tecnología y fabricación de cis e. procesos de dopado...

TEMA 5

Tecnología y fabricación de CIs

E. Procesos de dopado en Semiconductores: Difusión e

Implantación iónica

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� La impurificación de cristales es de total necesidad en Electrónica. � En muchos casos el dopaje se realiza a la vez del crecimiento (del lingote o

crecimiento epitaxial) � impurificación uniforme de la oblea (aunque no del lingote). � Además, en el curso de la fabricación de dispositivos es necesario introducir

nuevas impurezas para modificar las propiedades electrónicas.

Tema 5. Tecnología y Fabricación de CIs

Comparación entre técnicas de difusión (superior) y de implantación iónica (inferior) para la introducción

selectiva de dopantes en un substrato semiconductor.

� Los PROCESOS para dopar una capa SC: � Difusión de impurezas (se utiliza desde los

años 70) �

� Las impurezas se introducen a Tª elevada en regiones seleccionadas del semiconductor.

� La concentración de dopantes disminuye desde la superficie.

� Implantación iónica � los iones se implantan mediante un haz de iones altamente energético.

� Esta técnica se usa tanto en Si como en GaAs.

� Es un proceso más moderno, complejo y costoso que la difusión

I. Introducción: Procesos de dopado

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� Definición: Redistribución de átomos desde regiones de alta concentración de especies móviles hacia regiones de baja concentración. � las impurezas, previamente depositadas sobre la superficie del cristal, penetran en el interior.

� Este fenómeno tiene lugar a todas las temperaturas, sin embargo, la difusividadtiene una dependencia exponencial con la temperatura.


II. Procesos de dopado: Difusión

x

C (x)

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� Comparativa uso de difusión en Si vs GaAs:

� En la tecnología de Si es la técnica más

empleada utilizando la capacidad del óxido

de Si (SiO2) para actuar como máscara.

� Permite la formación de la fuente y el drenador de MOS y regiones activas de transistores bipolares.

� Pueden manejarse muchas obleas en cada proceso.

� En GaAs, la difusión es menos controlable,

además las estructuras avanzadas de

diferentes capas requieren en su mayoría

procesos epitaxiales.


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� DIFUSION:

� Vamos a estudiar:

� Naturaleza de la difusión

� Teoría de la difusión: Modelo 1D de Fick

� Fuente de impurezas ilimitada o constante

� Fuente de impurezas limitada

� Ejemplos de resolución

� Efectos reales en la difusión

� Efectos de difusión lateral

� Segregación de impurezas

� Hornos de Difusión: Sistemas físicos para la realización de procesos de

difusión



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� Naturaleza Microscópica de la difusión: La difusión de átomos en una red cristalina depende de los diferentes tipos de mecanismos de difusión que se pueden producir en la red.

� Tipos de mecanismos de difusión:

� 1. Intersticial: La impureza penetra en el cristal de forma intersticial y se mueve o salta a otra posición intersticial.

� 2. Substitucional: Un átomo salta desde un punto de la red cristalina a otro adyacente que es necesario que estévacante. Este mecanismo ocurre con menor velocidad que la difusión intersticial. Muchos de los dopantes de Si son substitucionales.

� 3. Mecanismo “kick-out” o patada: Un átomo de impureza pasa de un lugar intersticial a un lugar de la red desplazando un átomo: se forma una intersticial de átomo de la red que puede difundirse como una impureza.

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� TEORIA de la difusión: (Teoría 1D de Fick)� Las constantes de difusión representan la facilidad de penetración de las impurezas en el sólido.

� Hipótesis simplificadoras� Sistema unidimensional que ignorar los efectos de fronteras de granos

� Supone dispositivos plano-paralelos.� Supone difusión substitucional (se aplica lo mismo en difusión intersticial) en la

red del Si o GaAs (Zinc- Blenda).

1ª Ley de Fick de la difusión.

� Considera una sección transversal de área A, el espacio entre planos es d/(3)0.5 donde “d” es la distancia entre los lugares de las redes del tetraedro.

� En la difusión � los átomos de una capa (de impurezas o de la red) deben pasar a la capa vecina.

