Impianto di ioni: Un metodo che ha rivoluzionato la produzione di semiconduttori

L'implantazione ionica è di fondamentale importanza per la drogaggio dei semiconduttori, ovvero il processo in cui vengono introdotti atomi estranei nel semiconduttore. (Copyright: FBH | Matthias Baumbach)

Lo sviluppo dell'implantazione di ioni negli anni '60 è stato uno dei prerequisiti fondamentali affinché potessero essere prodotti circuiti integrati ad alta densità, come li conosciamo oggi. La tecnica viene utilizzata per introdurre atomi estranei in un semiconduttore e, in questo modo, ad esempio, modificarne la conducibilità (dopaggio). All'Istituto Ferdinand-Braun, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (Leibniz FBH), il dottor Andreas Thies, responsabile del gruppo di lavoro "Backend", si occupa, tra l'altro, di come migliorare ulteriormente l'implantazione di ioni. Abbiamo parlato con lui della sua routine lavorativa, delle sfide e delle innovazioni nel processo dei semiconduttori.

Signor Thies, lei lavora presso il Leibniz FBH nel dipartimento di tecnologia dei processi e dirige il gruppo di lavoro Backend. Con quali processi si occupa concretamente?

Il compito del nostro gruppo di lavoro è quello di trasformare i componenti, ancora su un wafer completo, in singoli elementi, chiamati chip. Dopo che i chip sono stati, ad esempio, tagliati o laserati dal wafer, devono essere lavorati singolarmente. Questo passaggio segna il passaggio dal frontend al backend. Mentre nel frontend tutti i processi avvengono su un wafer, nel backend vengono lavorati singoli chip. Ci sono inoltre due aree che tradizionalmente appartengono al backend: l'implantazione – una tecnologia non particolarmente pulita – e la galvanica.

Cosa significa "non particolarmente pulita" in questo contesto?

Lavoriamo in una camera bianca e questa è assolutamente priva di particelle. Tuttavia: "assolutamente" come generalizzazione non è del tutto corretta. Esistono diverse classi di particelle e, a seconda del tipo di camera bianca in cui si lavora e delle dimensioni delle strutture che si producono, devono essere rispettate diverse classi di particelle. Quando nel backend si taglia o si frantuma qualcosa, si genera usura, cioè piccole particelle. Quando si definisce quanto è pulta la stanza, si tratta in definitiva del numero di particelle e delle loro dimensioni. Rispetto a una camera bianca medica o biologica, il backend è ovviamente ancora molto pulito. Tuttavia, i criteri di qualità del frontend sono ancora più elevati.

Ora diamo uno sguardo all'implantazione e al suo lavoro quotidiano. Con quali compiti siete attualmente impegnati e quali sfide affrontate?

Attualmente stiamo lavorando per migliorare ulteriormente la nostra implantazione di ioni. Classicamente, un implanter di ioni è un apparecchio piuttosto complesso. Con il nostro impianto, introduciamo molti ioni diversi. Ci sono molti parametri che si possono regolare per controllare il processo di implantazione. Tuttavia, ci sono anche aree in cui siamo limitati, ad esempio, dalla tensione di accelerazione. Questa tensione è responsabile della profondità degli ioni impiantati nel materiale. Non solo influenza la profondità di penetrazione degli ioni, ma anche la loro velocità ed energia, con ripercussioni sulle interazioni con il materiale. La nostra tensione massima è di 500.000 volt. Non possiamo impostare tensioni più alte, sia perché è vietato per motivi di protezione contro le radiazioni, sia perché lo spazio nel nostro ambiente di impianto non lo consente.

Ad esempio, ciò che possiamo fare per impostare le proprietà elettriche desiderate è impiantare molti ioni diversi. Questo è un grande vantaggio rispetto all'industria dell'implantazione. Qui ci sono spesso decine di implanter di ioni, ognuno progettato per uno scopo specifico. Uno viene usato per impianti di fosforo, un altro per arsenico o antimoni. Diversamente dall'industria del silicio, nel FBH abbiamo un impianto con cui possiamo e dobbiamo impiantare tutto.

