ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОННЫХ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ

Определение параметров режимов ионного легирования и профиля распределения внедренных ионов

Выполнили: студент гр. КС-61

Смирнов А.В.

Проверил: Умрихин В.В.

Курск 2008

ЦЕЛЬ работы: Изучить методику определения основных технологических параметров и расчета профиля распределения примесей при ионном легировании кремния.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Общие сведения об ионном легировании

Ионное легирование – 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 и простоту локализации про­цесса с помощью обычных фоторезистивных масок.

Имеется возможность управлять распределением примеси во всех измере­ниях путем изменения энергии ионов, применить 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 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.

Оборудование для ионного легирования

Установки ионной имплантации, применяемые в полупроводниковом про­изводстве, построены на базе масс-спектрометров секторного типа (рис.2.1).

Рис.2.1. Схема устройства для ионной имплантации с магнитной сепара­цией пучка ионов: 1 – источник ионов; 2 – система вытягивания и первичного форми­рования пучка; 3 – магнитный масс-сепаратор; 4 – высоковольтный мо­дуль; 5 – регулируемая диафрагма; 6 – система ускорения; 7 – фокусирующая линза; 8 – пластины электростатического сканирования и отклонения пучка; 9 – приемная камера с гониометром

Ионы легирующего вещества образуются в дуговом разряде, который воз­буждается в камере источника ионов. Имплантируемые ионы экстрагиру­ются из источника потенциалом 10 кВ. Пучок ионов формируется с помощью электроста­тических линз. Пучок ускоренных ионов поступает на входную щель масс-сепа­ратора, где под действием сильного магнитного поля ионы распреде­ляются по массам в соответствие с уравнением

(2.1)

где - радиус траектории иона в магнитном поле масс-сепаратора; m – масса иона; Е – его энергия; n – кратность ионизации; е – заряд электрона.

При энергии однозарядных ионов 51 кЭВ и напряженности магнитного поля в приемном устройстве могут быть сфокусированы ионы с мас­сой m 80. Полный ионный ток в пучке составляет 10 мА, плотность тока может изменятся в пределах 0,02 – 20 , что позволяет получать дозы облуче­ния в пределах при реальной длительности про­цесса облу­чения. Приемная камера снабжена гониометром, обеспечивающим установку ми­шени под нужным углом к пучку, и печью сопротивления для на­грева подложек в процессе легирования.

Физические основы легирования

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.

Ядерные столкновения сопровождаются большими потерями энергии иона и приводят к значительному изменению направления его движения. Они обуслав­ливают разупорядочение структуры мишени (рис.2.2), образуя на пути внедрения целые области (кластеры) 3 с нарушенной структурой, содержащие высокую кон­центрацию дефектов по Френкелю, или в поверхностном слое 2 – дефектов по Шоттки. В образовании кластеров принимают участие и атомы от­дачи, обладаю­щие энергией, превышающей энергию связи атома мишени в узле решетки.

Рис. 2.2. образование кластера радиацион­ных дефектов:

1 – падающий ион; 2 – поверхность кри­сталла; 3 – кластер радиационных дефек­тов

Размеры кластеров могут достигать 10 нм. Их перекрытие при большой плотности падающих ионов может привести к образованию макроскопических аморфизированных областей кристалла. Для каждого типа мишени и массы вне­дренных ионов существует предельное значение плотности ионного потока, на­зываемое дозой аморфизации.

При электронном рассеянии потери энергии в каждом акте столкновения существенно меньше, изменение первоначального направления движения не­зна­чительно, а дефекты обычно не образуются.

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

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

E = q U (2.2)

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 1е до 3е.

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

Q = J t (2.3)

Обычно дозу выражают в или, что удобнее для практики, в , так как

(2.4)

Величины и связаны соотношением

(2.4а)

где выражено в .

Распределение пробега имплантированных ионов в твердом теле

В технологии ЭС при имплантации используются три вида материалов: аморфные, поликристаллические и монокристаллические. Аморфные и поли­кри­сталлические материалы служат в качестве масок при имплантации ионов. В мо­нокристаллических материалах (полупроводниковых) создаются струк­туры с за­данным профилем концентрации примесей.

Для нахождения профиля распределения внедренных атомов в твердом теле необходимо уметь определять их пробег. Внедренные ионы в твердом теле испы­тывают постоянное взаимодействие с атомами мишени, и вследствие этого траек­тории их движения достаточно сложны (рис.2.3).

Торможение ионов – процесс статический, поэтому расположение мест их закрепления в мишени носит случайный характер, что выражается в наличии опре­деленного разброса пробегов ионов. При определении местоположения ио­нов в мишени пользуются понятиями; полный средний пробег ионов R, про­еци­рованный пробег - проекция полного пробега на нормаль к поверхности мишени, среднеквадратичный разброс проецированных пробегов (дисперсия про­бега) .

Теория пробегов ионов в аморфной и кристаллической мишени была по­строена в 1963 г. датскими физиками Дж. Линхардом, М. Шарффом и Х.Шиоттом и получила название теории ЛШШ.

Рассмотрим приложение теории ЛШШ к аморфной мишени. Будем счи­тать, что ионный пучок падает нормально к поверхности мишени.

Рис. 2.3. К определению длины пробега и проекции пробега внедренных ионов.