2. IONIMPLANTÁCIÓ Ebben a fejezetben egy néhány évtizede felfedezett adalékolási eljárással fogunk foglalkozni. Az eljárás - jellegét tekintve - a magfizika és a szilárdtestfizika határterületén létrejött ismeretekre épül és technológiai eljárásként annak fontossága egyre nő. Elsődleges alkalmazási területe a félvezető integrált áramkörök gyártása, de az ionos eljárások jelentősek a fémek, polimérek, biokompatibilis anyagok felületnemesítése terén is. A következőkben rövid történeti áttekintést adunk. 2.1. Bevezetés, történeti áttekintés Az ionimplantáció olyan anyag, ill. vékonyréteg-módosítási eljárás, amelynek során a kívánt adalékatomokat először ionforrásban ionizáljuk, majd egy elektromos téren áthaladt, felgyorsított ionokkal bombázzuk a szilárd anyagot, hogy azokat bejuttassuk annak a belsejébe. Az ionimplantáció és a porlasztás egymástól elválaszthatatlan jelenség-párt alkot: az ionok lefékeződése ugyanis a céltárgy atomjainak átadott energia, azaz ütközések révén következik be. Ennek eredményeként ezen atomok nagyrészt ki is mozdulnak a helyükről. Ha az elmozdulás, illetve további atomok másodlagos meglökése, azaz a kialakuló "kaszkád" révén egyes atomok elegendően nagy energiával érik el belülről a felületet, akkor kilépnek. Ilyenkor beszélünk porlasztásról, ill. porlódásról ("sputtering"). A porlódás és implantáció kozmikus méretekben is jelenlévő esemény. A napszél, amely főleg kev energájú protonokból áll, és erősen csökkenő mértékben ugyan, de tartalmaz energikus nehezebb ionokat ( 20 Ne 8+ stb.) is, szintén ionbombázás. Ennek átlagos részecskeáramsűrűsége a Föld felett 2-3x10 8 atom/cm 2 s. A rendelkezésre álló "csillagászati idő" alatt a holdi kőzetek felszíni rétegeiben jelentősen feldúsult a hidrogén (kb. 1 cm 3 /g), a szén és a nitrogén (kb. 100 µg/g) és - bár a porlódási értékei alacsonyak (kb. 10-1 nm/év) - a napszél erodálja a Föld légkörét, a Holdat is. A leporlódó földi részecskék - energiájuktól függően - csapdázódnak pl. a Holdon, hogy onnan, a holdi talaj atomjaival együtt tovább repüljenek, zömmel a Napba (Jull és Pillinger [1978]). 280
Legtöbbször a porlasztással is kombináltan beszélünk tehát ionos felületalakító módszerekről ("ion beam modification"). Ezek az ionforrások teljesítőképességével párhuzamosan fejlődtek, mert a felületalakításokhoz nagy dózisokra van szükség és - ha nem az ionok termikus hatását akarjuk kihasználni - nem feltétlenül nagy ionáramsűrűségre. (Ez utóbbit csak a ráfordítási idő vezérli.) Igen nagy dózisok esetén (ha a belőtt ionok koncentrációja nagyobb 5-10 at.% -nál) fázisképződések, -kiválások tarkítják a képet, további lehetőségeket adva a felületalakításhoz. Az ionok behatolásának mechanizmusa elsősorban az energiájuktól és a folyamatban szereplő valamennyi atom tömegének arányától függ. Mivel a mai implanterek (implantáló berendezések) zömében az ionokat tömegszeparátoron is átvezetik, az adalékatomok nyalábja akár spektroszkópiai tisztaságú is lehet. Világos, hogy egy adott anyagba egy adott energikus ion behatolásának mértékét alapvetően a gyorsítás szabja meg. Ionimplantációval tehát szabályozható mélységi eloszlást lehet elérni. Az energia változtatásával lényegében tetszésszerinti mélységi profilok állíthatók elő, tehát olyanok is, amelyek kizárólag