� Se calcula el flujo de átomos (F ) neto a lo lago del plano P en la dirección x� probabilidad temporal de cambio de concentración de impurezas:C, por unidad de área como:

x

CDF

∂

∂−=

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� TEORIA de la difusión: (Teoría 1D de Fick)

� Primera ley de Fick de la Difusión:

� La redistribución de dopantes macroscópicos viene determinada por la primera Ley

de Fick que describe como el flujo de dopantes ( F: átomos/cm2 s) depende el gradiente de la concentración:

x

CDF

∂

∂−=

1ª Ley de Fick de la difusión:

� Es similar a otras leyes en las cuales la causa es proporcional al efecto (Ley de Ohm, de Fourier…).

� El signo negativo � el flujo produce la reducción del gradiente de concentración.

� D = Difusividad o Coeficiente de Difusión D

(cm2/s) (está relacionada con la dependencia de la frecuencia del salto de los átomos a la capa vecina).

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� Primera ley de Fick de la Difusión:

� Coeficiente de difusión:

� El coeficiente de difusión depende de la temperatura de la manera de manera exponencial:

� EA: la energía de activación de la impureza

Difusividades medias de dopantes substitucionales en Si

−=

TK

EDTD

B

Aexp)( 0


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� Existe un límite para la difusión:� Supongamos que establecemos un

depósito en la superficie de impurezas en exceso.

� La concentración en superficie (Cs) es constante a lo largo del tiempo e igual al limite de solubilidad del sólido �� es la concentración máxima que, para cada temperatura, puede ser introducida en el sólido.

� Para mayores valores de impurezas, éstas precipitan en otra fase.

� Observar la solubilidad de impurezas como el fósforo (P), Arsénico (As) y Boro (B).

Solubilidad del sólido en Silicio


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� Segunda ley de Fick de la Difusión:

� Esta ley describe como el cambil en concentración en un elemento de volumen viene determinado por el cambio en los flujos dentro y fuera del volumen.

2ª Ley de Fick de la difusión:

� CASO PARTICULAR: D=cte: coeficiente de difusión no depende de la concentración (ocurre así en muchas aplicaciones).

� 2ª Segunda ley de Fick se reduce a:

� NOTA: N=C (concentración de dopantes)

∂

∂

∂

∂=

∂

∂=

∂

∂

x

CD

xx

F

t

C

2

2

x

�D

t

�

∂

∂=

∂

∂


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� 1er CASO: Difusión desde una fuente ILIMITADA o constante

� La oblea se expone a una cantidad∞ de impurezas en el proceso de difusión

� La solución que satisface 2ª Ley de Fick: �� Función Error



� RESOLUCION de la 2ª LEY DE FICK de la Difusión

Perfiles de difusión de fuente constante. Concentración de impurezas para diferentes tiempos de difusión

=

Dt

xerfc�tx�

2),( 0

� La concentración en la superficie se mantiene cteen el tiempo e igual al límite de solubilidad, N0.

� La anchura de difusión aumenta con el tiempo (determinada por la función error).

� APLICACIONES: regiones de fuente y drenador de MOSFET, así como en el emisor del BJT de Si y en la mayoría de las difusiones de GaAs

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� Q0 es una constante

� La concentración en x=0 decrece como

� La distancia de difusión desde el origen aumenta como:

� APLICACIONES: � dopajes muy profundos pero con valores bajos de la concentración en la superficie:

� Dopaje de la base de un BJT.

� 2º CASO: Difusión desde una fuente LIMITADA

� En este caso poseemos una cantidad finita de átomos de impureza para su difusión.

� La solución que satisface la 2ª Ley de Fick �� GAUSSIANA




t/1

Perfiles de difusión de fuente Limitada. Concentración de impurezas para diferentes tiempos de difusión

−=Dt

x

Dt

Qtx�

4exp),(

20

π

Dt2

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� 2º CASO: Difusión desde una fuente LIMITADA




Concentración de impurezas: evolución temporal de la función Gaussiana

c

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� Comparativa matemática de

Gaussiana y Función Error

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� Se realiza la difusión de aluminio en una capa gruesa de silicio sin contenido previo de aluminio a una temperatura de 1100ºC durante 6 horas.

� ¿a qué profundidad habrá una concentración de 1016átomos/cm3 si la concentración en la superficie es 1018átomos/cm3?.

