Co je předamorfizace (PAI) v polovodičové výrobě?

Předamorfizace, často označovaná zkratkou PAI (preamorphization implantation), znamená, že se před vlastní implantací bóru nebo jiného dopantu ionty záměrně naruší povrchová krystalová mřížka křemíku. Ve velmi mělké vrstvě tak vznikne amorfní křemík. Hlavním účelem je potlačit kanálování iontů a zabránit tomu, aby část dopantu pronikla nečekaně hluboko.1112

Co znamená „amorfní“ křemík?

V monokrystalickém křemíku jsou atomy uspořádány pravidelně na dlouhou vzdálenost. V amorfním křemíku toto dlouhodobé pravidelné uspořádání chybí; stále však jde o pevnou látku, nikoli o roztavený křemík.12

Slovo před v názvu říká, že tento krok nastává ještě před implantací cílového dopantu. Typickým příkladem je nejprve předamorfizační implantace germaniem (Ge) a teprve poté implantace bóru (B).11

Proč je narušení mřížky užitečné?

Monokrystalický křemík má v určitých krystalografických směrech relativně otevřené prostory mezi atomy. Ion, který se do takového směru dostane, může utrpět méně srážek a proniknout výrazně hlouběji do materiálu. Tento jev se označuje jako kanálování (channeling).

Nejde přitom o vodivý kanál tranzistoru MOSFET, ale o „průchod“ v uspořádané krystalové mřížce. Kanálování může vytvořit nežádoucí hluboký ocas v profilu koncentrace implantovaného dopantu.12

Předamorfizace tyto uspořádané cesty v povrchové vrstvě naruší. Následná implantace pak snáze vytvoří mělký a lépe řiditelný dopantový profil, což je důležité zejména pro technologii ultramělkých přechodů.711

Přirovnání: v pravidelně vysázeném lese mohou vznikat dlouhé přímé průseky. Když se uspořádání „rozbije“, je mnohem obtížnější projít rovně a daleko.

Jak vypadá typický postup?

1. Předamorfizační implantace: Ionty Ge nebo Si způsobí dostatečné poškození mřížky, aby se povrchová vrstva křemíku stala amorfní.12
2. Implantace dopantu: Do této vrstvy se implantuje například bór. Amorfní vrstva omezuje kanálování a hluboké ocasy dopantového profilu.11
3. Žíhání: Amorfní vrstva znovu krystalizuje a dopant se elektricky aktivuje. Proces je nutné řídit tak, aby zůstalo co nejméně defektů; předamorfizace tedy není bez vedlejších dopadů.16

PAI je proto pouze dočasný procesní stav. Cílem není ponechat výslednou oblast tranzistoru amorfní.

Co znamená pai v příkazu SProcess?

Například v tomto příkazu:

implant Boron energy=230 dose=1.0e13 tilt=0 rot=135 pai

je pai volba související s modelem předamorfizace v nástroji Sentaurus Process (SProcess).15

Je však důležité rozlišovat mezi dvěma věcmi:

• PAI ve skutečném výrobním postupu: před implantací dopantu se skutečně provede další iontová implantace, například germaniem, aby vznikla amorfní vrstva.
• pai v příkazu simulace: určuje použití odpovídajícího modelu při dané implantaci. Z tohoto samotného klíčového slova nelze vyvozovat, že skript automaticky provedl zvláštní implantaci Ge.15

V uvedeném řádku je explicitně implantovaným prvkem stále pouze Boron. Zda už struktura obsahuje amorfní vrstvu, jak je hluboká a jak přesně se volba pai chová v dané verzi modelu, je nutné posuzovat podle předchozích kroků simulace a jejího nastavení.