termikus módszerekkel (diffuzióval) elképzelhetetlenek: pl. olyan eloszlás, ahol a koncentráció a felülettől befelé növekszik, "hegymenetű" ("uphill", ill. "retrograde"). Az ionok áramának mérésével, ill. áramintegrálással, a becsapódó ionok összmennnyiségét megmérhetjük. Ilymódon dózis kontrollt lehet elérni. Noha az ionokkal való "rajzolás" - a televíziós képernyő mintájára - a kezdetek óta napirenden van, a minta teljes felületének besugárzását ma csaknem minden esetben a milliméter, esetleg centiméter átmérőjű ionnyaláb kétdimenziós pásztázásával oldják meg. Így az iparilag használt 25 vagy a tervek szerinti 40 cm átmérőjű félvezető szeleteknél is gazdaságos "átbocsátóképesség" biztosítható. A pásztázással egyúttal felületmenti homogenitás kontroll valósítható meg. A modern ipari berendezéseknél egyetlen szeleten belül a homogenitás hibájának 0,5 %-nál, szeletről-szeletre pedig 2 %-nál kell kisebbnek lennie. Noha az ionok oldalirányú szóródása sem elhanyagolható, sok alkalmazásnál az ionimplantációt közelítőleg anizotróp adalékolási eljárásnak lehet tekinteni, azaz maszkolás felhasználásával a laterális méretek is jól tervezhetők. Világos, hogy az anyagnak az ionimplantáció révén kialakuló állapota - szemben a termikus diffuzió utánival - távol van a termikus egyensúlytól. Ebből következik, hogy az nincs közvetelenül alávetve olyan termodinamikai korlátoknak, mint pl. a szilárd oldékonyság. Az első 281
elvekből azonban következik az is, hogy amennyiben az implantációt izotermálisnak tekinthető hőkezelés követi, a rendszerre már az egyensúlyi termodinamika, pl. a diffúzió törvényei hatnak. Noha ilyenkor a termikus folyamatok leggyakrabban ún. kiválások létrejöttéhez vezetnek, az implantációt pl. emelt hőmérsékleten végezve, elérhető olyan termodinamikai állapot, hogy kémiai fázisok képződjenek - akár szöchiometrikus összetételben. Ez az ionsugaras szintézis. Az ionimplantáció - a részecskék fékeződésekor átadott energia következtében - óhatatlanul sugárkárosodást okoz. Ez a hatás ugyan általában káros, és - aforisztikusan - az implantációs eljárás kutatásának, fejlesztésének fókuszában mindig is a besugárzott anyagnak ezen rácshibáktól való megszabadításának kérdésköre állt. Esetenként azonban ezek a hibák, ill. az amorf állapotba átvitt szerkezetek céltudatosan is használhatók (pl. a félvezetőkben szigetelő vagy a fémekben kopásnak ellenálló réteg előállítása). Az ionimplantációnak a félvezető integrált áramkörök gyártása köszönhet legtöbbet. Itt a fent említett előnyök mindegyike vitális fontosságú. Mivel az ionimplantáció itt lokális adalékolásként nyer alkalmazást, azaz mindig az ionok lokális behatolását megakadályozó, fotolitográfiásan alakított maszkoláshoz kapcsolódik, az implantáció és a litográfia az áramkörök gyártása során sokszorosan ismétlődő művelet. Egy modern DRAM vagy egyéb áramkör előállítása során, különböző célokra, 12-18 implantációs adalékolási lépést is alkalmaznak. A fémek kopásállóságának a javítására vagy pl. egyes polimérek elektromos vezetőképeségének beállítására viszont rendszerint elegendő egyetlen, többnyire nagydózisú implantációs lépés. Mindezek az alkalmazások az ionféleségek, az ionenergiák, az iondózisok széles skáláját ölelik fel: az egyik végletként az ULSI áramkörök 70 nm, ill. még