Che cos’è la pre-amorfizzazione del silicio

La pre-amorfizzazione, spesso indicata con l’acronimo PAI (preamorphization implantation), è un trattamento eseguito prima dell’impianto ionico del drogante. Consiste nel bombardare la superficie del silicio con ioni in modo da alterare l’ordine del reticolo cristallino negli strati più superficiali e creare una regione di silicio amorfo.

L’obiettivo principale è ridurre il channeling o effetto di canalizzazione cristallografica: in questo modo gli ioni di drogante, come il boro, hanno meno probabilità di penetrare troppo in profondità.1112

Cosa significa rendere amorfo il silicio?

Nel silicio monocristallino, gli atomi sono disposti secondo un ordine regolare che si estende nel materiale. Nel silicio amorfo, questo ordine a lungo raggio viene meno: il materiale rimane solido, ma non conserva la stessa struttura cristallina ordinata. Non significa quindi fondere il silicio.12

Il prefisso pre- indica semplicemente la sequenza del processo. Un esempio tipico è:

1. impianto preliminare di germanio (Ge) per amorfizzare la superficie;
2. impianto del boro (B) come drogante.11

Perché conviene alterare il reticolo prima del drogaggio?

Nel silicio monocristallino esistono alcune direzioni in cui gli atomi lasciano percorsi relativamente aperti. Se un ione entra lungo una di queste direzioni, può subire meno collisioni e arrivare molto più in profondità del previsto. Il profilo di concentrazione del drogante può così mostrare una coda profonda: è il fenomeno chiamato channeling.

Qui “channeling” non indica il canale conduttivo di un MOSFET, ma un effetto legato alla geometria del reticolo cristallino.12

La pre-amorfizzazione elimina questi percorsi ordinati nello strato superficiale. Il successivo impianto ionico può quindi produrre una distribuzione del drogante più superficiale e più controllabile, una caratteristica importante nella realizzazione di giunzioni ultra-shallow.711

Un’analogia utile è quella di un bosco con alberi disposti in file perfettamente dritte: lungo certe file si può avanzare molto lontano. Se la disposizione viene resa irregolare, quel passaggio diretto scompare.

Le fasi tipiche del processo

1. Impianto di pre-amorfizzazione: ioni di Ge o Si provocano un danno reticolare sufficiente a rendere amorfa la regione superficiale del silicio.12
2. Impianto del drogante: vengono introdotti gli ioni desiderati, per esempio boro; lo strato amorfo riduce la coda profonda dovuta al channeling.11
3. Ricottura: il silicio amorfo viene ricristallizzato e i droganti vengono attivati elettricamente. Questa fase deve però gestire i difetti residui: la pre-amorfizzazione non è un passaggio privo di conseguenze.16

Di conseguenza, lo strato amorfo è una condizione temporanea di processo. Il dispositivo finale non è progettato per mantenere amorfo il proprio canale.

Cosa significa pai nel comando SProcess?

Consideriamo questa istruzione:

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

In SProcess, pai è un’opzione del modello di impianto collegata alla pre-amorfizzazione.15

Occorre però distinguere due casi:

• PAI in un processo reale: viene effettuato davvero un impianto preliminare, per esempio di Ge, per formare uno strato amorfo.
• pai nel comando di simulazione: indica che l’impianto usa il relativo modello; la sola presenza della parola chiave non implica necessariamente che lo script abbia eseguito automaticamente un impianto aggiuntivo di Ge.15

Nella riga mostrata, l’unico elemento esplicitamente impiantato è comunque Boron. Per stabilire se la struttura possieda già uno strato amorfo, quale sia la sua profondità e come pai venga trattato nella versione usata, bisogna verificare gli impianti precedenti e le impostazioni del modello: quella singola riga non è sufficiente per concluderlo.