UNVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Andrs Felipe Daz Nitola

Jean Briham Pardo Baquero

Diego Alejandro Delgadillo

Implantacin Inica

1. Introduccin

La idea de la impurificacin de semiconductores por bombardeo inico fue

patentada por William Shockley en 1954 en los laboratorios Bell. Ms tarde, fue

desarrollado el mtodo de la implantacin inica que, en los ltimos aos se ha

convertido en una de las formas ms habituales de introducir impurezas en los

semiconductores.

2. Definicin

La implantacin inica es un mtodo de impurificacin tanto de Silicio como de

GaAs, implantando iones de un material sobre la superficie de otro. Es el mtodo

dominante de dopaje utilizado hoy da a pesar de sus desventajas. Es un proceso

ms costoso y complejo que la difusin y una alternativa a la misma.

En la implantacin de iones se utiliza un haz de iones de energa muy alta (30k -

100keV) que bombardea directamente el cristal. El potencial de aceleracin

controla la profundidad de implantacin. Este mtodo proporciona un mejor control

de la distribucin del contaminante y en general, se emplea para producir uniones

poco profundas.

3. Proceso

El equipamiento necesario para la implantacin de iones suele consistir en una

fuente de iones que produce los iones del elemento deseado, un acelerador donde

dichos iones son electrostticamente acelerados hasta alcanzar una alta energa,

y una cmara donde los iones impactan contra el objetivo. Cada ion suele ser un

tomo aislado, y de esta manera la cantidad de material que se implanta en el

objetivo es en realidad la integral respecto del tiempo de la corriente de ion. Esta

cantidad es conocida como dosis.

Se dopa un substrato mediante un flujo de iones energticos de la impureza

(obtenidos de un plasma de la misma) que se proyectan contra la oblea

(blanco).

Los iones de impurezas penetran en el substrato con una alta energa

(velocidad) y pierden su energa mediante colisiones con los ncleos y los

electrones que acaban detenindolos.

Los iones quedan parados a una determinada distancia de la superficie de la

oblea formando un perfil de implantacin.

La profundidad a la que se localiza la impureza depende en la energa (o

velocidad) de los iones.

Las colisiones con los ncleos del blanco hacen que se modifique la

situacin de los iones de la red cristalina daando el substrato:

Si el tomo del semiconductor recibe en una colisin una energa

mayor que su energa umbral de desplazamiento provoca la

formacin de defectos (tpicamente defectos puntuales como

vacantes e intersticiales).

4. Implantadores en la actualidad

Entre las tcnicas de procesamiento de semiconductores, la implantacin de iones

es casi el nico en el que los parmetros del proceso, tales como la concentracin

y la profundidad del dopante deseada, se especifican directamente en la

configuracin del equipo para la dosis y energa implante. Esto difiere de la

deposicin de vapor qumico, en el que parmetros como el espesor de la pelcula

y la densidad son funciones complejas de los parmetros sintonizables, estos

equipos incluyen la temperatura y la tasa de flujo de gas deseado. El nmero de

implantes necesarios para completar un IC ha aumentado a medida que la

complejidad de los chips ha crecido. Mientras que el procesamiento de un sencillo

MOS tipo n durante la dcada de 1970 puede haber requerido de 6 a 8 implantes,

un CMOS con memoria incorporada puede contener hasta 35 implantes.

La aplicacin de la tcnica requiere dosis y energas que abarcan varios rdenes

de magnitud. La mayora de los implantes caen dentro de una de las rangos en la

Figura 3, Los lmites de cada cuadro son aproximados; los procesos individuales

varan debido dependiendo de las diferencias en el diseo de cada solucin. Los

requerimientos de energa para muchas aplicaciones se han reducido con el

aumento de la escala del dispositivo. Un perfil dopante superficial ayuda a

mantener relaciones de aspecto ms o menos constante a medida que ms las

dimensiones del dispositivo se encogen. Como las energas caen, las dosis de

iones generalmente, pero no siempre, disminuyen tambin. La anchura de la

distribucin estadstica de los iones implantados disminuye con la energa , y esto

reduce la dosis requerida para producir un pico de concentracin dopante dado. El

resultado es las lneas inclinadas en la Figura 3. Implantacin es en realidad

extremadamente ineficiente en la modificacin de la composicin del material.

La dosis ms alta de iones implantados con un rendimiento econmico es sobre

1016/cm2, que corresponde a 20 capas atmicas. Slo la extrema sensibilidad en la

conductividad de semiconductores a la concentracin de dopante hace

implantacin de iones prctica.

5. Implantadores comerciales

Implantadores de alta corriente: producen las corrientes de haz ms altas, de hasta 25

mA. Para aplicaciones de alta dosis, mayor es la intensidad del haz, ms rpida ser la

implantacin, lo que significa que la salida de ms obleas por hora. Los Fabricantes del

implantador han invertido una gran cantidad de esfuerzo en la maximizacin de la

corriente de haz, especialmente en las energas ms bajas, donde el flujo de iones

extrables de una fuente se ve limitado. Aunque los implantadores de alta corriente

pueden producir haces en el rango de 10 A, la inestabilidades hace estos rayos no aptos

para aplicaciones de dosis bajas.

