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Halbleitertechnologie SoSe 2019 Dr.-Ing. Remigius Poloczek / Dr.-Ing. Klaus Kallis

Labor für Halbleiter-Bauelemente und Bussysteme

6. Implantation


Halbleitertechnologie SoSe 2019 Dr.-Ing. Remigius Poloczek / Dr.-Ing. Klaus Kallis2

Ionen der gewünschten Dotierstoffe⇒ werden erzeugt⇒ im elektrischen Feld beschleunigt⇒ auf das Substrat gelenkt

Ionen dringen in das Substrat ein⇒ Abbau der kinetischen Energie durch elastische und

inelastische Stöße⇒ Dosis über eingebrachte Ladung exakt bestimmbar⇒ Dotiertiefe durch Ionenenergie/Beschleunigerspannung

definiert⇒ hohe örtliche Auflösung

Prozess findet bei Raumtemperatur statt⇒ keine Ausdiffusion vorhandener Profile

Maskierung durch Fotolack (1 µm) oder SiO2, Si3N4, Poly-Si, Al

Ionenimplantation - Übersicht



Abbremsung der Ionen im Festkörper durch1. Elektronische Bremskraft: Inelastische Streuung (Reibung)

(relevant bei hoher Teilchenenergie)2. Nukleare Bremskraft: Elastische Streuung, Richtungsänderung,

(wichtig bei geringer Teilchenenergie)

Formaler Zusammenhang für Energieverlust über Bremskraft:

Se(E) Bremsquerschnitt für Wechselwirkung mit ElektronenSk(E) Bremsquerschnitt für Wechselwirkung mit KernenN = Anzahl der Targetatome /cm3

Se(E) ~ E1/2

Sk(E) = f(mion´ E)

Ionenimplantation – Reichweite I

(E))S (E)(S N dE/dx - ek +=



Reichweite R ergibt sich aus Integration über die Bremskraft:

Teilchenweg ist im Kristall nicht zu verfolgen, es interessiert nur die „projizierte Reichweite“ Rp (komplexe Rechnung)

Die totale Weglänge R istR = ∑ (I1 +I2 +I3 + ...etc.)

Einfallsion

E0,, M1

Targetoberfläche

Rp

M2

I1

I2I3

∫ +=

0E

0 ek (E)S(E)SdE

N1

R

⊥R

Ionenimplantation – Reichweite II



Abstand von der Oberfläche

Zahl der Ionen/m3

im Abstand x

Np

N(x)

in der Praxis werden die projizierte Reichweite Rp und die Standardabweichung ∆Rp aus Reichweitetabellen entnommen Simulation mit SRIM http://www.srim.org/ (kostenlos), Synopsys

TCAD oder Silvaco TCAD

pp RRx ∆±=pNe

1N(x) = @

pR∆

pR

Ionenimplantation – Reichweite III

pR∆



0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20Tiefe im Halbleiter(µm)

Stö

rste

llenk

onze

ntra

tion

[x10

15cm

-3]

10

20

30

40

50

60

70

E=20 ke V

E=60 ke V

E=80 ke V

E = 40 ke V

implantierte Gesamtdosis = 1,10 12 cm -2

Ionenimplantation – Simulation



Ionenimplantation – Channeling I bisherige Gleichungen gehen von statistischer Verteilung der Atome aus

Silizium ist jedoch ein Einkristall in Richtung der niedrig indizierten Ebenen existieren Kanäle mit geringer Stoßwahrscheinlichkeit für die Ionen

(100) (110) (111)



nur elektronischer Anteil der „Stopping Power“

Inonenimplantation – Channeling II



Inonenimplantation – Verbreiterung der Profile

Verkippung

Streuoxid

Kristall-schäden

Implantation unter Winkel

typischer Winkel 7°



nach Implantation befinden sich die Dotierstoffe auf Zwischengitterplätzen⇒ elektrisch inaktiv

für Aktivierung ist ein Hochtemperaturschritt erforderlich⇒ Höhe der Temperatur ausschlaggebend⇒ Zeit spielt untergeordnete Rolle

typische Temperaturen über 900°C bei hohen Implantationsdosen entsteht

ein Zwischenmaximum für die Aktivierungbei ca. 500°C für vollständige Aktivierung > 1000°C Gefahr der Ausdiffusion der Dotier-

stoffe mit Verbreiterung der Profile RTA-Verfahren erforderlichRapid Thermal Annealing

