Impiantazione ionica
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[modifica] Scopo del processo
La fase principale nella costruzione dei dispositivi elettronici è quella nota come drogaggio del silicio. Drogare significa introdurre quantità controllate di impurezze di tipo N o P, nelle zone dei wafer di silicio precedentemente delineate con le operazioni di mascheratura.
L'introduzione di queste sostanze permette di alterare la resistività del materiale. Modificando la resistività del materiale si modifica il suo comportamento elettrico.
[modifica] Note storiche
L'impiantazione Ionica fu inventata poco tempo dopo l'invenzione del transistor (1951). Un brevetto di Shockley risale al 1954 e descrive potenzialmente tutti gli aspetti dell'Impiantazione Ionica.
Questa tecnica venne utilizzata nella fabbricazione dei dispositivi solo molto tempo dopo, ciò essenzialmente per due motivi:
- necessità di apparecchiature grandi e costose;
- danneggiamento da radiazione.
Le prime applicazioni risalgono alla fine degli anni '60. Lindhard, Scharff, Schiott svilupparono contemporaneamente la teoria dell'Impiantazione Ionica: la cosiddetta teoria LSS.
A partire dagli anni '70, la tecnica dell'Impiantazione ha trovato un impiego sempre maggiore nella tecnologia dei semiconduttori. La tecnica dell'impianto ionico è oggi largamente utilizzata nel campo dell'elettronica. Le ragioni di questo sviluppo sono economicità e caratteristiche tecnologiche.
Esso permette infatti la realizzazione di dispositivi:
- con minor consumo energetico;
- con rese di produzione più elevate in ragione al fatto che il processo è eseguito sotto vuoto e quindi risente in minor misura di contaminazioni da elementi chimici indesiderati;
- con risparmio di componenti chimici essendo un processo a secco e quindi ecologicamente anche preferibile.
[modifica] Principio di funzionamento
Togliendo un elettrone da un atomo le caratteristiche positive non vengono più bilanciate da quelle negative, l'atomo non è più neutro dal punto di vista elettrico e si produce così uno ione positivo di carica:
e = 1,6021 E-19 Coulomb
Questa particella carica se posta in un campo elettrico di potenziale V viene accelerata fino ad acquistare una Energia cinetica pari a:
Ec = q * V
dove:
Ec è l'energia cinetica aquistata dallo ione (misurata in eV)
q è il numero di carica dello ione
V è la tensione applicata
La velocità così aquistata dalla particella le permetterà di penetrare più o meno in profondità nel cristallo di silicio.
Aumentando il potenziale del campo elettrico l'accelerazione fornita alle particelle sarà maggiore, aumentando così la velocità che aquisteranno nel loro tragitto all'interno dell'impiantatore ionico. Il risultato che così otteniamo è una maggiore penetrazione della particella nel cristallo (a parità di specie atomica e tipo di substrato).
È possibile calcolare la velocità che aquista uno ione accelerato dai forti campi elettrici di un impiantatore. Consideriamo uno ione fosforo, ionizzato una volta: 31P+ (dove 31 è il peso atomico, P il simbolo chimico del fosforo e + il numero di carica dello ione). Questo ione posto in un campo elettrico di 100.000 V, aquista una energia pari a:
E = q * V = 1 * 100.000 = 100.000keV
Ricordando la formula dell'energia Cinetica:
Ec = 1/2 * V² * m
dove:
Ec è l'energia cinetica
V è la velocità
m la massa
È possibile calcolare la velocità dello ione utilizzando la seguente formula:
V = 440 * √ E/m
dove:
V è la velocità in Km/sec
E è l'energia aquistata in keV
m è la massa dello ione in AMU
Per il nostro esempio la velocità dello ione sarà:
V = 440 * √ 100/31 = 790 km/sec
[modifica] Schema di un impiantatore ionico
Fondamentalmente un impiantatore ionico è costituito dalle seguenti parti principali:
- Sorgente Ionica
- Magnete di Analisi
- Accelerazione
- Sistema di Scansione
[modifica] La Sorgente Ionica
È la camera nella quale vengono ionizzati i gas o i vapori per ottenere ioni della specie drogante desiderata.
Ad esempio:
PH³ -> 31P+
As³ -> 75As+
[modifica] Magnete di Analisi (Analizzatore)
Permette di analizzare e selezionare le varie specie di ioni per far sì che solo la specie ionica impostata possa essere impiantata sul wafer.
Il magnete di analisi, analizza e seleziona le specie ioniche sfruttando il loro diverso peso atomico.
[modifica] Accelerazione
Questa parte della macchina fornisce agli ioni l'energia richiesta dal processo di impiantazione. Il fascio ionico entra in una colonna acceleratrice o in un sistema di elettrodi che aumentano enormemente la velocità degli ioni per effetto di un campo elettrico applicato.
La funzione "accelerazione" può essere posta prima o dopo il mangete di analisi. Questa è la maggior differenza strutturale che può distinguere un impiantatore da un altro.
[modifica] Sistema di scansione
Le dimensioni trasversali di un fascio ionico quando colpisce il wafer di silicio, variano, a seconda della macchina, da pochi mm a qualche cm. Per ottenere un drogaggio uniforme occorre che ogni punto del wafer venga esposto al fascio per lo stesso tempo (considerando costante l'intensità del fascio e la sua densità).
Questa condizione può essere ottenuta provocando un movimento relativo tra fascio e wafer, in modo che il fascio descriva sul wafer una o più tracce parallele. Se la spaziatura tra queste tracce e sufficientemente fine l'impianto sarà omogeneo. Il moto relativo tra fascio e wafer può essere ottenuto essenzialmente in tre modi:
- Scansione elettrostatica: il fascio si muove nelle due direzioni ed il wafer rimane fermo.