sekélyebb pn-átmeneteit kb. 1-5 kev energiájú bór ionokkal (vagy bórt is tartalmazó molekulaionokkal!) kell kialakítani, a "standard" alkalmazások energiatartománya a 20-100 kev, a másik végletként pedig pl. a CMOS áramkörök hegymenetű (retrograde) zsebtartományait vagy a teljesítménytranzisztorokban a töltéshordozók élettartamának beállítását ma 200-3000 kev energiájú ionokkal végzik (a miniatürizálás révén a használt energiák tartománya csökken...). A félvezető alkalmazásoknál a dózisok a 10 9 ion/cm 2 -től 10 15 ion/cm 2 -ig terjednek. Más esetekben gyakori akár a 10 17 ion/cm 2 dózis is (tájékoztatásul: a szilícium kristály felületén 10 15 atom található cm 2 -ként; 282
azaz a legnagyobb dózisok sem haladják meg a mintegy 100 atomi rétegnek megfelelő atomszámot). Ilyenkor a porlódás (azaz a felület hátrálása) - különösen kisebb ionenergiák és viszonyítottan nagytömegű ionok esetén - egyébként is korlátozza az elérhető maximális koncentrációt, hiszen a már belőtt atomok egy része is eltávozik. Az ionok fékeződését - ezeken az energiákon - mindig a Coulomberők okozzák. Kétféle mechanizmus lehetséges. Az egyik, amelyet elektron fékeződésnek nevezünk, az érkező ionok és a tárgy atomjainak elektronfelhői között rövid időre fellépő kölcsönhatás révén áll elő. Ez dominál a nagyobb (100 kev - MeV) energiákon. A folyamatok itt "rugalmatlanok", azaz az ionok kinetikus energiája pl. elektrongerjesztés, ill. fény-, röntgen- stb. sugárzás formájában emésztődik fel. Ez a kölcsönhatás ugyan "megrázza", polarizálja a rácsot, de csak kevés rácszavart és akkor is inkább csak ponthibákat képes kelteni. Kisebb energiákon (tehát az ionpályák végén minden esetben!) a magok közötti Coulomb-taszítás dominál, amely rugalmas ütközés jellegű folyamat. Ez vezet az ún. kiterjedt rácshibák ("extended defects") keletkezéséhez. Ekkor beszélünk nukleáris fékeződésről. Mindezek alapján már el lehet képzelni a becsapódási jelenség forgatókönyvét. Korai Doppler-effektus mérések azt igazolták, hogy a primér ion mintegy 10-14 s alatt elveszti energiáját. Ezt követően, mintegy a 10-13 s végére kialakul az ún. gyors kaszkád, amelynél még nem beszélhetünk "hőmérséklet"-ről, csak egy rendkívül erősen gerjesztett állapotról. Attól függően, hogy milyen a besugárzott anyag kötéstipusa, más és más mechanizmussal egyenlítődik ki az elektron- és a rácshőmérséklet - mintegy az első ps végére. Ezt követően a folyamatok már termikusan vezéreltek és a lehűlést követő végállapot nem-egyensúlyi voltáról mint "befagyás"-ról ("quench") is beszélhetünk. A kaszkádok átlagos átmérője mintegy 10 nm, így ez az időskála lehetővé teszi annak megbecslését, hogy milyen ionáramsűrűségek esetén alakul ki tér-, ill. időbeli átfedés az egyes kaszkádok között. Egyetlen rácsatomnak olyan mértékű kimozdításához, hogy az ne tudjon a saját helyére visszaugrani a rács lehűlése közben, mintegy 15 evnyi energiaközlés ("kritikus energia", értéke a kötési energiának sokszorosa) szükséges. Ebből könnyen számítható, hogy átlagos energiákon akár 10 4 rácshiba is keletkezik egyetlen beeső ion hatására. Ezeket a hibákat nevezzük primér rácshibáknak. Ezek zömmel Frenkel párok (FP). Az implantált atomok impulzusának irányítottságából következően az átlagos és a felületre merőlegesen mért átlagos behatolási mélységnek 283
