Implantarea ionică

Implantarea ionică este un proces în care ionii sunt implantați într-un solid (în special un semiconductor ) prin schimbarea proprietăților sale fizice.

Scopul procesului

Pasul principal în construcția dispozitivelor electronice este cel cunoscut sub denumirea de dopaj , adică introducerea unor cantități controlate de impurități de tip N sau P, în zonele plachetelor semiconductoare, conturate anterior cu operațiile de mascare .

Introducerea acestor substanțe permite modificarea rezistivității materialului, modificând astfel comportamentul său electric.

Această tehnică permite depășirea limitărilor privind dopajul semiconductorilor . Problema apare cu utilizarea tehnologiei plane simple. Cu aceasta, de fapt, dopanții pătrund în interiorul materialului pentru a fi dopați nu numai pe verticală, ci și pe orizontală, ocupând o zonă excesivă. În acest fel, producția de dispozitive de integrare la scară mare ( VLSI ) nu este favorizată, deoarece „bombarea” materialului dopant nu permite deschiderea prin atac chimic a unei noi ferestre în imediata apropiere.

La implantarea ionilor, vaferele sunt bombardate cu ioni dopanți accelerați la viteză mare, permițându-le astfel să pătrundă în interiorul materialului semiconductor.

Note istorice

Implantarea de ioni a fost inventată la scurt timp după inventarea tranzistorului (1951). Un brevet William Bradford Shockley datează din 1954 și descrie potențial toate aspectele implantării ionice.

Această tehnică a fost utilizată la fabricarea dispozitivelor doar mult mai târziu, în esență din două motive:

nevoie de echipamente mari și costisitoare;
deteriorarea radiațiilor.

Primele aplicații datează de la sfârșitul anilor 1960. Lindhard, Scharff, Schiott au dezvoltat simultan teoria implantării ionilor, așa-numita teorie LSS .

Începând cu anii 1970, tehnica de implantare a găsit o utilizare tot mai mare în tehnologia semiconductoarelor și este acum utilizată pe scară largă în domeniul electronicii . Motivele acestei dezvoltări sunt economia și unele caracteristici tehnologice. De fapt, această tehnică permite crearea de dispozitive cu:

consum mai mic de energie;
randamente de producție mai mari, datorită faptului că procesul se desfășoară sub vid și, prin urmare, este mai puțin afectat de contaminarea cu elemente chimice nedorite;
economisirea componentelor chimice fiind un proces uscat și, prin urmare, este de asemenea preferată din punct de vedere ecologic.

Principiul de funcționare

Prin îndepărtarea unui electron dintr-un atom, sarcinile pozitive nu mai sunt echilibrate de cele negative, prin urmare atomul nu mai este neutru din punct de vedere electric și un ion cu o sarcină pozitivă egală cu e = 1,6021 * 10 ^-19 se produce C. Dacă se elimină mai mulți electroni, sarcina q este egală cu multipli întregi ai lui e .

Această particulă încărcată, dacă este plasată într-un câmp electric corespunzător unui potențial V , este accelerată până când capătă o energie cinetică E _c egală cu:

E_{c}=qV={\frac {1}{2}}mv^{2}

{\ displaystyle E_ {c} = qV = {\ frac {1} {2}} mv ^ {2}}

E_ {c} = qV = {\ frac {1} {2}} mv ^ {2}

unde q este sarcina ionului, m masa acestuia și v viteza dobândită.

Viteza astfel dobândită de particulă îi va permite să pătrundă mai mult sau mai puțin adânc în cristalul semiconductor.

Prin creșterea potențialului V, accelerația furnizată particulelor va fi mai mare, crescând astfel viteza pe care o vor dobândi în drumul lor prin implantatorul de ioni. Rezultatul pe care îl obținem în acest mod este o penetrare mai mare a particulei în cristal (cu aceeași specie atomică și tip de substrat).

Este posibil să se calculeze rata pe care un ion accelerat o dobândește din câmpurile electrice puternice ale unui implantator. Să luăm în considerare un ion fosfor, ionizat o dată: ³¹ P ⁺ (unde 31 este greutatea atomică, P simbolul chimic al fosforului și + numărul de încărcare al ionului). Acest ion plasat într-un câmp electric de 100.000 V, dobândește o energie egală cu:

E=qV=1*100.000=100keV

{\ displaystyle E = qV = 1 * 100.000 = 100keV}

E = qV = 1 * 100.000 = 100keV

Viteza ionului poate fi calculată folosind următoarea formulă:

v=440{\sqrt {E/m}}

{\ displaystyle v = 440 {\ sqrt {E / m}}}

v = 440 {\ sqrt {E / m}}

unde viteza v este exprimată în km / s, energia E în keV și masa m în unități de masă atomică .

