2.9. Диффузия в неравновесных условиях по собственным точечным дефектам

Диффузия примесей замещения в кремнии происходит по непрямому вакансионно-междоузельному механизму при участии собственных точечных дефектов (СТД) – вакансий или СМА. Поэтому отклонение концентраций СТД от своих термодинамически равновесных значений должно влиять на скорость диффузии. Нарушение равновесия по СТД может происходить при отжиге в активных газовых средах, например, при термическом окислении (см. 2.8) или при нитризации кремния, а также в неактивных газовых средах или в вакууме при высоких температурах. Коэффициент диффузии примеси замещения (A) в кремнии может быть представлен в виде суммы коэффициентов диффузии по вакансионному (D_AV) и по непрямому междоузельному (D_AI) механизмам:

D_A = D_AV + D_AI.

Каждая из составляющих пропорциональна относительной концентрации соответствующих СТД:

,

где значок «*» соответствует условию термодинамического равновесия по СТД, _V и _I – относительные пересыщение или недосыщение по вакансиям и СМА, соответственно, при выполнении условия локального равновесия _V = 1/_I. Таким образом, имеем

,

где f_V и f_I – долевые коэффициенты вакансионного и непрямого междоузельного механизмов диффузии соответственно, определяемые выражениями

f_V + f_I = 1.

В результате изучения поведения примесей в условиях нарушения равновесия по СТД были определены долевые коэффициенты вакансионного и непрямого междоузельного механизмов диффузии для примесей замещения в кремнии: f_I (Al, In, Ga)  0.99; f_I (B)  0.95; f_I (P)  0.9; f_I (As)  0.5; f_I (Sb)   0.02. Cоответственно, f_V (Al, In, Ga)  0.01; f_V (B)  0.05; f_V (P)  0.1; f_V (As)  0.5; f_V (Sb)  0.98.

Таким образом, примеси Al, In, Ga, B и P диффундируют в кремнии преимущественно по непрямому междоузельному механизму, примесь Sb – преимущественно по вакансионому механизму, а примесь As – по смешанному.

3. Ионная имплантация

3.1. Ионная имплантация в технологии имс

Ионная имплантация (ИИ) – это процесс внедрения ионов в подложку с энергией от E = 1…10 кэВ до E  1 МэВ. Ионное легирование (ИЛ) помимо имплантации включает электрическую активацию внедрённой примеси, что достигается с помощью отжигов. Отжиги могут проводиться с помощью термических печей (обычный термический отжиг), некогерентного излучения мощными лампами накаливания (быстрый термический отжиг), когерентного светового излучения импульсными лазерами (лазерный отжиг), сканирующего пучка электронов (электронный отжиг) или ионов (ионный отжиг), а также СВЧ-излучения (СВЧ-отжиг). Во всех вариантах происходит трансформация энергии излучения в энергию колебания атомов решетки подложки, т. е. отжиги носят термический характер. ИИ и, соответственно, ИЛ имеют ряд преимуществ перед методом диффузионного легирования.

1. Высокая точность набора дозы (не ниже 1%), q = eQ = jt, где e – заряд электрона (e = 1.610^–19 Кл); Q – количество примеси, внедрённой в подложку; j – плотность ионного тока; t – время имплантации. Доза обычно измеряется в микрокулонах на квадратный сантиметр, доза q = 1 мкКл/см² соответствует количеству внедрённой примеси Q = q/e = 6.2510¹² см^–2.

2. Возможность управления профилем имплантированной примеси варьированием энергии и дозы при последовательных имплантациях.

3. Универсальность – возможность внедрения любых ионов (в том числе и ионов молекул) в твердые подложки любого состава.

4. Низкие температуры имплантации (обычно используется комнатная ~300 К). Это даёт возможность ионного легирования подложек из термически нестабильных материалов, в частности полупроводниковых соединений, например, GaAs , GaP, InSb, InP.

5. Возможность ИИ через маску (в том числе резистивную) на поверхности подложки.

6. Возможность получения скрытых легированных слоёв в глубине подложки.

7. Возможность получения соединений с помощью ИИ – ионный синтез. Например, получение SiO₂ или Si₃N₄ имплантацией ионов O⁺ или N⁺ в кремниевую подложку.

Особенностью ИЛ является образование в имплантированном слое первичных и вторичных радиационных дефектов в процессе имплантации и преобразование их в протяженные структурные дефекты при последующих отжигах.

Примеры использования ИИ в технологии ИМС.

 Получение слабо легированных слоёв с концентрацией примеси менее ~ 10¹⁷ см^–3 и высокоомных резисторов со слоевым сопротивлением R_s > > 1000 Ом/кв.

 Самосовмещённая МОПТ-технология (рис. 3.1) позволяет полу-чать малое перекрытие затвора со стоком и истоком, контролируемое только боковой диффузией и страг-глингом. В обычной МОПТ-технологии размер перекрытия определяется вынужденным допуском на рассовмещение при фотолитографии.

 SIMOX-технология (separation by implantation of oxygen) получения скрытых слоёв SiO₂ под тонким (0.1…0.3 мкм) монокристаллическим слоем кремния.