(R p ) mintegy 0,8-szeres mélységéig vakanciákban dús, beljebb, mintegy 2R p -ig, pedig rácsközi atomokban dús réteg keletkezik. Az implantáció okozta primér rácshiba-szerkezet tehát a mélység függvényében nem homogén. Ennek a következményeire a sekély pn-átmenetek előállításánál térünk ki. Világos, hogy annak rendkívüli jelentősége van, hogy a kaszkádfolyamat futásához viszonyítottan mikor érkezik egy következő ion ugyanarra a felületre, azaz mikor keletkezik idő-, ill. térbeli átfedés a kaszkádok között. Elmondható, hogy térbeli átfedés a kb. 10 nm átmérőjű kaszkádoknál mintegy 10 15 cm -2 dózistartománynál kezdődik. Időbeli átfedés - a megszokott implantációs áramsűrűségek esetén - nem fordul elő. Ez azt jelenti, hogy az elemi implantációs folyamatok egymástól függetleneknek tekinthetők. Noha a fenti időskálán nem teljesen érthető, a µa/cm 2 áramsűrűségektől kezdődően már fellépnek olyan hatások, amelyek az említett függetlenséget megkérdőjelezik - különösképpen a rosszabb hővezetőképességgel rendelkező anyagoknál. Egészen nagy áramsűrűségeknél, amelyek fókuszált vagy impulzusszerű ionáramoknál léphetnek fel, a felület akár olvadt állapotba is kerülhet. A primér rácshibák rendszerint átalakulnak egyrészt az implantáció további folyamatában ui. új ion csapódhat egy előző kaszkád környezetébe (>10 14 ion/cm 2 dózis esetén ennek már nagy a valószínűsége), így új FP-k keletkeznek, amely az ún. sugárzás-keltette (nem Fick-i) diffúzió (radiation enhanced diffusion, RED) jelenségét hívják életre és a többlet-hibák okozta fellazulás révén létrejött atom-mozgékonyság viszi újabb állapotba a rendszert. Ez rendszerint az implantált atomok diffúziós elmozdulását is okozza. A másik mechanizmus vezet a másodlagos (szekundér) hibák kialakulásához (ezt nevezi az irodalom "as-implanted" állapotnak, ami nem tévesztendő össze az "As implanted", azaz az "arzénnel implantált" állapottal): az implantációt követő, emelt hőmérsékleteken végzett kezelések során termikus eredetű rácshibák vannak jelen, amelyek a primér rácshibák átalakulásához, a rácshibák reakcióihoz vezetnek. A lehülés után (mégis) visszamaradó rácshibákat nevezzük másodlagos (szekundér) hibáknak. A dózis növelésével többnyire ún. kiterjedt hibák, hibaklaszterek, "fürtök" keletkeznek. Elegendően nagy, az ún. amorfizációs dózis elérésével, az implantációt közvetlenül követő állapot amorf állapot is lehet. Kiderült, hogy az elszigetelt, de kiterjedt hibák nehezen tüntethetők el. Az amorfitásba vitt implantált rendszer viszont nagy eséllyel (epitaxiásan) 284
vissza-kristályositható. Ennek hasznára szintén a pn-átmenetek előállítási kérdéseinek tárgyalásánál térünk vissza. Az ionbesugárzást más rétegtechnológiai eljárásokkal (vákuum párologtatás, molekulasugaras epitaxia) kombinálva, új lehetőségek nyílnak a kutató és a technológus számára különleges tulajdonságú rétegek előállítására. Példákkal a 2.7. fejezet szolgál. A 2.1. ábrán - némiképp elébe vágva a mondanivalónknak - összefoglaljuk azokat az alkalmazási területeket, amelyek ma már az ionimplantáció "standard" alkalmazásait jelentik. 2.1. ábra. Az ionos eljárások alkalmazási területei az ionenergia és a részecske fluxus tartományai szerint osztályozva. A jelen könyvben a rutin, az alacsony, ill. a nagyenergiájú implantációval, a plazma immerziós eljárással, valamint a SIMOX (2.2.6) foglalkozunk részletesebben. 285
