5 2 ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ

Достоинства ионного легирования
точная дозировка примеси (теоретически – 1%, практически – 5%);
высокая чистота;
расширенная возможность локального легирования (широкий круг маскирующих материалов, меньше боковое легирование);
можно легировать через покрытие;
возможность получения управляемого профиля распределения – вплоть до формирования захороненного слоя.
возможность создания мелких переходов (20 нм, около 40 атомных слоев)
быстрый процесс;
можно проводить при комнатной температуре;
ИЛ легко управлять путем изменения ускоряющего напряжения, плотности ионного пучка, угла наклона пучка, времени облучения пластин, а в случае обработки сфокусированным пучком и скорости его сканирования

Схема установки ионного легирования
Энергия ионов
от десятков килоэлектронвольт до единиц мегаэлектронвольт
вакуум порядка 10-4 Па
ускоритель
ускоритель
источник ионов
Анализатор ионов по массе
интегратор заряда
отклоняющие пластины

Оборудование ионной имплантации

Основные параметры ионного легирования
Энергия ускоренных ионов. Ион с зарядом q [Кл], под действием разности потенциалов [В], приобретает энергию , [Дж].
Доза облучения – это количество частиц; бомбардирующих единицу поверхности за данное время. Доза облучения определяется плотностью ионного тока j [А/м2] и длительностью облучения t [с]:
[мкКл/ см2].
Чтобы выразить дозу в количестве частиц, внедренных на единице поверхности, величину делят на заряд одной частицы: , ион/см2.

источники
с поверхностной термической ионизацией – нагреватель (вольфрамовая лента) на него насыпается соль металла – KJ, NaCl, CaCl2 т.д., получают ионы Na+, K+, Li+, Cs+, Rb+, J-, F-, Br-, Cl-;
с ионизацией электронным ударом: электроны создаются термоэмиссией или в газовом разряде, ускоряются электростатическим или высокочастотным полем, удерживаются в ограниченном объеме магнитным полем и направляются на столкновение с молекулами газа или пара рабочего вещества, ионизируя их;
высокочастотные – плазма ВЧ-разряда (при давлении 10-10-2 Па), магнитное поле увеличивает эффективность; на анод подается 2-10 кВ;
на основе дугового разряда в парах рабочего вещества (BF3, AsH3,PCl3, B2H6) при низких давлениях (порядка 1 Па).

Пробеги и дисперсии пробегов ионов

Распределение пробегов ионов

Теория Линдхарда, Шарфа и Шиотта
Механизмы потерь энергии иона при его торможении в мишени независимы друг от друга и аддитивны
dE/dx = Sn+Se
Sn = σNE

Потери энергии иона при торможении

Проецированная длина (а) и рассеяние (б) пробега ионов
а б

Каналирование ионов

Приближение Пирсона

Фронт р-п перехода при ионном (а) и диффузионном (б) локальном легировании
Маскирование производится пленками окиси кремния; или Si3N4, фоторезистами, поликремнием или пленками металлов
Требования: должны быть достаточно толстыми для полного торможения бомбардирующих ионов,
иметь низкий коэффициент распыления ионным пучком и
хорошо растворяться после облучения

Профили распределения дефектов и атомов бора
дефекты Френкеля – вакансии и атомы в междуузлиях
дефекты смещений сливаются в зоны размером 5... 10 нм
кластер радиационных нарушений - скопление простых дефектов
доза аморфизации -
критическая доза ионного облучения, при которой полупроводник переходит из кристаллического состояния в аморфное

Структура нарушенных слоев

Дозы аморфизации кремния и германия (а) и температурные зависимости доз аморфизации кремния (б)
критическая температура аморфизации Ткр
для бора 24 °С,
для фосфора 175 °С,
для сурьмы 460 °С

Влияние термообработки на распределение фосфора, внедренного в кремний

Импульсная термообработка
Восстановление кристаллической структуры слоев практически без изменения профиля распределения примеси.
Такая возможность обеспечивается за счет разницы в энергиях активации процессов диффузии примесей и процессов самодиффузии, ответственных за восстановление кристаллической структуры (в Si 3.5 и 5 эВ). Поэтому при температурах, приближающихся к температуре плавления, процессы восстановления кристаллической структуры ускоряются в значительно большей степени, нежели процессы диффузии примесей.

Оказывается возможной рекристаллизация полностью аморфизированных и даже поликристаллических слоев.
Может проводиться как при однородном нагреве всей поверхности пластины, так и с использованием техники сканирования лучом, при этом может потребоваться несколько циклов нагрева – охлаждения.
ИМПУЛЬСНАЯ ТЕРМООБРАБОТКА

Импульсная термообработка
Восстановление кристаллической структуры после ионной имплантации.
Снижение плотности дислокаций на 2-3 порядка величины и концентрации кислородных кластеров по крайней мере на порядок величины при воздействии импульсов длительностью менее 0.05 с, разогревающих поверхностные слои до 1350 – 1400оС.
Уменьшение величины сопротивления контакта металл- кремний приблизительно на порядок величины при воздействии импульсов порядка 1 с, нагревающих поверхность пластин до температуры, меньшей температуры плавления металла. При этом используется однородный нагрев всей площади пластины.
Создание приповерхностных слоев с большой концентрацией дефектов, которые впоследствии могут использоваться для геттерирования легко диффундирующих примесей (играют роль центров рекомбинации).
“Резка” пластин.

Применение ионного легирования
1. Введение примеси
Загонка примеси с точной дозировкой
Создание профиля с максимумом на глубине
Создание мелких p-n-переходов
2. Модификация химических свойств материала
Создание захороненного слоя оксида
Аморфизация слоя для уменьшения растворимости
Геттерирование примесей тяжелых металлов
Внедрение в пластину ионов газов приводит к формированию при отжиге пузырьков газа, ограниченных кристаллографическими поверхностями.

Геттерирование -
удаление нежелательных примесей и дефектов.
Высвобождение примесей или разложение протяженных дефектов на составные части.
Диффузия к зонам захвата (стокам).
Поглощение примесей или междоузельных атомов стоком.
Сток должен находиться за пределами рабочей области интегральной схемы

Геттерирование -
Диффузия фосфора - метод гетерирования Cu. Атомы Cu в Si находятся в междоузлиях, они переходят в состояние Сu3– и образуют пары Р+Сu3–.
Внедрение в кремниевую пластину ионов инертных газов. Стоком является поверхность пузырьков газа.
Создание развитой поверхности механической обработкой.
Использование в качестве стоков для кислорода кластеров кислорода.

Диффузия в вакуум приводит к появлению у поверхности обедненного кислородом слоя
В обедненном слое зародыши новой фазы не образуются
Новые зародыши не образуются, имеющиеся растут