Az implantáció alkalmazásai félvezető eszközök előállítására

2.4.5. Az előállítására

implantáció

alkalmazásai

félvezető

eszközök

Mind a 2.1. Bevezetésben, mind az eddigiekben szerepeltek elszórtan a félvezető alkalmazások. Itt tovább részletezzük azokat, kezdve azzal, amely legfontosabb volt a sikertörténetben, a VT küszöbfeszültség beállításával. 2.4.5.1. MOS tranzisztorok küszöbfeszültségének beállítása

2.52. ábra. A VT küszöbfeszültség beállítása mindkét tipusú MOS tranzisztornál, sematikus ábra. A Vtp - Φ(P+) sereg négy görbéje az nzsebre vonatkozik. Ennek elkészültét követően egyetlen kisdózisú bórimplantáció beállítja a két tranzisztort. 400 Részlet Giber János, Vargáné Josepovits Katalin, Gyulai József, Biró László Péter: Diffúzió és implantáció szilárdtestekben (Egyetemi tankönyv, Műegytemi Kiadó, 1997) könyvből

A MOS téreffektus tranzisztor kapcsolási küszöbfeszültsége (pl. Sze [1988])

VT = φ mf −

Q Ox Q + 2ψ b − b C Ox C Ox

,

2.4.5

ahol φmf a félvezető-fém kilépési munkája (poli-Si kapu esetén =0), Qox a kapuoxidbeli töltés, ψb a szubsztrát Fermi-potenciálja, Qb töltés a kiürített rétegben és Cox a kapuelektród kapacitása. Egy p-csatornás eszköz tértöltési rétegébe implantált bór mint kompenzáló töltés, a pozitív feszültségek felé tolja el VT-t. Egyúttal, ha van n-csatornás eszköz is a szeleten, a bór annak a feszültségét megemeli. De - ha az alapkristály adalékolási szintjét jól választjuk, ill. az n-zsebet megfelelő foszforimplantációval kialakítottuk - egyetlen B+ implantációval el lehet végezni a kétféle tranzisztor beállítását (2.52. ábra, kísérleti értékeket l. Ohzone et al. [1980]). Mint az egyik legkisebb dózist igénylő alkalmazás, a küszöbfeszültség beállításánál a rácshibák szerepe minimális, azaz a technológiai folyamat szokásos hőterhelése azok teljes hőkezelődését és a nominális dózis teljes elektromos aktiválását is eredményezi. Terjedelmi okok miatt nem lehet tárgyunk, hogy az implantáció valamennyi, gyakorlatban megvalósított alkalmazását ismertessük. Példákon azonban bemutatjuk, hogy az implantációs adalékolás flexibilitása milyen hatékony csatorna- és nyelő-optimálást tesz lehetővé. 2.4.5.2. Implantálás gyártástechnológiák

során

keltett

hibák

és

az

ULSI

A 2.4.2-5. fejezetekben elmondottak alapján világos, hogy a legújabb követelmények csak optimálások, ellentmondó feltételek kompromisszumaként elégíthetők ki. Emiatt vált talán a legfontosabb feladattá az ismeretek beépítése a technológia-szimulációs programokba, amelyek a bonyolult optimálásokat egyáltalán végrehajthatókká teszik. Ehelyt kell felhívnunk a figyelmet, hogy a szimulációs programok piacán a legtöbb programcsomag csak igen kevés fizikai, kémiai elvet épít be. A technológiai adatok kezelése, ezek statisztikai értékelése alapján működik

401 Részlet Giber János, Vargáné Josepovits Katalin, Gyulai József, Biró László Péter: Diffúzió és implantáció szilárdtestekben (Egyetemi tankönyv, Műegytemi Kiadó, 1997) könyvből

a legtöbb. Van azonban néhány szimpatikus kivétel, pl. az ICECREM1, amely a legtöbb művelet esetén első elvekre visszavezetve számolja az eszköz adatait. Ha csak az implantáció műveletét tekintjük, a korábbiakban említett programok (TRIM, MARLOWE) kielégítik a tudományos igényeket. 2.4.5.3. Sekély átmenetek, diffúzió és a tranziens diffúzió (TED)