Történeti áttekintés Az ionok fékeződésének tanulmányozása lényegében a radioaktivitás felfedezésével egyidőben kezdődött (Curie [1900]). A két ponttöltés szóródásának elméletét - pl. a szimbolika szempontjából mind a mai napig meghatározóan Thomson [1903] munkája tartalmazza. Ezt követően, Geiger és Marsden [1909] kísérlete az α-sugarak fóliákon való áthaladásának tanulmányozására elvezetett annak a felismeréséhez is, hogy a részecskéknek mintegy 0.01%-a visszafelé szóródik. Ezt követték Rutherford [1911] elméleti eredményei, aki nemcsak kvantifikálta az α- részecskék eltérülését, hanem a visszaszóródásból elsőként vont le anyagvizsgálat-jellegű következtetést: az alumínium atommagjának kb. 22, a platináénak kb. 138 töltéssel kell a számításai szerint rendelkeznie. Ebből fejlődött ki a mai Rutherford visszaszórásnak ("Rutherford Backscattering", RBS) nevezett anyagvizsgálati módszer, amely az ionimplantáció egyik oldalágává vált. Röviddel ezután publikálta Niels Bohr [1913, 1915] alapvető dolgozatait az ionok anyagban való fékeződéséről - erre a 2.2.1. fejezetben visszatérünk. Két "nagy" korszaka volt ezt követően az ionfékeződés és a rácshiba-képződés leírásának. Az egyik a harmincas években, Bethe [1930, 1932], valamint Bloch [1933] alapvető eredményeinek publikálása idején, majd az ötvenes évektől kezdődően - amikoris az ionimplantáció stratégiai fontossága kiderült és újból a dán iskola vette át a vezetést - Lindhard [1953, 54, 63] közreműködésével. A rácshibák leírásával viszont az orosz Firsov [1957] révén nyerte el az elmélet lényegében a ma is használt alakját. Nem csak az elmélet fejlődött ezen időszak alatt, hanem a tranzisztor egyik felfedezője, W. Shockley már gyakorlati lehetőséget látott az eljárásban: az általa elnyert 2,787,564 sz. U.S. Patent (1954. okt. 28/1957. ápr. 2), amelynek címe "Forming semiconductor devices by ionic bombardment", már minden jelentős elemet tartalmaz mind a berendezés, mind az eljárás szempontjából. Szól pl. a rácshibákat megszüntető hőkezelés szükségességéről is. Mindennek ellenére a "konzervativizmus" késleltette. a széleskörű ipari alkalmazást Pl. az Intel cégnek az ún. MNOS technológiája a hetvenes évek elején olyan jól működött, hogy hallani sem akartak új eljárásokról. A változást talán a rendkívüli előnyöket nyujtó, ún. növekményes/kiürítéses 286
tranzisztorpárokból álló inverter felfedezése hozta 1974 táján, amelynél egyetlen szelet szomszédos területein kellett teljesen eltérő V T küszöbfeszültségen működő tranzisztor-párokat - eltérő helyi adalékolással - előállítani. A Szovjetunió nagy titoktartással foglalkozott ionimplantációval. Mivel az első implanterei az izotópszeparatárokból átalakított berendezések voltak, az implantációnak, mint diffúziós előadalékolásnak a szerepét látta perspektívikusnak - szemben az Egyesült Államokkal, ahol az eljárás precizitását tartották az eljárás fő értékének. Mivel az ionsugár az anyagnak szinte minden tulajdonságát befolyásolja, az alkalmazások köre rendkívül széles. Integrált áramkörökben ilyen pl. a forrás ("source", S), ill. a nyelő ("drain", D) ellentétes, nagydózisú adalékolása akár közvetlen implantációs