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Ionenimplantation

Ionenimplantation

Die Ionenimplantation ist ein Verfahren zur Einbringung von Fremdatomen in ein Grundmaterial zur Änderung von Materialeigenschaften.

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Einleitung

Die Ionenimplantation ist der wichtigste Prozess zur Dotierung von Halbleitern (meist Silizium) zur Herstellung mikroelektronischer Bauelemente. Sie hat hierbei in den meisten Fällen die Diffusion ersetzt. Es gibt jedoch auch zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten außerhalb der Mikroelektronik.

Typische Dotanten sind:

Bor
Phosphor
Arsen
Antimon
Aluminium
Gallium
Indium
Germanium
Sauerstoff (SIMOX-Technik, Separation by IMplanted. OXygen ^[1])
Stickstoff
Kohlenstoff

Grundprinzip

Das prinzipielle Verfahren ist der Beschuss von Festkörpern im Hochvakuum mit beschleunigten Ionen. Es lässt sich in folgende Schritte aufteilen:

Erzeugung der Ionen in einer Ionenquelle
Extraktion der Ionen durch ein elektrostatisches Feld
Separation der Ionen nach Masse in einem Massenseparator
Beschleunigung der Ionen
Ablenkung mittels elektrischen Feldern
Implantation in die Probe

Parameter

Die wichtigsten Parameter zur Charakterisierung der Ionenimplantation sind die Beschleunigungsenergie, die von 500 eV bis 3 MeV reichen kann, und die Implantationsdosis, die im Bereich von 10¹¹ – 10¹⁸ cm^-2 liegt. Sie bestimmen die Reichweite der Ionen im Festkörper und die Dotierungskonzentration.

Veränderte Materialeigenschaften

Mit der Ionenimplantation lassen sich verschiedenste Materialeigenschaften verändern, die je nach Anwendungsgebiet unterschiedlich sind. In der Mikroelektronik dient die Ionenimplantation hauptsächlich der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit und Ladungsträgerbeweglichkeit. Daneben kann eine Veränderung der Farbe, Härte, optischen Eigenschaften, Ätzbarkeit, Haftung, Gasdiffusion und Zusammensetzung eines Materials erreicht werden.

Reichweite von Ionen in amorphen Festkörpern

Bei der Ionenimplantation spielt die Reichweite der Ionen eine entscheidende Rolle. Eine wichtige Theorie zur Beschreibung der Reichweite von Ionen in amorphen Festkörpern wurde 1963 von Lindhard, Scharff und Schiott aufgestellt. Sie ist allgemein als LSS-Theorie bekannt.

Prinzip der Abbremsung von Ionen

Prinzipiell sind fünf verschiedene Abbremsmechanismen für Ionen denkbar:

unelastische Stöße mit gebundenen Elektronen
unelastische Stöße mit Atomkernen
elastische Stöße mit gebundenen Elektronen
elastische Stöße mit Atomkernen
Cerenkov-Strahlung

Praktisch sind jedoch nur die elastischen Stöße mit Atomkernen sowie die unelastischen Stöße mit Elektronen relevant.

Kenngrößen

Wichtige Kenngrößen zur Beschreibung der Reichweite von Ionen im Festkörper sind die mittlere projizierte Reichweite, die Reichweitestreuung, die Schiefe und die Kurtosis (in der Statistik allgemeiner bekannt als erstes bis viertes statistisches Moment der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion):

Ausgangspunkt für die Herleitung

Ausgangspunkt für die Herleitung der Reichweiteschreibung ist die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion:

$\int_{-\infty}^{\infty}f(x) \mathrm{d} x = 1$ und $f(x) \ge 0$

sowie die allgemeine Reichweiteverteilung:

C (x) = N f (x)

N: implantierte Dosis

Mittlere projizierte Reichweite

Die projizierte Reichweite eines Ions, beschreibt den Abstand des Ions, nachdem es zum liegen gekommen ist, zur Oberfläche. Betrachtet man alle implantierten Ionen und bildet den Mittelwert der projizierten Reichweiten, so erhält man die mittlere projizierte Reichweite $R p$ . Diese stimmt in der Regel nicht unbedingt mit dem Ort der maximalen Konzentration der implatierten Ionen überein. Mathematisch lässt sich die mittlere projizierte Reichweite wie folgt darstellen:

