Ionenimplantations- und Diffusionsprozess

Die Ionenimplantation ist eine Methode zur Halbleiterdotierung und einer der Hauptprozesse in der Halbleiterherstellung.

Warum Doping?

Reines Silizium/intrinsisches Silizium enthält keine freien Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) und weist eine schlechte Leitfähigkeit auf. In der Halbleitertechnologie bedeutet Dotierung, dass dem intrinsischen Silizium absichtlich eine sehr kleine Menge an Verunreinigungsatomen hinzugefügt wird, um die elektrischen Eigenschaften des Siliziums zu verändern und es dadurch leitfähiger zu machen und somit für die Herstellung verschiedener Halbleiterbauelemente geeignet zu sein. Die Dotierung kann eine n-Typ-Dotierung oder eine p-Typ-Dotierung sein. n-Typ-Dotierung: erreicht durch Dotierung von fünfwertigen Elementen (wie Phosphor, Arsen usw.) in Silizium; p-Typ-Dotierung: wird durch Dotierung von Silizium mit dreiwertigen Elementen (wie Bor, Aluminium usw.) erreicht. Zu den Dotierungsmethoden gehören üblicherweise Thermodiffusion und Ionenimplantation.

Thermodiffusionsmethode

Bei der thermischen Diffusion werden durch Erhitzen Verunreinigungselemente in Silizium migriert. Die Migration dieser Substanz wird durch hochkonzentriertes Verunreinigungsgas in Richtung eines Siliziumsubstrats mit niedriger Konzentration verursacht, und ihr Migrationsmodus wird durch Konzentrationsunterschied, Temperatur und Diffusionskoeffizient bestimmt. Sein Dotierungsprinzip besteht darin, dass Atome im Siliziumwafer und Atome in der Dotierungsquelle bei hoher Temperatur genügend Energie erhalten, um sich zu bewegen. Die Atome der Dotierungsquelle werden zunächst auf der Oberfläche des Siliziumwafers adsorbiert und dann lösen sich diese Atome in der Oberflächenschicht des Siliziumwafers auf. Bei hohen Temperaturen diffundieren Dotierungsatome durch die Gitterlücken des Siliziumwafers nach innen oder ersetzen die Positionen von Siliziumatomen. Schließlich erreichen die Dotierungsatome ein bestimmtes Verteilungsgleichgewicht innerhalb des Wafers. Die Thermodiffusionsmethode zeichnet sich durch geringe Kosten und ausgereifte Prozesse aus. Es gibt jedoch auch einige Einschränkungen, z. B. ist die Steuerung der Dotierungstiefe und -konzentration nicht so präzise wie bei der Ionenimplantation, und der Hochtemperaturprozess kann zu Gitterschäden usw. führen.

Ionenimplantation:

Dabei handelt es sich um die Ionisierung der Dotierungselemente und die Bildung eines Ionenstrahls, der durch Hochspannung auf eine bestimmte Energie (keV~MeV-Niveau) beschleunigt wird, um mit dem Siliziumsubstrat zu kollidieren. Die Dotierungsionen werden physikalisch in das Silizium implantiert, um die physikalischen Eigenschaften des dotierten Bereichs des Materials zu verändern.

Vorteile der Ionenimplantation:

Es handelt sich um einen Niedertemperaturprozess, die Implantationsmenge/Dotiermenge kann überwacht und der Verunreinigungsgehalt präzise gesteuert werden; die Implantationstiefe von Verunreinigungen kann präzise gesteuert werden; die Gleichmäßigkeit der Verunreinigung ist gut; Neben der Hartmaske kann auch Fotolack als Maske verwendet werden; es ist nicht durch die Kompatibilität eingeschränkt (die Auflösung von Verunreinigungsatomen in Siliziumkristallen aufgrund der thermischen Diffusionsdotierung ist durch die maximale Konzentration begrenzt, und es gibt eine ausgeglichene Auflösungsgrenze, während die Ionenimplantation ein physikalischer Prozess ist, der sich nicht im Gleichgewicht befindet. Verunreinigungsatome werden injiziert in Siliziumkristalle mit hoher Energie, die die natürliche Auflösungsgrenze von Verunreinigungen in Siliziumkristallen überschreiten kann, und die andere besteht darin, den Bogen zu erzwingen.)

Prinzip der Ionenimplantation:

Zunächst werden Verunreinigungsgasatome von Elektronen in der Ionenquelle getroffen, um Ionen zu erzeugen. Die ionisierten Ionen werden durch die Saugkomponente abgesaugt und bilden einen Ionenstrahl. Nach der magnetischen Analyse werden die Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen abgelenkt (da der an der Vorderseite gebildete Ionenstrahl nicht nur den Ionenstrahl der Zielverunreinigung enthält, sondern auch den Ionenstrahl anderer Materialelemente, die gefiltert werden müssen). heraus), und der reine Verunreinigungselement-Ionenstrahl, der die Anforderungen erfüllt, wird abgetrennt, dann wird er durch Hochspannung beschleunigt, die Energie erhöht, und er wird fokussiert und elektronisch abgetastet und trifft schließlich auf die Zielposition, um eine Implantation zu erreichen.

Die durch Ionen implantierten Verunreinigungen sind ohne Behandlung elektrisch inaktiv. Daher werden sie nach der Ionenimplantation im Allgemeinen einem Hochtemperaturglühen unterzogen, um die Verunreinigungsionen zu aktivieren. Durch hohe Temperaturen können die durch die Ionenimplantation verursachten Gitterschäden repariert werden.

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