Wat betekent pre-amorfisering?

Pre-amorfisering, vaak afgekort tot PAI (preamorphization implantation), is een processtap vóór de eigenlijke ionenimplantatie van doteerstoffen, zoals boor. Daarbij wordt het oppervlak van silicium met ionen gebombardeerd, zodat de geordende kristalstructuur in een dunne oppervlaktelaag tijdelijk wordt verstoord. Die laag wordt daardoor amorf silicium. Het hoofddoel is te voorkomen dat later geïnjecteerde doteerionen ongewenst diep in het silicium doordringen. 1112

Wat betekent „amorf” hier?

In monokristallijn silicium staan atomen volgens een regelmatig patroon gerangschikt. In amorf silicium ontbreekt die ordening over grotere afstand. Het materiaal blijft vast: silicium wordt dus niet gesmolten. 12

Het woord pre geeft aan dat deze stap plaatsvindt vóór de gewenste doteringsimplantatie. Een bekende volgorde is bijvoorbeeld eerst germanium (Ge) voor pre-amorfisering en daarna boor (Boron) als doteerstof. 11

Waarom eerst de kristalstructuur verstoren?

Een siliciumkristal heeft in bepaalde kristalrichtingen relatief open doorgangen tussen de atomen. Beweegt een invallend ion ongeveer langs zo'n richting, dan botst het minder vaak en kan het veel dieper doordringen. Dit verschijnsel heet kristallijne kanaalvorming of channeling.

Hier gaat het nadrukkelijk niet om het elektrische kanaal van een MOSFET. Het gaat om een ongewenst effect tijdens ionenimplantatie: de concentratie van doteerstoffen krijgt dan een lange „staart” op grotere diepte. 12

Door de bovenste siliciumlaag amorf te maken, verdwijnen die geordende doorgangen tijdelijk. De daaropvolgende implantatie levert daardoor gemakkelijker een ondiep en beter controleerbaar doteringsprofiel op. Dat is vooral belangrijk voor de fabricage van ultradunne juncties. 711

Een eenvoudige vergelijking: in een netjes aangeplant bos kunnen rechte lanen bestaan waar je ver doorheen loopt. Maak je de opstelling rommelig, dan is het veel lastiger om lange tijd rechtdoor te gaan.

Hoe verloopt het proces?

Een gebruikelijke procesvolgorde bestaat uit drie stappen:

1. Pre-amorfiseringsimplantatie — Ionen van bijvoorbeeld germanium of silicium veroorzaken genoeg roosterbeschadiging om de bovenste siliciumlaag amorf te maken. 12
2. Doteringsimplantatie — Vervolgens worden de beoogde onzuiverheden, bijvoorbeeld boor, ingebracht. De amorfe laag helpt diepe kanaalvormingsstaarten te onderdrukken. 11
3. Annealen — Een warmtebehandeling laat de amorfe laag opnieuw kristalliseren en helpt de doteerstoffen elektrisch actief te maken. Restdefecten moeten daarbij wel worden beheerst; pre-amorfisering is dus niet zonder neveneffecten. 16

De amorfe toestand is daarmee een tijdelijke tussenstap. Het doel is niet om het uiteindelijke transistorgebied amorf te houden.

Wat betekent pai in een SProcess-commando?

Neem bijvoorbeeld:

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

Hier verwijst pai naar een optie voor een pre-amorfiseringsgerelateerd implantatiemodel in SProcess. 15

Daarbij is dit onderscheid belangrijk:

• PAI in een werkelijk productieproces: er wordt vooraf daadwerkelijk een aparte ionenimplantatie uitgevoerd, bijvoorbeeld met Ge, om een amorfe laag te vormen.
• pai in het commando: dit selecteert een relevant model voor deze implantatie. Alleen uit dit keyword volgt niet dat het script automatisch ook nog een afzonderlijke Ge-implantatie uitvoert. 15

In het getoonde commando is Boron nog altijd het enige expliciet opgegeven implantatie-element. Of er op dat moment al een amorfe laag aanwezig is, hoe diep die reikt en wat pai precies doet in de gebruikte softwareversie, hangt af van eerdere processtappen en de gekozen modelinstellingen.