� NOTA: A esa temperatura el coeficiente de difusión de aluminio en silicio es 2 10-12cm2/s.

=

Dt

xerfc�tx�

2),( 0


� EJERCICIO 1:


� SOLUCIÓN: buscamos la profundidad en la que la concentración cae hasta el 1 % del valor en la superficie� Impurity conc/surface conc= 10-2.

� Gráficamente obtenemos: 75.12

=

=

Dt

xz

� Despejamos el valor de x: Dtx 275.1 ×=

� Sustituyendo D y t, ambos conocidos � Obtenemos para la profundidad � x= 106.5 nm=0.11 µm.

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� Se difunde arsénico en una capa gruesa de silicio sin contenido previo de As a 1100ºC.

� Si la concentración de ese elemento en la superficie es

5x1018átomos/cm3 y a 1,2µm de la superficie es 1,5 1016átomos/cm3 ¿cuál habrá sido el tiempo de difusión?.

� NOTA: D=3 10-14 cm2/s para As en Si a esa temperatura.


� EJERCICIO 2:



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� En la práctica, la difusión en microcircuitos se lleva a cabo a través de ventanas abiertas en una máscara que se coloca en la oblea

� El modelo 1D representa una manera satisfactoria de describir este proceso excepto en el límite de la máscara. En el límite, la fuente dopante proporciona impurezas que se difunden:

� Principalmente en un ángulo perpendicular a la superficie del semiconductor

� También de manera lateral



� Efectos reales en la difusión: Efectos de difusión lateral

Contornos de difusión al límite de una ventana de difusión

� Podemos ilustrar los contornos de concentración de dopaje constante en los que se observa la difusión lateral.� La penetración lateral es del orden del 75-80 % de la

penetración en la dirección vertical para concentraciones que son más de dos órdenes de magnitud bajo la concentración superficial

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� Los requerimientos básicos que debe cumplir un sistema de difusión son:� Un método para atraer las impurezas difusoras hacia la oblea � Mantenerlas allí durante un tiempo y una Tª específica

� Los requerimientos adicionales del proceso de difusión son:� El proceso de difusión no debe dañar la superficie de la oblea � Tras la difusión, el material restante en la superficie debe ser eliminado (grabado)

fácilmente para realizar otros procesos posteriores: formación de contactos u otras difusiones

� Es necesario que los resultados sean altamente reproducibles de un “run” al siguiente proceso de fabricación

� Sería rentable poder realizar el proceso de difusión en el mayor número de obleas al mismo tiempo.

� Hornos de difusión:� Se realizan normalmente en tubos abiertos (los hornos de difusión) en los que las

obleas se colocan en una barquilla dentro de un tubo horizontal de cuarzo de alta pureza.

� El horno se calienta (mediante arrollamientos resistivos se controla la Tªelectrónicamente en la zona central del horno: entre Tª entre 600 ºC y 1200º C.



� HORNOS de difusión:

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� El primer horno de difusión fue patentado en 1957:



� HORNOS de difusión:

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� La implantación iónica es un método de impurificación tanto de Silicio como de GaAs. � Es el método dominante de dopaje utilizado hoy día a pesar de sus desventajas. � Es un proceso más costoso y complejo que la difusión y una alternativa a la misma.


III. Procesos de dopado: Implantación Iónica

Comparación entre técnicas de difusión (superior) y de implantación iónica (inferior) para la introducción

selectiva de dopantes en un substrato semiconductor.

Haz del equipo implantador incidiendo en la oblea

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� Vamos a estudiar:� Procesos microscópicos en la implantación iónica

� Principio básico de la implantación iónica

� Ventajas e inconvenientes de la implantación iónica

� Distribución de iones implantados: definición de parámetros

� Sistema físico de implantación: implantador iónico

� Comparación de los perfiles de dopantes obtenidos mediante difusión e implantación iónica

� Efectos reales de la implantación iónica:

� Acanalamiento.

� Dañado de la red cristalina� Recocido : RTA

� Implantación iónica a través del óxido (SiO2)



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� Principios básicos:

� Se dopa un substrato mediante un flujo de iones energéticos de la impureza (obtenidos de un plasma de la misma) que se proyectan contra la oblea (blanco).

