Nederlands
Menu

Thermische diffusie versus ionenimplantatie: dopeermethoden vergeleken

Beide zijn methoden om onzuiverheidsatomen (doteringsatomen) in silicium te brengen om de elektrische eigenschappen te regelen. Bij thermische diffusie diffundeert de dotering bij hoge temperatuur uit een bron. Bij ionenimplantatie worden doteringsionen versneld en in de wafer geschoten. Implantatie geeft veel nauwkeuriger controle over hoeveel er wordt ingebracht en waar, waardoor het diffusie bij het merendeel van de dotering in moderne IC's heeft vervangen. Er is echter een anneal (warmtebehandeling) nodig om het kristal te herstellen.

KenmerkThermische diffusieIonenimplantatie
PrincipeDotering diffundeert door een concentratiegradiënt uit een gas-, vaste of filmbron in silicium van hoge temperatuur (ongeveer 900 tot 1.100 °C)Doteringsionen worden met een elektrisch veld versneld (keV tot MeV) en in de wafer geschoten
Beheersing van de dosisMoeilijk. Hangt af van oppervlakteconcentratie, temperatuur en tijdNauwkeurig. De dosis is te meten als ionenstroom
DiepteprofielDe concentratie is aan het oppervlak het hoogst en neemt met de diepte afPiek onder het oppervlak. De diepte wordt bepaald door de ionenenergie
RichtingsgevoeligheidIsotroop. Verspreidt zich ook zijwaarts onder het maskerVrijwel gericht. Een fotoresistmasker volstaat
TemperatuurHoge temperatuur gedurende het hele procesDicht bij kamertemperatuur tijdens de implantatie. Daarna is wel een anneal bij hoge temperatuur nodig
KristalschadeWeinigHet rooster raakt beschadigd. Herstel en activering van de dotering gebeuren met een anneal
Ondiepe junctiesMoeilijk bij kleine afmetingenGeschikt. Met lage energie kan de dotering vlak onder het oppervlak worden gebracht
Kosten van apparatuurLaag. Eenvoudige ovensHoog. Ionenimplantatiemachines zijn groot en duur
Belangrijkste toepassingenDrive-in van diepe wells, emitters van zonnecellen, oudere processenSource/drain, wells, afstelling van de drempelspanning. Vrijwel alle moderne IC's

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Thermische diffusie
Wanneer de junctie diep is, de structuur eenvoudig en de kosten belangrijk zijn. Sommige zonnecellen en vermogensdevices.
Ionenimplantatie
Wanneer dosis, diepte en positie nauwkeurig moeten worden bepaald. Bij transistors voor logica en geheugen is dit de keuze.
Samen gebruikt
Implantatie brengt de dotering in en een daaropvolgende stap bij hoge temperatuur herstelt het kristal, activeert de dotering en laat die door diffusie nog iets dieper doordringen.

Veelgestelde vragen

Waarom heeft ionenimplantatie diffusie vervangen?

Omdat implantatie dosis en diepte nauwkeurig regelt, bij bijna kamertemperatuur plaatsvindt met een eenvoudig fotoresistmasker en doteringsatomen zelfs in zeer ondiepe lagen kan brengen.

Waarom is na ionenimplantatie een anneal nodig?

Door de implantatie raakt het kristalrooster beschadigd. Een anneal herstelt de schade en brengt de doteringsatomen op roosterposities, zodat ze elektrisch actief worden.

Wat is channeling?

Verschijnsel waarbij geïmplanteerde ionen langs de kanalen in het kristal veel dieper doordringen dan verwacht. Het wordt verminderd door de wafer een paar graden te kantelen of door een amorfe laag te implanteren.

Wordt thermische diffusie nog gebruikt?

Ja. Het wordt gebruikt voor diepe juncties en eenvoudige structuren waar kosten belangrijk zijn (zoals sommige zonnecellen en vermogensdevices) en om de dotering na implantatie dieper te laten doordringen.

Test uw begrip

Wat is het belangrijkste voordeel van ionenimplantatie ten opzichte van thermische diffusie?

