5.2 Ионное легирование

Процесс ионного легирования полупроводника включает две основных операции: собственно внедрение (имплантацию) ионов примеси и отжиг радиационных дефектов. Суть первой операции состоит в том, что на поверхность полупроводниковой подложки подается пучок ускоренных ионов примеси. Начальная энергия ионов определяет глубину их проникновения в полупроводник (мишень). После многократных столкновений с электронами и атомами подложки ионы теряют избыточную энергию и останавливаются. В результате столкновений ионов с атомами в материале подложки образуются точечные дефекты и даже области с аморфной структурой. Вторая операция - отжиг - обеспечивает устранение дефектов кристаллической структуры и создание заданного концентрационного профиля распределения примеси [2-4, 11].

5.2.1 Распределение пробегов ионов в мишени

Внедряемые в полупроводник ионы примеси теряют избыточную энергию в результате упругих столкновений с ядрами атомов и неупругого взаимодействия с электронами мишени¹¹. В предположении, что оба механизма действуют одновременно и независимо, средняя потеря энергии иона на единичной длине пробега описываются выражением

(5.8)

где N – среднее число атомов в единице объема мишени; S_n(E), S_e(E) – соответственно ядерная и электронная тормозные способности мишени; E – начальная энергия иона. Средняя полная длина пробега ионов R (см. рис. 5.3) определяется интегрированием (5.8)¹²:

(5.9)

Ядерное торможение преобладает при низких энергиях внедряемых ионов (S_n >> S_e), а при высоких – электронное.

Н а основе теории торможения ионов рассчитаны R_p и ΔR_p. Для основных примесей, используемых в кремниевых ИС, данные по R_p и ΔR_p представлены в табл. 5.1 [2].

Рисунок 5.3 - Схематическое изображение полной длины пробега иона R,

проекции пробега R_p, рассеяния проекции пробега ΔR_p и бокового рассеяния ΔR_┴: 1 – падающий ион, 2 – поверхность мишени

Поскольку отдельные ионы подвергаются различному числу столкновений, они имеют различные и длины пробегов, и средние проекции пробегов. Рассеяние средней проекции пробегов описывается средним квадратичным отклонением ΔR_p. Распределение средних проекций пробегов по глубине определяет концентрационные профили внедренных ионов.

Таблица 5.1 - Параметры внедрения ионов бора и фосфора

в кремний

Е, кэВ	Бор		Фосфор
	Rp, нм	ΔRp, нм	Rp, нм	ΔRp, нм
10 30 100 300	38 106 307 662	19 39 69 105	15 42 135 406	8 19 53 115

Существует также рассеяние ионов относительно направления их первоначального движения. Его называют боковым рассеянием ΔR_┴ (рис. 5.3). Оно играет важную роль при локальном ионном внедрении, поскольку определяет степень проникновения ионов под маскирующее покрытие. Боковым рассеянием определяется, в частности, длина канала МОП - транзисторов с самосовмещенным затвором.

Ускоренные ионы при внедрении соударяются с электронами и атомами полупроводника и тормозятся. Согласно теоретической модели процесса ионный пучок, падающий на поверхность кристалла, распадается на два беспорядочный и каналированный.

Беспорядочный пучок содержит частицы, которые ударяются о поверхность кристалла вблизи регулярных атомов кристаллической решетки на расстоянии, меньшем некоторого критического. Взаимодействуя с этими атомами, они сильно рассеиваются, поэтому для ионов беспорядочного пучка кристалл является как бы аморфным телом.

Каналированный пучок содержит частицы, которые, не испытав столкновений с поверхностными атомами, могут дальше продвигаться по междоузельному пространству кристаллической решетки вдоль атомных плоскостей, как бы по каналам. Каналированный пучок возникает, если поверхность полупроводникового кристалла ориентирована по одной из главных кристаллографических плоскостей и ионы приближаются к оси канала под углом, меньшим некоторого критического.

Потери энергии ионов беспорядочного пучка обусловлены взаимодействием с электронами и атомами кристаллической решетки. Считается, что преобладающим механизмом потерь каналированными ионами являются взаимодействие с электронами (электронное торможение). Если каналированный и неканалированный пучки тормозятся независимо друг от друга, то распределение внедренных ионов получается суперпозицией распределений для обоих пучков.

При отсутствии эффекта каналирования рассеяние ионов носит случайный характер, и распределение их пробегов описывается функцией Гаусса. Для построения кривой распределения примесей необходимо знать два параметра: среднюю проекцию пробега R_p и ее среднее квадратическое отклонение ΔR_p. Распределение концентрации примеси в полупроводнике дается выражением

где Д – доза облучения, равная количеству ионов, бомбардирующих единицу поверхности подложки за время внедрения. Если общий заряд этих ионов Q, то Д = Q / q l, где q – заряд электрона; l - целое число, соответствующее заряду иона. Доза ионов связана с током пучка J, площадью его сечения А и временем внедрения t зависимостью

Д = J t / q l А.

Максимальная концентрация внедренной примеси

и не соответствует поверхностной концентрации (что характерно для диффузионных процессов), а наблюдается внутри полупроводника. С увеличением энергии ионов максимум концентрации ионов перемещается вглубь полупроводника, а поверхностная концентрация падает (см. рис. 5.4).

Присутствие каналированных пучков изменяет характер распределения примеси: возможно появление второго максимума, обычно нежелательное в технологических процессах изготовления ИМС, либо затягивание ниспадающего участка после максимума. Разориентацией подложки, нанесением на поверхность аморфного слоя или выбором угла падения пучка по отношению к главным кристаллографическим направлениям, можно исключить или ослабить эффект каналирования.

Рисунок 5.4 - Распределение проекций пробегов (концентрации) ионов бора

различной энергии в кремнии

В технологии СБИС есть ряд технологических операций, в которых внедрение ионов осуществляется в подложку, покрытую одним или двумя слоями различных материалов. Например, внедрение примеси в область канала МОП - транзисторов с целью регулировки порогового напряжения, внедрение примеси в область истока и стока МДП - транзистора, если оно проводится после формирования затвора и изолирующих областей и при этом с поверхности подложки не снята использующаяся в качестве маскирующего покрытия пленка нитрида кремния. Существование пленок на поверхности подложки изменяет профиль распределения примеси в легированных слоях.