2.7. Ионная имплантация (ионное легирование)
В технологии микроэлектроники широко распространена ионная имплантация. Вообще говоря, данный процесс чаще всего используют как промежуточный, т.е. предшествующий высокотемпературной диффузии.
Метод основан на использовании управляемых электрическими и магнитными полями направленных потоков ионов с высокими энергиями, бомбардирующих твердое тело, с целью изменения в его поверхностных слоях структурных, электрофизических, физико-химических и других свойств. Наибольшее применение ионная имплантация нашла для введения примесей в полупроводник.
Сущность ионного легирования заключается в следующем. Ионы примесей, получаемые из специальных источников, ускоряются и фокусируются в электрическом и магнитном полях, попадая затем на поверхность полупроводниковой пластины. В результате внедрения ионы передают часть своей кинетической энергии ядрам атомов и электронам. В процессе соударений в кристаллической решетке пластины ИС образуются дефекты – вакансии и междоузельные атомы.
Процесс ионной имплантации всегда сопровождается накоплением радиационных дефектов, что приводит к разупорядочению кристаллической решетки объекта облучения. Внедренные ионы могут непосредственно попасть в вакантный узел, став донорами или акцепторами, хотя такая вероятность невелика. Для перевода внедренных ионов в узлы и восстановления кристаллической структуры полупроводника производят отжиг.
Рис. 2.8. Типичная схема установки для ионного легирования
Следует заметить, что содержание внедренных в материал ионов примеси определяется не физическими свойствами подложки (как при диффузии), а условиями внедрения и температурой отжига, которая, как правило, значительно ниже температуры диффузии.
При этом распределение внедренных ионов по глубине описывается законом Гаусса:
,
(2.11)
где x – глубина внедрения ионов; Q – доза облучения; Rn – средний нормальный пробег ионов; ΔRn – его отклонение.
Характерно, что максимум распределения находится не у поверхности пластины как при диффузии, а на расстоянии от поверхности, равном среднему нормальному пробегу ионов. Максимальные значения N(x) в ионно-легированных слоях могут достигать значений порядка 2·1020 см-3.
Основными преимуществами ионного легирования являются:
возможность точного задания конфигурации распределения концентрации примеси как по глубине, так и по площади облучения;
протекание процесса при низких температурах;
возможность легирования материалов любыми примесями в различных количествах, вплоть до предельной растворимости, а иногда и выше;
изотопная чистота ионов примеси;
отсутствие влияния окружающей среды (вакуум);
высокая воспроизводимость результатов имплантации.
Основным недостатком метода является сложность технологических установок, возможность образования дефектов слоя на поверхности пластин.
2.8. Металлизация
Данная операция является одной из заключительных в процессе изготовления ИС. Металлизацией называют процесс создания внутрисхемных соединений. Для этих целей используют тонкие металлические пленки. Такая пленка должна обеспечивать невыпрямляющий контакт с полупроводником, иметь хорошую адгезию с материалом подложки и обладать низким удельным сопротивлением.
Обычно в качестве материалов для этих целей используют Au, Ni, Pb, Ar, Cr, Сu, Al, а иногда – системы типа Cr-Au, Ti-Au, Mo-Au и т.п.
В последнее время для коммутации элементов ИС наряду с металлической медью все более широко используется Al. Преимущества данного металла состоят в следующем:
• поскольку с его помощью можно изготовить структуры с металлизацией одним типом металла, что упрощает технологию;
• имеет высокую проводимость, близкую к проводимости объемного материала;
• хорошо испаряется в вакууме;
• образует низкоомные контакты;
• материалы подложки, попавшие в Al, почти не уменьшают его проводимость;
• выдерживает циклические изменения температуры;
• достаточно стоек к радиации;
• сравнительно дешев.