  1. AHet kan bij lage temperatuur worden uitgevoerd en dosis en diepte zijn nauwkeurig te regelen
  2. BHet kan bij hoge temperatuur gedurende lange tijd worden uitgevoerd
  3. CHet veroorzaakt helemaal geen schade aan het kristal
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Het kan bij lage temperatuur worden uitgevoerd en dosis en diepte zijn nauwkeurig te regelen

Ionenimplantatie kan bij ongeveer kamertemperatuur worden uitgevoerd, zodat fotoresist als masker kan worden gebruikt, en de geïmplanteerde hoeveelheid kan met een nauwkeurigheid van ongeveer ±1% worden beheerd via de geïntegreerde bundelstroom. Ook de diepte is onafhankelijk met de energie te regelen en een breed doseringsbereik van 10¹¹ tot 10¹⁶ cm⁻² is hanteerbaar. Bij thermische diffusie zijn oppervlakteconcentratie en diepte aan elkaar gekoppeld en was door de hoge temperatuur een oxidemasker nodig. Ionenimplantatie veroorzaakt echter kristalschade, dus een anneal na de implantatie is nodig.

Wat is het juiste hoofddoel van een anneal (warmtebehandeling) na ionenimplantatie?

  1. ADe geïmplanteerde dopeerstof laten verdampen en verwijderen
  2. BKristaldefecten herstellen en de dopeerstof op roosterplaatsen brengen zodat die elektrisch wordt geactiveerd
  3. CEen dikke oxidefilm op het waferoppervlak laten groeien
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Kristaldefecten herstellen en de dopeerstof op roosterplaatsen brengen zodat die elektrisch wordt geactiveerd

Geïmplanteerde ionen verstoren het siliciumkristal en blijven grotendeels op interstitiële plaatsen waar ze niet als donor of acceptor werken, dus direct na implantatie zijn ze nauwelijks elektrisch actief. Tijdens de anneal herstelt de kristalschade en worden dopeerstoffen op roosterplaatsen gebracht en geactiveerd. Om te sterke diffusie van de dopeerstof te voorkomen, worden RTA (enkele seconden met lampen verwarmen) en flashlamp- of laser-anneal in milliseconden of korter gebruikt.

Welke methode wordt gewoonlijk gebruikt om channeling (het verschijnsel dat ionen door de ruimten in het kristal te diep doordringen) bij ionenimplantatie te onderdrukken?

  1. ADe versnellingsenergie maximaliseren
  2. BDe wafer na de implantatie reinigen
  3. CDe wafer enkele graden ten opzichte van de kristalas kantelen bij het implanteren
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. De wafer enkele graden ten opzichte van de kristalas kantelen bij het implanteren

Wanneer ionen langs de atoomrijen van het kristal binnenkomen, passeren ze de ruimten (kanalen) tussen de atoomrijen met weinig botsingen en dringen dieper door dan bedoeld (channeling). Het wordt onderdrukt door de wafer ongeveer 7° ten opzichte van de kristalas te kantelen en ook de rotatiehoek te verschuiven, door via een dunne oxidefilm aan het oppervlak (screen-oxide) de richting te verspreiden, of door het oppervlak vooraf amorf te maken. De diepe staart van de verdeling neemt af en de junctie wordt ondieper.

  1. Hoe heet het verschijnsel waarbij in de beginfase van de anneal na ionenimplantatie de diffusie van boor en dergelijke tijdelijk sneller verloopt door de invloed van interstitieel silicium dat door de implantatie is ontstaan?
  2. Wat gebeurt er in het algemeen met de laagweerstand van de geïmplanteerde laag als bij dezelfde annealomstandigheden de ionendosis wordt verhoogd?
  3. Welk voordeel heeft het toevoegen van onzuiverheden tijdens epitaxiale groei ten opzichte van thermische diffusie?

Oefenvragen over Ionenimplantatie

Belangrijke termen uitgelegd

Ionenimplantatie
Techniek waarbij onzuiverheden worden geioniseerd, versneld en in de wafer geschoten. Dosis en diepte zijn nauwkeurig te regelen.
Thermische diffusie
Dopeermethode waarbij onzuiverheidsatomen bij hoge temperatuur de halfgeleider in diffunderen. Ze verspreiden zich van hoge naar lage concentratie.
Transient enhanced diffusion (TED)
Verschijnsel waarbij in het begin van het gloeien na ionenimplantatie de diffusie van onder meer boor tijdelijk versnelt door overtollig interstitieel silicium uit de implantatie. Bemoeilijkt het maken van ondiepe juncties.

Verwante vergelijkingen