$R_p = \int_{-\infty}^{\infty}xf(x) \mathrm{d} x$

Reichweitestreuung

Die Reichweitestreuung $Δ R p$ beschreibt die „Breite der Verteilung“ um die mittlere projizierte Reichweite. Sie lässt sich mathematisch wie folgt beschreiben:

$\Delta R_p = \sqrt{\int_{-\infty}^{\infty}(x-R_p)^2 f(x) \mathrm{d} x}$

Schiefe

Die mittlere projizierte Reichweite und die Reichweitestreuung sind geeignet um symmetrische Profile zu beschreiben. Da Implantationsprofile in der Regel jedoch nicht symmetrisch sind müssen zwei weitere Größen definiert werden. Die eine ist die Schiefe, die die Asymmetrie zwischen den beiden Bereichen "links und rechts" von der mittleren projizierten Reichweite angibt. Sie lässt sich mathematisch wie folgt angeben:

$\gamma = \frac{\int_{-\infty}^{\infty}(x-R_p)^3 f(x) \mathrm{d} x}{{\Delta R_p}^3}$

Kurtosis

Die zweite Größe ist die Kurtosis, die die Flachheit des Maximums der Verteilung angibt:

$\beta = \frac{\int_{-\infty}^{\infty}(x-R_p)^4 f(x) \mathrm{d} x}{{\Delta R_p}^4}$

Tunnelung (Channeling)

Bei der Dotierung von monokristallinen Siliziumscheiben besteht je nach Kristallanordnung in der Scheibe die Möglichkeit, dass Ionen aufgrund der gleichmäßigen Kristallstruktur durch die Zwischenräume der Atomen nahezu ungebremst in das Substrat eindringen und erhalten eine unerwünscht hohe Reichweite. Dieser Effekt wird verhindert, indem man die Substratoberfläche um ca. 7° neigt sowie um 22° gegenüber der <100>-Richtung dreht und/oder diese vor der Implantation mit einem dünnen Streuoxid beschichtet.

Strahlenschäden und Ausheilen

Bei der Implantation entstehen in Abhängigkeit von der Masse der implantierten Ionen und der Implantationsdosis Strahlenschäden im Kristallgitter des Halbleiters. Daher muss das Substrat nach einem Implantationsschritt ausgeheilt werden. Dies geschieht durch einen Hochtemperaturprozess, bei dem die Fremdatome in das Gitter eingebaut und so elektrisch aktiviert werden und die Gitterstruktur wieder hergestellt wird. Der Ausheilprozess kann durch einen Ofenprozess oder Rapid Thermal Annealing realisiert werden.

Vor- und Nachteile

Die Ionenimplantation bietet gegenüber anderen Verfahren zahlreiche Vorteile, jedoch auch einige Nachteile, die im Folgenden kurz zusammengestellt sind.

Nachteile

Erzeugung von Strahlenschäden im Kristallgitter
Implantation ist auf oberflächennahe Schichten begrenzt
Es können keine Profile mit scharfen Implantationsgrenzen erzeugt werden
Es kann aufgrund zusätzlicher Effekte Abweichungen zwischen dem tatsächlichen und dem theoretischen Profil geben

Vorteile

Kurze Prozesszeiten
Hohe Homogenität und Reproduzierbarkeit
Möglichkeit der Implantation durch bereits abgeschiedene dünne Schichten
Es können sogenannte „vergrabene Schichten“ unterhalb der Oberfläche erzeugt werden (z. B. SIMOX-Technik)
Hauptprozess findet bei Raumtemperatur statt (relativ geringe thermische Belastung nur beim Ausheilen)

Siehe auch

Ionenimplanter

Quellen & Fußnoten

↑ Vorlesungsskript der Universität Stuttgart

Literatur

J. F. Ziegler: Ion Implantation Science and Technology. Edgewater, USA 1996, ISBN 0127806202
H. Ryssel und I. Ruge: Ion Implantation. J. Wiley & Sons, Chichester 1986 , ISBN 047110311X
Ulrich Hilleringmann: Silizium-Halbleitertechnologie. Teubner 2004, ISBN 3519301490

Kategorien: Festkörperphysik | Halbleitertechnologie

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