Implantation d'ions : Une méthode qui a révolutionné la fabrication des semi-conducteurs

L'implantation d'ions est d'une importance centrale pour le dopage des semi-conducteurs, c'est-à-dire le processus d'introduction d'atomes étrangers dans le semi-conducteur. (Copyright : FBH | Matthias Baumbach)

Le développement de l'implantation d'ions dans les années 60 a été l'une des conditions fondamentales permettant la fabrication de circuits intégrés très complexes tels que nous les connaissons aujourd'hui. La méthode est utilisée pour introduire des atomes étrangers dans un semi-conducteur et ainsi, par exemple, modifier sa conductivité (dopage). Au Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (Leibniz FBH), le Dr Andreas Thies, responsable du groupe de travail « Backend », s'intéresse notamment à la façon dont l'implantation d'ions peut encore être améliorée. Nous avons discuté avec lui de son quotidien professionnel, des défis et des innovations dans le processus de fabrication des semi-conducteurs.

Monsieur Thies, vous travaillez au Leibniz FBH dans le département de technologie des procédés et dirigez le groupe de travail « Backend ». Avec quels processus vous occupez-vous concrètement ?

La tâche de notre groupe de travail est de fabriquer des composants individuels à partir d'éléments encore présents sur une plaquette complète, appelés chips. Après que les chips ont été séparés, par exemple par sciage ou laser, ils doivent tous être traités individuellement. Cette étape marque la transition du front-end vers le back-end. Alors que lors du front-end tous les processus se déroulent sur une plaquette, dans le back-end, ce sont des chips individuels qui sont traités. Il existe également deux domaines qui appartiennent classiquement au back-end : l'implantation – une technologie pas particulièrement propre – et la galvanoplastie.

Que signifie « pas particulièrement propre » dans ce contexte ?

Nous travaillons dans une salle blanche, qui est absolument exempte de particules. Cependant : « Absolument » en tant que généralisation n'est pas tout à fait exact. Il existe différentes classes de particules et, selon la salle blanche dans laquelle on travaille et la taille des structures que l'on fabrique, il faut respecter différentes classes de particules. Lorsqu'une opération de coupe ou de division est effectuée dans le back-end, il en résulte de l'usure, c'est-à-dire de petites particules. La définition de la propreté d'une salle concerne finalement le nombre de particules et leur taille. Comparé à une salle blanche médicale ou biologique, le back-end reste très propre. Cependant, les critères de qualité du front-end sont encore plus stricts.

Jetons maintenant un coup d'œil à l'implantation et à votre travail quotidien. Quelles tâches menez-vous actuellement et à quels défis êtes-vous confronté ?

Actuellement, nous travaillons à l'amélioration de notre implantation d'ions. Classiquement, un implantateur d'ions est un appareil assez complexe. Avec notre implant, nous introduisons de très nombreux types d'ions différents. Il existe de nombreux paramètres que l'on peut ajuster pour contrôler le processus d'implantation. Cependant, il y a aussi des limites, par exemple en ce qui concerne la tension d'accélération. Cette tension est responsable de la profondeur d'implantation des ions dans le matériau. Elle influence non seulement la profondeur d'infiltration des ions, mais aussi leur vitesse et leur énergie, ce qui a à son tour des effets sur les interactions avec le matériau. Chez nous, la tension maximale est de 500 000 volts. Nous ne pouvons pas appliquer des tensions plus élevées, d'une part parce que cela est interdit pour des raisons de radioprotection, et d'autre part parce que l'espace dans notre salle d'implantation ne le permet pas.

Ce que nous pouvons faire, par exemple, pour ajuster précisément les propriétés électriques souhaitées, c'est d'implanter de nombreux types d'ions différents. C'est une différence essentielle avec l'implantation industrielle. Là, une dizaine d'implantateurs sont généralement disponibles, chacun étant dédié à une tâche spécifique. L'un est utilisé pour l'implantation de phosphore, un autre pour l'arsenic ou l'antimoine. Contrairement à l'industrie du silicium, nous disposons au FBH d'un implant capable d'implanter tout type d'ions, que ce soit pour nos recherches ou pour la production.

