IMPLANTAÇÃO IÔNICA EM SILÍCIO

Apostila de apoio para disciplinas sobre Processos em Microeletrônica da Escola Politécnica da USP.

IMPLANTAÇÃO IÔNICA EM SILÍCIO

Adnei Melges de Andrade

1. Introdução

A implantação iônica (I/I) é uma das ferramentas fundamentais para a fabricação dos dispositivos semicondutores. É uma técnica recente tendo sido utilizada comercialmente a partir do início dos anos 70 na indústria de circuitos integrados.

A implantação iônica é utilizada para a introdução de átomos ionizados como projéteis em alvos, com energia suficiente para penetrar em regiões abaixo de sua superfície. A aplicação mais comum da I/I é a da dopagem de semicondutores podendo ela, no entanto, ser utilizada em pelo menos uma dezena de outras aplicações como a introdução de cargas em eletretos, o armadilhamento de contaminantes em semicondutores, a modificação de propriedades ópticas do alvo, etc.

No caso do silício, I/I com energias entre 3 keV e 500 keV para íons de boro, fósforo ou arsênico é suficiente para implantar esses dopantes a profundidades de cerca de 100A⁰ a 10.000A⁰. A profundidade de implantação é aproximadamente proporcional à energia do íon incidente e pode ser selecionada para as aplicações desejadas.

A grande vantagem da implantação iônica é a de permitir o controle preciso do número de átomos de dopantes implantados. Podem ser obtidas concentrações precisas na faixa de 10¹⁴ a 10²¹ átomos de dopantes por centímetro cúbico no silício. Além dessa característica, é possível controlar igualmente bem o perfil de distribuição dos dopantes.

2. O Implantador de Íons

O implantador iônico consiste de um sistema mantido em pressões de vácuo no qual os íons são produzidos, selecionados, acelerados e dirigidos em direção ao substrato. O implantador conta com subsistemas para a manutenção das baixas pressões necessárias (o vácuo pode assumir valores entre 10^-3 torr e 10^-7 torr nas diferentes partes do sistema), para fornecer as tensões elétricas necessárias para aceleração dos íons e unidades de controle de dose dos íons. A figura 1 mostra, esquematicamente, um implantador de íons.

Fig. 1 - Implantador de íons de 200 keV

Os íons são produzidos na fonte de íons a partir de compostos gasosos, líquidos ou mesmo sólidos. Na fonte de íons é gerado plasma contendo as espécies iônicas desejadas. O processo mais utilizado para a ionização é o de impacto de elétrons que são acelerados no volume em que se encontra o gás, o vapor ou sólido a ionizar. A fonte de íons é mantida em baixa pressão e uma vez iniciado o processo de ionização pode se extrair com uma tensão elétrica elevada, 20kV no exemplo, o feixe de íons produzidos. O feixe iônico extraído tem diversas espécies

de íons decorrentes das múltiplas reações possíveis de ocorrer na fonte. O feixe de íons é, a seguir, “analisado” ou “purificado” em um setor magnético em que os íons do feixe, que possuem todos a mesmo energia, são introduzidos numa região de campo magnético uniforme perpendicular à sua trajetória. Nessa região os íons descrevem trajetórias circulares cujo raio depende de sua massa. Uma fenda (abertura) deixa passar apenas os íons cuja relação carga/massa seja especificada. Chegam ao tubo acelerador (200 kV) apenas os íons selecionados.

Para uma boa distribuição dos íons que chegam aos substratos, faz-se necessário haver um sistema de varredura que uniformiza sua distribuição. Esse sistema consta de placas de varredura nos eixos x e y que serve também para provocar um desvio constante em x para que espécies neutralizadas do feixe não atinjam o alvo.

A câmara de alvo mantém os substratos para implantação com bons contatos elétricos e térmico. Bom contato elétrico é necessário para manter o controle sobre a corrente integrada (dose) e ao mesmo tempo não permitir que o potencial do substrato se eleve. O bom contato térmico é necessário para se manter um controle sobre a temperatura e preservar a integridade do fotorresiste sobre o substrato, muitas vezes utilizado como meio de mascaramento para dopagem seletiva.

