книги из ГПНТБ / Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие

осуществляется в высокочастотном или дуговом разряде, поэтому источник ионов называют высокочастотйым или дуговым. Электро­ ны, эмиттируемые из термокатода, ускоряются в направлении полой камеры полюсного наконечника под действием разности потенциалов 100 в. В эту же камеру подаются разряженные пары легирующих элементов, которые ионизируются. Магнитное поле с индукцией 0,1 тл концентрирует пучок до больших плотностей. Положительные ионы экстрагируются отсюда с помощью отрица­ тельно заряженного пустотелого зонда и фокусируются в пучок под действием электрического поля зонда (5—10 кв). Плотность ионного тока в экстрагирующем канале может достигать 100 а/м2, а ток пучка — до 0,5 а. На ускоряющий электрод подается напря­ жение 20—200 кв. От источника ионов до магнитного анализатора и от магнитного анализатора до приемника ионов располагаются области дрейфа, в которых на ионы не действуют никакие элек­ трические или магнитные поля, кроме поля, создаваемого собст­ венным объемным зарядом пучка. Обладая большими по сравне­ нию с электронами массами, ионы, ускоренные до тех же энер­ гий, имеют соответственно меньшие скорости. Траектории, описы­ ваемые теми и другими в электростатическом поле, идентичны. Магнитное поле, действующее на участке анализатора, заставляет ионы с массой М\ и зарядом q двигаться по дуге окружности, радиус которой определяется магнитной индукцией В, ускоряю­ щим напряжением и массой иона:

Напряженность магнитного поля в зазоре электромагнита со­ ставляет (4—5) - 105 а/м. После прохождения магнитного анализа­ тора пучок ионов, если он содержит примеси других элементов,

вает высокую чистоту легирования. На обрабатываемую пластину попадает моноизотопный пучок. Ионный пучок может быть широ­ ким, щелевым, острофокусированным, а также стационарным или сканирующим в зависимости от технологических требований. В вакуммной системе поддерживается разряжение 5 -10-7— 1-10-6 мм рт. ст., чтобы ионы не испытывали столкновений при движении.

Понятие пробега. Важным параметром, определяющим свой­

теряют свою энергию при внедрении в кристаллическую решетку как вследствие взаимодействия с электронами, возбуждая или ионизируя их, так и вследствие столкновений с ядрами атомов, передавая им энергию при квазиупругом столкновении. Полный пробег иона до остановки в решетке складывается из отдельных прямолинейных участков (рис. 7.8):

R ~ г I + Г2 + Г3 + . . . г п -

200

Изменение направления движения обусловлено столкновения­ ми ионов с атомами вещества. Между столкновениями потеря энергии ионами происходит только вследствие электронного вза­ имодействия, не влияющего на изменение направления движения. Вектор, соединяющий начальную и конечную точки пути иона, называют векторным пробегом, а проекцию его на направление начальной скорости иона — нормальным или проекционным про­ бегом. Средний полный пробег иона с начальной энергией Е0 опре­ деляется интегралом:

dE

где Z u Z2— заряды ядер иона и атома; А , Аг — атомные веса иона и атома.

Произведя интегрирование, получим выражение для среднего полного пробега ионов в веществе с непериодическим располо­

Это выражение справедливо и для кристаллических веществ, если разориентация начальной скорости ионов и кристаллографи­ ческого направления с малыми индексами превосходит 7°; в этом

случае периодичность решетки почти не сказывается на движе­ нии ионов.

201

Нормальный пробег связан с полным приближенным соотноше­ нием

202

Втабл. 7.1 приведены значения Rp и ARp для различных ионов

иэнергий в кремнии, вычисленные по более строгому расчету. Основными примесными ионами, внедряемыми в кремний, явля­

ются бор и фосфор. Практически с достаточной точностью значе­ ния пробега для них в диапазоне энергий 20—100 кэв определя­

в ангстремах.

Особенности пробегов ионов в монокристаллах. В монокристал­ лах пробеги ионов могут быть значительно больше, чем в том же веществе с аморфной структурой, вследствие эффекта каналиро­

вания.