Implantadores de media corriente: estn diseados para una mxima uniformidad de

dosis y repetitividad. Sus corrientes de haz estn en el rango de 1 A a 5 mA, a energas

de 5 a ~ 600 keV . Las estaciones finales de procesamiento de oblea pueden implantar

iones en ngulos de hasta 60 de la perpendicular a la superficie de la oblea. Esto es

esencial para ciertas aplicaciones, tales como anti - perforar a travs de implantes, por

ejemplo , en la que los dopantes deben ser implantado parcialmente debajo de una

estructura de la puerta previamente formado. El menor costo operacional de los

implantadores media corriente cuando se utiliza para aplicaciones de dosis ms baja y su

capacidad de hacer implantes de alta inclinacin les distingan de implantadores de alta

corriente.

Implantador alta energa: generan haces de iones de mega-electrn-voltios.

Implantadores de alta energa comerciales producen corrientes de haz de iones cargados

individualmente hasta ~1 mA. Energas de iones mltiplemente cargados pueden ser de

hasta ~4000 keV , con corrientes de haz ~50 A . Implantadores de alta energa pueden

producir haces hasta 10 keV , que las hace adecuadas para muchas aplicaciones. Esta

funcionalidad adicional justifica el costo de capital de estas mquinas. Implantadores de

alta energa utilizando tanto RF aceleracin lineal y la aceleracin de corriente continua se

utilizan ampliamente hoy en da en la fabricacin de semiconductores.

Un dispositivo de implantacin inica moderno cuesta alrededor de $ 2-5 million,

dependiendo del modelo y el tamao de la oblea que procesa. De las tres clases de

implantadores, los aparatos de alta corriente han sido tradicionalmente el mayor mercado

en trminos de ingresos y el volumen de la unidad. Los ingresos est aumentando ms

rpido que la unidad de volumen debido implantadores han vuelto ms caros. Sin

embargo, los ingresos y el volumen estn sujetos a los severos ciclos de auge y cada

que han afectado a toda la industria de semiconductores de capital - equipo en la ltima

dcada, un patrn que es probable que contine.

6. Requisitos del proceso

Las dimensiones de los transistores diminutos que permiten la fabricacin de

microprocesadores con velocidades de reloj superiores a 3 GHz requieren estricta

exactitud dopaje. Para los dispositivos ms sensibles, la dosis implantada debe ser lo ms

uniforme posible. Tpicamente, una variacin de 3 desviaciones estndar () o 1,5 % es

el lmite superior aceptable. Esta uniformidad debe hacerse constantemente a travs de

las obleas del tamao de 300 mm de dimetro. La repetitividad oblea a oblea y de lote a

lote es igualmente crucial. La energa del haz de iones no debe exceder de una 3

variacin o de 3,0 % en todas las obleas. El ngulo del haz de iones a la oblea tambin

debe ser cuidadosamente controlada para evitar variaciones en la posicin de dopante en

el borde de las caractersticas del dispositivo. Las variaciones en la profundidad dopante

son tambin una preocupacin. Control del ngulo de implantes con una variacin de 3 ~

1.0 suele ser suficiente para crear las caractersticas elctricas del dispositivo

reproducibles.

Diseadores de implantadores modernos han alcanzado en gran medida de la dosis

deseada, la energa y la precisin angular. El mayor desafo restante es aumentar la

productividad de la corriente de haz a energas por debajo de 10 keV. Dispositivo de

escala ha aumentado en gran medida la demanda de implantes en este rango de energa.

Los diseadores tambin necesitan para reducir la contaminacin inducida implantador -

tanto como sea posible. Los tomos de dopantes implantados previamente pueden

bombardeo inico sobre la superficie de la oblea (contaminacin cruzada), o iones de la

especie correcta, pero la energa o carga de estado incorrecto pueden ser implantados

(contaminacin de energa) . Las partculas pueden ser depositados sobre la superficie de

la oblea, ya sea por el transporte de iones de haz o durante la manipulacin de la oblea .

Incluso las partculas tan pequeas como 120 nm pueden causar prdidas de

rendimiento. Por ltimo, los contaminantes metlicos pueden ser depositados sobre la

superficie de la oblea, por lo general de pulverizacin catdica de los componentes del

haz de lnea , o peor , implantado en la oblea (contaminacin metlica energtico) . Los

dispositivos modernos son tan sensibles a estos problemas que muchos clientes

demandan niveles de las partculas y la contaminacin metlica por debajo de los

detectados por el equipo de metrologa.

Estaciones finales modernos implante ya sea una oblea a la vez o un pequeo lote de

obleas - tpicamente 13 o 17 - montado en un disco que gira rpidamente. Slo las

estaciones finales de una sola oblea son capaces de implantes de gran inclinacin por las

complicaciones mecnicas de suministro de agua y otros artculos de primera necesidad a

un disco giratorio. Sin embargo, la capacidad de implantar mltiples obleas da

simultneamente las estaciones finales de lote una ventaja de productividad . En

consecuencia, las dos estaciones finales han encontrado nichos comerciales exitosas.

