Ionenimplantation für Halbleiter

Halbleiter wie Silizium, Germanium, Galliumarsenid, Indiumphosphid, Galliumnitrid und Siliziumkarbid bilden die Grundlage der Mikroelektronik. Allein das Element Silizium wird in etwa 90 % der heute hergestellten Mikrochips verwendet.

Wie der Name schon sagt, weisen Halbleiter eine begrenzte elektrische Leitfähigkeit auf. Diese Leitfähigkeit lässt sich jedoch steigern, indem andere Elemente in ihr Kristallgitter eingebracht werden. Dieser Vorgang wird als Dotierung bezeichnet. Erst durch eine äußerst präzise und räumlich selektive Dotierung ist es möglich, nützliche Schaltungselemente wie Transistoren in einem Halbleiter herzustellen. 

Seit den frühen 1970er Jahren ist die Ionenimplantation das am häufigsten verwendete Verfahren zur Halbleiter . Die Ionenimplantation ermöglicht die Herstellung von Mikrochips.

Trotz der Bedeutung der Ionenimplantation lagern Hersteller diesen Prozess häufig an externe Anbieter aus. Coherent dabei der weltweit größte und traditionsreichste Anbieter von Ionenimplantationsdienstleistungen. Um zu verstehen, warum große und kleine Chiphersteller Coherent diesem entscheidenden Prozess auf Coherent vertrauen, wollen wir uns zunächst ein wenig mit der Ionenimplantationstechnologie befassen.

Grundlagen der Ionenimplantation

Das Herzstück eines Ionenimplantierers ist die Ionenquelle. Hier werden Atomen oder Molekülen Elektronen entzogen, wodurch positive Ionen entstehen. Die positiven Ionen dann mithilfe eines elektrostatischen Hochspannungsfeldes aus der Ionenquelle abgezogen, wodurch der Ionenstrahl entsteht. 

Anschließend durchläuft der Ionenstrahl ein Massenanalysemodul. Dieses filtert gezielt nur die Ionen heraus, die zur Modifizierung des Halbleiter benötigt werden.

Nach der Massenanalyse wird der hochreine Ionenstrahl fokussiert und geformt. Der aufbereitete Ionenstrahl wird anschließend auf die gewünschte Energie beschleunigt und gleichmäßig über das Halbleiter geführt. 

Die hochenergetischen Ionen in das Halbleiter Ionen und lagern sich in dessen Kristallgitter ein. Dieser energiereiche Implantationsprozess verursacht zudem Defekte und schädigt das Halbleiter . Für bestimmte Anwendungen ist diese Schädigung von Vorteil und wird genutzt, um Bereiche auf den Chips und in den integrierten Schaltkreisen zu isolieren.  

Bei anderen Anwendungen wird ein Temperzyklus (Erwärmen und Abkühlen) durchgeführt, um diese Schäden zu beheben und die Dotierstoffe zu „aktivieren“. Konkret ermöglicht das Erwärmen des Materials, Ionen implantierten Ionen von den Stellen, an denen sie sich zufällig im Kristall festgesetzt haben, an Orte bewegen, an denen sie in das Gitter selbst eingebaut werden (und dabei die ursprünglichen Atome ersetzen). Die Dotierstoffaktivierung bewirkt die gewünschte Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Materials. 

Auslagerung der Ionenimplantation

Wenn die vorstehende Beschreibung den Eindruck vermittelt, dass eine Ionenimplantationsanlage eine komplexe und hochentwickelte Maschine ist, dann liegt das daran, dass sie genau das ist. Diese Komplexität wird noch deutlicher, wenn man all die Steuerungssysteme, die Elektronik zur Prozessüberwachung und die Computerhardware berücksichtigt, die erforderlich sind, um die für Halbleiter notwendige außergewöhnliche Präzision Konsistenz zu erreichen.

Es gibt noch einige weitere wichtige praktische Aspekte, die man bei Ionenimplantationsgeräten beachten sollte. Erstens ist jedes Gerät darauf ausgelegt, Ionen eines bestimmten Energie- und Dosisbereichs (der Menge an Ionen in ein Material eingebracht Ionen ) zu erzeugen. Außerdem sind sie für die Verwendung mit bestimmten chemischen Spezies ausgelegt. Es gibt kein universelles Ionenimplantationsgerät, das für alle möglichen Anwendungen geeignet ist.

Zudem können Ionenimplantationsanlagen sehr groß sein – etwa so groß wie ein Wohnzimmer. Außerdem erfordern sie für den Betrieb und die Wartung umfangreiches Fachwissen und Know-how. 

Schließlich haben diese Geräte einen hohen Preis. Selbst die einfachsten Modelle können mehrere Millionen Dollar kosten. 