Под каналированием понимают явление, при котором траекто­ рии частиц, проходящих вблизи середины междоузельных прост­ ранств вдоль главных осей кристалла — каналов, могут иметь определенную стабильность на протяжении всего пробега. Разли­ чают межосевое и межплоскостное каналирование: межосевое свя­ зано с движением частицы вдоль атомных рядов по оси кристалла; межплоскостное — с движением вдоль атомных плоскостей. Если траектория налетающей частицы проходит вдоль канала, то углы столкновений ее с атомами не будут превышать 1—5°. При мало­ угловых столкновениях атомные ряды действуют как фокусирую­ щие линзы. Наибольший угол, при котором исчезает направляю­ щее действие канала, в результате чего частица покидает канал, называют критическим углом каналирования. Критический угол зависит от энергии частицы.

В табл. 7.2 даны значения критических углов для ионов бора, азота и фосфора в кремнии с различной ориентацией.

203

Пучки ионов с углами каналирования меньше критического тормозятся в узкой области вдоль канала. Пробег их может на порядок превышать пробег в неориентированной мишени. Для решетки типа алмаза существует следующая зависимость эффекта каналирования от кристаллографической ориентации: [110]>

» [ 112] > [ 111] > [ 100[. J

При дозе облучения свыше 1012 см~2 пробег значительно умень­ шается, что указывает на изменение кристаллической структуры. При дозах 1015 см~2 эффект каналирования исчезает.

Профиль распределения примесей, внедренных в кристалл при углах, меньших критических, можно представить в виде суперпозиции трех кривых (рис. 7.9). Кривая 1 обусловлена рас­ сеянием ионов на атомах решетки и хорошо описывается теорией пробегов в аморфных мишенях, кривая 2 является следствием

Рис. 7.9. Профиль распределения концентрации при­ меси при ориентированном внедрении в монокристалл

ухода ионов из каналов (деканалирования) под влиянием рассея­ ния на несовершенствах кристаллической решетки, кривая 3 обра­ зована ионами, прошедшими в каналах. В реальных мишенях при строгой ориентации преобладает кривая 2 и различим пик кри­ вой 3. При разориентации в 7—10° преобладает кривая 1.

Распыление под действием ионного пучка. Энергетическая отдача узловых атомов, с которыми столкнулись ионы, может быть достаточно велика, чтобы положить начало каскаду столкновений, включающему до 104 атомов. Если такой каскад замыкается на поверхности и атомы имеют энергию свыше энергии поверхностной связи (5 эв), то поверхностные атомы распыляются. При малых энергиях (1—10 кэв) и больших плотностях токов (свыше 10 а/м2) коэффициент распыления близок к единице. С поверхности полу­ проводника удаляются окисные пленки, загрязнения и верхние слои решетки. При уменьшении плотности тока коэффициент распыления уменьшается и преобладающим процессом становится ионное внедрение.

Отжиг легированных слоев. Примесные атомы в полупроводни­ ке могут занимать положение внедрения или замещения, но только в последнем случае они обладают электрической активностью

204

и влияют на проводимость. Непосредственно после ионного легиро­ вания существуют как бы два различных профиля распределения концентрации примеси: полный или физический и часть от него — электрически активный. При малых дозах облучения соотношение

оставаясь примерно тем же по глубине. Поверхностная концентра­ ция может быть очень высокой; при этом вероятность нахождения ионов в замещенном состоянии мала, а во внедренном — велика.

При увеличении температуры подвижность дефектов возрастает и кристаллическая решетка возвращается к упорядоченному состо-

янию, так как вакансии и междоузельные атомы рекомбинируют или исчезают на поверхности. Поэтому процесс отжига является необходимой операцией, проводимой после или во время процесса внедрения ионов. Отжиг в диапазоне 500—700°С устраняет радиа­ ционные повреждения решетки и способствует уменьшению раз­ личия между физическим и электрически активным профилями распределения концентрации. С ростом температуры отношение их стремится к единице, что свидетельствует о переходе атомов, примеси из состояния внедрения в состояние замещения. Отжиг при температуре выше 700°С приводит к изменению физического профиля распределения концентрации, что обусловлено влиянием диффузии.