3. Processo de Implantação Iônica

3.1 Perfis de Distribuição

O íon acelerado em direção ao substrato perde sua energia cinética através das colisões com os núcleos e das interações com as nuvens eletrônicas dos átomos do substrato.

Alcance é o nome que se dá à distância total percorrida pelo íon até o repouso. A projeção dessa distância na direção da incidência é chamada de alcance projetado, Rp.(Fig. 2). Dos íons do feixe uma parte estatisticamente tem menor número de eventos de espalhamento e chega ao repouso a uma distância maior que e outros podem ter maior número de colisões, sendo freados antes de alcançar Rp, mais próximos à superfície. Essa flutuação no alcance projetado é chamada

∆Rp.

Fig. 2 - a) Esquema do alcance R, alcance projetado Rp, flutuação ∆Rp e espalhamento lateral ∆R⊥ - b) Uma árvore de danos causados por um íon implantado

Há também uma flutuação na posição final do íon perpendicular à direção de incidência dos íons. Essa flutuação é chamada de

espalhamento lateral ∆R_⊥. Esse espalhamento lateral é importante pois descreve a extensão da penetração lateral sob os contornos da máscara do processo de implantação, sendo uma de suas limitações para os casos de geometrias submicrométricas.

A distribuição dos átomos implantados pode ser aproximada por uma função gaussiana. A concentração de átomos implantados em função da profundidade (x) é dada por:

n x n R

p R

p

( ) ( ) exp )

=











 -(x - R_p ²

2∆ 2

em que a concentração de pico ocorre em x=Rp e ∆Rp é o desvio padrão. A dose φ é dada pela integral:

φ =

∞

∫

^{n (x) dx}

0

A máxima concentração n (Rp) pode ser escrita:

n (R R_p Rp

p) ,

= φ ≅

π

φ 2

0 4

∆ ∆

Esse é o modelo LSS (Lindhard, Scharff, Schiott) que dá uma aproximação de primeira ordem de íons implantados em materiais amorfos ou policristalinos de grãos pequenos. Embora a descrição seja boa em torno do pico também para silício monocristalino, há desvios importantes na distribuição real.

As razões dos desvios entre os perfis medidos e o modelo LSS é que esse não leva em conta, por exemplo, o efeito de retroespalhamento de íons leves , o caso do ¹¹B⁺, que ao se chocarem com átomos da rede de silício ²⁸Si, mais pesados, sofrem recuo, aumentando a concentração de átomos implantados antes do máximo de concentração.

Íons pesados, por outro lado, provocam espalhamento em direção mais profunda. No caso do ⁷⁵As⁺, há um aumento da concentração no lado mais profundo da distribuição original gaussiana.

A figura 3 mostra esses efeitos e o ajuste feito com o modelo Pearson IV que utiliza a abordagem dos quatro momentos.

Fig. 3 - Comparação das medidas de distribuição de íons de boro implantados em silício amorfo com várias energias, com perfis previstos pelos modelos LSS e Pearson IV

3.2 Freamento de Íons e Produção de Defeitos

A teoria do freamento dos íons de LSS considera dois mecanismos independentes e aditivos para a perda da energia. A perda de energia por unidade de comprimento devida às interações nucleares e eletrônicas é

dE dx

dE dx

dE

total nuclear dx eletronico

= +

As perdas de energia são a função da energia dos íons incidentes.

O alcance dos íons, R, é dado por:

( )

R E dE

dE dx _total N

o E

( )=

∫

/ = ¹

∫

_S(E)^dE

0 E

onde N é o número de átomos-alvo por cm³, S(E) é o poder de freamento do silício para o íon de dopante considerado e E é a energia inicial do íon. A transferência de energia entre um íon e a matriz de silício depende de: energia Ei, massa Mi e número atômico Zi do íon incidente e da massa e número atômico dos átomos alvo.

O modelo de freamento eletrônico, similar ao freamento em meio viscoso é proporcional à velocidade dos íons:

dE

dx k E

eletronico

= e

O freamento nuclear é relativamente pequeno em altas energias (porque partículas rápidas tem curtos tempo de interação com elementos da matriz), é maior para energias intermediárias e é pequeno para baixas energias (devido aos efeitos de blindagem da carga Zsi).

