Ionenimplantatie: Een proces dat de productie van halfgeleiders heeft gerevolutioneerd

De ionenimplantatie is van cruciaal belang voor de doping van halfgeleiders, dus het proces waarbij vreemde atomen in de halfgeleider worden ingebracht. (Copyright: FBH | Matthias Baumbach)

De ontwikkeling van ionenimplantatie in de jaren 60 was een van de fundamentele voorwaarden om hooggeïntegreerde schakelingen te kunnen maken, zoals we die tegenwoordig kennen. De methode wordt gebruikt om vreemde atomen in een halfgeleider te brengen en zo bijvoorbeeld de geleidbaarheid ervan te veranderen (dopering). Aan het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (Leibniz FBH), houdt Dr. Andreas Thies, hoofd van de werkgroep »Backend«, zich onder andere bezig met de vraag hoe de ionenimplantatie verder verbeterd kan worden. We hebben met hem gesproken over zijn dagelijkse werkzaamheden, uitdagingen en innovaties in het halfgeleiderproces.

De heer Thies, u werkt bij het Leibniz FBH op de afdeling procestechnologie en leidt daar de werkgroep Backend. Met welke processen houdt u zich concreet bezig?

De taak van onze werkgroep is het maken van individuele elementen uit bouwstenen die nog op een volledige wafer liggen, zogenaamde chips. Nadat de chips bijvoorbeeld door zagen of lasers uit de wafer zijn gesneden, moeten ze allemaal afzonderlijk verder worden verwerkt. Deze stap markeert de overgang van het frontend naar het backend. Terwijl bij het frontend alle processen op een wafer plaatsvinden, worden in het backend losse chips bewerkt. Daarnaast zijn er twee gebieden die traditioneel tot het backend behoren: dat is enerzijds de implantatie – geen bijzonder schone technologie – en anderzijds de galvanotechniek.

Wat betekent niet bijzonder schoon in deze context?

We werken in een cleanroom en die is absoluut stofvrij. Hoewel: absoluut als generalisatie klopt natuurlijk niet helemaal. Er zijn verschillende partikelfasen en afhankelijk van de werkzaamheden in welke cleanroom wordt gewerkt en hoe klein de structuren zijn die worden vervaardigd, moeten verschillende partikelfasen worden aangehouden. Wanneer er in het backend iets wordt gesneden of verdeeld, ontstaat slijtage, dus kleine partikels. Bij de definitie van hoe schoon de ruimte is, gaat het uiteindelijk om het aantal partikels en de grootte ervan. Vergeleken met een medische of biologische cleanroom is het backend natuurlijk nog steeds zeer schoon. De kwaliteitscriteria voor het frontend zijn echter nog hoger.

Werpen we nu een blik op de implantatie en uw dagelijkse werkzaamheden. Met welke taken bent u momenteel bezig en voor welke uitdagingen staat u daarbij?

Momenteel werken we eraan om onze ionenimplantatie verder te verbeteren. Klassiek is een ionenimplanter een vrij complex apparaat. Met onze implanter brengen we heel veel verschillende ionen in. Er zijn veel parameters die kunnen worden aangepast om het implantatieproces te sturen. Echter, er zijn ook beperkingen, bijvoorbeeld bij de versnellingsspanning. Deze spanning is verantwoordelijk voor de diepte van de geïmplanteerde ionen in het materiaal. Ze beïnvloedt niet alleen de doordringdiepte van de ionen, maar ook hun snelheid en energie, wat weer invloed heeft op de interacties met het materiaal. Bij ons bedraagt de spanning maximaal 500.000 volt. Hogere spanningen kunnen we niet instellen, enerzijds omdat het uit stralingsbeschermingsredenen verboden is en anderzijds omdat het met onze implanterruimte qua ruimte niet mogelijk is.

Wat we bijvoorbeeld kunnen doen om de gewenste elektrische eigenschappen gericht in te stellen, is het implanteren van veel verschillende ionen. Dit is een wezenlijk verschil met industriële implantaties. Daar staan meestal tientallen implanters, waarvan elke voor een specifieke taak is aangeschaft. De ene wordt gebruikt voor fosforimplantaties, de andere voor arseen- of antimoonimplantaties. Anders dan in de siliciumindustrie, hebben wij bij het FBH een implanter waarmee we alles kunnen en moeten implanteren.

