Halbleitertechnologie von A bis Z

Bei der Ionenimplantation werden geladene Dotierstoffe (Ionen) in einem elektrischen Feld beschleunigt und auf die Wafer gelenkt. Die Eindringtiefe lässt sich sehr genau festlegen, indem die zur Beschleunigung der Ionen benötigte Spannung verringert oder erhöht wird. Da der Prozess bei Raumtemperatur stattfindet, können vorher eingebrachte Dotierungen nicht ausdiffundieren. Wie bei der Diffusion werden Stellen, die nicht dotiert werden sollen, mit einer Maske verdeckt, wobei bei der Implantation eine Maskierung aus Fotolack ausreicht.

Ein Implanter besteht aus folgenden Komponenten:

• Ionenquelle: Das Dotiergas (z.B. Bortrifluorid BF₃) wird ionisiert (Elektronen werden von einer Glühkathode emittiert und stoßen mit den Gasteilchen zusammen. Durch Stoßionisation werden stets positive Ionen und freie Elektronen erzeugt)
• Vorbeschleuniger: Die Ionen werden mit ca. 30 Kiloelektronenvolt aus der Ionenquelle gezogen
• Massenseperator: Die geladenen Teilchen werden durch ein Magnetfeld um 90° abgelenkt. Zu leichte/schwere Teilchen werden mehr/weniger abgelenkt als die gewünschten Ionen und mit Blenden hinter dem Seperator abgefangen
• Beschleunigungsstrecke: Mit mehreren 100 keV werden die Teilchen auf ihre Endenergie beschleunigt (200 keV beschleunigen Borionen auf ca. 2.000.000 m/s)
• Linsen: Über das gesamte System sind Linsen verteilt, die den Ionenstrahl fokussieren
• Ablenkungsvorrichtungen: Kondensatoren lenken die Ionen ab, um die gewünschte Stelle zu bestrahlen
• Waferstation: Die Wafer werden entweder einzeln oder auf großen rotierenden Rädern in den Ionenstrahl gebracht und bestrahlt

Darstellung einer Implantationsanlage

Eindringtiefe von Ionen im Wafer

Im Gegensatz zur Diffusion dringen die Teilchen nicht auf Grund ihrer Eigenbewegung ein, sondern werden mit hoher Geschwindigkeit in das Kristallgitter geschossen. Dabei werden sie durch Zusammenstöße mit den Siliciumatomen abgebremst. Durch den Aufprall werden die Siliciumatome von ihren Gitterplätzen gestoßen, die Dotierionen selbst lagern sich meist auf Zwischengitterplätzen an. Dort sind sie elektrisch nicht aktiv, da keine Bindungen mit anderen Atomen vorliegen, die freie Ladungsträger hervorrufen könnten. Die verschobenen Siliciumatome müssen wieder ins Kristallgitter eingebaut, und die elektrisch nicht aktiven Dotierstoffe aktiviert werden.

Ausheilen des Kristallgitters und Aktivierung der Dotierstoffe

Durch einen Temperaturschritt bei ca. 1000 °C werden die Dotierstoffe auf Gitterplätze bewegt (vorher befinden sich nur ca. 5 % der Dotieratome auf Gitterplätzen). Die Gitterschäden durch die Zusammenstöße werden bereits bei ca. 500 °C ausgeheilt. Da sich die Dotieratome während den hohen Temperaturen im Substrat bewegen, werden diese Schritte nur sehr kurze Zeit durchgeführt.

Genau hier liegt der Zielkonflikt des Verfahrens: Die Temperatur muss hoch genug sein, um die Dotierstoffe auf Gitterplätze zu bringen, und die Zeit kurz genug, damit sie dabei nicht auswandern. Beides gleichzeitig erreicht man nur, indem man die Heizdauer immer weiter verkürzt. Aus dem Ofenprozess über Stunden wurde zunächst das Schnellheizen über Sekunden, dann das Spitzenheizen, bei dem die Zieltemperatur nur durchfahren und nicht gehalten wird, und schließlich das Heizen mit Blitzlampen oder Laser im Millisekundenbereich. Dabei wird nur noch die oberste Schicht der Scheibe erwärmt, während das Substrat darunter kalt bleibt.

Für sehr flache Dotierprofile wird zusätzlich die Ionenmasse erhöht: Statt einzelner Boratome implantiert man Moleküle, die mehrere Boratome enthalten. Sie tragen bei gleicher Beschleunigungsspannung je Boratom weniger Energie und dringen entsprechend weniger tief ein – ein Weg, sehr flache Übergänge zu erzeugen, ohne den Implanter mit unpraktikabel niedrigen Spannungen betreiben zu müssen.

