Ionenimplantation

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.