Implante iônico e processo de difusão

A implantação iônica é um método de dopagem de semicondutores e um dos principais processos na fabricação de semicondutores.

Por que dopar?

O silício puro/silício intrínseco não possui portadores livres (elétrons ou buracos) em seu interior e possui baixa condutividade. Na tecnologia de semicondutores, dopagem consiste em adicionar intencionalmente uma quantidade muito pequena de átomos de impureza ao silício intrínseco para alterar as propriedades elétricas do silício, tornando-o mais condutivo e, portanto, capaz de ser usado na fabricação de vários dispositivos semicondutores. O doping pode ser do tipo n ou tipo p. Dopagem tipo n: obtida pela dopagem de elementos pentavalentes (como fósforo, arsênico, etc.) em silício; Dopagem tipo p: obtida pela dopagem de elementos trivalentes (como boro, alumínio, etc.) em silício. Os métodos de dopagem geralmente incluem difusão térmica e implantação iônica.

Método de difusão térmica

A difusão térmica consiste na migração de elementos de impureza para o silício por aquecimento. A migração desta substância é causada por gás impureza de alta concentração em direção ao substrato de silício de baixa concentração, e seu modo de migração é determinado pela diferença de concentração, temperatura e coeficiente de difusão. Seu princípio de dopagem é que, em alta temperatura, os átomos da pastilha de silício e os átomos da fonte de dopagem obterão energia suficiente para se moverem. Os átomos da fonte de dopagem são primeiro adsorvidos na superfície da pastilha de silício e, em seguida, esses átomos se dissolvem na camada superficial da pastilha de silício. Em altas temperaturas, os átomos dopantes se difundem para dentro através das lacunas da rede do wafer de silício ou substituem as posições dos átomos de silício. Eventualmente, os átomos dopantes atingem um certo equilíbrio de distribuição dentro do wafer. O método de difusão térmica possui baixos custos e processos maduros. No entanto, também tem algumas limitações, como o controle da profundidade e concentração de dopagem não é tão preciso quanto a implantação iônica, e o processo de alta temperatura pode introduzir danos na rede, etc.

Implantação iónica:

Refere-se à ionização dos elementos dopantes e à formação de um feixe de íons, que é acelerado até uma determinada energia (nível keV ~ MeV) por meio de alta tensão para colidir com o substrato de silício. Os íons dopantes são fisicamente implantados no silício para alterar as propriedades físicas da área dopada do material.

Vantagens da implantação iônica:

É um processo de baixa temperatura, a quantidade de implantação/quantidade de dopagem pode ser monitorada e o teor de impurezas pode ser controlado com precisão; a profundidade de implantação das impurezas pode ser controlada com precisão; a uniformidade da impureza é boa; além da máscara dura, o fotorresiste também pode ser usado como máscara; não é limitado pela compatibilidade (a dissolução de átomos de impureza em cristais de silício devido à dopagem por difusão térmica é limitada pela concentração máxima, e há um limite de dissolução equilibrado, enquanto a implantação de íons é um processo físico de desequilíbrio. Átomos de impureza são injetados em cristais de silício com alta energia, que podem exceder o limite natural de dissolução de impurezas em cristais de silício. Uma é umedecer as coisas silenciosamente e a outra é forçar o arco.)

Princípio da implantação iônica:

Primeiro, os átomos do gás impureza são atingidos por elétrons na fonte de íons para gerar íons. Os íons ionizados são extraídos pelo componente de sucção para formar um feixe de íons. Após a análise magnética, os íons com diferentes relações massa-carga são desviados (porque o feixe de íons formado na frente contém não apenas o feixe de íons da impureza alvo, mas também o feixe de íons de outros elementos materiais, que devem ser filtrados fora), e o feixe de íons do elemento de impureza pura que atende aos requisitos é separado e, em seguida, é acelerado por alta tensão, a energia é aumentada e é focada e digitalizada eletronicamente e, finalmente, atingida na posição alvo para alcançar a implantação.

As impurezas implantadas por íons são eletricamente inativas sem tratamento, portanto, após a implantação iônica, elas são geralmente submetidas a recozimento em alta temperatura para ativar os íons de impureza, e a alta temperatura pode reparar os danos à rede causados ​​pela implantação iônica.

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