На рис. 7.10 показана зависимость глубины внедрения ионов фосфора (глубины залегания,р-п-перехода) в кремний с электро­

205

проводностью /7-типа р=4,5 ом-см, ориентированного в плоскости (ПО), от энергии до и после отжига. Доза облучения составила

10й см~2.

В отличие от диффузионного легирования или легирования в расплаве, в данном случае концентрация вводимой примеси опре­ деляется только дозой облучения.

§ 7.4. Применение ионного легирования

Структура ионно-лучевого р-п-перехода. В неориентированных мишенях распределение длин пробегов и соответственно концен­ трации примеси описывается функцией Гаусса:

где знак «+ » перед Св означает, что вводимая примесь однотипна с примесью в мишени.

Максимальная концентрация примеси соответствует среднему нормальному пробегу:

СN

юах /2ГДЯ,-

Полная плотность внедренных ионов, отнесенных к единице поверхности, N (см~2) или равная ей доза облучения Q (к/м2) определяется плотностью ионного тока / и времени облучения t:

N = Q lq= jt[q,

где q — заряд иона, равный произведению единичного-заряда е (к)

Градиент концентрации примеси в /7-п-переходе

Так как максимум концентрации примеси залегает в глубине под поверхностным слоем (в отличие от диффузионного введения

206

примеси), то возможно одновременное образование двух р-п-пере­ ходов, разделенных базовым слоем толщиной

w6= 2\R pL.

Поверхностная концентрация

Основные преимущества метода ионного легирования:

а) низкие температуры во время процесса, что позволяет со­ хранить заданное распределение примесей в структурах и не вызы­ вает заметного изменения электрофизических параметров полу­

проводника; б) изотопная чистота легирующей примеси вследствие сепари­

рования ионов по массам в магнитном поле; в) возможность внедрения в полупроводники любых примесей

до концентраций, определяемых предельной растворимостью, что не всегда достигается методами сплавления или диффузии;

г) возможность создания тонких базовых областей и тонких поверхностных сильно легированных слоеи, толщина которых

0,05—0,1 мкм\

д) возможность точного регулирования профиля распределения концентрации примесных атомов путем изменения энергии, интен­ сивности потока, длительности облучения и угла падения ионов;

е) высокая однородность и воспроизводимость результатов легирования;

ж) возможность осуществления в одной установке комплекса операций, включающих создание активной структуры, контактов,

изащиты ее поверхности.

Спомощью ионных пучков различных элементов можно произ­ водить очистку и микрофрезеровапие поверхности, наносить ме­ таллические, диэлектрические и полупроводниковые пленки, осу­ ществлять локальное или сплошное легирование полупроводников.

Вещества — источники ионов. Для создания активных обла­ стей в кремнии применяют главным образом легирование ионами бора и фосфора. Причем используют красный порошкообразный или кристаллический фосфор. Ионы бора получают из галогени­

изотопной линии при внедрении, в отличие от других методов обработки полупроводников, к рабочим веществам не предъявля­ ется жестких требований по чистоте.

Вещество, используемое в твердой фазе, загружают в тигель источника, пары галогенидов и газы поступают в источник через натекатель. Плотности потоков ионов бора находятся в пределах

—10'1 а/м2, ионов фосфора — 10-3—1 а/м2. Следует отметить что основную часть ионов, образующихся в источнике, составляют

207

однозарядные ионы. Кроме них имеются двух- и трехзарядные ионы, но в количествах на 1—2 порядка меньше, что не исключает возможность их практического использования. Так как энергия иона

Е = qU = enU,

то при одном и том же ускоряющем напряжении U ионы с раз­ личной кратностью электрического заряда обладают разной энер­ гией. Эта особенность используется при получении ионов с энер­ гиями 400—600 кэв на ионных ускорителях с максимальным на­ пряжением 200 кв, выпускаемых серийно.