adalékolással, akár poliszilíciumnak vagy szilicidnek mint diffuziós forrásnak az adalékolásával, az S/D tartományok kiterjesztése a kapuelektródig ("gate", G), a parazita, ill. a funkcionális tranzisztorok küszöbfeszültségének növekményes, ill. kiürítéses üzemmódjának beállítására, a bipoláris elemek emitterének (E), bázisának (B) kialakítására, a szigetelőrétegek marási szögeinek beállítására, az eszközöket elszigetelő árkok oldalfalainak adalékolására, a szilicidek kialakítására vagy az alumínium szerkezetének alakítására. Az ún. Silicon-On-Insulator (SOI), azaz dielektromos szigetelésű áramkörök ma legelterjedtebb alapanyagánál oxigén implantációval kialakított eltemetett SiO 2 réteget találunk. 287
Mára az integrált áramkörök gyártásában az implantáció talán a legsokoldalúbb technikává fejlődött: egy standard CMOS áramkörben 13- féle célra alkalmazzák az ionimplantációs adalékolást (2.2. ábra). 2.2. ábra. Az ionimplantáció alkalmazásai a "standard" CMOS (Complementary Metal Oxides Semiconductor) inverterekben A. NMOS (n-csatornás tranzisztor) forrás/nyelő, B. NMOS n-csatorna küszöbfeszültség, C. NMOS forró töltéshordozók hatásának kiküszöbölése, D. p-zseb az NMOS tranzisztor számára, E. p-tipusú csatorna stop, zsebek közötti és zseben belüli szigetelés, F. PMOS (p-csatornás tranzisztor) forrás/nyelő, G. PMOS p-csatorna küszöbfeszültség, H. PMOS átszúrás megakadályozása, I. p-zseb az NMOS tranzisztor számára, J. n-tipusú csatorna stop, zsebek közötti és zseben belüli szigetelés, K. NMOS átszúrás megakadályozása, L. PMOS forró töltéshordozók hatásának kiküszöbölése, M. Poliszilícium kapuelektród adalékolása. A közeljövő nagy feladatokat ró a szakmára és ugyanakkor nagy lehetőségeket rejt, de a fizikai határok elérése miatt egy-két terület 288
elvesztésével is járhat. A "The National Technology Roadmap for Semiconductors" (Semiconductor Industry Association, San Jose CA, 1994) 2010-re a 64 Gbites DRAM eszköz megjelenését vetíti előre, amely 70 nm-es vonalszélességű technológiára épül és ahol a MOS tranzisztorok vezérlő dielektrikumának ("gate") megkívánt vastagsága (2 ± 0,2) nm - amit a szilícium rácsállandójának 0,5 nm-es értékével kell összevetni. Azaz a Si/SiO 2 határfelületen legfeljebb egyatomos lépcsők lehetnek. Ennek a pár atomnyi rétegvastagságnak kell elviselnie mintegy 10 7 V/m térerősségű elektromos terhelést. Kimutatható, hogy ezen lépcsők megengedhető felületi koncentrációja kisebb, mint 10 13 m -2. A mintegy 10 nm mély forrás/nyelő (S/D) pn-átmenet implantációs előállítása nagy és alig-alig megoldható feladatot jelent az implantációs technika számára. A 2.3. ábra mutatja be azt a szinte hihetetlen "törvény"-t, amely szerint az egyetlen chipen megvalósuló funkciók (tranzisztorok) száma évente kettőződik. Az ábra azt jelzi, sugallja, hogy 2010-ig nincs szakmai ok, amely ellene szólna az évtizedes trend folytatódásának - és mindez még a filozófiájában "hagyományos", csak megoldásaiban újszerű és rendkívüli precizitást, szakmai alapokat tisztázó szilícium-alapú integrált ártamköri technológiával áll elő. 289
2.3. ábra. Az egy chipen megvalósítható funkciók hatványfüggvényszerű növekedése; SIA: Semiconductor Industries Association prognózisa; µ-p: mikroprocesszor; ASIC: Application Specific Integrated Circuit 290