� Los iones de impurezas penetran en el substrato con una alta energía (velocidad) y pierden su energía mediante colisiones con los núcleos y los electrones que acaban deteniendolos.

� Los iones quedan parados a una determinada distancia de la superficie de la oblea �formado un perfil de implantación.



Proceso microscópico de la implantación iónica

� Proceso de Implantación Iónica

� La profundidad a la que se localiza la impurezadepende en la energía (o velocidad) de los iones.

� Las colisiones con los núcleos del blanco hacen que se modifique la situación de los iones de la red cristalina dañando el substrato:

� Si el átomo del semiconductor recibe en una colisión una energía mayor que su energía umbral de desplazamiento � provoca la formación de defectos(típicamente defectos puntuales como vacantes e intersticiales).

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� Ajuste del potencial umbral VT de conducción de los MOSFET.

� Autoalineamiento de puerta de los mismos.� Posibilidad de formación de capas enterradas de

colector en los BJTs.

� Proceso de baja Tª � al poder realizarse a Tªambiente, es posible una gran flexibilidad a la hora de elegir las máscaras (Si3N4, Al, Silica)(incluso fotoresinas).

� Es posible realizar la implantación iónica a través del óxido de Si: SiO2 como máscara.

� La implantación iónica, presenta importantes ventajas:

� Posibilita la introducción controlada de grandes dosis de impurezas en una región del semiconductor � proceso de NO EQUILIBRIO: es posible introducir dopantes a concentraciones mayores que su solubilidad sólida de equilibrio.

� Permite realizar un control independiente del dopaje y de la profundidad (salvo en algunos casos de acanalamiento)

� Los perfiles de impurificación obtenidos por implantación iónica son mucho más precisos(errores de ± 1 %) y más superficiales (< 1mm) que los obtenidos por difusión�Aplicaciones en procesos de fabricación delicados:

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� La implantación iónica muestra ciertas desventajas o inconvenientes :

� Los dopantes no son eléctricamente activos dado que están situados en lugares intersticiales� Aparece una reducción en la movilidad debido al daño producido en el substrato



Esquema (resumen) de las ventajas/desventajas de la implantación iónica, así como de los

parámetros de una implantación-iónica típica

� Debido a los choques internos en el semiconductor al realizar la implantación �produce un daño en la superficie del cristal semiconductor.� Es necesario un posterior recocido (anneal) (a

Tª elevada) para reparar este efecto� Re-cristaliza.� Re-activa los dopantes.

� Este recocido es delicado en GaAs.

� También es un inconveniente la sofisticación y el coste del Equipo Implantador que a estudiaremos más tarde.

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� Se definen los siguientes términos para caracterizar los perfiles (la distribución de dopantes) de la implantación iónica:

� Rango (R): Distancia recorrida por unión en el sólido.� Rango proyectado (Rp): Profundidad de penetración media bajo la superficie.� Desviación transversal (RT): Desviación standard en el plano perpendicular a la superficie.� ∆∆∆∆Rp (desviación estándar o straggle).



� Distribución de iones implantados: definición de parámetros típicos

Definición de los parámetros típicos de una implantación iónica Simulación de implantación de Boro

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� La distribución de iones (cualitativamente):

� Los iones pesados (como el Sb) se frenan más rápidamente que iones ligeros (como el B)

� En media, la distribución de iones muestra un máximo en una profundidad bajo la superficie.

� Este pico define el parámetro de rango proyectado: Rp)

� IMPORTANTE:� Debido a la trayectoria aleatoria de los iones,

algunos iones separan más rápido y otros iones tienen un viaje más largo � originan una distribución de rangos proyectados que presenta una cierta desviación estándar: ∆∆∆∆Rp.

� En 1ª aproximación, el perfil de implantaciones puede ser descrito mediante un distribución Gaussiana con un máximo en Rp y una desviación estándar : ∆∆∆∆Rp

� La distribución Gaussiana es matemáticamente sencilla, aunque en la realidad solamente se ajusta en la región del máximo.




Perfiles de distribución (Gaussiana) de diferentes dopantes en Si (Energía

implantación= 200keV)

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� La distribución de iones (de manera cualitativa):� Rp depende de la energía de implantación� mayores energías dan lugar a rangos proyectados

más profundos� Para obtener una distribución de impurezas con un perfil profundo, se requieren:

� Iones ligeros � Energías de implantación elevadas




Rango de los dopantes más comunes en Si en función de la energía de la implantación

Distribución de iones de Boro en Si para diferentes energías de implantación

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Rango proyectado en Si y SiO2. Desviaciones del rango.