A figura 4 mostra as perdas de energia por interações nucleares e eletrônicas para boro, fósforo e arsênico.

Nas interações nucleares com os átomos da matriz os íons podem deslocá-los de suas posições. Os tempos envolvidos com os eventos são:

- em 10^-13s o íon é freado

- em 10^-12s as vibrações térmicas caem aos valores de equilíbrio

- em 10^-9s ocorre a relaxação da desordem não estável.

Os íons de boro, que são leves, sofrem inicialmente freagem eletrônica e a seguir freagem nuclear. O perfil de átomos deslocados apresenta um pico enterrado profundamente. Com íons pesados ³¹P e

75As, a concentração de átomos deslocados é próxima à superfície.

Esses defeitos formados correspondem a vacâncias, di-vacâncias, vacâncias de ordem superior ou ainda complexos vacância-dopante (V- doador, V-aceitador, V-oxigênio).

Fig. 4 - Valores dos Componentes de freamento nuclear e eletrônico dE/dx para

75As, ³¹P e ¹¹B, calculados de dados experimentais.

É possível estimar a densidade de átomos da rede deslocados de suas posições por freamento nuclear:

( )

N cm

desl E

do nuclear

. −

3 = φ dE

dx

Conhecendo a dose φ, obtendo-se dE/dx|nuclear da figura 4, admitindo energia dos íons de boro E=300keV,

φ

₌₁₀¹³ íons/ cm² e tendo o valor da energia de deslocamento de um átomo de silício de sua posição de rede Edo = 15 eV, chega-se aos valores das concentrações de defeitos:

na superfície ~1x10²⁰ cm^-3 em Rp ~7 x 10²⁰ cm^-3

Para íons de arsênico, nas mesmas condições:

na superfície ~8x10²¹ cm^-3 em Rp ~1 x 10²² cm^-3

Observa-se que íons pesados (⁷⁵As) deslocam para doses φ~10¹⁴ cm^-2, tantos átomos quanto a própria densidade de átomos na rede cristalina (5x10²² átomos.cm^-3). Vale dizer que o silício mudou de fase, encontrando-se amorfizado.

A temperatura em que se encontra o substrato durante a implantação é relevante. Durante o processo, os átomos deslocados podem se difundir encontrando novo lugar na rede. Para I/I de íons leves, o caso do ¹¹B, se o processo for conduzido à cerca de 80⁰C, não se forma fase amorfa, qualquer que seja a dose. No caso de íons pesados, os danos causados só são recuperados após tratamento térmico a altas temperaturas (T>800⁰C) que dependerá da dose e energia utilizadas na I/I.

3.3 Recozimento Pós-Implantação

A existência dos defeitos cristalinos no substrato, na maioria das aplicações da I/I é um efeito não desejado já que modifica as características do substrato como a mobilidade e o tempo de vida dos portadores. Além disso, para que os átomos de dopantes tenham atividade elétrica, é necessário que ocupem posições substitucionais na rede cristalina, o que não acontece para a grande maioria dos átomos implantados ao fim da I/I. Para restaurar a rede e colocar os átomos introduzidos em posições substitucionais, há uma etapa de recozimento que consiste em fornecer energia térmica ao substrato que será responsável pela mobilidade dos átomos implantados ou deslocados e reconstrução da rede cristalina.

Utiliza-se o termo ativação para dizer que o átomo implantado ocupa uma posição substitucional e passa a ter participação efetiva no processo de condução elétrica cedendo um elétron ou contribuindo com uma lacuna. O efeito da etapa de recozimento pode ser avaliado por uma medida da resistência de folha (Rs) ou por uma medida de efeito Hall. Em uma primeira aproximação a resistência de folha é dada por:

Rs= ¹

q⋅ ⋅µ φ

onde φé a dose implantada, µ a mobilidade efetiva do portador e q é a carga eletrônica. O recozimento é completado quando o valor de Rs

medido se iguala ao valor calculado pela expressão acima. Quando isso acontece os átomos implantados são ditos ativados.