Az 1 Gbit DRAM előállításánál a még elfogadható pn-átmenet mélysége xj = 60 nm. Az arzén (implantációs és egyéb) tulajdonságai lehetővé is teszik az ilyen sekély n+-kontaktus kialakítását. A hasonlóan sekély p+-kontaktus kialakítása B+ ionokkal azonban már nehézségekbe ütközik. Mindenek ellenére mégis a bór a legjobb kandidátus, mert ez az egyetlen p-adalék, amelynek a szilárd oldékonysága is megfelelő a kisellenállású kontaktusok előállításához. Két problémát kell megoldani: 1) a kistömegű bór ion csatornázódásából, 2) a fellépő tranziens diffúzióból ("transient enhanced diffusion", TED) fellépő gondokat, amelyek az átmenet mélyülését okozzák. A TED jelenség lényege, hogy akár kemencében hajtjuk végre a hőkezelést, mondjuk, 30 percig, Ta=800°C táján, akár RTA-val néhányszor tíz másodpercig 900°C táján, az időtartam első tizedében anomálisan gyors diffózióval nagyonis mélyre jut a bór. Az ezt követő időben szinte nincs diffúzió. Az a "valami", ami az anomálisan gyors diffúziót okozza, gyorsan elfogy. A jelenség magyarázata előtt tekintsük át a hagyományos diffúzió esetét szilíciumban. Emlékeztetünk arra, hogy az adalékok (szennyezők) a félvezetőkben a következő mechanizmusok révén tudnak mozogni: 1) a szubsztitúciós(vakancia, V), 2) a vakancia-intersticiális (V-I), a kísérletileg megkülönbözhetetlen 3) intersticiós, ("interstitialcy") és kilökéses ("kick-off") mechanizmus, valamint 4) az egyszerű rácsközi ("interstitial") diffúzió (Mayer és Lau [1990]). A rácsközi diffúzió a legegyszerűbb: ilyenkor a rácsközi atomok "bujkálva" mozognak a szubsztitúciós atomok által kifeszített térben. Ekkor az ugrás gyakoriságát

k 0 = ν 0 exp( − E m / kT) 1

2.4.6

Az ICECREM programot a Fraunhofer Instiotut für Intergrierte Schaltungen B, Erlangen, Németország fejlesztette és fejleszti. 402 Részlet Giber János, Vargáné Josepovits Katalin, Gyulai József, Biró László Péter: Diffúzió és implantáció szilárdtestekben (Egyetemi tankönyv, Műegytemi Kiadó, 1997) könyvből

adja, ahol ν0 a rács termikus rezgési frekvenciája, Em a migráció aktivációs energiája (Gandhi [1983]). Így diffundálnak a Si rácsban a H, a Li, az F és egyes nemesgázok. Ez a leggyorsabb mozgás2, de az implantációs fejezet szempontjából ezek az anyagok csak annyiban tartoznak a tárgyhoz, hogy a félvezetőkben - egy-két kivétellel (lásd 2.4.6.) - nagyon is negatív a szerepük, nevezetesen az eszközök termikus stabilitásának lerontásáról, a töltéshordozók élettartamát csökkentő hatásukról, meg lehet és meg kell ehelyt is emlékeznünk.

4 3 2 1 rácsatom vakancia

rácsközi Si adalékatom

a.

b.

2.53. ábra. (a) Szubsztituciós, valamint (b) intersticiós diffúziós mechanizmus 2D semája. A rácsközi Si kilöki a szubsztitúciós adalékatomot

A V-I mechanizmusra az jellemző, hogy a legtöbb szennyezőnek eltérő a szubsztitúciós és rácsköziként való oldékonysága (a koncentrációk Ns, ill. Ni). Ennek megfelelően helyezkednek is el a rácsban. A szubsztitúciós és a rácsközi atomok mozoghatnak egymástól függően, de függetlenül is. Általában Ns>Ni, de a szubsztitúciós mozgás jóval lassabb. A két független mozgás kombinált ugrásfrekvenciája ν eff =

νs N s + ν i N i Ns + Ni

,

2.4.7

ahol νs és νi a megfelelő ugrásgyakoriságok. A folyamat egy szubsztitúciós (S) és egy rácsközi adalék (I) atom továbbá egy vakancia (V) reakcióegyenleteként írható le S ⇔ I + V.

2.4.8

A rácsközi diffúzióhoz tartozó D0 diffúziós együttható értéke a D = D0exp(-Em /kT) kifejezésből nyerhető, ahol, D0 = 10-3 cm2/s- től (H2, Li). A megfelelő Em aktivációs energiák közül a legkisebb a H2 0,48 eV, ezt követi a Li 0,7 eV.