Das verwendete Substrat liegt als Einkristall vor, d.h. die Siliciumatome sind regelmäßig angeordnet und bilden Kanäle. Die eingeschossenen Dotierstoffatome verlaufen dann parallel zu diesen Kanälen, werden nur schwach abgebremst und dringen sehr tief in das Substrat ein. Um dies zu verhindern gibt es zwei Möglichkeiten:

• Waferausrichtung: Die Wafer werden um ca. 7° zur Strahlrichtung ausgelenkt. Dadurch werden die Ionen nicht parallel zu den Gitterkanälen eingeschossen und durch Zusammenstöße frühzeitig abgebremst.
• Streuoxid: Auf der Waferoberfläche wird ein dünnes Oxid aufgebracht, das die Ionen ablenkt und ein senkrechtes Eintreffen im Substrat verhindert

Charakteristik

• Die Reproduzierbarkeit der Ionenimplantation ist sehr hoch
• Der Ablauf bei Raumtemperatur verhindert ein Ausdiffundieren anderer Dotierstoffe
• Als Maske dient Fotolack, Oxid wie bei der Diffusion ist nicht nötig
• Ionenimplanter sind teuer, die Kosten pro bearbeiteter Scheibe sind hoch
• Die Dotierstoffe breiten sich nicht seitlich unter der Maskierung aus (nur minimal durch Zusammenstöße)
• Nahezu jedes Element kann in höchster Reinheit implantiert werden
• Ähnlich den Ablagerungen von Dotierstoffen bei der Diffusion im Quarzrohr, können sich an Wänden oder Blenden Ionen ablagern, die bei späteren Implantationen abgelöst werden und auf die Wafer gelangen
• Senkrechte Flächen lassen sich mit einem gerichteten Ionenstrahl schlecht dotieren. Bei schräg gestellter Scheibe gelingt es begrenzt; für Strukturen wie die Finnen eines FinFET wird stattdessen aus einem Plasma heraus dotiert, dessen Ionen aus allen Richtungen auftreffen
• Der Implantationsprozess findet unter Hochvakuum statt, welches mit mehreren Turbomolekular- oder Kryopumpen erzeugt werden muss

Es gibt verschiedene Implantertypen, wobei meistens Mittel- und Hochstromimplanter zum Einsatz kommen. Mittelstromimplanter sind für kleine bis mittlere Dosen an Ionen geeignet (1·10¹¹–1·10¹⁵ Ionen/cm²), Hochstromimplanter für Dosen von 1·10¹⁵–1·10¹⁷ Ionen/cm².
Die Ionenimplantation hat sich auf Grund der Vorteile gegenüber der Diffusion größtenteils durchgesetzt.

Dotieren mittels Legierung

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass es neben diesen beiden Verfahren noch die Dotierung mittels Legierung gibt. Da dieses Verfahren aber Nachteile, wie z.B. Rissbildung im Substrat mit sich bringt, wird es in der heutigen Halbleitertechnik kaum mehr eingesetzt.

Bei Strukturen, die nicht mehr flach auf dem Wafer liegen, sondern wie FinFET-Finnen oder Gate-All-Around-Nanosheets in die dritte Dimension ragen, stößt der klassische, gerichtete Ionenstrahl an seine Grenzen: Seitenwände liegen quer zum Strahl und werden kaum dotiert, selbst mit gekippter Scheibe. Plasma-Doping (PLAD) löst dieses Problem, indem es auf die Strahlführung des klassischen Implanters komplett verzichtet.

Der Wafer liegt dabei auf einer gepulsten Hochspannungselektrode in einer Plasmakammer, in der ein Prozessgas des gewünschten Dotierstoffs (z. B. Diboran B₂H₆ oder Phosphin PH₃) gezündet wird. Jeder Hochspannungspuls stößt eine Plasmarandschicht (Sheath) um den Wafer herum auf, durch die die Ionen zur Oberfläche hin beschleunigt werden – nicht als schmaler Strahl aus einer Richtung, sondern flächig aus dem gesamten Plasma. Weil die Randschicht der Kontur des Wafers folgt, werden auch Seitenwände von Finnen und Stegen nahezu konform mitdotiert.