Partners kunnen met metalen, gassen of vloeistoffen naar ons toe komen – en wij brengen alles in de gasfase. Eerst ioniseren we de stoffen, versnellen de ionen en schieten ze vervolgens in ons werkstuk. Veel materiaal-eigenschappen die in de siliciumtechnologie met implantatie worden ingesteld, worden in de III/V-halfgeleidertechnologie bereikt door epitaxie. Hiervoor is bij het FBH een eigen afdeling, de materiaaltechnologie, die de speciale lagen produceert. Deze lagen modificeren we vervolgens alleen nog met ionenimplantatie, bijvoorbeeld door ze lokaal weer te vernietigen en zo de geleidbaarheid te verminderen.

Daarnaast overwegen we momenteel technieken waarmee we onze implanter verder kunnen ontwikkelen, zodat er ook bij zeer kleine doses kan worden geïmplanteerd. De dosis is altijd het product van tijd en stroom (aantal ionen dat per seconde op het doelmateriaal wordt geschoten). Wanneer de stromen klein worden, is het moeilijk ze te meten. Zodra de stroom de meetgrens nadert, kunnen we deze niet verder verlagen, ook al wil je slechts een kleine dosis implanteren. De tijd kan echter ook niet oneindig kort worden. Daar hebben we een oplossing voor nodig. Het uitproberen van nieuwe ideeën en benaderingen geeft mij veel plezier en maakt mijn werk afwisselend.

Hoe lang duurt het voordat dergelijke processen worden verbeterd of verder ontwikkeld?

Met het laatste voorbeeld houd ik me ongeveer zes maanden bezig. Het is inderdaad een vrij complex proces. Eerst moeten ideeën worden ontwikkeld en gepland. Vervolgens worden componenten besteld, waarvan de levering vaak drie tot vier maanden duurt. Daarna moeten de onderdelen mogelijk nog door onze werkplaats worden aangepast voordat ze worden samengevoegd. Nadat de functionaliteit in normaal bedrijf is getest, worden de onderdelen uiteindelijk in de implanter ingebouwd om te controleren of alles ook in het ultrahoge vacuüm werkt. Want ionenimplantatie vindt altijd plaats in een zeer hoog vacuüm, dus bij een zeer lage druk.

De ionenimplantatie is van centrale betekenis voor de dopering van halfgeleiders, dat wil zeggen het proces waarbij vreemde atomen in de halfgeleider worden ingebracht om de geleidbaarheid te regelen. Vroeger gebeurde dat via een thermisch proces of diffusie. Deze methode is echter zeer gevoelig voor oppervlakteverontreinigingen. Waarom heeft zich de ionenimplantatie als methode doorgezet en welke voordelen biedt ze?

Implantatie is een standaardtechniek die de siliciumtechnologie pas groot heeft gemaakt, omdat het inbrengen van ionen niet meer afhankelijk is van de toestand van het oppervlak. Of er minimale verontreinigingen op het oppervlak zijn of niet, maakt niet uit. De deeltjes worden zo versneld en met een relatief hoge energie op het oppervlak geschoten dat de lagen gelijkmatig kunnen worden doordrongen. Daarom is de opbrengst bij ionenimplantatie zo hoog. Ionenimplantatie heeft ook de beroemde explosieve stijging mogelijk gemaakt in aantal en integratieniveau. Dat was een van de voorwaarden om de momenteel beschikbare, hooggeïntegreerde schakelingen überhaupt te kunnen produceren.

De keuze van de ionen hangt dus af van het gebruikte materiaal?

Precies, dat hangt altijd af van het materiaal en van de taken die onze klanten of collega’s aan het instituut zelf aan ons voorleggen. Men moet de manier van implanteren – het type ion, de energie of de dosis – aanpassen aan het materiaal. Dat betekent dat mijn collega’s me laten weten welk laagopbouw ze willen en graag zouden willen veranderen, en ik simuleer dat. Daarvoor bestaan gevestigde softwaretools. Bij een complexe epitaxie duurt het programmeren twee tot drie uur. Daarna worden verschillende energieën en diepten gesimuleerd. Ik zou zeggen dat het verwerken van een normale opdracht ongeveer een halve dag kost. Misschien duurt het ook wel eens een dag. Over het algemeen is dat geen toverkunst.

Vooruitblik: Naast ionenimplantatie hebben we met Dr. Andreas Thies ook gesproken over galvanotechniek en het belang van deze methode voor de halfgeleiderfabricage. Meer hierover kunt u lezen in deel twee van het interview op FMD.insight.