Monolit technika előadás Ionimplantáció Monolit technika előadás http://www.mfa.kfki.hu/~gyulai/_/

Ionimplantáció alapok Alapelv: A kívánt adalékatomokat felgyorsított ionokként (B+, P+, As+, stb.) bombázzuk a félvezető szelet felszíni, felszín közeli rétegeibe Vákuum technológia Mind rétegnövelő, mind rétegalakító művelet A diffúzióval szemben, az ionimplantáció erősen nem egyensúlyi folyamat (a becsapódó ion energiája pár keV-MeV) Diffúzió energiája : , amely 1200°C-on 0,1eV

Ionimplantáció ötlete Az ötlet W. Shockley (1957), rájött, hogy a rácshibákat hőkezeléssel lehet megszüntetni. A szabadalom 17 évre blokkolt, de akkor a diffúzió még „tudta”, ami kellett Az 1960-as évek végére a diffúziós eljárás gondjai kezdtek sűrűsödni: a scale down – Moore-törvény érvényesülése – miatt az IC szerkezete, ~elemei abba a mérettartományba jutottak, ahol A pn-átmenet helye bizonytalan volt, gondot okozott akár a kemencébe betétel és kivétel időtartama/hőmérsékleti hatása A diffúzióval elérhető adalékkoncentráció és elektromosan aktív hányad eltérése, a szilárd oldékonyság kérdései, stb. Egyes alkalmazásoknál olyan profil is kellett, amely befelé növekszik (varicap) – ezt korábban bonyolult epitaxiás növesztésekkel, eltemetett rétegekkel próbálták megoldani Indulási stratégia a 1970-es években: kis dózis – MOS VT alkalmazások, nagy dózis – bipoláris (akár diffúzióhoz predepozíció) Stratégia-váltás 1980 tájára a µm vonalszélesség elérésével: minimalizálni a diffúziót, oda és annyi adalékot juttatni, amennyi éppen kell. Ma 20-50 (!) implantációs lépés a technológiai sorban

Ionimplantáció K+F kezdeti kérdései – képes-e betörni a piacra? Primér eszköz igények kielégítése: pn-, np-átmenet mélysége, adalékatomok elektromos aktivitása, mozgékonyságok megtartása Bipoláris eszköz az alapkristály többszörös ‘átadalékolása’ n-p-n-… átmenetek, keskeny bázissal Unipoláris-MOS eszközök: VT pontos beállítása, S-D területek kialakítása A diffúziótól gyökeresen eltérő fizikai elvek (ionok fékeződése, stb.) a fizikában részben megvoltak, de az eszközök igényeihez fejleszteni kellett: Behatolási mélység – adalékprofil tervezése, multirétegek esetére is! Kristályos anyagba való belövés gondjai, sajátosságai Rácshibák detektálása, kijavítása – a Moore-törvényt követni képes hőkezelési stratégiák Technológiai lépések kölcsönhatásainak ismerete/modellezése Kapcsolódó berendezés igények Fizikusi részecskegyorsítóból ‘black box’ jellegű, tiszta-tér kompatibilis eszközt tervezni, cost-benefit tudatossággal. Eszköz, ami nem „testidegen” a félvezető gyárban – ma egy foundry-ban

Az ionimplanter felépítése I. KFKI 5 MeV-es Van de Graaff gyorsítója A California Institute of Technology Kellogg laboratóriuma – a Van de Graaff tank alatt, ahol a fontos eredmények születtek, hetvenes évek. Csak a vákuum volt „tiszta”... Varian 350D ionimplanter, 4 és 6 inches szeletekhez

Az ionimplanter felépítése, kis dózisok adalékolására (MOS) KFKI, 1975

KFKI, ILU-3A, 1970, az uránszeparátorok „butított” változata 10 kV Nagydózisú, tömegszeparátor elvű ionimplanter B Ionforrás előgyorsító B: indukció a tömegszeparátorban apertúra utógyorsító eltérítő Helyi lamináris box – „tiszta” tér – foszforból 5 mA ionáram! szelet KFKI, ILU-3A, 1970, az uránszeparátorok „butított” változata Utógyorsító: 100 kV-2.5 MV = ionenergia