2


Az adalékok mozgását a disszociáció sebessége vezérli, mert ez "termeli" a gyorsabb rácsközi diffuzánst. Nagy koncentrációjú helyekről az I atomok gyorsan távoznak (2.4.8 egyensúlya jobbra tolódik), ill. fordítva - a kis koncentrációjú helyeknél helyben maradnak, lassítva így a teljes diffúziót. A helyi vakancia-egyensúly fenntartásához vakancianyelők, pl. diszlokációk szükségesek. Ha a vakanciák nem tudnak megsemmisülni, a disszociáció lassul, 2.4.8 balra tolódik. Érthető, hogy a V-I mechanizmusnál a diffúziós sebesség erősen függ mind az adalékatomok, mind a rácshibák koncentrációjától. A szubsztituciós és az intersticiós mechanizmust egy 2D sematikus ábrával is bemutatjuk (2.53. ábra). A szubsztituciósmechanizmusban (V-mechanizmus) (a) az adalékatom átugrik egy vakancia-helyre, ha ez utóbbi a szomszédjába vándorolt. Nem meglepő, hogy ez a mechanizmus lassú diffúziót eredményez. Az intersticiós mechanizmus (b) lényegét is kiolvashatjuk az ábrából: ha rácsközi Si atomok és egyidejűleg a rácsatomokhoz hasonló méretű adalékok is vannak jelen, akkor ez utóbbiak egy része szubsztitúciós. A Si képes ezeket kilökni és maga kerül rácspontba. A hasonló atmérőjű adalék (III., V. oszlopbeli elem) azonban szintén képes egy szomszéd rácsatomot kilökni és ezzel új rácsközi Si-t létrehozni. A kilökéses mechanizmus csak abban különbözik az intersticióstól, hogy a kilökések között a komponensek rácsközi atomként is hosszabban diffundálnak. A két mechanizmust emiatt kísérletileg nem is sikerült megkülönböztetni. Általában az az elfogadott, hogy az "intersticiális" adalékokként számon tartott atomok azok, amelyek hosszabban diffundálnak a két kilökés között. A Si legfontosabb adalékai e mechanizmusok kombinációjával diffundálnak, de amíg az Sb esetében a V-mechanizmus, addig a B és P esetében az intersticiós mechanizmus dominál. Az As is főleg Vmechanizmussal mozog, de nagyobb az I-komponense, mint az Sb-nak. Az Al, Ga és In esetében szintén nagy az I-arány. A Co, Cu, Au, Fe, Ni, Pt és Ag I-V-diffuzáns, noha "gyors"-ak (a megfelelő Em aktivációs energiák: Fe 0,9 eV, a Cu 1,0 eV, a Pt 2,2 eV, végül az Aui 0,39eV). A rácsközi Si 1000°C alatt vakancia-, felette I-kontrolláltan mozog.


2.54. ábra. Bór újraeloszlása kemencében, ill. RTA-ban (kombináltan is) végrehajtott hőkezelési ciklusok esetén (Michel et al. [1987] nyomán). Meglepő, hogy RTA előkezelés után alig tapasztalunk diffúziót.

Ezek után visszatérünk a tranziens diffúzió részletezéséhez. Az első meglepő hőkezelési eredményt Michel et al. [1987] publikálta 60 keV-es, 2x1014/cm2 dózisú bór különféle hőkezelési feltételek mellett fellépő diffúziójáról. Mind FA, mind RTA kezelést, valamint azok kombinációját is alkalmazták. A 2.54. ábrán összehasonlítjuk a 35 perces, Ta = 800°C-on végzett hőkezelés utáni profilt azzal a bórprofillal, amely úgy áll elő, hogy a kemencés hőkezelést megelőzi egy rövid RTAkezelés. Világosan látszik, hogy az RTA valamit úgy megváltoztatott, hogy azt követően a kemencés hőkezelés már alig okozott diffúziót. Michel et al. az eseményt a defektekből szétáramló rácsközi atomok és a szubsztitúciós bór kölcsönhatásának tulajdonítja, amely magyarázat mindmáig igaznak látszik: a rácsközi Si és az eleve jelentős százalékban (kb. 30%) szubsztitúciós bór az intersticiós mozgással mozog.


A TED során szerepet játszó rácsközi atomok eredetét illetően legalább két, jól megkülönböztethető forrásról tudunk. (Emlékeztetünk arra, hogy az elsődleges hibák {311} hibákká kondenzálódnak (2.4.2.1.), és ez már 600°C-on is gyorsan bekövetkezik.) 1) Ha Si+ ionokat implantálunk és ezt egy olyan mintába tesszük, amelyben egy nagyon keskeny és nagykoncentrációjú B profil van (δdoping), e profil akkor szélesedik, amikor a {311} hibák oldódni kezdenek. 2) Ha bórt implantálunk tiszta szilíciumba, akkor a TED-hez szükséges rácsközi Si atomok elsődlegesen a bór-intersticiális fürtök ("boron interstitial cluster", BIC) oldódásából származnak és csak ezután indul meg a {311} hibák oldódásából származó áram. A {311} hibák, hosszan elnyújtott, rúdszerű hibák és a {311} síkban találhatók - innen a nevük. Ezek a hibák az <110> irányban elnyújtottak, és annak ellenére, hogy több száz nm hosszúságúak lehetnek, szélességük ritkán lépi túl a 10 nm-t. Valószínűnek látszik, hogy ezek nagyon alacsony konfigurációs energiával rendelkező "rácsközi atom-tartályok"-ként viselkednek. Térjünk most át arra az esetre, amikor amorf réteg is keletkezik. Az ilyenkor szinte mindig fellépő EOR hibák igen fontos, bár nem dicsőséges szerephez jutnak az integrált áramkörök gyártásában. Amorf rétegek ui. nem csak önimplantáláskor jönnek létre, hanem megtalálhatók mind a foszfor és arzén, mind pedig a BF2+ implantálás esetében. Az EOR hibák kétféle hatást fejtenek ki a gyártási folyamat során. Először, a 600°C-on történő újranövesztés után megjelennek az első {311} hibák és hurkok. További, 700 és 800°C közötti hőkezelés esetén a {311} hibák ugyan feloldódnak, de eközben TED-et okoznak. Nemrég bizonyították be, hogy a {311} hibák oldódásával TED zajlik az újranövekedett szilíciumban is (Jones et al. [1996]. A közelmúltban két ok miatt tovább növekedett a TED jelenségre fordított figyelem. Az első az, hogy lehetetlenné tudja tenni a jelenlegi kívánalmak kielégítését, ugyanakkor még nehezen is modellezhető. A modellezés ui. létkérdés egy pontos gyártástechnológiai szimuláció kidolgozásához. A második ok, hogy nemrégen jelentős előrehaladás történt: TEM segítségével, Si+ implantálás esetén mennyiségileg is meghatározták a TED-et előidéző intersticiálisok koncentrációját.