All diese Merkmale veranlassen oft sogar große Chiphersteller dazu, die Ionenimplantation auszulagern. Allein die Größe ist ein wesentlicher Faktor, da die Produktionsfläche Halbleiter begrenzt, teuer und sehr begehrt ist. Die Produktionsfläche, die eine große Ionenimplantationsanlage einnimmt, lässt sich oft kosteneffizienter durch andere Systeme, wie beispielsweise einen Wafer-Stepper, nutzen.  

Durch Outsourcing können Hersteller daher ihre Investitionsausgaben begrenzen und sich auf das konzentrieren, was sie am besten beherrschen – wie zum Beispiel Design oder Verpackung. So müssen sie kein spezielles Fachwissen im Bereich der Ionenimplantation vorhalten.

Neben großen kommerziellen Fertigungsstätten bedienen Ionenimplantations-Foundries auch Forschungs- und Entwicklungsgruppen, Prozessentwicklungsteams und Hersteller mit geringen Stückzahlen. In diesen Fällen rechtfertigen die Produktionsmengen die Investition in eine eigene Anlage nicht. Zudem ist es für Entwicklungszwecke unter Umständen nicht möglich, eine einzige Ionenimplantationsanlage zu finden, die alle erforderlichen Funktionen bietet. Darüber hinaus fehlt es einem Hersteller möglicherweise an internem Fachwissen, um eine breite Palette von Ionenimplantationsstrategien zu erforschen und umzusetzen.

Die Coherent

Wie Coherent weltweit führenden Anbieter von Ionenimplantationsdienstleistungen? Diese Entwicklung begann bereits im Jahr 1976, als zwei verschiedene Unternehmen – das Implant Center und Ion Implant Services – in San Jose, Kalifornien, gegründet wurden. Diese Unternehmen fusionierten im Jahr 2000 zu INNOViON, das im Jahr 2020 von II-VI (heute Coherent) übernommen wurde. Heute Coherent drei Ioneneinpflanzungs-Foundries – zwei in den Vereinigten Staaten (San Jose und Wilmington, Massachusetts) und eine in Hsinchu, Taiwan. 

Dank unserer langjährigen Erfahrung verfügen wir über die umfassendsten Produktionskapazitäten unter den Ioneneinpflanzungs-Foundries. Wir betreiben einen vielfältigen Bestand von über 30 Ioneneinpflanzungsanlagen aller führenden Hersteller. Diese Vielfalt ermöglicht es uns, nahezu jede Kombination aus Ioneneinpflanzungsparametern (Energie, Dosis, Temperatur usw.), Ionenarten, Wafergrößen und Substratmaterialien abzudecken.

Neben unseren technischen Kompetenzen haben wir im Laufe unserer jahrzehntelangen Tätigkeit unschätzbare Erfahrungen gesammelt. Unsere engagierten Mitarbeiter verfügen zusammen über mehrere hundert Mannjahre Erfahrung in der Waferfertigung und der Verfahrenstechnik. Über unsere Foundry-Dienstleistungen hinaus bieten wir Fachwissen, das alle Aspekte der Ionenimplantationstechnologie abdeckt, darunter Integrationsberatung, Simulationen und die Entwicklung von Werkzeugen. 

Dank unseres breiten Leistungsspektrums ist Coherent in jeder Phase des Lebenszyklus Halbleiter einen Mehrwert Coherent schaffen – vom Proof-of-Concept über die Pilotlinienproduktion bis hin zum Outsourcing von Großserien. Aus diesem Grund bedienen die Coherent heute weltweit über 200 kommerzielle Mikroelektronikhersteller sowie Dutzende von Universitäten, staatliche Forschungslabore und führende Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen. 

Doch wir ruhen uns nicht auf unseren bisherigen Erfolgen aus. Wir engagieren uns auch aktiv in der Entwicklung neuer Technologien zur Unterstützung neuartiger Werkstoffe. Der wohl wichtigste davon ist Siliziumkarbid (SiC). Die einzigartigen Eigenschaften dieses Halbleiter mit großer Bandlücke Halbleiter , dass sowohl die Implantations- als auch die Temperzyklen bei wesentlich höheren Temperaturen durchgeführt werden müssen als bei herkömmlichen Materialien wie Silizium. Coherent bereits „Hot-Implant“-Fähigkeiten in unsere Foundry integriert, um speziell auf SiC einzugehen, was unser Engagement unterstreicht, an der Spitze der Technologie zu bleiben. 

Erfahren Sie mehr überdie Dienstleistungen Coherent im Bereich der Ionenimplantation.

Verwandte Ressourcen