Pentru exemplul nostru, viteza ionului va fi:

v=440{\sqrt {100/31}}=790km/s

{\ displaystyle v = 440 {\ sqrt {100/31}} = 790km / s}

v = 440 {\ sqrt {100/31}} = 790km / s

Diagrama unui implantator de ioni

Practic, un implantator de ioni constă din următoarele părți principale:

Sursa de ioni
Magnet de analiză
Accelerare
Sistem de scanare
Camera de implantare

Sursa de ioni

Este camera în care gazele sau vaporii sunt ionizați pentru a obține ioni din specia de dopant dorită.

De exemplu:

PH ₃ -> ³¹ P ⁺

AsH ₃ -> ⁷⁵ As ⁺

Ionii sunt obținuți prin impactul de mare viteză al electronilor asupra gazului de ionizat. Coliziunile provoacă pierderea de electroni în orbitalele exterioare ale gazului ionizat. Ionii sunt introduși cu viteză mare într-o cameră de expansiune în care este prezent gazul dopant care, la rândul său, se ionizează prin bombardament

Magnet de analiză (analizor)

Permite analiza și selectarea diferitelor specii de ioni în funcție de masele lor pentru a se asigura că numai speciile ionice pot fi implantate pe napolitane.

Scopul este atins prin intermediul unui magnet care analizează masa ionilor ( spectrometru de masă ). Acest separator folosește un singur câmp magnetic a cărui intensitate este reglată de un curent de magnetizare care, aplicat tuturor ionilor, îi împarte în fascicule diferite, deviate diferit în funcție de masa lor.

Accelerare

Această parte a mașinii furnizează ionii cu energia necesară procesului de implantare. Fasciculul de ioni intră într-o coloană a acceleratorului sau într-un sistem de electrozi care măresc foarte mult viteza ionilor datorită unui câmp electric aplicat.

Funcția „accelerație” poate fi plasată înainte sau după magnetul de analiză. Aceasta este diferența structurală majoră care poate distinge un implantator de altul.

Sistem de scanare

Dimensiunile transversale ale unui fascicul de ioni atunci când lovește plăcuța de siliciu variază, în funcție de mașină, de la câțiva mm la câțiva cm. Pentru a obține o dopare uniformă este necesar ca fiecare punct al plăcii să fie expus fasciculului în același timp (considerând constantă intensitatea fasciculului și densitatea acestuia).

Această condiție poate fi obținută prin provocarea unei mișcări relative între grindă și placă, astfel încât grinda să descrie pe plafon una sau mai multe urme paralele. Dacă distanța dintre aceste urme este suficient de fină, sistemul va fi omogen. Mișcarea relativă dintre fascicul și napolitană poate fi obținută în esență în trei moduri:

Scanare electrostatică : fasciculul se mișcă în ambele direcții și napolitana rămâne staționară.
Scanare hibridă : fasciculul se mișcă într-o direcție și napolitana în cealaltă.
Scanare mecanică : fasciculul rămâne staționar și se deplasează doar napolitana.

Dacă fasciculul se mișcă, se utilizează un sistem de deviere similar cu cel al osciloscoapelor , care deviază fasciculul orizontal și vertical prin plăci de deviere specifice

Camera de implantare

Oblea este plasată în interiorul acestei camere sub vid ridicat, susținută de un suport circular rotativ.

Gol

Toate aceste părți ale mașinii sunt plasate într-un mediu în care condițiile de vid sunt strict controlate, la valori de presiune mult mai mici decât cele atmosferice.

Vidul permite scăderea, chiar și mult, a densității moleculelor de gaz prezente în cameră. Această condiție este necesară pentru a avea:

o atmosferă controlată pentru a evita contaminarea
transport bun cu fascicul de ioni
o măsurare corectă a dozei implantate.

Parametrii procesului

Prin parametrii procesului se înțelege acei factori care caracterizează un anumit proces de implantare. Pentru fiecare proces sunt definite:

specia ionică
energia plantelor
doza de implantare

Specii ionice

Implantarea, așa cum am menționat, constă în accelerarea ionilor împotriva unei ținte (napolitana). Odată ce gazul care conține elementul chimic care trebuie implantat a fost ionizat, este posibil să se separe acest element de restul fasciculului de ioni. Pentru separarea maselor, cea mai utilizată metodă este utilizarea unui câmp magnetic.

Compușii chimici utilizați de obicei pentru plante sunt:

Compusă	Nume	Stat	Ion
BF ₃	Trifluorură de bor	Gaz	¹¹ B ⁺
PH ₃	Fosfină	Gaz	³¹ P ⁺
AsH ₃	Arsina	Gaz	⁷⁵ Ca ⁺
Ar	Argon	Gaz	⁴⁰ Ar ⁺
Sb ₂ O ₃	Trioxid de diantimonie	Solid	¹²¹ Sb ⁺
(CH ₃ ) ₃ Sb	Trimetilantimonie	Lichid	¹²¹ Sb ⁺

Putere

Fasciculul de ioni la ieșirea sursei are o energie prea mică pentru a fi utilizată la implantare. Apoi este accelerat de un sistem de electrozi.

