Implantación de iones: Un proceso que ha revolucionado la fabricación de semiconductores

La implantación de iones es de vital importancia para la dopación de semiconductores, es decir, el proceso mediante el cual se introducen átomos extraños en el semiconductor. (Derechos de autor: FBH | Matthias Baumbach)

El desarrollo de la implantación de iones en los años 60 fue uno de los requisitos fundamentales para poder fabricar circuitos altamente integrados, como los conocemos hoy en día. El proceso se utiliza para introducir átomos extraños en un semiconductor y, de esta manera, por ejemplo, modificar su conductividad (dopado). En el Instituto Ferdinand-Braun, Instituto Leibniz para Tecnología de Alta Frecuencia (Leibniz FBH), el Dr. Andreas Thies, jefe del grupo de trabajo "Backend", se ocupa, entre otras cosas, de la pregunta de cómo se puede mejorar aún más la implantación de iones. Hemos hablado con él sobre su rutina laboral, desafíos e innovaciones en el proceso de semiconductores.

Señor Thies, usted trabaja en el Leibniz FBH en el departamento de tecnología de procesos y dirige allí el grupo de trabajo Backend. ¿Con qué procesos se ocupa concretamente?

La tarea de nuestro grupo de trabajo es fabricar componentes individuales a partir de dispositivos que aún están en una oblea completa, llamados chips. Después de que los chips, por ejemplo, se cortan o láser se separan de la oblea, deben ser procesados individualmente. Este paso marca la transición del frontend al backend. Mientras que en el frontend todos los procesos ocurren en una oblea, en el backend se trabajan chips individuales. Además, hay dos áreas que clásicamente pertenecen al backend: una es la implantación — no es una tecnología especialmente limpia — y la galvanoplastia.

¿Qué significa en este contexto que no sea especialmente limpia?

Trabajamos en una sala limpia y ésta es absolutamente libre de partículas. Aunque: "absoluta" como generalización, naturalmente no es del todo correcta. Existen diferentes clases de partículas y, dependiendo de en qué sala limpia se trabaje y qué tan pequeñas sean las estructuras que se fabrican, se deben cumplir diferentes clases de partículas. Cuando en el backend se corta o divide algo, se genera desgaste, es decir, pequeñas partículas. Al definir qué tan limpia es la sala, en última instancia, se trata del número de partículas o del tamaño de las partículas. Comparado con una sala limpia médica o biológica, el backend sigue siendo muy limpio. Sin embargo, los criterios de calidad del frontend son aún más estrictos.

Ahora echemos un vistazo a la implantación y a su trabajo diario. ¿Con qué tareas está actualmente ocupado y qué desafíos enfrenta?

Actualmente estamos trabajando en avanzar aún más en nuestra implantación de iones. Clásicamente, un implantador de iones es un aparato bastante complejo. Con nuestro implantador, introducimos muchos tipos diferentes de iones. Hay muchos parámetros que se pueden ajustar para controlar el proceso de implantación. Sin embargo, también hay áreas en las que estamos limitados, por ejemplo, en el voltaje de aceleración. Este voltaje de aceleración es responsable de la profundidad a la que se implantan los iones en el material. No solo influye en la penetración de los iones, sino también en su velocidad y energía, lo que a su vez afecta las interacciones con el material. En nuestro caso, el voltaje máximo es de 500.000 voltios. No podemos ajustarlo a voltajes más altos, por un lado, porque está prohibido por razones de protección contra radiaciones, y por otro, porque no hay espacio suficiente en nuestra sala de implantación para ello.

Lo que podemos hacer, por ejemplo, para ajustar específicamente las propiedades eléctricas deseadas, es implantar muchos tipos diferentes de iones. Esto es una diferencia importante con las implantaciones industriales. Allí, generalmente, hay decenas de implantadores, cada uno destinado a una tarea específica. Uno se usa para implantaciones de fósforo, otro para arsénico o antimonio. A diferencia de la industria del silicio, en el FBH tenemos un implantador con el que podemos y debemos implantar todo.

