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Halbleitertechnologie SoSe 2019 Dr.-Ing. Remigius Poloczek / Dr.-Ing. Klaus Kallis
Labor für Halbleiter-Bauelemente und Bussysteme
6. Implantation
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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
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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 +=
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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
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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∆
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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
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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)
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nur elektronischer Anteil der „Stopping Power“
Inonenimplantation – Channeling II
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Inonenimplantation – Verbreiterung der Profile
Verkippung
Streuoxid
Kristall-schäden
Implantation unter Winkel
typischer Winkel 7°
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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
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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
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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
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Ionenimplantation – RTA-Anlage – Ansicht
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Prinzipieller Aufbau eines Ionenimplanters
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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
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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
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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
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Implantationsanlage – Ansicht Quellenraum
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Implantationsanlage – Ansicht Beladung