5.2. Оборудование для ионного легирования

Возможности методов диффузии оказались ограниченными при миниатюризации приборов и повышение точности определения количества вводимых примесей. По методу ионного легирования введение примесей в полупроводник осуществляется за счет кинетической энергии ионов примеси, и их количество может быть точно определено электрическими методами.

Конструктивная схема установки ионного легирования:

Наиболее типичными являются:

1. высококачественный ионный источник;

2. ионный источник с электронной бомбардировкой;

3. ионный источник питания;

4. уроплазмотрон.

Движение электронов в магнитном поле описывается системой уравнений в ортогональных координатах:

где e – заряд электрона;

m – масса заряженной частицы;

B – напряженность магнитного поля.

Электроны и ионы совершают вращательное движение в соответствии с этим уравнением.

5.3. Длина пробега ионов

Распределение внедренных ионов по глубине распределяется:

1. величиной ускоряющего напряжения;

2. направлением движения ионов относительно мишени;

3. температурой мишени при внедрении;

4. температурой последующей термообработки.

Внедряемые ионы при многократном столкновении с атомами мишени постоянно теряют свою первоначальную энергию и останавливаются.

Рассмотрим случай, когда мишень является аморфной. Внедряемые в мишень ионы, двигаясь, меняют направление своего движения из-за столкновений с атомами мишени. В свою очередь атомы мишени в результате столкновений могут приобрести энергию, достаточную для движения в твердом теле (рис.).

В результате вдоль траектории внедренных ионов образуется многочисленное число вакансий и между узловых атомов. Если процесс происходит в кристаллическом поле, то в результате больших искажений его кристаллической решетки может произойти аморфизация решетки такого тела.

Расстояния, проходимые внедренными атомами до остановки, имеют определенные, но различные для каждого вида ионов значения. Теория вероятности позволяет их вычислить.

Длинна пробега внедренных ионов:

R - полная длинна пробега;

R_пр – проекция полной длинны пробега.

К механизмам потери энергии внедряемыми ионами можно отнести взаимодействие между внедряемыми ионами и электронами мишени (неупругие столкновения), а также упругие столкновения внедряемых ионов с ядрами атомов мишени. Если энергия ионов относительно мала, они теряют ее при упругом столкновении с ядрами мишени, а если энергия велика – при взаимодействии с электронами. С увеличением массы внедряемых ионов потери энергии за счет столкновений с ядрами возрастают.

Для определения длинны пробега внедряемых ионов будем считать, что эти механизмы потери энергии действуют одновременно и повсеместно. Средняя величина энергии, теряемой на единице длинны пробега внедряемого иона:

, (1)

где N – среднее количество атомов в единице объема мишени;

S_n(E) – ядерная тормозная способность;

S_e(E) – электронная тормозная способность.

Средняя полная длинна пробега R для ионов с энергией E_i определяется интегрированием (1):

. (2)

Поскольку при определении длинны пробега таким методом пренебрегают погрешностью в энергии, теряемой на расстоянии dx, и учитывают лишь среднюю величину, определение длинны пробега действительно лишь в первом приближении.

Если известны значения S_n(E) и S_e(E), то по формуле (2) можно определить R (полную среднюю длину пробега). Величиной, определяемой экспериментально, является проекция пробега на направление первичного ионного пучка.

Закон распределения концентрации ионов, внедрившихся в полупроводник, записывается в виде:

,

где Q – поверхностная плотность внедряемых примесных ионов, определяемая дозой облучения D=qlQ (l – целое число, соответствующее заряду иона).

Максимальную концентрацию внедряемых ионов определяют по выражению:

Графики распределения внедренных ионов обычно строят в относительных единицах (N(_a)/N_max). При ионном легировании максимальное значение концентрации N_max наблюдается на некотором удалении от поверхности, зависящем от энергии ионов, при этом чем больше энергия, тем глубже располагается максимум концентрации внедряемых ионов.

При внедрении ионов акцепторной примеси коэффициент использования вводимых ионов определяется по формуле:

,

где p – средняя концентрация дырок в легированном слое, N_Д – средняя концентрация внедренных атомов акцепторной примеси.