Az ionimplanter felépítése A becsapódó ion energiája jól szabályozható a gyorsító feszültséggel (szub-keV-MeV) Mágneses térrel hangolható m/q szelekció, ez akár izotóp-tiszta adalékolást tesz lehetővé A beérkezett dózist áramintegrátor kontrollálja – bármely praktikus nagyságrendnél három értékes jegyre A pásztázás kezdetben főleg elektrosztatikus volt, ma az ipari gépeknél mechanikus – főleg a szeletátmérő megnövekedése miatt (300+ mm!) Mindez lehet sok-szeletes, méteres átmérőjű vákuum-konstrukció, zsilipelt, a szeletkezelés a tiszta térben

Ha kell, izotópos tisztaságot tesz lehetővé Tömegszeparátor A mágneses tér és az ionok sebességvektora merőlegesek egymásra -> az ionok körpályára kerülnek A kör sugara függ az ion tömegétől v: belépő ion sebessége V: gyorsító feszültség Ha kell, izotópos tisztaságot tesz lehetővé

Belőtt ionok és a szubsztrát kölcsönhatása Az ionimplantáció porlasztással jár kis és közepes energiák esetén is (egy belépő ionra 5-10 porlasztott ion jut) Ez nagyobb dózisok és energiák esetén egyensúlyba kerülhet a részecskeárammal – maximális koncentrációhoz vezet a kémiai összetétel mértékénél A belépő ionok fékeződését a Coulomb-erők okozzák Kétféle mechanizmus: Elektronfékeződés Nukleáris fékeződés

Elektronfékeződés Belépő ionok és a szubsztrát atomjainak elektronfelhői közti kölcsönhatás A fékeződés mechanizmusa az ion pillanatnyi energiájától függ Ez dominál nagyobb (100 keV - MeV) energiákon „Rugalmatlan” folyamatok, azaz az ionok kinetikus energiája fény-, röntgensugárzás formájában emésztődik fel Polarizálja a rácsot, de kevés és zömmel ponthibát kelt csak

Nukleáris fékeződés Kisebb energiákon a magok közti Coulomb kölcsönhatás dominál „Rugalmas” ütközés, azaz képes rácsatomokat kiütni a helyéről, a szereplő atomi tömegek viszonya szabályozza Ez az energiaátadás vezet rácshibák keletkezéséhez Az ionimplantációnál ez a domináns hatás

Fékező hatások összehasonlítása http://www.gs68.de/tutorials/implant.pdf

Becsapódás R – az ion által megtett út Rp – a hordozó felületétől való távolság R függ a belőtt anyag rendszámától Nagy rendszámú anyagba kis rendszámú lövedék: R>>Rp Az implantáció áramsűrűsége alapján több hatás léphet fel, az egyidejűleg aktív (~ns időtartam) kaszkádok átfedése révén; „Egyszerű” implantációnál, azaz a szokott ionáramsűrűsé-gek (dose rate) esetén az események függetlennek tekinthetők IBIEC, IBIA: Ion Beam Induced Epitaxial Crystallization, ~Amorphization, FIB: Focused Ion Beam, PIB: Pulsed Ion Beam

Alapfogalmak Összes belőtt adalék: Dózis: Energia –> Gyorsító feszültség [eV] Gummel -szám

Adalékeloszlás A folyamatokat az implantált ion rendszáma a gyorsító energia és a szubsztrátot alkotó elem rendszáma befolyásolja A becsapódó ionok átlagos mélységben, normális eloszlás szerint kerülnek nyugalmi állapotba A végső eloszlás kialakulásában szerepelnek azonban másodrendű hatások, mint pl. a sugárzás stimulálta diffúzió (RED – Radiation Enhanced Diffusion) Pontosabb számításokhoz a Pearson-IV eloszlást használják, amely a négy paraméterrel képes leírni az eloszlás aszimmetriáit Maximum: Rp Szórás: DRp

