Методы модифицирования поверхности твердого тела. Ионная имплантация.

Метод разработан в институте им. Курчатова примерно в 1965 году.

Ионная имплантация как метод модифицирования поверхности применяется при необходимости введения в полупроводник примесей, не очень хорошо диффундирующих (имеющих малый коэффициент диффузии).

Ионная имплантация используется для решения следующих задач:

1. ионное легирование;

2. загонка примеси при диффузии;

3. формирование оксидной изоляции (подложки кремний на изоляторе);

4. изготовление подложек «кремний на изоляторе» по методу smart-cut (протонизация приповерхностного слоя кремниевой подложки и его последующее «отщелкивание» за счет механических напряжений, возникающих в протонированном слое), а также создание полуизолирующих областей при протонировании подложек GaAs (при создании полевых транзисторов с барьером Шоттки);

5. химический синтез (например, слоя SiC на поверхности кремния).

Механизмы ионной имплантации:

При падении ионного пучка по нормали на плоскость монокристалла с малыми индексами Миллера наблюдается явление каналирования – упругое взаимодействие иона с электронными оболочками атомов кристаллической решетки (электронное торможение) происходит с малыми потерями энергии, и ион проникает глубоко в подложку:

Предельный угол отклонения от нормали к поверхности, при котором происходит каналирование, называется углом каналирования. При энергиях ~ 30 ÷ 50 кэВ и отклонении направления падения пучка ионов от нормали на угол 4 ÷ 5° каналирование не наблюдается, так как в этом случае происходит неупругое рассеяние ионов в результате каскада взаимодействий с атомами кристаллической решетки. В этом случае, а также при больших энергиях ионов можно рассматривать процесс как имплантацию в аморфную мишень, так как совершенство структуры мишени значительно нарушается.

Потери энергии частицей:

,

где N – число атомов в мишени, S_n и S_e – соответственно ядерная и электронная составляющие торможения (тормозная способность), которые в первом приближении являются независимыми.

,

.

Интегрирование в интервале от 0 до Е учитывает полную потерю энергии иона при торможении. Для ионной тормозной способности применима полуэмпирическая формула:

,

где под z^1/3 подразумевается:

,

z₁ и z₂ – атомные номера движущихся ионов и атомов вещества мишени, М₁ и М₂ – масса ионов и атомов мишени.

Электронная составляющая тормозной способности: , где К – коэффициент, характеризующий свойства мишени (структуру, ориентацию, плотность). Если ввести безразмерный пробег ρ, зависимость потерь энергии от Е^1/2 имеет вид:

Кривая 1 характеризует ядерное торможение, 2 – электронное.

Профиль распределения примеси при отсутствии эффекта каналирования имеет вид:

R_p – средний проецированный пробег ионов, ΔR – дисперсия среднего проецированного пробега. Процесс определяется энергией и дозой имплантированных ионов. E = n∙e∙U, где e – заряд электрона, n – кратность ионизации, U – ускоряющее напряжение, энергия ионов определяет средний пробег ионов и его дисперсию: .

Все импланторы делятся на установки малых, средних и больших доз:

- малые: j < 10 мкА/см², применяют для легирования каналов МДП структур;

- средние: j ~ 100 мкА/см², назначение - загонка примесей;

- большие: j ~ 1 мА/см², используют для изготовления подложек кремния на изоляторе.

Доза облучения определяется плотностью ионного тока в пучке j и временем имплантации: Ф = j∙t. Единицы измерения: [А∙с/см²] = [Кл/см²], [мкКл/см²]. Доза вводимой примеси: Q = Ф/n∙e.

Профиль распределения примеси описывается функцией Гаусса:

,

;

Для приведенных графиков E₁ = E₂ > E₃, Q₁ = Q₃ < Q₂. Глубина залегания p-n-перехода определяется выражением:

;

N_ср = Q/x_j – средняя концентрация примеси в слое, полученном в результате введения примеси методами диффузии или ионной имплантации.

При наличии эффекта каналирования профиль распределения имеет два пика:

При энергиях ионов ~ 100 кэВ глубина первого пика R₁ составляет 0,1 ÷ 0,2 мкм, второго – единицы микрометров. Доза ионов, прошедших на большие глубины в результате эффекта каналирования, значительно меньше, чем доза ионов, рассеянных в приповерхностной области в результате неупругого взаимодействия.

В результате бомбардировки высокоэнергичными ионами поверхность полупроводника аморфизуется, в объеме полупроводника количество структурных дефектов также увеличивается. Для устранения дефектов структуры и активации примеси после ионной имплантации проводится отжиг. Отжиг часто осуществляется в импульсном режиме ИК-лампами (Т ~ 600 °С). При этом не происходит разгонки примеси. Когда имплантация проводится с целью загонки примеси, после которой следует высокотемпературный отжиг для разгонки, профиль распределения примеси определяется выражением:

Метод имплантации применяется для создания МДП-транзисторов с самосовмещенным затвором. Области истока и стока легируют после формирования затвора. При обычной диффузии за счет размытия профиля легирующей примеси и ее проникновения под маску возникает вероятность перекрытия областей истока и стока, изменяется глубина залегания канала.

Для уменьшения толщины аморфизированного слоя применяется ионная имплантация через слой диоксида кремния. При этом средняя проецированная длина пробега ионов определяется как:

R_p = R_p^Si + d(SiO₂), где d(SiO₂) – толщина слоя окисла.

В областях стока и истока создается уровень поверхностной концентрации примеси N_s ~ 10¹⁹ ÷ 10²⁰ см^-3 для создания омического контакта при нанесении металла.

Современная разновидность метода ионной имплантации, имплантография – сканирование поверхности подложки остросфокусированным ионным, пучком используется для:

1. локального легирования;

2. создания заглубленных проводящих шин в объеме материала;

3. структурного разупорядочения отдельных областей и придания им диэлектрических свойств.

Достоинства метода ионной имплантации:

- возможность получения двух максимумов на профиле распределения примеси;

- возможность ввести в твердое тело количество примеси, превышающее предельную растворимость (например, для образования химических соединений);

- происходит при более низких температурах, чем диффузия, но в дальнейшем процесс может управляться постимплантационным отжигом;

- высокая чистота процесса (так как траектория движения частиц в магнитном поле зависит от массы частиц, имеется возможность с помощью диафрагмы отбирать один сорт частиц);

- высокая управляемость глубиной проникновения примесей (U_уск → Е_ион → R_p);

- высокая степень контроля количества вводимой примеси.

Структура установки для ионной имплантации.

В зоне источника примеси поддерживается вакуум порядка 10^-3 Па, в зоне мишени – 10^-5 Па. Масс-сепаратор использует действие сил Лоренца на заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле. Радиус траектории движения ионов по каналу в вакууме определяется выражением:

,

где В – индукция магнитного поля, n – кратность ионизации.

Ионы в пучке распределены по гауссову распределению, размер однородного поля легирования составляет ~ 10 см². Используются режимы индивидуальной и групповой обработки пластин. Однако, при групповой обработке пластины в барабане сканируются ионным пучком, что приводит к сильному разбросу уровня легирования от пластины к пластине.

Радиационно-стимулированная диффузия

При радиационно-стимулированной диффузии время процесса уменьшается на несколько порядков. Для достижения такого результата необходимо создать в твердом теле большое количество вакансий. В этом случае реализуется эстафетный механизм перемещения диффундирующих примесей. Для создания вакансий используется облучение поверхности твердого тела ионами легких и инертных газов. В завершение данного процесса требуется проводить отжиг для ликвидации вакансий.