Физические основы ионного легирования

1. Общие сведения об ионном легировании

Поскольку в процессе изготовления ИС диффузию примеси осу­ществляют многократно, каждый последующий диффузионный нагрев вы­зывает продолжение диффузии примеси, введенной на предыдущем эта­пе. Это ухудшает воспроизводимость параметров ИС, так как изменя­ется диффузионный профиль структуры. По этой же причине получить базу толщиной менее 1 мкм очень сложно. В ряде случаев (произ­водство ИС на МДП-структурах) боковая диффузия под окисел, харак­терная для термической диффузии, является нежелательной. В значи­тельной мере свободно от этих недостатков ионное легирование.

Ионное легирование (имплантация) - это управляемое введение атомов в поверхностный слой подложки путем бомбардировки ее иона­ми с энергией от нескольких килоэлектрон-вольт до нескольких ме­гаэлектрон-вольт (обычно 20 - 200 кэВ).

Метод ионного легирования в настоящее время рассматривается как наиболее перспективный в технологии полупроводников. Это обусловлено преимуществами ионного легирования, связанными с не­тепловым характером взаимодействия легирующего вещества и твердо­го тела. Во-первых, этот метод универсален, так как позволяет вводить любые примеси в любое твердое тело: металл, диэлектрик, полупроводник; во-вторых, он обеспечивает изотипную чистоту леги­рования, практически исключающую попадание неконтролируемых при­месей в легированный слой; в-третьих, проводится при низких тем­пературах. Отжиг легированных слоев происходит при температурах существенно более низких, чем например, при диффузионном легиро­вании, что обеспечивает плоскостность фронта легирования и прос­тоту локализации процесса с помощью обычных фоторезистивных ма­сок.

Имеется возможность управлять распределением примеси во всех измерениях путем изменения энергии ионов, применять сканирование ионного луча и защитные маски; возможность получать легированные слои под поверхностью, в объеме полупроводника (скрытое распреде­ление); точно дозировать примеси за счет изменения плотности ион­ного тока в пучке и времени облучения; вводить их через диэлект­рические и металлические покрытия (при соответствующем выборе ре­жима); вводить примеси в количестве, превышающем равновесную кон­центрацию при температуре легирования.

Ограничениями в применении метода являются малая глубина проникновения ионов и вследствие этого малая глубина залегания p-n-переходов, затрудняющая применение последующих технологичес­ких обработок и предъявляющая высокие требования к качеству ис­ходной поверхности полупроводника, а также сложность и высокая стоимость оборудования, необходимость использования труда специ­ально обученного высококвалифицированного персонала для обслужи­вания этого оборудования, необходимость соблюдения специальных мер по технике безопасности, связанных с применением высоких нап­ряжений и возможностью возникновения проникающих излучений.

При ионном легировании ионы, ускоренные до средних и высоких энергий, при внедрении в решетку твердого тела взаимодействуют с ядрами и электронными оболочками атомов мишени, теряют свою энер­гию и тормозятся до скоростей тепловой диффузии при температуре решетки. Различают два механизма энергетических потерь ускоренно­го иона в твердом теле; ядерные (упругие) столкновения, когда ион взаимодействует с атомом мишени как с единым целым и его энергия переходит в энергию поступательного движения атомов мишени, и электронные (неупругие) столкновения, при которых ион взаимодейс­твует с электронной оболочкой атома мишени и расходует свою энер­гию на ионизацию или возбуждение атома.

Преобладание того или иного механизма потерь энергии ионов зависит от энергии Е и атомного номера Z₁ падающих ионов: при ма­лых энергиях и больших атомных номерах в основном наблюдается ядерное торможение, при больших Е и малых Z₁ - электронное.

Основные параметры режима ионного внедрения. Если ион имеет заряд q, то под действием разности потенциалов он получит энергию

Е = q U (1.1)

При ионном внедрении энергию иона выражают в килоэлектрон­вольтах (кэВ).

Как правило, кратность ионизации ионов n = 1, 2, 3. Это зна­чит, что ион может иметь заряд от 1e до 3e.

Дозой облучения называется поток ионов, проходящих через единичную площадку мишени в единицу времени. Она определяется плотностью ионного тока и длительностью облучения (Кл/м² ):

Q = J t (1.2)

Обычно дозу выражают в мкКл/см² , или что удобнее для прак­тики, в ион/см² , так как

N_s = Q/q = J t/(n e) (1.3)

Величины Q и Ns связаны соотношением

N_s = 6,2510¹² Q/n , (1.4)

где Q выражено в Кл/м² .