A TED mértékének minimálisra csökkentése érdekében különböző megközelítéseket alkalmaztak. Az egyik első sikeres kisérletet Ozturk et

2.55. ábra. 10 keV, 1x1015 cm-2 bórprofil Ge preamorfizálás esetén (1x1015 cm-2) (a); ugyanaz kétlépcsős (kemence 550°C, 30 min, RTA 1050°C 10 s) hőkezelést követően (Ozturk et al. [1988] nyomán)

al. [1988] ismertette (2.55. ábra). Az (a) ábra a csatornázódás hatását mutatja. A (b) ábra a diffúziónak a előamorfizáció hatására bekövetkező csökkenését mutatja. A készített diódák elektromos viselkedése a B és C esetben volt a legjobb, ekkor a pn-átmenet az a/k határ mögé került. Nemrég Stolk et al. [1995] kimutatta, hogy a szén hatékony inetrsticiális csapdaként működik, és ha MBE segítségével előre belenövesztik a szilíciumba, akkor teljesen kiküszöbölheti a TED hatásait. Ha a szenet implantálják, akkor is csökkenti a TED mértékét, de nem annyira hatékony, valószínűleg azért, mert ebben az esetben a C implantálás során keltett rácsközi atomokkal már részben telítődik. Sajnos, az eszközparaméterek romlanak a szén bevitele miatt, emellett az MBE bevonása a tömegtermelésbe gazdaságilag elfogadhatatlan. Egy másik lehetőség a többlet rácsközi atom kiküszöbölésére a nagyenergiájú implantálás. Holland és White [1996] kimutatta, hogy alacsony energiájú bórral implantált réteget nagyenergiájú ionnal felülimplantálva, a TED mértéke számottevően csökkenthető. Az eredményt az Rp-nél sekélyebb tartománybeli 407 Részlet Giber János, Vargáné Josepovits Katalin, Gyulai József, Biró László Péter: Diffúzió és implantáció szilárdtestekben (Egyetemi tankönyv, Műegytemi Kiadó, 1997) könyvből

nagy vakancia-populáció számlájára írják. Ez a megoldás egyike azoknak, amelyeket "defekt-mérnöki" módszereknek nevezünk. További lehetőséget kínál az amorfizálási küszöb alatti dózisok alkalmazása. Ekkor a csatornázódás már csökken, de EOR hibák még nem képződnek: Kase et al. [1990] 10 keV energiájú BF2+ implantálást alkalmazott a kritikus dózis 30-60%-át elérő dózisban. Schreutelkamp et al. [1991] az implantálást több lépésben végezte úgy, hogy az egyes maradt és köztük stabil hibákat kialakító lépésekben Φ < Φa részhőkezeléseket alkalmazott. Így a folyamat végén hibamentes rétegek álltak elő. Sajnos, ez az eljárás sem alkalmas technológiai bevezetésre. Ismét egy további ötlet, amelyet Sai-Halasz et al. [1987]] fogalmazott meg, abban áll, hogy az előamorfizálásra - a IV oszlopbeli ionok helyett - a III. vagy V. oszlopbeli nehéz ionokat kell alkalmazni. Mivel ekkor a Φa igen kicsi, akár ellentétes vezetési tipust adó ionok is alkalmazhatók. A "csak-III.-oszlop" technika érdekes további előnye, hogy a Ga vagy In roncsolása jóval alacsonyabb hőmérsékleten hőkezelhető, mint a Si önimplanté vagy Ge-é (Lin és Steckl [1990]). Ha az elektromos tulajdonságokra gyakorolt negatív hatásokat minimálisra csökkenthetjük is, az EOR hibák mindenképpen jelentős hatást gyakorolnak a diffúzióra.A magyarázat az, hogy az EOR hibák Iforrásként működnek azt követően, amikor a {311} hibák oldódása, majd a diszlokáció hurkok oldódása már lezajlott. Ugyanakkor azonban az EOR diszlokáció hurkok be is foghatják a {311} hibák oldódásából származó rácsközi Si atomokat és ezáltal csökkentik a TED folyamatban résztvevő intersticiálisok számát. Vannak (ma még?) kevésbé szokványos eljárások a sekély átmenetek kialakítására, mint például a plazma immerziós ionimplantálás (PIII, 2.7.2. fejezet), és a lézerimpulzussal végzett adalékolás (PLAD). A PIII során a szeletet olyan plazmába "merítsük", amely tartalmazza a kívánt adalékot, míg a PLAD úgy valósítja meg az adalékolást, hogy a felületet olyan atmoszférában olvasztja meg, amely tartalmazza az adalékanyagot. Mindkét eljárás ígéretesnek látszik a tizedmikron mély átmenetek előállítását illetően. A gondok inkább a nagy felületek kezelése és az adalékolás egyenletessége körül vannak. Ezeknek az eljárásoknak a biztató eredményei ellenére, valószínűnek látszik, hogy az elkövetkezendő néhány generációs IC a már "hagyományos" implantálásra alapozva fog elkészülni. 408 Részlet Giber János, Vargáné Josepovits Katalin, Gyulai József, Biró László Péter: Diffúzió és implantáció szilárdtestekben (Egyetemi tankönyv, Műegytemi Kiadó, 1997) könyvből