I partner possono portare con sé metalli, gas o liquidi – e noi li trasformiamo tutti in fase gassosa. Per prima cosa, ionizziamo le sostanze, acceleriamo gli ioni e poi li spariamo nel nostro pezzo di lavoro. Molte proprietà dei materiali, che nel silicio vengono modificate tramite implantazione, vengono raggiunte nella tecnologia dei semiconduttori III/V attraverso epitassia. A questo scopo, all'FBH abbiamo un dipartimento dedicato alla tecnologia dei materiali, che produce gli strati speciali. Questi strati li modifichiamo poi solo con l'implantazione di ioni, ad esempio, distruggendoli localmente per ridurre la conducibilità.

Inoltre, stiamo attualmente pensando a tecniche con cui possiamo sviluppare ulteriormente il nostro implanter, in modo che possa impiantare anche con dosi molto piccole. La dose è sempre il prodotto di tempo e corrente (numero di ioni sparati al secondo sul materiale obiettivo). Quando le correnti sono molto basse, sono difficili da misurare. Non appena la corrente raggiunge il limite della misurabilità, non possiamo più diminuirla, anche se vogliamo impiantare una dose piccola. Tuttavia, anche il tempo non può essere arbitrariamente breve. Per questo abbiamo bisogno di una soluzione. Sperimentare con nuove idee e approcci mi dà molta soddisfazione e rende il mio lavoro vario.

Quanto tempo ci vuole per migliorare o sviluppare ulteriormente questi processi?

Per l'ultimo esempio, mi occupo di circa sei mesi. In effetti, si tratta di un processo piuttosto complesso. Prima di tutto, bisogna sviluppare e pianificare le idee. Poi si ordinano i componenti, la cui consegna spesso richiede tre o quattro mesi. Successivamente, i pezzi devono essere eventualmente adattati dal nostro laboratorio prima di essere assemblati. Dopo aver testato la funzionalità in condizioni normali, i componenti vengono infine installati nell'implantatore per verificare che tutto funzioni anche in vuoto ultraelevato. Infatti, l'implantazione di ioni avviene sempre in un vuoto molto elevato, cioè a pressione molto bassa.

L'implantazione di ioni è di fondamentale importanza per il dopaggio dei semiconduttori, cioè il processo di introduzione di atomi estranei nel semiconduttore per regolare la sua conducibilità. In passato, questo avveniva tramite un processo termico o diffusione. Tuttavia, questa tecnica è molto sensibile alle contaminazioni superficiali. Perché si è affermata la tecnica dell'implantazione di ioni e quali vantaggi offre?

L'implantazione è una tecnica standard che ha reso possibile la grande evoluzione della tecnologia del silicio, perché l'introduzione di ioni non dipende più dallo stato della superficie. Che sulla superficie ci siano o meno sottili strati contaminati, non fa differenza. Le particelle vengono accelerate e sparate sulla superficie con un'energia relativamente elevata, in modo che penetrino uniformemente negli strati. Per questo motivo, il rendimento dell'implantazione di ioni è molto alto. L'implantazione di ioni ha anche reso possibile il famoso aumento esplosivo del numero di pezzi e del grado di integrazione. Questa è stata una delle condizioni per poter produrre i circuiti integrati altamente complessi disponibili oggi.

La scelta degli ioni dipende quindi dal materiale utilizzato?

Esattamente, dipende sempre dal materiale e da ciò che i nostri clienti o colleghi dell'istituto ci chiedono di fare. Bisogna adattare il tipo di impianto – il tipo di ione, l'energia o la dose – al materiale. In altre parole, i colleghi mi comunicano quale struttura desiderano e vorrebbero modificare, e io faccio una simulazione. Per questo esistono strumenti software consolidati. Per una epitassia complessa, ci vogliono due o tre ore per programmare. Poi si simulano diverse energie e profondità. Direi che la lavorazione di un normale ordine richiede circa mezza giornata. A volte anche un giorno. Tuttavia, nel complesso, non è un lavoro complicato.

Prospettive: oltre all'implantazione di ioni, abbiamo parlato con il dottor Andreas Thies anche di galvanica e dell'importanza di questa tecnica per la produzione di semiconduttori. Per saperne di più, potete leggere la seconda parte dell'intervista su FMD.insight.