Energia de implantare determină adâncimea stratului implantat în placheta semiconductoare, de exemplu siliciu . Evident, nu toți ionii implantați sunt poziționați la aceeași adâncime în semiconductor, dar sunt distribuiți în interiorul plăcii cu o formă care este aproximativă la o curbă gaussiană .

O curbă gaussiană se caracterizează prin două valori particulare, în cazul nostru:

$R_{p}$ ${\ displaystyle R_ {p}}$ $R_ {p}$
$\Delta R_{p}$ ${\ displaystyle \ Delta R_ {p}}$ $\ Delta R_ {p}$

$R_{p}$ ${\ displaystyle R_ {p}}$ $R_ {p}$ ( Gama proiectată ) indică adâncimea la care apare vârful concentrației dopantului. Aceasta determină poziția majorității ionilor, având în vedere viteza pe care au dobândit-o datorită efectului câmpului electric; $R_{p}$ ${\ displaystyle R_ {p}}$ $R_ {p}$ , prin urmare, definește penetrarea medie.

O fracție de ioni care scade treptat va pătrunde în semiconductor la o adâncime mai mare sau mai mică decât media. Valoarea $\Delta R_{p}$ ${\ displaystyle \ Delta R_ {p}}$ $\ Delta R_ {p}$ este deviația standard a lui Gauss și, prin urmare, definește dispersia ionilor în jurul punctului de concentrație maximă.

Cei doi parametri depind de speciile ionice și de energie. Energiile superioare permit, cu același ion, o penetrare medie mai mare. Cu aceeași energie a plantei, ionii mai ușori pătrund mai adânc.

Doza

Al treilea parametru care trebuie setat este doza. Unitatea sa de măsură este atomi / cm². Doza exprimă numărul de ioni incidenți pe unitate de suprafață, prin urmare concentrația de dopant introdusă.

Aceasta este o măsură neobișnuită pentru procesele de difuzie în care nivelul de dopaj este exprimat ca un număr de impurități de volum (atomi / cm³). Relația care leagă valoarea maximă a concentrației $N_{max}$ ${\ displaystyle N_ {max}}$ $N _ {{max}}$ la distanță $R_{p}$ ${\ displaystyle R_ {p}}$ $R_ {p}$ de la suprafață cu valoarea dozei D este dată de următoarea expresie:

N_{max}=4*10^{+7}D/\Delta R_{p}

{\ displaystyle N_ {max} = 4 * 10 ^ {+ 7} D / \ Delta R_ {p}}

N _ {{max}} = 4 * 10 ^ {{+ 7}} D / \ Delta R_ {p}

unde este $\Delta R_{p}$ ${\ displaystyle \ Delta R_ {p}}$ $\ Delta R_ {p}$ se măsoară în Å.

Ca indicație extrem de dură, pentru a vă face o idee despre dopajul maxim obținut cu un anumit implant, valoarea dozei în ioni / cm² poate fi mărită cu 3 - 4 ordine de mărime.

Mașina este capabilă să măsoare doza implantată prin măsurarea curentului fasciculului.

Beneficii

Posibilitatea de a introduce aproape orice tip de impuritate în diferite substraturi.
Controlul exact al cantității de dopant introdus, cu controlul vitezei moleculelor.
Control precis al distanței de penetrare.
Posibilitatea de a regla grosimea stratului dopat într-un mod total independent de doza implantată.
Bună uniformitate și repetabilitate a operației (± 3%).
Controlul profilului de implantare prin modularea energiei. Grosimea articulației este de ordinul micronilor cu un control mai bun de 100 Å.
Posibilitatea dopării prin straturi de oxid de siliciu sau nitrură .
Posibilitatea utilizării fotorezistentului ca scut.
Proces la temperatura camerei .
Posibilitatea de a avea niveluri de dopaj cu 4 ordine de mărime mai mici decât difuzia și, prin urmare, cantități foarte mici introduse.
Mărirea spațială a dopanților este foarte limitată.

Dezavantaje

Dificultate în controlul cantității de implant, deoarece nu există activare electrică a cristalului.
Deteriorarea structurii cristaline a siliciului care trebuie recuperată cu un ciclu termic adecvat ( recoacere ), care nu este întotdeauna recuperabil pe deplin.
Echipamente complicate și costisitoare.
Splicurile nu sunt pasivate automat. De fapt, drive-in-ul care urmează predispoziției în tehnica de difuzie permite creșterea unui strat de oxid.
Randamente reduse (timpi de expunere foarte lungi)
Unii ioni pot depăși măștile (fenomen și mai prezent pe margini, care au un profil non-vertical).