Hvad betyder præamorfisering?

Præamorfisering – ofte kaldet PAI efter preamorphization implantation – er et procestrin før den egentlige dopingimplantation. Her bombarderes siliciums overflade med ioner, så den ordnede krystalstruktur i det øverste lag brydes op og bliver til amorft silicium. Målet er især at begrænse kanalering ved den efterfølgende implantation af eksempelvis bor, så ionerne ikke ender for dybt i materialet.1112

Hvad betyder det, at silicium bliver amorft?

• Enkeltkrystallinsk silicium har atomer i en regelmæssig, langtrækkende orden.
• Amorft silicium har ikke den samme langtrækkende orden. Det er stadig et fast stof – silicium er altså ikke blevet smeltet.12

Ordet præ fortæller blot, at trinnet ligger før den ønskede dopantimplantation. En typisk rækkefølge kan være først en præamorfiserende germaniumimplantation (Ge) og derefter implantation af bor (B).11

Hvorfor forstyrre krystalgitteret først?

I en enkeltkrystal findes der langs bestemte krystalretninger relativt åbne baner mellem atomerne. Hvis indkommende ioner rammer ind langs sådanne retninger, kolliderer de mindre og kan derfor trænge betydeligt længere ned i silicium. Det giver en lang, dyb hale i dopantprofilen. Fænomenet kaldes kanalering (channeling).12

Det er ikke det samme som den elektriske kanal i en MOSFET. Her handler ordet om ionernes bevægelse gennem krystalgitteret.

Når det øverste lag er amorft, er de regelmæssige krystalbaner brudt. Den efterfølgende doping kan derfor holdes mere overfladenær og kontrolleret, hvilket er vigtigt ved fremstilling af ultratynde pn-overgange.711

En enkel sammenligning: En skov med træer i helt lige rækker har lange, frie passager. Hvis træernes placering bliver uregelmæssig, er det sværere at bevæge sig langt frem i en lige linje.

Typisk procesforløb

1. Præamorfiserende implantation: Ge- eller Si-ioner bruges til at skabe tilstrækkelig gitterbeskadigelse til, at siliciums overfladelag bliver amorft.12
2. Dopantimplantation: Derefter implanteres den ønskede dopant, for eksempel bor. Det amorfe lag reducerer den dybe kanalering.11
3. Udglødning: Materialet opvarmes, så det amorfe lag rekrystalliserer, og dopanterne kan aktiveres elektrisk. Samtidig skal restdefekter kontrolleres; præamorfisering er altså ikke uden procesmæssige afvejninger.16

PAI er dermed en midlertidig tilstand i processen. Det færdige transistorområde er ikke tiltænkt at forblive amorft.

Hvad betyder pai i en Sentaurus Process-kommando?

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

I dette eksempel er pai en modelindstilling i Sentaurus Process, der vedrører præamorfiseringsimplantation.15

Det er dog vigtigt at skelne mellem to ting:

• PAI i en fysisk fremstillingsproces: Der udføres faktisk et forudgående ionbombardement, som danner et amorft lag.
• pai i kommandoen: Det angiver, at den relevante model bruges for denne implantation. Man kan ikke ud fra nøgleordet alene konkludere, at scriptet automatisk har kørt en ekstra Ge-implantation.15

Den eksplicit angivne ion i linjen er stadig kun Boron. Om strukturen allerede indeholder et amorft lag, hvor dybt laget går, og præcis hvordan pai håndteres, afhænger af de forudgående procestrin og modelopsætningen i den konkrete Sentaurus-version.