2.4.7. Nagyenergiájú implantálás és getterezés

Ebben a fejezetben a nagyenergiájú (néhány száz keV - MeV tartományt értjük ezen) implantációnak három területen való alkalmazását ismertetjük. Ezeknek köszönhető, hogy az elmúlt években meredeken nőtt a nagyenergiájú implanterek piaca. A sekély átmenetek előállítási gondjaira gondolva, nem kizárt, hogy ez az új terep marad meg a legtartósabban az implantációs eljárás számára. A nagyenergiájú implantálásnak a CMOS áramkörök zsebeinek előállítására való felhasználása mindig is kézenfekvő volt3. Az érdeklődés feléledését az indította el, hogy az implantációval lehetőség van hegymenetű ("retrograde", befelé növekvő adalékkoncentráció) implantált profilok kialakítására is. Ilyen profilok révén egyrészt elegendő vékonyabb epitaxiás réteget alkalmazni, ill. esetenként el is hagyható az epitaxiás réteg, másrészt csökken a CMOS eszközökben elektromos hatásra fellépő parazita bipoláris elemeknek a szerepe. A második ismertetendő alkalmazás a töltéshordozók élettartamának beállítása ionbesugárzással, amely a hosszadalmas nemesfém ("lifetime killer") diffúziót teszi feleslegessé és egyúttal a teljesítményeszközök technológiájának egységesítését is lehetővé teszi: az implantációs lépéssel testreszabott termékké lehet alakítani a standard technológiával elkészült elemeket. A harmadik terület a getterezés4. A getterezés abban az értelemben alkalmas kifejezés a félvezető eszközök előállításakor alkalmazott, rövidesen ismertetendő eljárásra, hogy a káros, de mozgékony szennyezőket a funkció szempontjából ártalmatlanabb helyeken (a hátlapon, a felület alatt, de az aktív eszközöktől távol stb.) stabilizáljuk.

3

A 2.4.6.1. fejezetben ismertetett alkalmazások egy része ebbe a fejezetbe (is) illik.

4

A "getterezés" kémiai/technikai fogalom, a szennyezéseknek "veszélytelen" helyen való megkötését, így hatástalanítását jelenti. Korábban az elektroncsövek vákuumának végső javítását (mai kifjezéssel: UHV-t hoztak létre!) végezték a csőbe forrasztott getteranyagnak (pl. Ti, V stb.) a hideg üvegfalra való átszublimálásával, amikoris a csőben lévő gázmolekulákat a getter megkötötte. 409 Részlet Giber János, Vargáné Josepovits Katalin, Gyulai József, Biró László Péter: Diffúzió és implantáció szilárdtestekben (Egyetemi tankönyv, Műegytemi Kiadó, 1997) könyvből

2.4.7.1. Hegymenetű implantált profilok

Egy CMOS áramkörben, ahol kétféle eszköz kétféle tipusú alapanyagban helyezkedik el, több parazita-hatás léphet fel. 1) Ahol összeér az n- és p-zseb, a polikristályos Si-vezeték hoz(hat) létre működőképes tranzisztort, 2) parazita n-csatornás tranzisztor léphet működésbe az n+ source és a szomszédos n-zseb között, 3) a 2) tüköresete, végül 4) parazita pnpn tirisztor kapcsolhat be, ami katasztrofális hibát okozhat az eszközben. Ez a jelenség a "latch-up", amelyet lecsapásnak5 is nevezhetünk.