Der Preis dafür ist der Verzicht auf den Massenseparator: Da kein Magnetfeld die Ionen nach Masse sortiert, gelangen alle im Plasma ionisierten Spezies gemeinsam auf den Wafer – neben dem gewünschten Dotierion auch Wasserstoff, Molekülbruchstücke und mögliche Verunreinigungen des Prozessgases. Dosis und Sortenreinheit lassen sich damit weniger genau kontrollieren als bei der klassischen Implantation mit Massenseparation (siehe Ionenimplantation). Da der gesamte Wafer gleichzeitig belichtet wird statt Punkt für Punkt abgerastert zu werden, ist der Durchsatz dafür erheblich höher, und die typischerweise sehr niedrigen Pulsenergien im Bereich weniger Kiloelektronenvolt eignen sich gut für extrem flache Dotierprofile.

In der Serienfertigung wird PLAD deshalb gezielt dort eingesetzt, wo klassische Implantation an der Geometrie scheitert – etwa zur Dotierung der Finnenflanken oder als Ersatz für stark gekippte Extension-Implantate, wo die Abschattung durch benachbarte Strukturen sonst zum Problem wird (siehe auch Charakteristik und Implantertypen).

Ein fertiger Transistor entsteht nicht durch eine einzelne Implantation, sondern durch das Zusammenspiel mehrerer, zeitlich und energetisch klar getrennter Implantationsschritte, die jeweils eine andere Tiefe und einen anderen Zweck haben.

Wannen (Well-Implantate)

Ganz am Anfang der Frontend-Prozessierung legen Wannenimplantate mit Energien im MeV-Bereich großflächige n- oder p-dotierte Bereiche tief im Substrat an, in denen später die Transistoren des jeweils anderen Typs entstehen – eine n-Wanne beherbergt p-Kanal-, eine p-Wanne n-Kanal-Transistoren. Diese Implantate reichen mehrere hundert Nanometer bis wenige Mikrometer tief und bestimmen vor allem das elektrische Verhalten des Substrats als Ganzes.

Halo- bzw. Pocket-Implantate

Direkt unter der späteren Source- und Drain-Kante sitzt ein gegensätzlich dotierter, schmaler Bereich, das Halo- oder Pocket-Implantat. Es erhöht lokal die Dotierstoffkonzentration am Rand des Kanals und wirkt damit dem Kurzkanaleffekt entgegen: Ohne Halo würde sich die Verarmungszone von Source und Drain bei kurzen Kanallängen so weit ausdehnen, dass sie sich berühren (Punch-through) und der Transistor die Kontrolle über den Kanal verliert. Weil dieser Bereich direkt unter der Gate-Kante liegen muss, wird er mit deutlich stärkerem Kippwinkel implantiert als die übrigen Schritte.

Vierfachrotation

Da auf einem Chip Transistoren in allen vier Richtungen zueinander ausgerichtet sein können, würde ein einzelner gekippter Implantationsschritt nur die Gates symmetrisch dotieren, deren Kanalrichtung zufällig zur Kippebene passt – alle anderen erhielten ein asymmetrisches, richtungsabhängiges Profil. Deshalb wird der Halo-Schritt viergeteilt: Dieselbe Dosis wird in vier Teilschritten bei gleichem Kippwinkel, aber um jeweils 90 ° um die Waferachse gedreht, appliziert. In Summe erhält jedes Gate unabhängig von seiner Orientierung auf dem Chip eine symmetrische Halo-Dotierung von allen vier Seiten.

LDD- und Source/Drain-Implantate

Die Lightly Doped Drain (LDD) genannten Extension-Implantate liegen flach und niedrigdosiert direkt an der Gate-Kante; sie glätten den Konzentrationsverlauf zwischen Kanal und den tiefen, hochdosierten Source/Drain-Implantaten und senken damit das elektrische Feld an der Drain-Kante – ein zu abrupter Übergang würde sonst heiße Ladungsträger erzeugen, die das Gate-Oxid schädigen. Erst die abschließenden Source/Drain-Implantate mit hoher Dosis liefern die eigentlichen, niederohmigen Anschlussgebiete des Transistors.

Bei ausreichend hoher Dosis, insbesondere mit schweren Ionen, zerstört die Implantation die Kristallstruktur so gründlich, dass die getroffene Schicht amorph wird – das Silicium verliert lokal seine regelmäßige Gitterordnung vollständig. Statt das zu vermeiden, wird dieser Effekt in modernen Prozessen gezielt genutzt.