Los socios pueden venir con metales, gases o líquidos — y nosotros convertimos todo en fase gaseosa. Primero, ionizamos las sustancias, aceleramos los iones y luego los dirigimos hacia nuestra pieza de trabajo. Muchas propiedades del material, que en la tecnología del silicio se ajustan mediante implantación, en la tecnología de semiconductores III/V se logran mediante epitaxia. Para ello, en el FBH hay un departamento propio, el de tecnología de materiales, que fabrica las capas especiales. Luego, modificamos estas capas solo con la implantación de iones, por ejemplo, destruyéndolas localmente para reducir la conductividad.

Además, estamos considerando técnicas con las que podamos seguir desarrollando nuestro implantador para que, a pesar de dosis muy pequeñas, aún sea posible implantar. La dosis siempre es el producto del tiempo y la corriente (el número de iones que se disparan por segundo hacia el material objetivo). Cuando las corrientes son pequeñas, son difíciles de medir. Cuando la corriente alcanza el límite de medición, no podemos reducirla más, incluso si solo queremos implantar una dosis pequeña. Sin embargo, el tiempo tampoco puede ser arbitrariamente corto. Necesitamos una solución para esto. Experimentar con nuevas ideas y enfoques me resulta muy divertido y hace que mi trabajo sea variado.

¿Cuánto tiempo tarda en mejorarse o desarrollarse un proceso así?

Con el último ejemplo, llevo aproximadamente seis meses. De hecho, es un proceso bastante complejo. Primero, hay que desarrollar y planear ideas. Luego, se piden componentes, cuya entrega suele tardar de tres a cuatro meses. Después, puede que las piezas necesiten aún ser ajustadas por nuestro taller antes de ensamblarlas. Tras probar su funcionalidad en condiciones normales, finalmente se instalan en el implantador para verificar que todo funcione también en un vacío ultralto. La implantación de iones siempre se realiza en un vacío muy alto, es decir, a una presión muy baja.

La implantación de iones es fundamental para el dopado de semiconductores, es decir, el proceso en el que se introducen átomos extraños en el semiconductor para regular su conductividad. Antes, esto se hacía mediante un proceso térmico o difusión. Sin embargo, este método es muy sensible a la contaminación de la superficie. ¿Por qué se ha impuesto la implantación de iones como método y qué ventajas ofrece?

La implantación es una técnica estándar que hizo posible la tecnología del silicio, porque la introducción de iones ya no depende del estado de la superficie. No importa si en la superficie hay capas mínimas de contaminación o no. Los iones se aceleran y se disparan con una energía relativamente alta hacia la superficie, de modo que las capas puedan ser penetradas de manera uniforme. Por eso, la tasa de éxito en la implantación de iones es tan alta. La implantación de iones también ha permitido un aumento explosivo en la cantidad de piezas producidas y en el grado de integración. Esa fue una de las condiciones previas para poder fabricar los circuitos altamente integrados disponibles actualmente.

¿La elección de los iones depende entonces del material que se utilice?

Correcto, siempre depende del material y de las tareas que nuestros clientes o colegas en el instituto nos planteen. Hay que adaptar el tipo de ion, la energía y la dosis al material. Es decir, mis colegas me comunican qué estructura de capas quieren y qué cambios desean, y yo lo simulo. Para ello, existen herramientas de software establecidas. Para una epitaxia compleja, programar lleva de dos a tres horas. Después, se simulan diferentes energías y profundidades. Diría que procesar un pedido normal lleva aproximadamente medio día. Quizá un día completo. Pero en general, no es nada complicado.

Perspectiva: además de la implantación de iones, también hemos hablado con el Dr. Andreas Thies sobre galvanoplastia y la importancia de este proceso para la fabricación de semiconductores. Puede leer más sobre esto en la segunda parte de la entrevista en FMD.insight.