Rp és ΔRp meghatározása I. LSS elmélet (Lindhard, Scharff, Schiøtt) amorf szubsztrátot tételez fel Mitől áll meg az ion és hol? Atomokkal való kölcsönhatás Elektronokkal való kölcsönhatás

Rp és ΔRp meghatározása II. M1: Implant atomtömege M2: Target atomtömege Z1: Implant rendszáma r: Target sűrűsége 2 Ha M1>>M2, akkor RRp Modellezés: http://www.gs68.de/software/simplant/index.html

Behatolás és profil - szimulációk Az ionbehatolást, profilokat ma szimulációkkal számoljuk. A legelterjedtebb a Monte Carlo szimulációval dolgozó SRIM, amely végig követi az ion útját http://www.srim.org/index.htm#SRIMMENU De sok, más, pl. inkább fenomenologikus (Pearson-IV) megoldás van, amelyek beépülnek akár a teljes monolit technológiát szimuláló programcsomagokba (pl. az EET TransTran programja; ICECREM, stb.)

Bór ionok eloszlása Si hordozóban Amorf Si Si-ba <763> irányból lőve Si-ba <763> irányból (ez kb. 7o az (100) felület normálisától) lőnek, mivel innen tűnik a rácsa közel „amorfnak”, de a szeletátmérő megnövekedése miatt nem egyszerű megvalósítani – jobb a mechanikus pásztázás

Kaszkádok, sérült tartományok és amorfizáció Hőkezelés: „szilárd fázisú epitaxia”

Egyetlen kaszkád hatása, defekt képződés Hogy az atommá semlegesülő ion a legutolsó ugráskor rácspontba kerül-e vagy defektként „fagy be”, sok tényezőtől függ A valósághoz közeli képet kapunk, ha a kaszkád sorsáért a szubsztrát hővezetését tesszük felelőssé: a kaszkád kezdeti plazma-állapota eljut egy olyan állapotba, ahol már van „hőmérséklet” és „termodinamika” Defektek a kaszkád utolsó ugrásainál csillámban 217 MeV Ne ion becsapódásakor, AFM kép (LP Biró, J Gyulai, K Havancsak, Vacuum 50(1998)263

Laterális szóródás, maszkolás I. Fotoreziszt is használható maszknak – bár nagydózisú implantációnál a „krakkolódó” lakk későbbi eltávolítására csak plazmás marással van esély Szemben a diffúzióval, ahol a felület közelében mindig nagyobb a koncentráció, itt elérhető, hogy a felületen kisebb, míg beljebb nagyobb legyen ~ tetszőleges profilok készíthetőek Oda kell figyelni az alászóródásra, ami a laterális diffúzió megfelelője

Laterális szóródás, maszkolás, II. A legnagyobb koncentráció nem a felszínen van A alászóródás „kicsiny” volta csak viszonylagos: Δy ≈ ΔRp Ionimplantációval kialakított adalékprofil

Bór ionok okozta defektek eloszlása Si-ban Mélységi eloszlás (Brice után) a defekt csúcs a koncentráció csúcs előtt van Defektek jellege az energiaátadás előre csúcsosodó jellege következtében: <Rp-re vakancia jellegű >Rp-re intersticiális jellegű hibák bonyolítja a hibátlan kristállyá való visszanövést 25

Csatornahatás I. Az ionimplantációval pontos adalékeloszlás hozható létre, egyes adalék ionok azonban „eltévedhetnek”, és esetleg mélyebbre jutnak, mint szeretnénk (nem LSS eloszlás). Gyémántrács˙különböző irányokból

Csatornahatás II.

Csatornahatás elkerülése A szelet pozicionálása (döntés és forgatás) Amorf vékony oxid réteg növesztése (200-250Å) A kristály amorffá tétele „ön-implantációval” (Si vagy Ge implantálás Si-ba) – „pre-amorphization implant”, PAI, ez lett az elfogadott eljárás; ezzel és az (100)-Si-re való átállással (l. később) – vált az implantáció „fizikus egzotikumból” valódi „technológiává” Konkurens ötlet: BF2+ implantáció (előnye lehetne, hogy a BF3 gázforrásból több molekula-ion keletkezik, mint bórion!) – ez, beütközéskor szétesik atomokra, a bór kb. 20% energiát visz. A fluor is amorfizál, de a beépülése nem közömbös...