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� Dibujar aproximadamente los perfiles de impurezas si:� Se implantan impurezas de arsénico, boro y fósforo, con energía

de 300 keV y dosis adecuadas para que la máxima concentración que se obtenga sea 1020 cm-3.


� EJERCICIO 1:

II. Procesos de dopado: Implantación iónica

� SOLUCION: De las gráficas obtenemos los valores de la situación de los máximos de la concentración (Rango proyectado):

� Arsenico= 0.15 µm.� Fósforo= 0.4 µm� Boro= 0.8 µm

� También obtenemos los valores de las desviaciones del Rango:� Arsenico= 0.055 µm.� Fósforo= 0.1 µm� Boro= 0.1 µm

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� El implantador, cuyo esquema aparece en la figura consiste básicamente de los siguientes bloques:� Una fuente de iones, en la que se produce el plasma de la impureza, normalmente a partir de una

fuente gaseosa de la misma (BF3, AsH3, PH3, SiH4) aunque puede producirse por evaporación o por “sputtering” de una fuente sólida. � Mediante un ligero potencial extractor y un diafragma, el flujo deseado de iones son encaminados al

espectrógrafo de masas.




Oblea

Placas de-flectoras

Lentes electrónicas

Placas ace-leradorasDiafragma

Selección

Haz deiones

Espectrógrafo de masas

Fuentede iones

� Espectrógrafo de masas, que desvía los iones por la aplicación de un campo magnético producido por las bobinas del espectrógrafo. Ajustando este campo se puede seleccionar el ion que atraviesa el diafragma de salida

� Columna de aceleración. Los iones seleccionados en el espectrógrafo de masas son acelerados al atravesar diversos diafragmas de potenciales crecientemente negativos. (hasta unas energías máximas y típicas de 300 KeV (algunas aplicaciones se alcanzar algunos MeV).

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� Zona de focalización: El haz de iones seleccionado y acelerado es focalizado mediante las correspondientes lentes electromagnéticas, que diminuyen su divergencia a valores en torno al grado sexagesimal.

� Zona de deflexión y barrido. Está formada, esencialmente, por placas de desviación electrostática. Permiten:� Separar aquellos iones que han perdido energía en su camino por colisiones con residuos de gas o

las paredes del implantador� Realizar irradiación uniforme de la oblea mediante un barrido de la misma por el haz.




� Cámara del blanco. En ella se aloja la oblea u obleas a implantar y se puede orientar adecuadamente la muestra con relación al haz y, en muchos casos, hacer un control de temperatura. Además se puede medir (mediante un culombímetro) la carga aportada por los iones y deducir, de ella, la dosis de implantación, que oscila, usualmente, entre 1011 y 1016

iones cm-2.

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Parte final del equipo implantador

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Vacío

Oblea

Medidor

de flujo

Placas de-

flectoras

Lentes

electrónicas

Placas ace-

leradoras

A

VaDiafragma

Selección

Haz de

iones

Espectrógrafo

de masas

Fuente

de iones

Fotografía del Implantador de alta energía, Eaton HE3, mostrando el haz de iones impactando en la estación de obleas de 300 mm.

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� En la difusión, vimos que normalmente se realiza en dos fases:� Debemos recordar que en el proceso de difusión, el máximo de concentración se localizaba justo en la

superficie� La implantación iónica

� Una dosis se distribuye justo bajo la superficie. Sin embargo, el máximo de concentración aparece en una distancia: Rp

� Posteriormente, (si se desea) los dopantes se redistribuyen mediante una fase de “recocido”:



� Comparación de Perfiles de Dopantes: Difusión e Implantación Iónica

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� El acanalamiento o channeling ocurre cuando:� Un ión incidente encuentra una entrada hacia un espacio entre filas de átomos. � Ocurre si la velocidad del ión es paralela a una orientación principal del cristal.

� Una vez que el ión entra, es guiado a lo largo del canal hacia distancias considerables �ladistancia de penetración de un ión acanalado es mucho mayor que la de un blanco amorfo.