Uma amostra implantada apresenta uma camada superficial eletricamente dominada por armadilhas profundas. Vale dizer, uma implantação feita em substratos tipo-p ou tipo-n de concentração moderada (10¹⁶ átomos.cm^-3) equivale a ter uma camada de alta

resistividade provocada pela existência dos pares de Frenkel (vacância- átomo intersticial) que armadilham os portadores de carga.

O tratamento térmico para a ativação dos dopantes e restauração da rede cristalina é feito por dois métodos principais. Muito usado é o recozimento em fornos semelhantes aos de difusão, em temperaturas entre 800⁰C e 1000⁰C por tempos de cerca de 30 minutos, dependendo do íon, dose e energia usados na implantação. O segundo método é o RTA (“Rapid Thermal Annealing”) feito em temperaturas de 800⁰C a 1200⁰C por 3 ~ 25 segundos. O método RTA utiliza pulsos de luz de alta intensidade de lâmpadas de tungstênio-halogeno.

Para melhor compreensão dos mecanismos envolvidos no processo de recozimento, vamos descrever o recozimento isócrono (mesmo tempo, temperaturas diferentes) de amostras implantadas com boro a energia de 150 keV com três diferentes doses a saber: 8x10¹² at.cm^-2), 2,5x10¹⁴ at.cm^-2 e 2x10¹⁵ at.cm^-2. A figura 5 mostra os resultados que se obtém.

Fig. 5 - Comportamento do recozimento isócrono de boro. A razão do conteúdo de portadores livres (PHall) com a dose (φ) é traçada contra as diferentes temperaturas de

recozimento. Para TA≥900⁰C, o número de portadores livres se aproxima da dose.

Pode se notar três regiões distintas de temperatura I, II e III. A I/I de dose baixa tem um crescimento monotônico em sua atividade elétrica. As I/Is de doses maiores apresentam um efeito de inversão em

torno de 500 ~600⁰C à medida em que são feitos recozimentos a temperaturas crescentes.

A região I é caracterizada por defeitos puntuais dominando a concentração de portadores livres. Análises de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) não mostram a existência de deslocações (discordâncias de rede). Com o aumento da temperatura, em torno dos 500⁰C há a remoção de defeitos como di-vacâncias e o aumento expressivo de portadores devido à diminuição de armadilhas.

Com o aumento da temperatura acima de 500⁰C, há uma queda na concentração de portadores. Estudos com TEM mostram estruturas de deslocações de rede. As deslocações se formam acima de 500⁰C. A 600⁰C observa-se uma menor concentração de boro substitucional com menor atividade elétrica. O boro pode estar precipitando nas regiões com deslocações.

Na região III a concentração substitucional aumenta com energia de ativação de cerca de 5 eV. Essa energia corresponde à geração e migração de auto-vacâncias de silício em temperaturas elevadas. Essas vacâncias migram para os precipitados de boro permitindo que estes se dissociem do local de precipitado não-substitucional. Com I/I de baixas doses de boro pode haver um recozimento sem inversão e a passagem do boro para posições de rede pode ocorrer sem que haja concurso das vacâncias geradas termicamente. Com doses baixas de 10¹² at.cm^-3 o recozimento completo ocorre em poucos minutos a 800⁰C. Para doses elevadas de boro, a ativação completa obriga o recozimento em altas temperaturas. Por ser um íon leve o ¹¹B só forma camadas amorfizadas quando a I/I é feita à temperatura ambiente e com doses acima de 5x10¹⁶ cm^-2.

Como mostra a figura 6, o tratamento térmico do fósforo (³¹P) tem características qualitativas diferentes. Em doses até cerca de 10¹⁴ cm^-2

as camadas implantadas não são amorfas. Para doses de 3x10¹² cm^-2 a 3x10¹⁴ cm^-2 o recozimento tem que ser feito em temperaturas cada vez maiores para remover os danos progressivamente mais complexos, de maneira similar ao caso do boro. É o que se vê nas curvas tracejadas.

