5.2.3 Практические способы ионного внедрения
У
становка
для ионного внедрения (см. рис. 5.5) состоит
из нескольких основных блоков: ионного
источника, магнитного масс-анализатора
и камеры с пластиной-мишенью [2].
Рисунок 5.5 - Схема установки для ионного внедрения:
1 - камера источника примеси; 2 - термокатод; 3 - магнитный масс-анализатор; 4 – камера мишени; 5 - пластина-мишень;
6 - нагреватель мишени
Ионный источник представляет собой вакуумную камеру, в которой поддерживается давление 1,33 10-3 Па. В камере осуществляется ионизация паров легирующей примеси. В качестве ионизируемых используются вещества, содержащие требуемую примесь. Например, для получения ионов фосфора можно использовать газ РF5, для получения ионов бора – газ ВF3. Ионизация паров легирующей примеси осуществляется бомбардировкой электронами, эмитируемыми термокатодом. Положительные ионы экстрагируются из области их образования с помощью отрицательно заряженного пустотелого зонда, фокусируются в пучок электростатическими линзами и ускоряются напряжением 20 – 300 кВ, подаваемым на ускоряющий электрод. Пучок ионов формируется диаметром до 1 см.
Пучок ускоренных ионов попадает в магнитное поле масс-анализатора, которое заставляет ионы перемещаться по дуге окружности с радиусом, определяемым магнитным полем Н, ускоряющим напряжением U и массой иона М,
Напряженность магнитного поля составляет (4,0 - 4,8) 105 А/м.
Таким образом, ионы с различными массами будут двигаться по различным траекториям. Если в первоначальном пучке кроме ионов основной легирующей примеси присутствовали ионы посторонних примесей, то вследствие сепарирования по массам, происходящего в масс-анализаторе, ионы основной примеси будут собираться в отдельный пучок, в котором присутствие других примесей исключено. Выделенный по массе пучок ионов проходит через апертурную диафрагму и направляется в приемную камеру, где располагаются подложки. Сепарирование ионов по массам обеспечивает одно из основных достоинств легирования полупроводников ионным внедрением, а именно исключительно высокую чистоту внедряемой примеси.
В камере с мишенью обычно предусматривается возможность нагрева мишени. Установка содержит устройство для сканирования ионного пучка по подложке. Подложка имеет хороший электрический контакт с держателем подложки. В электрической цепи держателя подложки может стоять интегратор заряда. Электроны проходят через интегратор заряда и нейтрализуют ионы внедренные в подложку. По интегрированному заряду можно определить дозу внедренных ионов. Типичные диапазоны токов пучка и дозы составляют (10 - 103) мкА и 1011 - 1016 ион./см2 соответственно.
5.2.4 Локальное ионное внедрение
Для проведения локального ионного внедрения используются маскирующие пленки. К материалам для маскирующих пленок относятся диэлектрики SiO2, Si3N4, А12О3, металлы Аl, Ni, Au, поликремний, фоторезист. Наиболее широко в качестве маскирующей пленки в технологии биполярных ИС используются пленки SiO2 и фоторезист, а в технологии МДП - ИС пленки SiO2, поликремний и фоторезист. Поскольку пробег иона зависит от его энергии, то, следовательно, от энергии ионов зависит и необходимая толщина маскирующей пленки.
Средние проекции пробега при внедрении бора, мышьяка и других примесей в пленки SiO2 сопоставимы со средними проекциями пробега, полученными для кремния, иными словами тормозные способности Si и SiO2 близки [2-4].
При выборе материала маски необходимо учитывать, что после ионного внедрения производится отжиг радиационных дефектов и активация внедренной примеси. Это относится, в основном, к выбору материала затвора в МОП - транзисторах с самосовмещенным затвором, когда области стока и истока создаются ионным внедрением уже после формирования затвора.
Использование в качестве маскирующей пленки алюминия заставляет снижать температуру отжига радиационных дефектов до температуры плавления А1 – 660 ºС. Применение маскирующих пленок SiO2, поликремния позволяет проводить высокотемпературные отжиги (800 - 900 ºС) без существенного изменения полученного профиля распределения примеси.
Ионное внедрение примесей, наряду с диффузией, широко используется в технологии изготовления ИС. По сравнению с диффузией оно имеет ряд положительных особенностей. Одна из них – возможность внедрения примеси при сравнительно низких температурах кремниевых подложек. При этом профиль распределения внедренной примеси и ее концентрация могут регулироваться независимо: профиль – энергией ионов, а концентрация – дозой облучения. Кроме того, при ионном внедрении концентрация примеси не ограничивается, как в процессе диффузии предельной растворимостью, соответствующей температуре процесса.
В биполярных ИС применение ионного внедрения упрощает процесс получения эмиттеров малых площадей, поскольку здесь при локальном внедрении значительно снижено боковое продвижение примеси под защитную маску. Для ионного внедрения примеси характерны высокая однородность легирования по поверхности подложки и точный контроль общего количества внедренной примеси. Поэтому замена первого этапа диффузии (загонки) при создании базовой области транзистора на ионное внедрение примеси обеспечивает лучшее воспроизведение структурных и электрических параметров транзисторов биполярных микросхем. В МОП - ИС использование ионного внедрения направлено, в основном, на получение МОП - транзисторов с самосовмещенным затвором.