Что такое предварительная аморфизация

Предварительная аморфизация, или PAI (preamorphization implantation), — это технологический этап перед основной ионной имплантацией. Поверхностный слой кремния предварительно облучают ионами, чтобы нарушить его упорядоченную кристаллическую решётку и превратить тонкий участок в аморфный кремний. Затем в него имплантируют нужную примесь — например, бор. Основная цель — подавить кристаллографическое каналирование и не дать части ионов уйти слишком глубоко. 1112

Что означает «аморфизация»

В монокристаллическом кремнии атомы расположены в регулярной, дальнеупорядоченной структуре. В аморфном кремнии такого дальнего порядка нет, однако материал остаётся твёрдым: речь не идёт о плавлении кремния. 12

Слово «предварительная» указывает на порядок операций: сначала выполняют аморфизирующую имплантацию — например, ионами германия (Ge), — а затем вводят легирующую примесь, такую как бор (B). 11

Зачем нарушать кристаллическую решётку

В монокристалле есть направления, вдоль которых между атомами образуются относительно «свободные коридоры». Если ион летит вдоль такого направления, он сталкивается с меньшим числом атомов и способен проникнуть значительно глубже, чем рассчитано. Это явление называется каналированием (channeling).

Здесь важно не путать каналирование с проводящим каналом MOSFET: это эффект движения внедряемых ионов в кристаллической решётке. Он может создавать длинный глубокий «хвост» в профиле концентрации примеси. 12

Аморфный поверхностный слой разрушает эти упорядоченные направления. Поэтому последующая имплантация даёт более мелкое и контролируемое распределение примеси — особенно важное при формировании сверхмелких переходов. 711

Простая аналогия: в ровно посаженном лесу можно далеко пройти по прямым просекам. Если расположение деревьев становится хаотичным, двигаться по прямой без препятствий уже не получится.

Как выглядит типичная последовательность процесса

1. Предварительная аморфизирующая имплантация. Ионы Ge или Si создают в верхнем слое кремния достаточно повреждений, чтобы он стал аморфным. 12
2. Имплантация примеси. В аморфизированный слой вводят бор или другую целевую примесь; это снижает вероятность глубокого канального «хвоста». 11
3. Отжиг. Аморфный слой рекристаллизуется, а примесь становится электрически активной. При этом необходимо контролировать остаточные дефекты: аморфизация не бывает полностью «бесплатной» с точки зрения структуры материала. 16

Иными словами, аморфное состояние — это временный этап процесса, а не желаемое конечное состояние транзисторного канала или всего кремниевого слоя.

Что означает pai в команде SProcess

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

В Sentaurus Process ключевое слово pai относится к модели предварительной аморфизации при расчёте имплантации. 15

Но необходимо различать два понятия:

• PAI в реальном технологическом процессе — отдельная предварительная ионная имплантация, которая действительно создаёт аморфный слой;
• pai в команде симулятора — параметр, включающий соответствующую модель для данной имплантации.

По одному ключевому слову pai нельзя заключить, что скрипт автоматически выполнил отдельную имплантацию германия. В показанной строке явно указан только внедряемый элемент — Boron. Есть ли в структуре аморфный слой, какова его глубина и как именно опция pai интерпретируется в используемой версии SProcess, определяется предыдущими шагами процесса и настройками модели, а не одной этой строкой. 15