2.56. ábra. a) Egy CMOS inverter keresztmetszete, sematikusan, a MeV energiájú implantációk helye bejelölve, b) az adalékolás profilja

Mindezek a gondok orvosolhatók az ionimplantáció segítségével. A mély profil, ha egyúttal hegymenetű is, nem csak gyorsabbá teszi a zsebek kialakítását, mint a mély, tehát hosszadalmas diffúzió, de a parazita tirisztor lecsapási érzékenységét is lecsökkenti - legalábbis egy alsó mérethatárig. Ezzel az "egyszerű" implantált CMOS technológiával 5

Dr. Mizsei János szó-ötlete: az automata biztosíték lecsapódása analógiájára.


jó karakterisztikájú áramkörök állíthatók elő (2.56. ábra). Többszörös implantációval pontosan tervezett emelkedő profilú n-zsebek alakíthatók ki a CMOS eszközökben. A tirisztor lecsapását (>4 µm eszközök közötti távolságnál) szintén jelentősen javítja a módszer. A lecsapás jelensége azt a folyamatot jelenti, amikor a CMOS tranzisztorok forrás/nyelő (source/drain, S/D) tartományaiból és a zsebekből létrejövő két bipoláris tranzisztor tirisztorrá kapcsolódva kezd működni. Azaz a pnp tranzisztor az npn-nek pozitív visszacsatolást is eredményező bázisáramot képes szolgáltatni. Ez nagy IH fenntartó áramot okoz a tirisztor pozitív és negatív végpontja között, ami lezárja a CMOS eszközt, netán tönkre is teszi. A fenntartó áram IH =

BL ( BV + 1)I Rw + BV ( BL + 1)I Rs BL BV − 1

,

2.4.9

ahol BL a laterális npn, BV pedig a vertikális pnp tranzisztor áramerősítése, IRw az n-zseb árama, az IRs a szubsztrát és p-zseb árama. A lecsapás iránti érzékenység csökkentésének az intenzitásokat vezérlő ellenállások, valamint a B áramerősítések csökkentését igényli. LOCOS

FR

p-Si B+

SiO2 n-zseb p-zseb

2.57. ábra. A két maszkot igénylő eljárás CMOS elemek előállítására, Borland és Seidel [1996]. Az első maszk a LOCOS (pl. Sze [1988]) kialakítására és az aktív felületek bór implantjához szükséges, a második öt implant lépést szolgál ki (pozitív és negatív lakk). FR: < 2,5 µm fotoreziszt

A ma legsikeresebb, nagyenergiájú implantációt alkalmazó eljárás (Borland és Seidel [1996]) fő előnye, furcsa módon, nem is csak az, hogy kisméretű ( < 0,5 µm) eszközöknél is képes az epitaxiás rétegnél hatékonyabban megakadályozni a tirisztor lecsapását , hanem hogy ötről 411 Részlet Giber János, Vargáné Josepovits Katalin, Gyulai József, Biró László Péter: Diffúzió és implantáció szilárdtestekben (Egyetemi tankönyv, Műegytemi Kiadó, 1997) könyvből

háromra, sőt kettőre tudta a maszkok számát leszorítani. A kétmaszkos "BILLI" eljárást a 2.57. ábrán bemutatjuk be. Az eljárás ötletesen kihasználja, hogy pozitív és negatív fotolakkal tükrözött ábrákat lehet előállítani, valamint azt, hogy magát a fotolakkot ionokra áttetsző maszkként lehet alkalmazni pl. a p-zseb befelé való kiterjesztésekor. Az ábra csak az ötödik implantációt illusztrálja, amikor az n- és a p-zseb kiterjesztése már kész.

2.4.7.2. Élettartam tervezés (Lifetime Engineering)

A korábbiakból következik az a lehetőség, hogy az ionok okozta rácshibákat tudatosan is alkalmazzuk a töltéshordozók élettartamának beállítására (természetesen csak annak csökkentésére). A kisebb élettartam - mint ismeretes - az eszköz kapcsolási sebességét növeli meg. Ilyen célra a MeV energiájú könnyű ionok igen alkalmasak, mert előszöris a már elkészült rétegstruktúrát kell átlőni úgy, hogy a rácshibák az aktív térfogatban keletkezzenek, másrészt a kistömegű ionok zömmel csak ponthibákat okoznak, amelyeknek az élettartammal való kapcsolata egyértelműbb, mint a véletlenszerűen kialakuló szerkezetű és méretű kiterjedt hibáké. A nagyteljesítményű bipoláris eszközök esetében éppen tanúi vagyunk az eljárás ipari térhódításának. Az eddigi technikai szint szerint a töltéshordozók élettartamának kívánt csökkentését a tiltott sávban mély csapdákat okozó nemesfém atomoknak (Pt, Au) a tértöltési tartományba való diffúziós bejuttatásával érik el. Nem nehéz belátni, hogy az eljárás nehézkes és nem könnyen reprodukálható. Ennek oka egyfelől, hogy ahhoz, hogy a tértöltési tartományban meghatározott csapdakoncentráció jöjjön létre, az egész szeletben egyenletes koncentrációt kell elérni. Az ezt biztosító hőkezelés nem csak hosszadalmas, de szennyeződés-érzékeny is. Másrészt, a diffúziót nem könnyű kézben tartani, hiszen a szóbanforgó elemek gyors diffuzánsok. Különösen akkor van gond, ha az eszköz méretei kicsinyek. Ráadásul, a folyamat izotróp, tehát az élettartamcsökkenés nem csak ott következik be, ahol az kívánatos, hanem az egész térfogatban. Az implantációs eljárás ezzel könnyen versenyez feltéve, hogy az implantációval keltett rekombinációs centrumok termikus stabilitása is megfelelő. A kísérletek azt mutatják, hogy ez is összemérhető a gyorsan 412 Részlet Giber János, Vargáné Josepovits Katalin, Gyulai József, Biró László Péter: Diffúzió és implantáció szilárdtestekben (Egyetemi tankönyv, Műegytemi Kiadó, 1997) könyvből