- Scansione ibrida: il fascio si muove in una direzione e il wafer nell'altra.
- Scansione meccanica: il fascio rimane fermo e si muove solo il wafer.
[modifica] Vuoto
Tutte queste parti della macchina sono poste in ambiente in cui sono rigorosamente controllate le condizioni di vuoto.
Per vuoto si intendono valori di pressione inferiori a quelli atmosferici.
Creare condizioni di vuoto significa così diminuire, anche di molto la densità di molecole di gas presenti nella camera. I motivi principali per cui vengono controllate le condizioni di vuoto sono:
- avere un'atmosfera controllata per evitare contaminazioni
- permettere un buon trasporto del fascio ionico
- permettere una corretta misura della dose impiantata.
[modifica] Parametri di processo
Per parametri di processo si intendono quei fattori che permettono di identificare un processo. In altri termini, per effettuare un impianto è necessario che siano determinate:
- Specie Ionica
- Energia di Impianto
- Dose di Impianto
[modifica] Specie Ionica
L'impiantazione, come detto, consiste nell'accelerare degli ioni contro un bersaglio (il wafer). Una volta ionizzato il gas che contiene l'elemento chimico richiesto è possibile separare questo elemento dal resto del fascio ionico. Per la separazione delle masse il metodo più utilizzato è l'impiego di un campo magnetico. I composti chimici solitamente utilizzati per gli impianti sono:
| Composto | Nome | Stato | Ione |
| BF3 | Trifluoruro di boro | Gas | 11 B+ |
| PH3 | Fosfina | Gas | 31 P+ |
| AsH3 | Arsina | Gas | 75 As+ |
| Ar | Argon | Gas | 40 Ar+ |
| Sb2O3 | Triossido di Antimonio | Solido | 121 Sb+ |
| (CH3)3 | Trimetilantimonio | Liquido | 121 Sb+ |
[modifica] Energia
Il fascio ionico all'uscita della Sorgente ha un'energia troppo bassa per poter essere utilizzato nell'impiantazione. Esso viene quindi accelerato da un sistema di elettrodi. L'energia di impianto determina la profondità dello strato impiantato nel silicio. Ovviamente non tutti gli ioni impiantati si posizionano alla stessa profondità nel silicio, ma si distribuiscono all'interno del wafer con una forma che è approssimabile ad una curva gaussiana.
Una curva gaussiana è caratterizzata da due valori particolari, nel nostro caso:
- Rp
- ΔRp
Rp (Projected Range) indica la profondità in cui si ha il picco di concentrazione del drogante. Questo significa che la maggior parte degli ioni, data la velocità che hanno acquistato per effetto del campo elettrico, Rp, dunque, definisce la penetrazione media. Una percentuale di ioni via via decrescente penetrerà nel silicio ad una profondità maggiore o minore di quella media. Il valore Delta Rp è un indice della dispersione degli ioni attorno al punto di massima concentrazione.
Delta Rp definisce la deviazione standard della gaussiana. Delta Rp ed Rp dipendono dallo ione e dall'energia. Energie maggiori permettono, a parità di ione, una penetrazione media maggiore. Ioni più leggeri penetrano più in profondità (a parità di energia di impianto).
[modifica] Dose
Il terzo parametro da impostare è la dose. La sua unità di misura è atomi/cm². La dose esprime il numero di ioni incidenti per unità di superfice, quindi la concentrazione del drogante introdotto.
Questa è una misura insolita per processi di diffusione dove il livello di drogaggio è espresso in numero di impurità di volume (atomi/cm³). La relazione che lega il valore di concentrazione massima Nmax con valore di dose D è dato dalla seguente espressione:
Nmax = 4E+7 * Ndose / ΔRp
Delta Rp misurato in Å
Nmax è il valore di concentrazione massima che si trova alla distanza Rp dalla superfice. Come indicazione estremamente grossolana si può, per avere un'idea del drogaggio massimo che si ottiene con un certo impianto, aumentare di 3 - 4 ordini di grandezza il valore della dose in ioni/cm². La macchina è in grado di misurare la dose impiantata misurando la corrente del fascio.
[modifica] Vantaggi
- Possibilità di introdurre quasi ogni tipo di impurità in vari substrati.
- Controllo accurato della quantità di drogante introdotto.
- Range accurato della quantità di drogante introdotto.
- Buona uniformità e ripetibilità dell'operazione (+/- 3%).
- Controllo del profilo di impiantazione modulando l'energia. Lo spessore della giunzione è dell'ordine dei micron con un controllo migliore di 100 Å.
- Possibilità di drogare attraverso strati di ossido o di nitruro di silicio.
- Possibilità di utilizzare photoresist come schermante.
- Processo a temperatura ambiente.
- Possibilità di avere livelli di drogaggio 4 ordini di grandezza inferiori rispetto
alla diffusione e quindi quantità introdotte molto basse.
- Lo spread laterale dei droganti è molto contenuto.
[modifica] Svantaggi
- Difficoltà nel controllare la quantità dell'impianto in quanto non vi è attivazione elettica del cristallo.
- Necessità di un ciclo termico di attivazione della carica impiantata (annealing).
- Danneggiamento della struttura cristallina del silicio che deve essere recuperato con
un opportuno ciclo termico (annealing).
- Apparecchiature complicate e costose.
- Giunzioni non passivate automaticamente. Infatti, il drive-in che segue alla predisposizione nella tecnica di diffusione, permette la crescita di uno strato di ossido.