Több implant egymás után

Hőkezelési stratégia Az ionimplantációs kutatások súllyal a rácskárosodás hatásainak kompenzálásával foglalkoznak – évtizedek óta (pl. Ion Implantation Technology, Ed. J.F. Ziegler, http://www.mfa.kfki.hu/~gyulai/_/ ) Világos, hogy valamiféle hőkezelés lehet alkalmas az implantáció okozta roncsolás (kristályhibák) kijavítására, de a „helyüket megtaláló” atomok nélkül nem lehetséges. Emiatt a Boltzmann-faktornál nem csak az aktivációs energia, hanem a pre-exponenciális befolyásolása is eszköz lehet: defect engineering – hibamérnökség Az arzenál: izoterm, ill. adiabatikus Eszközét tekintve: kemence, sugárzó hő, lézeres, nagy áramsűrűségű implantáció, RF, stb. Si esetén már 600-800°C-on is megindul az újrarendeződés, az SPE

Hőkezelési stratégia eszközei Kemence Sugárzó hő (impulzus sugárzó, μs, adiabatikus, – Rapid Thermal Processor, RTP, izotermikus – sec), Lézeres: CW lézer – izotermikus, impulzus lézer – adiabatikus, Ultrarövid – ULSI? nagy áramsűrűségű implantáció – IBIEC, PIBA, adiabatikus hatásúak) A kaszkád átfedés térben, időben, mindkettő esetén Si esetén már 600-800°C-on is megindul az újrarendeződés, az SPE 31

Hőkezelési stratégia – I A rendeződés eltérő minőségben, sebességgel valósul meg különböző kristályorientációk esetén: vSPE(111)< vSPE(100)< vSPE(110) Ahogy a termikus oxid minősége esetén, úgy a hőkezelődésre is az (100) Si az alkalmasabb (a kristálysíkokból nincs kilógó atom) – ezek miatt tért át a Si-ipar az (111)-ről az (100) kristályok növesztésére! (111) (100) 32

Hőkezelési stratégia – II A hőkezelésnek összhangban kell lennie az egyéb technológiai lépésekkel (a mai stratégia: oda és annyi ion, amennyi ott kell – a diffúzió minimalizálandó) A szilícium rendeződése rendkívül széles hőmérsékleti tartományban, azonos vakancia-mechanizmussal történik, ≈2.3 eV aktivációs energiával (Csepregi) Majd a lézeres hőkezelés „divatja” során kiderült, hogy ez mechanizmus a halmazállapottól is független! (Oztürk kompendiális ábrája) 33

Adiabatikus hőkezelés - lézeres és ionos Az adiabatikus kezelés vonzó, de a defektreakciókhoz szükséges szerkezetnek, atomoknak helyben rendelkezésre kell állniuk Kisüléses lámpák (μs, kondenzátor kisülés) használata – egzotikum maradt, A YAG-lézeres impulzus (ns) hőkezelés (1975, I. Khaibullin): A Si az infravörösben átlátszó (nem melegszik), de ahol az ionkárosodás van, ott van abszorpció – ott melegít. Pásztázás szükséges – ez a gond, de itt-ott használják Protonimpulzussal való hőkezelés (PIBA) is egzotikum maradt (ezzel: a hibamentes Si-kötés létrejöttéhez szükséges idő ~10 -11 s) Ma a Rapid Thermal Treatment, ~Annealing (RTP, RTA) a bevált, ami közel izoterm (1-2 s) , azaz melegíti a szeletet is – beleszól a többi réteg állapotába 34

