Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Processi successivi/Impiantazione ionica

L’impiantazione ionica consiste nell’introduzione di atomi carichi ad elevata energia in un substrato, solitamente un wafer silicio, al fine di variarne la resistività (si ottiene quindi il drogaggio del silicio).

L’uso delle tecniche di impiantazione ionica su semiconduttori, al fine di mutarne le caratteristiche chimico-fisiche ed elettriche, si è sviluppato in alternativa ad altre tecniche di drogaggio, quali la diffusione, assumendo un’importanza sempre crescente.

Tra i principali vantaggi di questa tecnica rispetto alla diffusione, c’è la possibilità di realizzare profili di concentrazione molto precisi, controllando il numero di ioni impiantati e la loro profondità di penetrazione. Inoltre è un processo che avviene a temperature più basse rispetto alle altre tecniche di drogaggio e non produce reazioni chimiche potenzialmente inquinanti.Nell'impiantazione ionica, come nella diffusione, la zona interessata al drogaggio è scelta attraverso una maschera. Strati sottilissimi di semiconduttore drogato possono oggi essere cresciuti anche tramite tecniche quali l’epitassia da fascio molecolare (MBE, Molecular Beam Epitaxy) e l’epitassia da fase vapore (CVD, Chemical Vapor Deposition) con le quali è possibile ottenere un elevatissimo controllo degli spessori, ma non si riesce ad avere drogaggi molto elevati.

Il risultato dell'impiantazione dipende sostanzialmente dalla dose di ioni impiantati (determina il picco di concentrazione del drogaggio) e dall'energia iniziale degli ioni da impiantare (determina la profondità del drogaggio), un altro elemento importante è rappresentato dalla massa dello ione drogante (in base alla massa del drogante si possono avere fenomeni di scattering elettronico o nucleare con gli atomi del materiale da drogare).

Lo svantaggio principale dell’impiantazione ionica è però costituito dalla necessità di procedere alla ricostruzione dell’ordine cristallino del semiconduttore danneggiato dall’impatto degli ioni ad elevata energia.

Impiantatore ionico

I componenti principali di un impianto per impiantazione ionica sono :

• Sorgente ionica: costituita da un filamento riscaldato per ionizzare il gas sorgente (AsH3,PH3,BF3 o solido riscaldato in forno);
• Sistema di estrazione:la tensione di estrazione di circa 40 kV estrae gli ioni dalla sorgente fino a formare il fascio ionico;
• Analizzatore magnetico di massa: seleziona la specie da impiantare tra quelle che costituiscono il plasma effettuata mediante campo magnetico. Questo viene scelto opportunamente in modo tale che solo gli ioni che possiedono il desiderato rapporto massa/carica possono attraversarlo senza venire filtrati;
• Tubo di accelerazione: gli ioni selezionati vengono qui accelerati fino all’energia di impiantazione;
• Sistema di Focalizzazione: Il fascio viene focalizzato su una sezione ridotta e con le volute proprieta’ di uniformita’;
• Sistema di scansione: il fascio ionico viene fatto scansire sulla superficie del wafer mediante degli elettrodi di deflessione elettrostatica;
• Stazione di monitoraggio: la dose di impianto viene controllata monitorando la corrente ionica durante l’impiantazione;
• Stazione terminale: Il fascio ionico viene pennellato sul wafer dove avviene l’impiantazione ionica;

Sorgente ionica

Consiste di uno o al massimo due filamenti posizionati all’interno di una camera “Arc Chamber” che funge da anodo. Il filamento di tungsteno quando è attraversato da corrente elettrica (~200 Ampere) emette elettroni per effetto termoionico.

Una differenza di potenziale “Arc Voltage” viene applicata tra filamento ed Arc Chamber (i valori tipici variano da 50 a 90 Volt), il cui scopo è di accelerare gli elettroni verso le pareti dell’ Arc Chamber. Per massimizzare il rendimento del sistema, tutta la sorgente ionica è posizionata all’interno di un campo magnetico, che incurva le traiettorie elettroniche.

Durante il tragitto, gli elettroni accelerati collidono con il gas che entra nell’ Arc Chamber per mezzo di un foro praticato in una delle pareti, ionizzandolo. A regime il gas è quasi completamente ionizzato portandosi nello stato di Plasma.

