeat tyhjiöolosuhteet ionien sironnan ja kontaminaation vähentämiseksi, tyypillisesti käyttämällä turbopumppuja ja kryogeenisiä pumppuja.
Ohjausjärjestelmä
Hallitsee sädeparametreja, kiekkojen käsittelyä ja prosessiautomaatiota.
Beamline-järjestelmä
Laitteiden ydin, mukaan lukien:
- Ionilähde
- Uuttojärjestelmä
- Massa-analysaattori
- Kiihtyvyysputki
- Säteen skannausjärjestelmä
- Prosessikammio
Tämä järjestelmä määrittää istutuksen tarkkuuden, tasaisuuden ja yleisen suorituskyvyn.
Markkinakatsaus
Alan tietojen mukaan ioni-implantointilaitteiden maailmanmarkkinat olivat noin 20,6 miljardia RMB vuonna 2022. Kiinan markkinoiden osuus oli noin 6,6 miljardia RMB, mikä vastaa noin 32 prosenttia maailmanmarkkinoista.
Segmentoinnin osalta:
- Suurvirtaiset implantointilaitteet hallitsevat markkinoita, ja niiden osuus on noin 61 prosenttia.
- Keskivirtaisten implantoitsijoiden osuus on noin 20 prosenttia -
- Jäljelle jäävä osuus on suurtenergia- ja erikoisjärjestelmien hallussa.
Maailmanlaajuinen kilpailutilanne
Ioni-implantointilaitteiden markkinat ovat erittäin keskittyneet ja niitä hallitsevat muutamat johtavat kansainväliset yritykset.
Sovelletut materiaalit
Yli 50 prosenttia maailmanmarkkinaosuudesta. Sen tuotevalikoimaan kuuluvat suurvirtaiset, keskivirtaiset ja erittäin suuren annoksen ioni-implantointijärjestelmät. Yhtiö vahvisti asemaansa Varian Semiconductorin ostolla.
Axcelis Technologies
Johtava suurienergisten ioni-implantointilaitteiden toimittaja, jolla on noin 55 prosentin markkinaosuus tällä segmentillä. Yhtiö raportoi vahvasta taloudellisesta tuloksesta ja jatkaa laajentumistaan tehopuolijohdesovelluksissa.
Nissin Ion -laitteet
Keskittyy keskivirta-ioni-implantointilaitteisiin ja on osallistunut useisiin puolijohteisiin liittyviin hankkeisiin Kiinassa.
Sumitomo Heavy Industries
Tuottaa pääasiassa keskivirtaisia ioni-istutusjärjestelmiä.
SEN Corporation
Tarjoaa täyden valikoiman ioni-istutuslaitteita, mukaan lukien suurvirta-, keskivirta- ja suurienergiajärjestelmiä, vaikka sen markkinaosuus Manner-Kiinassa on suhteellisen pieni.
Kotimaisten valmistajien kehitys
Viime vuosina kiinalaiset puolijohdelaitteiden valmistajat ovat edistyneet merkittävästi. Esimerkiksi kotimaisen yrityksen kehittämä 12-tuumainen matalan lämpötilan ioni-implantaattori on toimitettu onnistuneesti johtavalle logiikkasirujen valmistajalle.
Paikalliset yritykset kehittävät aktiivisesti suurvirta-, keskivirta- ja suurienergisiä ioni-istutusjärjestelmiä. Vaikka kotimarkkinoita hallitsevat edelleen kansainväliset toimittajat, kiinalaiset valmistajat ovat vähitellen saavuttamassa prosessin validoinnin ja ottamassa käyttöön kehittyneitä tuotantolinjoja.
Päätelmä
Ioni-implantointi on edelleen keskeinen teknologia puolijohteiden valmistuksessa, ja se vaikuttaa suoraan laitteiden suorituskykyyn ja tuottoon. Kehittyneiden solmujen, SiC:n kaltaisten laajan kaistanleveyden materiaalien ja korkean suorituskyvyn laskentasovellusten nopean kehityksen myötä kehittyneiden puolijohdejohteiden kysyntä on kasvanut. ioni-implantointilaitteet jatkaa kasvuaan.
Vaikka maailmanmarkkinoita johtavat edelleen vakiintuneet kansainväliset toimijat, meneillään oleva teknologinen kehitys ja lokalisointipyrkimykset muokkaavat kilpailutilannetta erityisesti kehittyvillä puolijohdemarkkinoilla.