� Se producen de manera inesperada perfiles de impurificación muy profundos �en la componente de concentración aparece una “cola” debido a la componente de acanalamiento



� Efectos reales de la implantación iónica: acanalamiento

Esquema de un recorrido iónico en un monocristal mostrando el comportamiento acanalado y el “no acanalado” y sus

consecuencias en la concentración de dopantes

Efecto del acanalamiento en una dirección privilegiada de la red cristalina

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� Para evitar este efecto, se realiza una inclinación de la oblea 7º en la dirección [110] y una rotación de 30º



� Efectos reales de la implantación iónica: acanalamiento

Simulación virtual del “channeling” en Si en

diferentes orientaciones

(110) (111)

(100) (100 con rotación e inclinación)

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� Dependiendo del tipo de iones tendremos diferentes daños:� Iones pesados (As, Sb, In) � se frenan mediante

colisiones nucleares � el daño es importante.� Iones ligeros como B y P � Se frenan principalmente

mediante interacciones electrónicas � La mayor parte del daño ocurre al final de la trayectoria.

Esquema de un sistema de

recocido rápido (RTA:

Rapid ThermalAnnealing)

Daño producido dependiendo del tipo de ión de impureza

� Temperaturas del recocido:� T> 400ºC:

� se eliminan defectos puntuales y comienzan a activarse las impurezas.

� Se eliminan defectos en la interfase Si-SiO2, de los dispositivos MOS.

� T> 1000ºC, se activan impurezas de iones ligeros y pesados implantadas.

� Si es necesarias Tª elevadas � se recurre entonces al recocido térmico rápido: RTA (Rapid ThermalAnnealing):� elevaciones/descensos/mantenimientos

súbitos de temperatura � hornos especiales RTA.



� Recocido

Quartz

Chamber

Process Gas

Tungsten-Halogen

Lamps

Pyrometer

Wafer

External chamber

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� Ventajas del Si en la fabricación de CIs � la superficie del Si puede cubrirse por una capa gruesa de SiO2.

� La superficie de protección se mantiene mientras se realiza la implantación a través del óxido � de este modo la superficie del Si no es expuesta durante el proceso.



� Implantación iónica a través del óxido (SiO2)

Implantación de Boro a través de SiO2. Capa de SiO2 de 120 nm que cubre la superficie del Si

� La implantación puede realizarse a través del óxido de diferentes maneras:

� El Perfil A: la capa del SiO2 en este caso sirve como máscara � en la práctica se utilizaría un grosor de óxido mayor para impedir la penetración de Boro

� El perfil B : deposita una gran dosis de Boro dentro del Si � útil en el dopado del semiconductor mientras a la vez se mantiene su superficie cubierta por una capa de pasivación. En este caso la capa de óxido sirve como ventana de implantación

� El perfil C: la mitad de la distribución de iones se deposita en Si, mientras que el resto se mantiene en el óxido. Idealmente, de esta manera se controla una carga superficial en la interfaz Si-SiO2 .

� NOTA: extremadamente importante para controlar el voltaje umbral de los MOSFETs.

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� Fabricación de un MOSFET:� Actualmente las regiones de fuente y drenador no se forman mediante difusión.� Se utiliza una técnica de autoalineado (se usa el mismo proceso de máscara para realizar el

metal de la puerta que para el dopaje de la fuente y el drenador) junto con implantación.� Se forma la puerta con SiO2 y posteriormente una capa de polisilicio.� Se realiza una implantación iónica para formar las islas de fuente y drenador.

� La puerta hace de máscara del canal durante la implantación y también se dopa el poli-silicio � se convierte en conductor.

� Al conseguir el auto-alineado de fuente y drenador se reduce el efecto de las capacidades de “overlap”.� Esta implantación y el posterior recocido puede modificar el dopaje de la interfaz Si/SiO2 de puerta �

Se controla el voltaje umbral, que es proporcional a la carga:



� Aplicaciones a dispositivos MOSFET

ox

oxox

ox

TT

tC

C

QqV

ε==∆

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� Fabricación de un MOSFET:

Distribución de dopantes después de la implantación.

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� Fabricación de un MOSFET:

Distribución de dopantes tras la implantación y el recocido.

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