Fig. 6 - Razão do número de portadores-livres com a dose contra a temperatura de recozimento (TA). As curvas cheias representam camadas amorfizadas que recozem pelo

mecanismo de epitaxia em fase sólida

Com doses maiores que 3x10¹⁴ cm^-2, entra em jogo um outro mecanismo de recozimento. Com temperaturas em torno de 600⁰C, muito mais baixas que as necessárias para recozer as I/I não amorfizantes, já se pode recozer a camada. Esse efeito é associado com o re-crescimento epitaxial que ocorre na fase sólida quando uma camada amorfa se encontra sobre um monocristal. Os doadores do grupo V são essencialmente indistinguíveis dos átomos de silício no

processo de recrescimento e se tornam substitucionais durante o recristalização.

Outros íons pesados como ⁷⁵As e ¹²¹Sb tem comportamento similar.

3.4 Junções Rasas

Para os circuitos VLSI e ULSI é relativamente simples produzir junções tipo-n⁺ com implantação de ⁷⁵As. Isto porque o arsênico tem um alcance projetado Rp curto, cerca de 30 nm com energia de 50 keV.

Essa energia moderada permite o uso de correntes elevadas na maioria dos implantadores. O íon pesado de ⁷⁵As produz uma camada amorfizada de modo que um recozimento a baixa temperatura por SPE (“Solid Phase Epitaxy”) pode ser usado para produzir camadas dopadas sem redistribuição apreciável, permanecendo rasa.

O problema é que para produzir dispositivos CMOS é necessário produzir junções com difusões rasas tipo-p⁺. O boro (¹¹B) é leve e não produz camadas amorfas. Com o boro as temperaturas necessárias para ativação são da ordem de 900⁰C o que resultaria em apreciável difusão aumentando a profundidade de junção. O alcance Rp mesmo com energia de 30 keV é de 100nm, excessivamente grande.

Uma solução é a utilização de um composto, o fluoreto de boro, BF2. A dissociação do BF⁺2 em seus primeiros eventos do espalhamento resulta em um átomo de boro de menor energia. A energia resultante para o átomo de boro é (MB/MBF2)E0=(11/49)E0. Assim uma I/I com energia de 50 keV de BF2 dá ao boro um Rp ~30nm. Além disso há outra vantagem. Os átomos de flúor são relativamente pesados gerando uma região amorfizada que contém a maior parte do boro. A partir daí o processo de recozimento por SPE pode recozer a camada amorfa em

poucos minutos em temperaturas de 550⁰C a 700⁰C. Como vantagem adicional, o BF2 apresenta menor possibilidade de “channelling” que o boro.

3.5 Efeito de “channeling”

O efeito de “channeling” ocorre quando o íon incidente entra nos espaços abertos entre fileiras de átomos da rede. Uma vez nesses

“canais”, forças dos potenciais atômicos das posições de rede guiam o íon pelas regiões centrais do espaço entre as filas atômicas. O íon é guiado de forma estável nesse canal por distâncias longas perdendo gradualmente sua energia e podendo, eventualmente sair do canal. A perda de energia nessa condições é muito menor que fora do canal e, conseqüentemente, a penetração é muito maior. Isso significa perda de controle sobre a junção. Precisa ser evitado. A figura 7 esquematiza o efeito.

Fig. 7 - Diagrama esquemático da trajetória de um íon em monocristal. Inicialmente entrando em uma direção “densa”<763> e em seguida sentindo o efeito de “channeling”

O mecanismo primário para a formação das caudas em alvos cristalinos orientados fora dos eixos principais é atribuído ao

“channeling” no eixos principais. Para reduzir os efeitos do “channeling”

usa-se posicionar o substrato a ser implantado em um direção cerca de 7⁰ fora do eixo principal <100> ou <111>.

SUMÁRIO

A implantação iônica é usada em todas as etapas de dopagem em VLSI e ULSI.

Doses baixas são usadas em:

• controle da tensão de limiar, VT em circuitos MOS

• resistores

• poços n e p (em CMOS)

• dopagem de base (bipolares)

• controle da dimensão vertical da largura das regiões de carga espacial.

Doses elevadas são usadas em:

• drenos e fontes auto-alinhadas

• resistores de alta condutância

• camadas enterradas

• emissores de transistores bipolares

• circuitos SOI pela técnica SIMOX, SIMNI e SIMON

• “Gettering”de contaminantes.