diffundáló nemesfémek által keltett rekombinációs centrumok stabilitásával: mindkettőnél gondok vannak, ha az eszköz hőmérséklete 200°C fölé emelkedik (2.4.2. fej.). Ez azonban, normális üzemben nem következhetik be. Az ionok alkalmazásának van egy további, még vitathatatlanabb előnye: az eljárás lehetővé teszi egy egységes félgyártmányból kiinduló "testreszabást". A MeV energiájú implantálás ui. lehet az utolsó, az elektromos viselkedést beállító lépés egy topológiailag egységes eszközcsalád gyártási folyamatában. A MeV energiájú könnyű ionok behatolása elegendően nagy ahhoz, hogy a kész eszköz teljes rétegszerkezetén, beleértve még a végső védőréteget is, úgy áthatoljanak, hogy a szükséges roncsolódás a megfelelő mélységben, azaz az eszköz aktív zónájában jöjjön létre. Az még további előny, hogy mindehhez rendkívül kis dózisok szükségesek: H+ és He+-ből 109 - 1010/cm2. A mai kutatások azt vizsgálják, hogy a kissé nehezebb (C, N, O) ionok nem alkalmasabbak-e. A H+ és He+ használata azonban inkább terjed, mert ezekből valamivel magasabb dózis kell azonos károsításhoz, s ezáltal a már nehezen kézben tartható, extrém kis dózisok mérési hibája lecsökken.


Hüppi [1990] vizsgálta részletesen a proton besugárzás keltette hibákat egy p+-n-n+ diódán, amelyet neutron transzmutáció6 útján foszforral adalékolt (111) FZ ("float zone", lebegő zóna) szilícium szeleten alakítottak ki. A DLTS mérésekkel nyert eredmények szerint a protonok által előidézett mély nívók zöme azonosítható volt a más úton keltett és már korábban értelmezett mély nivókkal (pl. Ferenczi et al.

2.58. ábra. Töltéshordozók élettartamának beállítása protonbesugárzással. A protonbehatolás modellezése a TRIM alapján, valamint az illesztett értékek: τ1, τ2, és τb az élettartam értékek; Vfit pedig, a vakancia koncentráció. (Khanh et al. [1997] nyomán)

6

A termikus neutronok a Si természetes izotópjait átalakítják. Míg a 28Si és a 29Si a stabil 29Si, ill. 30Si-vé alakul, a 3%-ban jelenlévő 30Si egy σ=1,1x10-25 cm2 keresztmetszetű reakcióval előbb 31Si-gyé, majd β-bomlással, 2,6 h felezési idővel, 31 P-rá alakul. A rácshibákat eltüntető, 700-1000°C-os hőkezelés után kitűnő minőségű, egyenletesen adalékolt n-tipusú alapanyag áll elő. A folyamat tipikusan 414 Részlet Giber János, Vargáné Josepovits Katalin, Gyulai József, Biró László Péter: Diffúzió és implantáció szilárdtestekben (Egyetemi tankönyv, Műegytemi Kiadó, 1997) könyvből

[1977]). A fellépő defektek fajtáinak, tulajdonságainak részletes tárgyalása megtalálható Svensson et al. [1993] munkáiban. Ha nem kész eszközön, hanem próbaszeleten vizsgálják a hibák mélységi eloszlását, és a mérési módszer "mintavételi" mélysége nincs azzal pontos fedésben (professzionális eszközt, pl. µ-PCD típusú élettartam térképezőt használnak), a mérési eredmények értelmezésénél figyelembe kell venni a töltéscsomag mozgását a szeleten belül (Biró et al. [1996c], 2.58. ábra). A fenti vizsgálatokban a µ-PCD és az Elymat módszert alkalmazták. Mindkettő nagy behatolási mélységű (20 µm) lézeres megvilágítást alkalmaz a szabad töltéshordozó párok keltésére, amely mélyebb, mint Rp. Három rétegből álló modellt alkalmaztak: 1) a gyengén roncsolt Si, 2) az erősen roncsolt Si a behatolási mélység tartományában és 3) a behatolási mélységnél mélyebben található roncsolatlan Si. A tartományok vastagságát a TRIM szimuláció által szolgáltatott hibaeloszlás alapján számították. A modellből számolt élettartam értékek jól illeszthetők a kísérletei adatokkal (Khánh et al. [1997]).

