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Implantation ionique et processus de diffusion

2024-06-21

L'implantation ionique est une méthode de dopage des semi-conducteurs et l'un des principaux processus de fabrication des semi-conducteurs.



Pourquoi le dopage ?

Le silicium pur/silicium intrinsèque ne contient pas de porteurs libres (électrons ou trous) et a une mauvaise conductivité. Dans la technologie des semi-conducteurs, le dopage consiste à ajouter intentionnellement une très petite quantité d'atomes d'impuretés au silicium intrinsèque pour modifier les propriétés électriques du silicium, le rendant plus conducteur et ainsi capable d'être utilisé pour fabriquer divers dispositifs semi-conducteurs. Le dopage peut être un dopage de type N ou un dopage de type P. dopage de type n : obtenu en dopant des éléments pentavalents (tels que le phosphore, l'arsenic, etc.) dans du silicium ; Dopage de type p : obtenu en dopant des éléments trivalents (tels que le bore, l'aluminium, etc.) dans du silicium. Les méthodes de dopage incluent généralement la diffusion thermique et l’implantation ionique.


Méthode de diffusion thermique

La diffusion thermique consiste à migrer les éléments d'impuretés dans le silicium par chauffage. La migration de cette substance est provoquée par un gaz d'impuretés à haute concentration vers un substrat de silicium à faible concentration, et son mode de migration est déterminé par la différence de concentration, la température et le coefficient de diffusion. Son principe de dopage est qu'à haute température, les atomes de la plaquette de silicium et les atomes de la source de dopage obtiendront suffisamment d'énergie pour se déplacer. Les atomes de la source de dopage sont d'abord adsorbés sur la surface de la plaquette de silicium, puis ces atomes se dissolvent dans la couche superficielle de la plaquette de silicium. À haute température, les atomes dopants diffusent vers l’intérieur à travers les interstices du réseau de la plaquette de silicium ou remplacent les positions des atomes de silicium. Finalement, les atomes dopants atteignent un certain équilibre de répartition à l’intérieur de la plaquette. La méthode de diffusion thermique a de faibles coûts et des processus matures. Cependant, il présente également certaines limites, telles que le contrôle de la profondeur et de la concentration du dopage n'est pas aussi précis que l'implantation ionique, et le processus à haute température peut introduire des dommages au réseau, etc.


Implantation ionique:

Il s'agit d'ioniser les éléments dopants et de former un faisceau d'ions, qui est accéléré jusqu'à une certaine énergie (niveau keV ~ MeV) via une haute tension pour entrer en collision avec le substrat de silicium. Les ions dopants sont physiquement implantés dans le silicium pour modifier les propriétés physiques de la zone dopée du matériau.


Avantages de l’implantation ionique :

Il s'agit d'un processus à basse température, la quantité d'implantation/quantité de dopage peut être surveillée et la teneur en impuretés peut être contrôlée avec précision ; la profondeur d'implantation des impuretés peut être contrôlée avec précision ; l'uniformité des impuretés est bonne ; en plus du masque dur, la résine photosensible peut également être utilisée comme masque ; elle n'est pas limitée par la compatibilité (la dissolution des atomes d'impuretés dans les cristaux de silicium en raison du dopage par diffusion thermique est limitée par la concentration maximale, et il existe une limite de dissolution équilibrée, tandis que l'implantation ionique est un processus physique hors équilibre. Les atomes d'impuretés sont injectés en cristaux de silicium à haute énergie, qui peuvent dépasser la limite naturelle de dissolution des impuretés dans les cristaux de silicium. L'une consiste à humidifier les choses en silence et l'autre à forcer l'arc.)


Principe de l'implantation ionique :

Premièrement, les atomes de gaz d'impuretés sont frappés par des électrons dans la source d'ions pour générer des ions. Les ions ionisés sont extraits par le composant d'aspiration pour former un faisceau d'ions. Après analyse magnétique, les ions avec différents rapports masse/charge sont déviés (car le faisceau d'ions formé à l'avant contient non seulement le faisceau d'ions de l'impureté cible, mais aussi le faisceau d'ions d'autres éléments matériels, qui doivent être filtrés). out), et le faisceau d'ions d'élément d'impureté pure qui répond aux exigences est séparé, puis il est accéléré par une haute tension, l'énergie est augmentée, et il est focalisé et scanné électroniquement, et enfin frappé à la position cible pour réaliser l'implantation.

Les impuretés implantées par les ions sont électriquement inactives sans traitement, donc après l'implantation ionique, elles sont généralement soumises à un recuit à haute température pour activer les ions impuretés, et une température élevée peut réparer les dommages au réseau causés par l'implantation ionique.


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