Ионная имплантация

Метод легирования пластины или эпитаксиального слоя путем бомбардировки ионами примеси, ускоренных до энергии, достаточной для их внедрения вглубь твердого тела.

Ионизация атомов примеси, ускорение ионов и фокусировка ионного пучка осуществляется в специальных установках типа ускорителя частиц в ядерной физике.

В качестве примесей используют те же материалы, что и при диффузии.

Сущность ионного легирования

Ионы примеси, получаемые из специальных источников, ускоряются и фокусируются в электрическом поле, попадают на подложку, бомбардируя ее. Обладая большой энергией от 10 до 1000 КэВ, они внедряются в поверхностный слой полупроводника.

При внедрении в кристаллическую решетку ионы теряют свою энергию как вследствие Кулоновского взаимодействия с атомами решетки, возбуждая или ионизируя их, так из-за упругих (ядерных) столкновений с атомами, в результате которых образуется большое число точечных дефектов решетки, междоузельные атомы и вакансии. При внедрении атомы примеси частично занимают определенное положение в решетке, а частично – распорядоченны. Для упорядочения нарушенной внедрением ионов структуры и тем самым созданием электрически активной примеси, подложки подвергают отжигу. Процесс ионного легирования состоит из внедрения ионов и отжига с одновременным легированием или после него.

Кулоновское взаимодействие – это электростатическое взаимодействие зарядов. Ионы сами несут заряд и электроны тоже сами несут заряд.

Особенностью ионного легирования является то, что содержание внедренных атомов примеси определяется не физическими свойствами подложки, а условиями внедрения атомов и температуры подложки, которая ниже, чем при диффузии.

Для получения переходов на глубине в несколько микрон показывают имплантацию примеси в качестве 1 этапа легирования для точного дозирования вводимой примеси. Для разгонки пластины подвергают высокотемпературному нагреву, которым одновременно обеспечивается и отжиг.

Для конкретного примесного элемента профиль распределения положения по глубине полностью определяется двумя технологическими параметрами, а именно энергией ионного пучка и дозой легирования.

В свою очередь энергия Е зависит от ускорении напряжения U и кратности концентрации атомов.

E = q n U (Дж)

E = n U (Дж)

Чем больше энергия, чем больше толщина имплантационного слоя. С ростом энергии возрастает и количество радиационной диффузии в кристалле, то есть повышает его электрофизические параметры, поэтому энергия ионов ограничивает величину от 100 до 150 КэВ. А нижний уровень от 5 до 10 КэВ. При таком диапазоне 0,1-0,4 микрон – диффузионный слой.

Доза облучения Q = I t (Кл/см²) , то есть количество примеси введенное через единицу площади зависит от плотности тока в пучке I (А/см²) и времени облучения t (с).

Плотность тока обычно установляется в пределах от 10^-7 до 10^-4 А/см² это I. А доза облучения Q от 10¹² до 10¹⁷ см^-2.

Преимущества:

1. Возможность внедрения в полупроводниковые материалы практически в любых легируемых элементах, при этом концентрация их не ограничена предельной растворимостью.

2. Низкотемпературный процесс 450-600 градусов.

3. Возможность управления профилем распределения концентрации примеси, как по глубине, так и по площади. При этом профиль может регулироваться, а концентрация примесей регулируется дозой излучения. Возможно получение профилей с максимальной концентрацией примесей в глубине материала.

4. Высокая воспроизводимость результатов, благодаря точному контролю, току пучка и дозы ионов, а также равномерности распределений.

5. Возможность легирования через диэлектрические и металлические покрытия.

6. Возможность локального легирования с помощью фокусирования до требуемого размера ионного пучка.

7. Частота ионов легированной примеси, которая обеспечивается интеграцией пучков в магнитном поле.

Ограничения и недостатки:

1. Возникновение в облучаемом кристалле большого количества структурных дефектов

2. Неглубокое проникновение, применяемое при ионном легировании (для бора и фосфора 0,2 и 0,4 микрон). Для того чтобы увеличить глубину легирования, используют ионное легирование с диффузным методом или применяют ускорители.

3. относительная сложность, громоздкость и высокая стоимость