100 órás besugárzást igényel a reaktor forró zónájában. A teljesítményelektronikai eszközök alapanyagaként rendkívül elterjedt eljárás. 415 Részlet Giber János, Vargáné Josepovits Katalin, Gyulai József, Biró László Péter: Diffúzió és implantáció szilárdtestekben (Egyetemi tankönyv, Műegytemi Kiadó, 1997) könyvből

2.59. ábra. Protonbesugárzás okozta élettartam-csökkenés a dózis függvényében. A mérések mikrohullámú fotovezetés mérésével (µPCD, Semilab), az illesztett értékek a 2.59. ábra modellje alapján (Khanh et al. [1997] nyomán).

A 2.59. ábrán MeV energiájú protonok által előidézett élettartamcsökkenés mértéke látható (a mérés a Semilab µ-PCD élettartam térképező eszközével készült). A görbék a háromréteges modellből számolt értékek, a szimbólumok a kísérleti adatok.

2.4.7.3. Getterezés.

A félvezető technológiában a "getterezés" olyan eljárás, amelynek segítségével a nemkívánatos szennyeződést/adalékot arra kényszerítjük, hogy olyan tartományba diffundáljon és ott rögzítődjék, ahol nincs zavaró hatása, vagy legfeljebb csökkent mértékben. Ennek megvalósítása érdekében szándékosan alakítanak ki hibákat. A kezdetben alkalmazott megoldás a szelet hátlapján ionimplantálással kialakított hibák voltak, a csökkenő eszközméretek azonban szükségessé és - a lecsökkent diffúziós 416 Részlet Giber János, Vargáné Josepovits Katalin, Gyulai József, Biró László Péter: Diffúzió és implantáció szilárdtestekben (Egyetemi tankönyv, Műegytemi Kiadó, 1997) könyvből

úthossz miatt - lehetségessé tették az eszközök közötti/melletti terület bevonását, az ún. oldairányú getterezés alkalmazását is. Buck et al. [1972] majd Seidel és Meek [1973] írta le először a hátlapi implantálás alkalmazhatóságát a szükséges hibák kialakítására korábban a szeletek homokfúvott hátlapja vagy az oda leválasztott foszforüveg hozta létre azt a diszlokáció-hálót, amely a káros gyors diffuzánsokat megköti. Ryssel et al. [1980] mutatta ki, hogy valamennyi szokványosan implantált atom, beleértve a nemesgázokat, foszfort, és a molekuláris BF2+ iont is, kielégítő getterként viselkedik. Mérték az arannyal getterezett rétegekben kisebbségi töltéshordozók élettartamát. Ar, BF2 C, N és O implantálással körülbelül egy nagyságrendnyi élettartam-csökkenést értek el. A nagyenergiájú implantálás új lehetőséget kínál a getterezésre. Wong et al. [1988] 2,4 MeV energiájú szén és 3,0 MeV energiájú oxigén 14 ionok implantálását alkalmazta az 5x10 /cm2-től 2x1016/cm2 dózistartományban. A szén egy nagyságrenddel jobban getterezi az aranyat, mint az oxigén. A szén másik vonzó tulajdonsága az, hogy a hőkezelés után nem alakulnak ki kiterjedt hibák. Ezt azzal magyarázták, hogy a C jelenléte csökkenti a rácsállandó értékét és ezáltal szabad térfogatot hoz létre az a szén/intersticiális komplexek számára (U. Gösele [1984]). Ezzel a C csökkenti a rácsközi atomok számát és jobb felé tolja el az Aui + V ⇔ Aus egyensúlyt ("i" itt is a rácsközi helyzetet jelzi). Végül megemlítendő Wong-Leung et al. [1995] szellemes elgondolása, amelyet azonban a gyakorlat még nem igazolt vissza. Méréseik szerint, a nagydózisú (3 x 1016/cm2) H+ implantálással az anyag belsejében létrehozott mikroszkópikus üregek jól megkötik az aranyat. A getterezés hatásfoka jobb, mint a diszlokációs hurkoké. A jelenség magyarázata az üregek belső felületén lévő telítetlen kötésekben rejlik. Sajnos, a vasat - amely a legfontosabb lenne - az üregek csak gyengén getterezik.


Az implantáció alkalmazásai félvezető eszközök előállítására

Recommend Documents