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’deposizione chimica 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.

Componenti di un 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 un 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 proprietà di uniformità;
• 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.

Disegno schematico di una sorgente ionica per impiantazione ionica

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 fessura frontale (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 strumento simile ad uno spettrometro di massa nel quale è applicato un campo magnetico perpendicolare alla direzione del fascio.

L'effetto del campo magnetico è quello di rendere la traiettoria degli ioni circolare, ed il raggio di curvatura dipende dal rapporto massa/carica, ovvero:

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

Con questa tecnica, 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 una deflessione tale da passare attraverso l’analizzatore senza urtare contro le sue pareti.

Interazione ioni–substrato

Quando gli ioni accelerati raggiungono la superficie del substrato, iniziano a interagire con gli atomi del reticolo cristallino. La loro energia cinetica viene progressivamente dissipata attraverso una combinazione di scattering nucleare (urti elastici con i nuclei del reticolo) e scattering elettronico (collisioni anelastiche con gli elettroni). L’insieme di questi processi determina la profondità di penetrazione, la distribuzione del drogante e il danno strutturale introdotto nel materiale.

Scattering nucleare

Lo scattering nucleare avviene quando l’atomo incidente urta un nucleo del reticolo in modo quasi elastico. È dominante a basse energie (10–100 keV). Provoca spostamenti atomici, vacanze e interstiziali, cioè difetti che rompono la continuità del reticolo cristallino. Parte dell’energia viene trasferita agli atomi bersaglio, generando cascate di collisioni che possono amorfizzare localmente il materiale.

Il numero medio di collisioni e la profondità di arresto dipendono dal rapporto di massa tra ione incidente e atomo del substrato, e dall’energia iniziale dell’ione.

Scattering elettronico

Lo scattering elettronico è dovuto alle interazioni coulombiane con gli elettroni del reticolo. È dominante ad energie elevate (>100 keV) e porta a una perdita di energia continua e graduale. Non altera direttamente la posizione degli atomi, ma contribuisce al riscaldamento locale e alla ionizzazione del reticolo.

La perdita di energia totale dell’ione può essere descritta come:

$S(E)=S_{n}(E)+S_{e}(E)$

dove:

• $S_{n}(E)$: potere frenante nucleare (nuclear stopping power);
• $S_{e}(E)$: potere frenante elettronico (electronic stopping power).

Profondità di penetrazione e distribuzione

A causa della natura statistica delle collisioni, gli ioni non si arrestano tutti alla stessa profondità, ma seguono una distribuzione di range che può essere approssimata da una curva gaussiana:

$C(x)={\frac {Q}{{\sqrt {2\pi }}\,\Delta R_{p}}}\exp \left[-{\frac {(x-R_{p})^{2}}{2\,\Delta R_{p}^{2}}}\right]$

dove:

• $C(x)$: concentrazione locale del drogante;
• $Q$: dose impiantata;
• $R_{p}$: profondità media di penetrazione (projected range);
• $\Delta R_{p}$: deviazione standard (straggle).

Il valore di $R_{p}$ cresce con l’energia di impiantazione e diminuisce con la densità atomica del materiale.

Channelling (canalizzazione)

Nei materiali cristallini, se il fascio ionico è allineato lungo direzioni cristallografiche ad alta simmetria (come [100] o [110] nel silicio), gli ioni possono penetrare più in profondità seguendo i canali interatomici del reticolo. Questo fenomeno, detto channelling, riduce la probabilità di collisioni dirette con i nuclei e aumenta il range effettivo.

Per evitare il channelling indesiderato:

• il campione viene spesso inclinato (tilt) di alcuni gradi rispetto al fascio;
• oppure si deposita uno strato amorfo di pre-amorfizzazione (ad esempio con impianto di Si o Ge a bassa energia) per interrompere l’ordine cristallino superficiale.

Danni da impiantazione

Gli urti nucleari generano danni strutturali nel reticolo:

• vacanze e difetti interstiziali;
• zone parzialmente amorfe;
• accumulo di stress meccanico.

Il danno dipende da:

• la massa dell’ione (più pesante maggiore danno);
• l’energia (più alta causa una penetrazione maggiore, ma genera un danno distribuito);
• la dose impiantata.

Per ripristinare la struttura cristallina e attivare elettricamente gli atomi droganti, si esegue un successivo trattamento termico di ricottura (annealing), che permette la ricristallizzazione e la diffusione controllata dei droganti nei siti reticolari.

Fenomeno	Effetto principale	Dipendenza
Scattering nucleare	Danni al reticolo, urti elastici	Energia bassa, ioni pesanti
Scattering elettronico	Perdita di energia continua	Energia alta
Channelling	Penetrazione più profonda	Direzione cristallina del fascio
Danni da impiantazione	Amorfizzazione, difetti puntuali	Energia, massa ionica, dose

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.

Schema del processo di rapid thermal annealing.

Si preferisce perciò un processo di annealing rapido (RTA) che attiva il drogante, ma non lo fa diffondere in profondità.

RTA (Ricottura termica rapida, 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 °C e i 1200 °C. La camera di processo è in genere di quarzo o di carburo di silicio ed ha una finestra di quarzo attraverso la quale la radiazione ottica passa per illuminare il wafer.