Ionok aktiválása – ‘defect engineering’ – I. Az izoterm/adiabatikus hőkezelések révén előálló pn-átmenet vándorlás As esetén, D=√(Lt) modellel (C. Hill, Nucl. Instr. Meth., 209/210 (1983) 381) Az elfogadható relokalizáció érték alapján lehet dönteni A mai áramkörökben az izoterm hőkezelés (Rapid Thermal Processing, RTP, néhány s időtartamban) dominál A rövidebb, lézeres megoldás terjedésének a pásztázás igénye szabott mindeddig korlátot 35

Bór ionok aktiválása – ‘defect engineering’ – II. A preamorfizáció sem „panacea”: a <Rp-re vakancia (V), ill. >Rp-re intersticiális (I) jellegű hibák miatt nem áll helyben rendelkezésre elegendő atom a hibátlan kristállyá való visszanövéshez – a hőmérséklet nem-kívánatos emelése nélkül. Egy megoldás arra, hogy maradjon az amorf réteg, de legyen a közelben rácsközi atom a vakanciák betöltéséhez: kettős pre-amorfizációval lehet javítani a mélységbeli átfedést a V- , ill. I-dús rétegek között (a két szaggatott vonal között) De az I-jellegű End-of-Range, EOR, hibák száma nagyon nehezen csökkenthető (a/c) Az ULSI stratégiában ez már nem működik – nincs idő ekkora mosgásokra, l később. 36

Az elektromosan „aktív” dózis A rácshibák komplex volta miatt nem minden implantált atom válik elektromosan „aktívvá”, sőt, komplexként csapdaként is működhetik, pl. B-O-komplex Az elektromosan aktív adalék koncentrációja közelebb van a névleges dózishoz FZ- és epi-Si-ben, mint CZ-Si-ben, ennek oxigéntartalma miatt A szilárd oldékonyság a határ az egyensúlyi állapotban aktív adalékkoncentrációnál Egyéb „dezaktiváló” reakciók is felléphetnek

Mai Si-alapanyag és az implantáció: a Silicon-On-Insulator, SOI történet A sugárzás-érzéketlenség (katonai alkalmazások, valamint a kisebb fogyasztás motiválta a SOS, (Si-On-Sapphire), majd a SOI fejlesztést – a pre-amorphization itt is áttörést jelentett... Laterális epitaxia – „ablak” az oxidban polikristályos Si, pl. lézeres olvasztás, orientációt a szelet ad SIMOX (Separation by Implantation of Oxygen, 1985), magas hőmérsékleten végrehajtott, nagydózisú, sztöchiometriát eredményező, ≈200 keV oxigén SMART CUT©, Bruel, 1994: „trükkös” DWB (Direct Wafer Bonding), Si hasítás (l. ábra) „Megkerülés”, ill. Semiconductor-On-Anything

Az Ultra Shallow Junction A Moore-törvény szerinti fejlődés nem csak az elkészülő eszközben jut a határokig, hanem minden technológiánál is határokat rengető követelményeket támaszt (ennek is főleg gazdasági okai vannak: nem gazdaságos előre és túlfejleszteni az eljárásokat, ”cost of ownership”). A scale-down teljesítményében a litográfia, az oxidminőség a legismertebb csúcsteljesítmény De az implantációnak sincs könnyű sora...

Az Ultra Shallow Junction A PAI eredeti ötlete, azaz, hogy az End-of-Range, EOR-defektek intersticiálisai jussanak a V-dús részbe, nem működik a diffúziós hosszak miatt Három mai stratégia: szub-keV bór implant – 0,5 keV bórnál már alig van csatornázás, Gázmolekula implant (dekaborán, átfedő kaszkádok) PAI , esetleg BF2+-szal kombinálva, ”Cocktail” nem-adalékoló, de diffúziót gátló (N,F) implant az EOR-réteg elé, hogy akadályozza az I-diffúziót az EOR-ból 40

