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Diffusion thermique vs implantation ionique : comparaison des méthodes de dopage

Les deux méthodes introduisent des atomes dopants dans le silicium pour en contrôler le comportement électrique. En diffusion thermique, les dopants pénètrent depuis une source à haute température. En implantation ionique, des ions dopants sont accélérés et projetés dans le wafer. L'implantation offre un bien meilleur contrôle de la quantité de dopant introduite et de sa position : elle a donc remplacé la diffusion pour presque tout le dopage des circuits intégrés modernes, bien qu'elle nécessite une étape de recuit pour réparer le cristal.

CritèreDiffusion thermiqueImplantation ionique
PrincipeLes atomes dopants diffusent dans le silicium chaud (environ 900 à 1 100 °C) depuis une source gazeuse, solide ou en film, sous l'effet du gradient de concentrationLes ions dopants sont accélérés par un champ électrique (du keV au MeV) et projetés dans le wafer
Contrôle de la dosePlus difficile : dépend de la concentration en surface, de la température et du tempsPrécis : la dose est mesurée par le courant d'ions
Profil en profondeurConcentration maximale en surface, décroissant avec la profondeurPic sous la surface, à une profondeur fixée par l'énergie des ions
DirectionIsotrope : s'étend aussi latéralement sous le masqueQuasi directionnelle ; un masque en résine photosensible suffit
TempératureÉlevée pendant tout le procédéProche de la température ambiante pendant l'implantation, mais un recuit à haute température est nécessaire ensuite
Dommages cristallinsFaiblesEndommage le réseau cristallin ; le recuit le répare et active les dopants
Jonctions peu profondesDifficiles aux petites dimensionsBien adaptée : une faible énergie place les dopants près de la surface
Coût de l'équipementFaible : un simple fourÉlevé : un implanteur ionique est un équipement volumineux et coûteux
Usages typiquesRedistribution (drive-in) des caissons profonds, émetteurs de cellules solaires, procédés anciensSources et drains, caissons, ajustement de la tension de seuil dans presque tous les circuits intégrés modernes

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Diffusion thermique
Lorsque la jonction est profonde, que la structure est simple et que le coût compte, comme dans certaines cellules solaires et certains composants de puissance.
Implantation ionique
Lorsqu'il faut une dose, une profondeur et une position précises, ce qui est le cas des transistors des circuits logiques et des mémoires.
Ensemble
L'implantation introduit les dopants ; une étape à haute température répare ensuite le cristal, active les dopants et les fait pénétrer un peu plus loin par diffusion.

Questions fréquentes

Pourquoi l'implantation ionique a-t-elle remplacé la diffusion ?

L'implantation contrôle précisément la dose et la profondeur, fonctionne près de la température ambiante avec un simple masque en résine photosensible et peut placer les dopants dans des couches très peu profondes.

Pourquoi un recuit est-il nécessaire après l'implantation ionique ?

L'implantation endommage le réseau cristallin. Le recuit répare les dommages et place les dopants sur des sites du réseau où ils deviennent électriquement actifs.

Qu'est-ce que la canalisation ?

La canalisation se produit lorsque des ions implantés pénètrent anormalement profondément le long des espaces du cristal. Incliner le wafer de quelques degrés, ou implanter à travers une couche amorphe, la réduit.

La diffusion thermique est-elle encore utilisée ?

Oui, pour les jonctions profondes et les structures simples où le coût compte, comme certaines cellules solaires et certains composants de puissance, et pour faire pénétrer les dopants plus profondément après l'implantation.

Vérifier vos connaissances

Quel est le principal avantage de l'implantation ionique par rapport à la diffusion thermique ?

  1. AElle se fait à basse température et permet de contrôler précisément la dose et la profondeur
  2. BElle permet des traitements longs à haute température
  3. CElle n'endommage pas du tout le cristal
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Réponse : A. Elle se fait à basse température et permet de contrôler précisément la dose et la profondeur

L'implantation ionique se fait près de la température ambiante, ce qui permet d'utiliser une résine photosensible comme masque, et la quantité implantée est contrôlée avec une précision d'environ ±1 % par intégration du courant de faisceau. La profondeur est réglée indépendamment par l'énergie, et une large gamme de doses, de 10¹¹ à 10¹⁶ cm⁻², est accessible. En diffusion thermique, la concentration de surface et la profondeur sont liées, et la haute température imposait un masque en oxyde. En revanche, l'implantation endommage le cristal et nécessite un recuit.

Quel est le principal objectif du recuit (traitement thermique) après implantation ionique ?

  1. AÉvaporer et éliminer les impuretés implantées
  2. BRéparer les défauts cristallins et placer les impuretés en sites substitutionnels pour les activer électriquement
  3. CFaire croître un oxyde épais à la surface du wafer
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Réponse : B. Réparer les défauts cristallins et placer les impuretés en sites substitutionnels pour les activer électriquement

Les ions implantés désorganisent le cristal de silicium, et la plupart restent en positions interstitielles où ils n'agissent ni comme donneurs ni comme accepteurs ; juste après l'implantation, ils sont donc presque inactifs électriquement. Le recuit répare les dommages cristallins et place les impuretés en sites substitutionnels pour les activer. Pour éviter une diffusion excessive des impuretés, on utilise le RTA, qui chauffe par lampes pendant quelques secondes, ou les recuits flash ou laser d'une milliseconde ou moins.

Quelle méthode est couramment utilisée pour limiter la canalisation (phénomène par lequel les ions pénètrent trop profondément en passant par les interstices du cristal) en implantation ionique ?

  1. AMaximiser l'énergie d'accélération
  2. BNettoyer le wafer après implantation
  3. CIncliner le wafer de quelques degrés par rapport à l'axe cristallin lors de l'implantation
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Réponse : C. Incliner le wafer de quelques degrés par rapport à l'axe cristallin lors de l'implantation

Lorsque les ions entrent dans l'alignement des rangées atomiques du cristal, ils passent par les interstices entre rangées (canaux), subissent peu de collisions et pénètrent plus profondément que prévu (canalisation). On la limite en inclinant le wafer d'environ 7° par rapport à l'axe cristallin et en décalant aussi la rotation, en implantant à travers un oxyde mince en surface (oxyde écran) qui disperse les directions, ou en amorphisant préalablement la surface. La queue profonde du profil diminue et la jonction devient moins profonde.

  1. Comment appelle-t-on le phénomène par lequel, au début du recuit après implantation, la diffusion du bore notamment s'accélère temporairement sous l'effet du silicium interstitiel créé par l'implantation ?
  2. À conditions de recuit identiques, que devient généralement la résistance carrée de la couche implantée lorsqu'on augmente la dose ?
  3. Quel avantage présente l'ajout de dopants pendant la croissance épitaxiale par rapport à la diffusion thermique ?

Questions d'entraînement sur Implantation ionique

Termes clés expliqués

Implantation ionique
Technique consistant à ioniser des impuretés, à les accélérer et à les implanter dans la plaquette. La dose et la profondeur peuvent être contrôlées avec précision.
Diffusion thermique
Méthode de dopage où des atomes d'impuretés sont diffusés dans le semi-conducteur à haute température. Ils se répartissent des zones de forte concentration vers celles de faible concentration.
Diffusion accélérée transitoire (TED)
Au début du recuit après implantation, accélération temporaire de la diffusion du bore, etc., due à l'excès de silicium interstitiel créé par l'implantation. Elle gêne la formation de jonctions peu profondes.

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