Создание приборов с помощью ионного легирования. Одно из основных преимуществ данного метода — получение базовых обла­ стей толщиной в 500—1000 А — позволяет повысить предельную частоту усиления транзисторов до 10—50 Ггц. При изготовлении транзистора активную область базы создают внедрением ионов бора через окно в окисном слое. Энергия ионов 30 кэв, глубина р-н-перехода 0,2 мкм. Эмиттерную область образуют внедрением или диффузией фосфора или мышьяка. Глубина эмиттерного слоя не должна быть менее 0,1 мкм и более 0,15—0,18 мкм. Ионное внедрение позволяет получать область базы со значительной рав­ номерностью концентрации примеси.

Возможность получения тонких сильно легированных одно­ родных слоев используется для изготовления лавинно-пролетных диодов. Диод изготовляют на эпитаксиальной пленке типа п-п+, в которую вводят бор. При диффузионном легировании вследствие большой чувствительности диффузии к несовершенствам кристал­ ла образованные р-п-переходы неоднородны по электрическому пробою. Ионное внедрение при неориентированном облучении не чувствительно к дефектам решетки, и получаемые слои и переходы имеют высокую однородность. Так как ионно-лучевые р-п-пере­ ходы имеют глубину 0,1—0,2 мкм, то температура в них может быть ниже, чем в более глубоких диффузионных.

Толщина эпитаксиальной пленки уменьшается до 2—3 мкм, а воспроизводимость процесса эпитаксии становится единственным фактором, определяющим воспроизводимость толщины базы, так как отпадает необходимость в технологических запасах на погреш­ ности диффузии и смещение границы пленка — подложка. Однород­ ность перехода снижает уровень шумов более чем в два раза. Л а­ винно-пролетные диоды, полученные ионным легированием, при работе на частоте 10 Ггц имеют выходную мощность 1,5 вт, тогда как диффузионные — около 1 вт.

Одним из первых промышленных ионно-лучевых приборов были кремниевые солнечные элементы. Уменьшение глубины р-п-перехо- да до 0,2 мкм позволило повысить чувствительность приборов к ко­ ротковолновой части спектра. Разработаны ИК-дегекторы на осно­ ве InAs и InSb с однородностью в пределах 2% по чувствительно­ сти, что на порядок лучше, чем у диффузионных детекторов. Труд­ ность работы с полупроводниковыми соединениями, разлагающи­

208

мися при нагреве до температур диффузии, делает незаменимым ионное легирование при создании оптикоэлектронных приборов и устройств на арсениде галлия и карбиде кремния.

Преимущества метода ионного легирования реализуются при изготовлении МОП-транзисторов. Частотные ограничения МОПтранзисторов связаны с процессами диффузии и маскирования. В диффузионном МОП-транзисторе необходимо задавать границы металлизации затвора над зазором между областями стока и исто­ ка. Из-за допусков на операциях фотолитографии затвор перекры­ вает сток на 2—3 мкм, что приводит к появлению емкостной обрат­ ной связи и ограничивает частотные характеристики приборов. При ионном легировании исток и сток получают внедрением ионов через

О бедненны й

слой стока

достаточна для прохождения через окисел, но мала для проникно­ вения через металлизацию затвора, что позволяет с высокой точ­ ностью совместить границы областей истока и стока с затвором. Емкость обратной связи уменьшается в несколько десятков раз, что

Толщина слоя двуокиси кремния около 1500 А, толщина алюминие­ вой металлизации около 4000 А. Энергия ионов бора — 100 кэв, до­ за облучения 1—5-1015 см~2.

Для создания различных диодных структур перспективным яв­ ляется процесс, совмещающий локализацию и пассивацию струк­ туры. Исходную пластину кремния с эпитаксиальным слоем типа Р-р+ подвергают легированию ионами фосфора с £ = 20—100 кэв и дозой 1— 10 к/м2 (рис. 7.12,а). Глубина внедрения ионов фосфо­ ра не превышает 0,2—0,3 мкм. Затем на пластину через трафарет напыляют металл, являющийся омическим контактом, например алюминий толщиной 0,4 мкм. Диаметр алюминиевых пятен равен