Nos partenaires peuvent nous fournir des métaux, des gaz ou des liquides – et nous transformons tout en phase gazeuse. Nous ionisons d'abord ces substances, accélérons les ions, puis les projetons dans notre pièce à conviction. De nombreuses propriétés matérielles, qui sont ajustées par implantation dans la technologie du silicium, sont obtenues dans la technologie des semi-conducteurs III/V par épitaxie. Pour cela, le FBH dispose d'une unité propre, la technologie des matériaux, qui fabrique ces couches spécifiques. Nous ne faisons que modifier ces couches par implantation d'ions, par exemple en les détruisant localement pour réduire leur conductivité.

De plus, nous réfléchissons actuellement à des techniques pour faire évoluer notre implant afin de permettre l'implantation même avec des doses très faibles. La dose est toujours le produit du temps et du courant (le nombre d'ions tirés par seconde sur le matériau cible). Lorsque les courants deviennent faibles, ils sont difficiles à mesurer. Dès que le courant atteint la limite de la mesure, nous ne pouvons plus le réduire, même si une petite dose doit être implantée. Le temps, quant à lui, ne peut pas non plus devenir indéfiniment court. Nous avons besoin d'une solution pour cela. Tester de nouvelles idées et approches me procure beaucoup de plaisir et rend mon travail varié.

Combien de temps faut-il généralement pour améliorer ou faire évoluer ces processus ?

Je travaille sur le dernier exemple depuis environ six mois. C'est en réalité un processus assez complexe. Il faut d'abord développer et planifier des idées. Ensuite, commander les composants, dont la livraison prend souvent trois à quatre mois. Par la suite, il peut être nécessaire de faire ajuster ces pièces par notre atelier avant leur assemblage. Après avoir testé leur fonctionnalité en conditions normales, les composants sont finalement installés dans l'implant pour vérifier leur fonctionnement en ultravide, c'est-à-dire à très haute vacuum. En effet, l'implantation d'ions se déroule toujours dans un vide très élevé, avec une pression très faible.

L'implantation d'ions est essentielle pour le dopage des semi-conducteurs, c'est-à-dire le processus d'introduction d'atomes étrangers dans le semi-conducteur pour en réguler la conductivité. Autrefois, cela se faisait par un processus thermique ou diffusion. Cependant, cette méthode est très sensible aux contaminations de surface. Pourquoi l'implantation d'ions a-t-elle été adoptée comme méthode et quels en sont les avantages ?

L'implantation est une technique standard qui a permis à la technologie du silicium de devenir ce qu'elle est, car l'introduction d'ions n'est plus dépendante de l'état de la surface. Que la surface soit légèrement contaminée ou non, cela n'a pas d'importance. Les particules sont accélérées et projetées à une énergie relativement élevée sur la surface, permettant une pénétration uniforme dans les couches. C'est pourquoi le rendement de l'implantation d'ions est si élevé. Elle a également permis la croissance explosive du nombre de pièces produites et du degré d'intégration. C'était l'une des conditions nécessaires pour pouvoir fabriquer les circuits intégrés très complexes disponibles aujourd'hui.

Le choix des ions dépend donc du matériau utilisé ?

Exactement, cela dépend toujours du matériau et des tâches que nos clients ou collègues de l'institut nous confient. Il faut adapter la méthode d'implantation – le type d'ion, l'énergie ou la dose – au matériau. Cela signifie que mes collègues me communiquent la structure de couche qu'ils souhaitent obtenir ou modifier, et je réalise une simulation. Pour cela, il existe des logiciels spécialisés. Pour une épitaxie complexe, la programmation prend deux à trois heures. Ensuite, différentes énergies et profondeurs sont simulées. Je dirais qu'un ordre de grandeur pour traiter une commande normale est d'environ une demi-journée. Parfois, cela peut prendre une journée. Mais en somme, ce n'est pas sorcier.

En perspective : en plus de l'implantation d'ions, nous avons également abordé avec le Dr Andreas Thies la galvanoplastie et l'importance de cette méthode pour la fabrication des semi-conducteurs. Vous pouvez lire la suite de cette conversation dans la deuxième partie sur FMD.insight.