Casi todos los implantadores de mediano actuales dope una sola oblea a la vez, y

hojaldres proceso implantadores ms alta corriente y alta energa en lotes.

7. Implantador Inico

El implantador, cuyo esquema aparece en la figura1, consiste bsicamente de los siguientes bloques:

Figrua 1. Esquema del implantador elctrico

Una fuente de iones: en la que se produce el plasma de la impureza, normalmente a partir de una fuente gaseosa de la misma (BF3, AsH3, PH3, SiH4) aunque puede producirse por evaporacin o por sputtering de una fuente slida. Mediante un ligero potencial extractor y un diafragma, el flujo deseado de iones son encaminados al espectrgrafo de masas. Espectrgrafo de masas: que desva los iones por la aplicacin de un campo magntico producido por las bobinas del espectrgrafo. Ajustando este campo se puede seleccionar el ion que atraviesa el diafragma de salida. Columna de aceleracin: Los iones seleccionados en el espectrgrafo de masas son acelerados al atravesar diversos diafragmas de potenciales crecientemente negativos. (Hasta unas energas mximas y tpicas de 300KeV (algunas aplicaciones se alcanzar algunos MeV).

Zona de focalizacin: El haz de iones seleccionado y acelerado es focalizado mediante las correspondientes lentes electromagnticas, que disminuyen su divergencia a valores en torno al grado sexagesimal. Zona de deflexin y barrido. Est formada, esencialmente, por placas de desviacin electrosttica que permiten separar aquellos iones que han perdido energa en su camino por colisiones con residuos de gas o las paredes del implantador, adems permite realizar irradiacin uniforme de la oblea mediante un barrido de la misma por el haz.

8. La distribucin de iones en funcin de la profundidad

Los iones pesados (como el Sb) se frenan ms rpidamente que iones ligeros (como el B). En media, la distribucin de iones muestra un mximo en una profundidad bajo la superficie. Este pico define el parmetro de rango proyectado: Rp Debido a la trayectoria aleatoria de los iones, algunos iones separan ms rpido y otros iones tienen un viaje ms largo _ originan una distribucin de rangos proyectados que presenta una cierta desviacin estndar: DRp. En la primera aproximacin, el perfil de implantaciones puede ser descrito mediante un distribucin Gaussiana con un mximo en Rp y una desviacin estndar: DRp La distribucin Gaussiana es matemticamente sencilla, aunque en la realidad solamente se ajusta en la regin del mximo.

Figura 2: Distribuciones de iones de Boro en Si para diferentes energas de implantacin

Rp depende de la energa de implantacin por lo tanto a mayores energas dan lugar a rangos proyectados ms profundos Para obtener una distribucin de impurezas con un perfil profundo, se requieren:

o Iones ligeros o Energas de implantacin elevadas

9. VENTAJAS

La implantacin inica presenta importantes ventajas:

Posibilita la introduccin controlada de grandes dosis de impurezas en una regin del semiconductor, generando un proceso de NO EQUILIBRIO, siendo posible introducir dopantes a concentraciones mayores que su solubilidad slida de equilibrio.

Permite realizar un control independiente del dopaje y de la profundidad (salvo en algunos casos de acanalamiento).

Los perfiles de impurificacin obtenidos por implantacin inica son mucho ms precisos (errores de 1 %) y ms superficiales (< 1mm) que los obtenidos por difusin, teniendo grandes aplicaciones en procesos de fabricacin delicados como

o Ajuste del potencial umbral VT de conduccin de los MOSFET. o Autoalineamiento de puerta de los mismos. o Posibilidad de formacin de capas enterradas de colector en los BJTs.

La implantacin inica es un proceso que se lleva a cabo a temperaturas relativamente bajas T , al poder realizarse a T ambiente, ambiente, es posible una

gran flexibilidad a la hora de elegir las mscaras ( , Al, Silica)(incluso fotoresinas).

Es posible realizar la implantacin inica a travs del xido de Si: SiO2 como mscara.

10. DESVENTAJAS

La implantacin inica muestra ciertas desventajas:

Los dopantes no son elctricamente activos dado que estn situados en lugares intersticiales

Aparece una reduccin en la movilidad debido al dao producido en el substrato

Debido a los choques internos en el semiconductor al realizar la implantacin, se produce un dao en la superficie del cristal semiconductor:

o Es necesario un posterior recocido (anneal) (a T elevada) para reparar este efecto _ Re-cristaliza. _ Re-activa los dopantes.

o Este recocido es delicado en GaAs.

Tambin es un inconveniente la sofisticacin y altos costos de todo el equipo Implantador. Referencias [1] I. Jaramillo J., Tendencias en Diseo Digital CMOS VLSI, 1 Ed, 2012,

Bogot.

[2]. Puertlas Rfales, Tecnologa de superficies en materiales, editorial Sntesis.

[3]. http://ocw.usal.es/ensenanzas-tecnicas/materiales-

electronicos/contenido/MaterialesElectronicos/Tema_5_Dopado.pdf

[4] L. Rubin and J PoateIon Implantation in Silicon Technology The Industrial

Physicist Junio 2003