Az ULSI implanter-fejlesztései, nehézségek A keV-es ionforrások Nagyon csökken az áramsűrűség – tömeggyártás? Ionfókuszálás nehézségei Megoldás: Ionfékezés a szelet közelében Szelethűtés Knudsen tartomány pascal-tartományú hőtranszportja jobb, mint a fémes összefekvés, nem kell a szilikonzsír sem, de veszélyes a vákuumra (törés, nagy szeletátmérőnél...) Neutralizálás Elektronelárasztás Vákuum minőség Kriopumpák! Pásztázás Elektrosztatikus pásztázásnaál már a 200 mm-es szeletnél sem teljesíthető a <763> irányú beütközés a szelet minden pontján... A párhuzamos pásztázás költséges, a mechanikus pásztázás alkalmas: nem csak a tilt, hanem az azimut szöge is beállítható

Önillesztett, implantált MOS lépések, a litográfiák hozzáképzelendők B ionok, nagy dózis, S/D Al vezeték B ionok, kis dózis, küszöbfesz. beállítás Poli-Si Si3N4 a nem-aktív területről eltávolítva nedv. ox., Si3N4 marás, száraz ox. G S D n-tipusú szilícium Ablaknyitó oxidmarás S: Forrás, D: nyelő, G: kapu

Ionimplantáció félvezető-technológiai alkalmazása 1/cm2 Az egyéb alkalmazások - mint pl. a fémek, kerámiák kopásállóságának javítása – a 10 … 100keV, 1021…1022 ion/m2 tartományba esnek, míg a polimerek kezelése az ún. mixinggel van nagyjából fedésben.

Ionimplantáció félvezető-technológiai alkalmazása

Előnyök – nincs jobb Meg tudott mindmáig felelni a Moore-törvény méretcsökkenési követelményének, azaz: Adalékanyag kontroll, szennyezés-mentes adalékolás, akár izotópos tisztaság Dózis kontroll, mind a mélység tekintetében (ma ≈keV gyorsító energia használatos) Mélységi kontroll, a gyorsítófeszültséggel adalékprofil kontroll – akár befelé növekvő Kis oldalirányú szóródás Utólag is lehetséges új réteg létrehozása Meredek adalékprofil hozható létre Alacsony hőmérsékleten végezhető A vákuum miatt igen tiszta eljárás Az egyensúlyi technológiákhoz képest oldékonyság feletti koncentráció is létrehozható (metastabil) Egy mai processzorban 23 implantáció, de 60 implantációs lépéses bonyolult technológia is előfordul! 45

Hátrányok A rácsszerkezet rongálódik – ez látta el a fejlesztőket mindmáig munkával, Nehezen fogadta el a termelői szféra (1975-ig az Intel is elutasította), mígnem drága, bonyolult, de közel „black box” berendezések nem kerültek a piacra. Új típusú munkavédelem (nagyfeszültség, röntgensugárzás) vált szükségessé

Források Dr. Mojzes Imre: Mikroelektronika és elektronikai technológia http://www.mfa.kfki.hu/~gyulai/_/ helyen Gyulai-Biro Implantácio.pdf, ill. a Giber János, Vargáné Josepovits Katalin, Gyulai József, Biró László Péter: Diffúzió és implantáció szilárdtestekben (Egyetemi tankönyv, Műegyetemi Kiadó, 1997) részeként Gyulai (et al.) fejezetei az ”Ion Implantation Technology”, Ed. J.F. Ziegler könyvben Michael I. Current fejezetei a 2012-es kiadásban (currentsci@aol.com). http://www.vsea.com/pubs.nsf/home http://www.casetechnology.com/links.html http://en.wikipedia.org/wiki/Ion_implantation http://www.gs68.de/tutorials/implant.pdf

Adalékolás neutronsugárzással NTD (neutron transmutational doping) IGBT, teljesítmény eszközök: kicsi adalékolás, de pontos -> nagy letörési feszültség

Teljesítmény MOS tranzisztorok A DMOS (TMOS) szerkezet G D

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Szigetelt vezérlőelektródájú bipoláris tranzisztor S C G D B E

Implantálás plazma immerzióval Nem monoenergiás ionok keletkeznek, ez a precíz félvezetős alkalmazásoknál hátrányos. Az viszont, hogy az ionok merőlegesen érik a felületet, pl. árokfal adagolásnál előnyös Fémfelületek kezelésére alkalmas direct ion implantation from a plasma ambient

Változatok plazma immerzióra