Was ist eine Voramorphisierung?

Voramorphisierung bedeutet: Bevor Dotierstoffe wie Bor in Silizium implantiert werden, wird die oberste Siliziumschicht gezielt mit Ionen beschossen. Dadurch verliert sie ihre geordnete Kristallstruktur und wird amorph. Das wichtigste Ziel ist, den sogenannten Channeling-Effekt bei der anschließenden Implantation zu unterdrücken. So dringen einzelne Dotierionen nicht unerwünscht tief in das Material ein.1112

Was heißt „amorph“ bei Silizium?

Einkristallines Silizium besitzt eine weitreichend regelmäßige Anordnung seiner Atome. In amorphem Silizium fehlt diese Fernordnung. Das Material bleibt dabei fest – es wird also nicht geschmolzen.12

Das „Vor-“ in Voramorphisierung beschreibt schlicht die Prozessreihenfolge: Zuerst wird etwa Germanium (Ge) implantiert, um die Oberfläche zu amorphisieren; erst danach folgt die eigentliche Bor-Implantation.11

Warum wird das Kristallgitter vorher gestört?

In einem Einkristall gibt es entlang bestimmter Kristallrichtungen vergleichsweise offene Wege zwischen den Atomreihen. Treffen Ionen in eine solche Richtung, kollidieren sie seltener und können ungewöhnlich weit in das Silizium eindringen. Das Dotierungsprofil erhält dann einen langen Ausläufer in die Tiefe.

Dieser Effekt heißt Channeling oder Kristallkanalisierung. Gemeint ist nicht der leitende Kanal eines MOSFETs, sondern die bevorzugte Bewegungsbahn implantierter Ionen im Kristallgitter.12

Die amorphe Oberflächenschicht unterbricht diese geordneten Wege. Die nachfolgend implantierten Dotierstoffe lassen sich dadurch flacher und besser kontrollierbar einbringen – ein wichtiger Vorteil bei Prozessen für ultraflache Übergänge.711

Anschaulich: In einem ordentlich gepflanzten Wald gibt es gerade Schneisen, durch die man weit laufen kann. Werden die Bäume ungeordnet verteilt, ist ein geradliniges Durchkommen deutlich schwieriger.

Typischer Ablauf im Prozess

1. Voramorphisierungsimplantation: Ionen wie Ge oder Si erzeugen genügend Gitterdefekte, damit die oberste Siliziumschicht amorph wird.12
2. Dotierungsimplantation: Anschließend werden die gewünschten Dotierstoffe, etwa Bor, implantiert. Die amorphe Schicht reduziert dabei tiefe Channeling-Ausläufer.11
3. Tempern: Die amorphe Schicht rekristallisiert, und die Dotierstoffe werden aktiviert. Dieser Schritt muss sorgfältig gesteuert werden, weil Restdefekte zurückbleiben können.16

Die Voramorphisierung ist damit ein vorübergehender Prozesszustand. Im fertigen Bauelement soll die betreffende Siliziumregion nicht dauerhaft amorph bleiben.

Was bedeutet pai in einem Sentaurus-Process-Befehl?

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

Hier bezeichnet pai eine Option für ein Voramorphisierungs-bezogenes Implantationsmodell in Sentaurus Process.15

Wichtig ist die Unterscheidung:

• PAI im realen Fertigungsprozess: Vor der Dotierung erfolgt tatsächlich eine zusätzliche Ionenimplantation, beispielsweise mit Ge, die eine amorphe Schicht erzeugt.
• pai im Simulationsbefehl: Das Schlüsselwort legt fest, dass ein entsprechendes Modell für diese Implantation verwendet wird. Allein daraus folgt nicht, dass das Skript automatisch einen zusätzlichen Ge-Implantationsschritt ausführt.15

In der gezeigten Zeile ist das explizit implantierte Element weiterhin nur Boron. Ob bereits eine amorphe Schicht vorhanden ist, wie tief sie reicht und wie pai in der verwendeten Programmversion genau wirkt, lässt sich nur zusammen mit den vorherigen Prozessschritten und den Modelleinstellungen beurteilen.