Voramorphisierung (PAI)

Vor der eigentlichen Dotierstoffimplantation schießt ein Voramorphisierungsschritt (Pre-Amorphization Implant, PAI) elektrisch inaktive Ionen wie Germanium oder Silicium selbst in die Oberfläche und erzeugt so gezielt eine gleichmäßig amorphe Schicht. Der anschließende Dotierstoff trifft dann nicht mehr auf ein Kristallgitter mit offenen Kanälen, sondern auf ungeordnetes Material – Channeling wird dadurch von vornherein unterbunden, unabhängig vom Kippwinkel.

Festphasenepitaxie und End-of-Range-Defekte

Beim anschließenden Ausheilen wächst die amorphe Schicht von der darunterliegenden intakten Kristallstruktur ausgehend wieder einkristallin zusammen (Festphasenepitaxie). Genau an der ursprünglichen Grenze zwischen amorphem und kristallinem Material bleibt dabei jedoch häufig ein Band von Defekten zurück, die End-of-Range-Defekte (EOR-Defekte): Versetzungsringe aus überschüssigen Zwischengitteratomen, die während der Implantation über die eigentliche amorphe Zone hinausgeschossen wurden und beim Ausheilen nicht vollständig eingebaut werden.

Transiente Diffusionsbeschleunigung (TED)

Diese überschüssigen Zwischengitteratome sind nicht nur elektrisch inaktive Kristallfehler, sie beschleunigen auch die Diffusion benachbarter Dotierstoffe – allen voran Bor – für die kurze Dauer ihrer eigenen Ausheilung um ein Vielfaches. Dieser Effekt heißt Transient Enhanced Diffusion (TED) und sorgt dafür, dass sich Dotierprofile beim Ausheilen deutlich weiter ausbreiten, als es die Gleichgewichtsdiffusion bei der jeweiligen Temperatur erwarten ließe. Da TED nur solange wirkt, wie überschüssige Zwischengitteratome vorhanden sind, zielen Gegenmaßnahmen auf genau diesen Zeitraum: sehr kurze Ausheilzeiten (siehe Eindringtiefe und Ausheilen), die den Defekten keine Zeit zum Wandern lassen, oder eine Kohlenstoff-Co-Implantation, die Zwischengitteratome gezielt abfängt, bevor sie die Dotierstoffdiffusion antreiben können.

Wie viele Ionen tatsächlich in den Wafer gelangt sind, muss sowohl während der Implantation als auch danach überprüfbar sein – beide Kontrollen messen dabei grundsätzlich verschiedene Größen.

Faraday-Cup: Dosiskontrolle in Echtzeit

Im Implanter selbst übernehmen ein oder mehrere Faraday-Cups die Dosiskontrolle: Sie fangen einen bekannten Anteil des Ionenstrahls auf und messen dessen Stromfluss. Durch Integration des Stroms über die Zeit ergibt sich die aufsummierte Ladung und daraus, bezogen auf die bestrahlte Fläche und die Ladung je Ion, die tatsächlich applizierte Dosis. Der Implanter stoppt den Prozess automatisch, sobald die Zieldosis erreicht ist. Mehrere Cups an Rand und Zentrum des Wafers erlauben zudem, die Gleichmäßigkeit des Strahls über die Scheibe zu überwachen. Diese Messung ist schnell und läuft bei jedem Wafer mit, sagt aber nichts darüber aus, wo im Wafer die Ionen tatsächlich gelandet sind oder wie viele davon nach dem Ausheilen elektrisch aktiv sind.

SIMS: das Tiefenprofil im Nachhinein

Die Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) trägt die Waferoberfläche mit einem Primärionenstrahl Lage für Lage ab und analysiert die dabei freigesetzten Sekundärionen massenspektrometrisch. Daraus ergibt sich ein hochgenaues Konzentrationsprofil des Dotierstoffs über die Tiefe – die Referenzmethode, um Reichweite, Streuung um die Reichweite (Straggle) und, durch Integration des Profils, die tatsächlich eingebrachte Gesamtdosis zu verifizieren. SIMS ist zerstörend und zu langsam für eine Kontrolle jeder einzelnen Scheibe; sie kommt bei der Prozessqualifizierung und -kalibrierung zum Einsatz, nicht in der laufenden Fertigung.

Für die laufende Fertigung dient stattdessen meist die Vierspitzenmessung (Four-Point-Probe) des Schichtwiderstands: schnell, zerstörungsfrei und empfindlich auf die elektrisch aktive Dosis nach dem Ausheilen – allerdings ohne Tiefenauflösung. Erst die Kombination aus routinemäßiger Faraday-Cup- und Schichtwiderstandsmessung mit gelegentlicher SIMS-Kalibrierung ergibt ein vollständiges Bild der Dotierung.