Gli ioni generati all’interno dell’Arc Chamber vengono estratti da una differenza di potenziale (campo elettrico) applicata tra la Front Slit ed un elettrodo posto di fronte alla stessa apertura (Extraction Electrode).

Analizzatore magnetico di massa

Il fascio ionico estratto include una varietà di ioni non desiderati ma pur sempre presenti. Per selezionare solo quelli aventi massa atomica desiderata, viene impiegato uno spettrometro di massa sul quale è applicato un campo magnetico perpendicolare alla direzione del fascio.

L'effetto del campo magnetico è quello di creare agli ioni che vi transitano, una traiettoria circolare il cui raggio di curvatura dipende dal rapporto massa/carica, ovvero:

$r={\sqrt {\frac {2mV}{q}}}{\frac {1}{B}}$

Con questo sistema, gli ioni di massa maggiore/minore subiranno traiettorie più larghe/strette arrestandosi sulle pareti interne dell’analizzatore. Viceversa, gli ioni appartenenti alla specie da impiantare subiranno invece una deflessione tale da passare attraverso l’analizzatore senza urtare contro le sue pareti.

Interazione degli atomi di drogante con il substrato e necessità dell'annealing

Durante il processo di impiantazione ionica gli atomi di drogante vanno a colpire il substrato di materiale da drogare con una elevata energia. L'atomo di drogante penetrerà all'interno del substrato e perderà progressivamente questa energia attraverso una serie di urti fino a fermarsi.

Si possono avere due tipi di urto:

• scattering nucleare
• scattering elettronico

Nello scattering nucleare gli atomi di drogante urtano i nuclei degli atomi del reticolo, questo genere di urti produce una dislocazione di alcuni atomi del reticolo. Nello scattering elettronico gli atomi di drogante collidono con gli elettroni degli atomi del substrato. In questo secondo caso l'atomo drogante non perderà molta della sua energia cinetica mentre l'elettrone coinvolto nell'urto viene portato in uno stato eccitato.

Date queste interazioni tra drogante e substrato è facile intuire la necessità del processo di annealing (ricottura).

Annealing

L'annealing consiste in un riscaldamento del wafer dopo l'impiantazione, consente di riparare il reticolo ed attivare gli atomi di drogante (fa si che questi atomi vadano ad occupare le posizioni corrette all'interno del reticolo cristallino rendendo disponibile l'elettrone o la lacuna che darà origine alla conduzione). Il processo di annealing può essere lento o veloce. In un annealing lento si ha lo svantaggio di causare una diffusione dei droganti, questo porta ad un peggioramento del profilo di drogaggio. Si preferisce perciò un processo di annealing rapido (RTA) che attiva il drogante, ma non lo fa diffondere in profondità.

RTA (Rapid Thermal Annealing)

Il wafer viene riscaldato velocemente a pressione atmosferica. Le lampade utilizzate nel sistema RTA sono filamenti di tungsteno ad alta potenza e la temperatura misurata sul wafer è di solito compresa tra gli 800 e i 1200C°. La camera di processo è in genere di quarzo o carburo di silicio ed ha una finestra di quarzo attraverso la quale la radiazione ottica passa per illuminare il wafer. Di seguito si riporta la figura di una macchina per RTA

Distribuzione degli ioni

Gli ioni accelerati perdono la loro energia attraverso collisioni con gli elettroni e i nuclei del substrato, e alla fine si arrestano. Poiché il numero di collisioni per unità di profondità e l’energia persa in ogni collisione sono variabili casuali, un insieme di ioni aventi la stessa massa e la stessa energia iniziale mostreranno alla fine una certa distribuzione spaziale. L'energia di impianto determina la profondità dello strato impiantato nel silicio. Maggiore è l' energia di impianto maggiore sarà lo strato di impiantazione degli ioni sul substrato. Non tutti gli ioni impiantati si posizionano alla stessa profondità nel silicio, ma si distribuiscono all'interno del wafer con una forma che è approssimabile ad una curva gaussiana che dipenderà dalla profondità media (profondità per la quale si ha il picco di concentrazione del drogante) e dalla deviazione standard (dispersione degli ioni attorno al punto di massima concentrazione).