Ionenimplantation – Dotierstoffaktivierung



während der Implantation treten durch Stoßprozesse der Ionen mit den Atomen des Kristallgitters Strahlenschäden auf Strahlenschäden nehmen mit Implantationsdosis zu

⇒ Gefahr der Amorphisierung des Kristalls Substratheizung während der

Implantation minimiert SchädenSchäden können hierbei teilweise instantan ausheilen nachträglicher Ausheilungsprozess

beginnt bei 500°C vollständige Ausheilung jenseits 900°C Gefahr der Ausdiffusion der Dotier-

stoffe mit Verbreiterung der Profile RTA-Verfahren erforderlichRapid Thermal Annealing

Ionenimplantation – Kristallschäden



steile Temperaturrampen: 1000°C/min kurze Prozesszeiten: Einige 10 Sek. Zugabe von Gasen (N2/O2/H2) möglichmaximale Prozesslaufzeit begrenzt auf

einige Minuten

Ionenimplantation – RTA-Anlage – Aufbau



Ionenimplantation – RTA-Anlage – Ansicht



Prinzipieller Aufbau eines Ionenimplanters



1. Ionenquellen:Kaltkathodenquelle: geringer Druck, hoher Ionenstrom,instabil, ungenaue Massenseparation durch Eo-VariationHeißkathodenquelle: höherer Druck, hoher Ionenstrom, stabil, geringes E0 der austretenden IonenRF-Quelle, Mikrowellenquelle: neuere Bauformen für höhere Ionenstromdichten

2. Extraktionselektrode/Vorbeschleunigung: -10 kV - -30 kV,beschleunigt die austretenden Ionen vor der Massenseparation,Spannung muss extrem konstant sein

3. Fokussierlinse:bündelt den Ionenstrahl als elektrostatische Linse,Spannung ca. 10 kV

Komponenten einer Implantationsanlage I



4. Analysiermagnet:Winkeländerung ~ ≈ n1/2 * B/pmit dem Ionenimpuls p = (2 * m * E)1/2

folgt B ≈ ~ * (2 * m * E)1/2

5. Blende:als Schlitzblende lässt sie nur ein Element des Ionenstrahls durch

0 20 40 60 80

0

5

10

Magnetstrom [A]

F+

BF+

BF2+

10B+

11B+

Targ

etst

rom

[µA]

Komponenten einer Implantationsanlage II

Beispiel Bortrifluoridgasquelle



6. Beschleunigungsstrecke (Hochspannungskaskade):Beschleunigung der Ionen auf ihre Endenergie, Hochspannung wird durchKaskadenschaltung von Dioden und Kondensatoren erzeugt und in kleinen Schritten an das Beschleunigungsrohr gelegt (vermeidet Spannungsüberschläge)

7. Suppressor:Ring auf + 2 kV, am Ende der Beschleunigungsstrecke (zur Unterdrückung von Röntgenstrahlung durch Sekundärelektronen)

8. Quadrupole und Scanner:Kondensatorplatten zur Strahlfokussierung und Strahlablenkung bzw. Rasterung über die zu bestrahlende Fläche. Spannungen ca. 0 – 2kV

9. Targetkammer:Isolierte Scheibenaufhängung mit Sekundärelektronenunterdrückung undStrahlstrommessung zur Dosiserfassung

Komponenten einer Implantationsanlage III



Implantationsanlage – Ansicht Quellenraum



Implantationsanlage – Ansicht Beladung



Implantationsanlage - Steuerung

Date post:	18-Sep-2019
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