Otvety_na_ekzamenatsionnye_voprosy_OPT_2022 (1)

Монокристаллические подложки — сам кремний и другие полупроводники. Для монокристаллической мишени распределение пробегов,

кроме того, сильно зависит от ориентации кристалла относительно ионного пучка, условий на поверхности мишени и ее предыстории

Функция Гаусса работает только в первом приближении – переходим к другим моделям (определяющий фактор – сечение рассеяния)

Для тяжелых ионов (М1 > М2) при малой энергии наиболее существенно ядерное торможение (Sяд), для легких ионов (М1 < М2) при больших энергиях

– электронное. Принимаем, что эти два вида торможения происходят независимо и характеризуются своим набором параметров, тогда;

Другие методы: метод прямого решения уравнения переноса частиц

(типа уравнения движения Больцмана) в пространстве энергий–углов либо моделирование траектории ионов методом Монте-Карло (случайных ходов) +

модель Пирсона.

121

33. Физика процесса ионной имплантации. Эффекты

разупорядочивания и каналирования.

При движении в твердом теле быстрый ион в результате столкновений с ядрами и электронами теряет свою энергию и останавливается. Полная длина пути, пройденного ионом, и ее проекция на направление первоначального движения иона называются соответственно пробегом R и проекцией Rp

пробега. По всей длине пробега образуются дефектные области.

Вдоль движущегося иона образуется сильно разупорядоченная область,

которая находится в метастабильном состоянии. Размеры этой разупорядоченной области зависят от массы и энергии иона, массы атомов мишени, ее температуры и структуры кристалла.

Ион, внедряясь в мишень или кристалл, теряет энергия из-за взаимодействия с электронами твердого тела (как связанными, так и свободными) и при столкновении с ядрами мишени. Считается, что эти виды потерь не зависят друг от друга. Тогда средняя энергия для одной бомбардирующей частицы:

122

E — энергия частицы в точке x, расположенной на ее пути; Sn(E) —

ядерная тормозная способность; Se(E) — электронная тормозная способность;

N — среднее число атомов в единице объема мишени.

Se сильно увеличивается с ростом E, а Sn меняется мало. Тогда существует некоторая критическая энергия Eк, при которой Sn и Se равны.

Если E Eк, то преобладает ядерное торможение (теория ЛШП).

Радиационные нарушения мишени создаются преимущественно в той области энергии бомбардирующих ионов, где Sn Se. При внедрении ионов малых энергий радиационные дефекты образуются вдоль всей траектории частицы, а в случае бомбардировки ионами высокой энергии — только в конце пробега. При ориентации кристалла в произвольном направлении иону трудно избегать близких ядерных столкновений. Соответственно движущийся атом,

влетая в решетку, теряет в результате большого числа ядерных столкновений значительную часть своей энергии (выбивая атомы из узлов решетки), так что кристалл предстает в виде почти аморфной мишени.

В том случае, когда кристалл ориентирован точно по направлению с низкими кристаллографическими индексами, для движущегося иона ряды атомов кристалла образуют как бы канал (рис. 3.15, а), а траектория иона совпадает с осью канала (рис. 3.15, б).

123

Движение частиц строго по центру канала маловероятно, однако вполне может существовать траектория, осциллирующая около оси канала, из-за последовательных легких соударений иона с рядами атомов, образующих стенки канала. Максимальный угол , при котором исчезает направляющее действие ряда атомов, называется критическим углом каналирования к.

Если падающий пучок ориентирован вдоль кристаллографической оси в пределах угла каналирования, то существенная часть падающих ионов будет направлена по каналам; в противном случае кристаллическая мишень окажется по существу неотличимой от аморфной.

Часть ионов может в результате столкновений может выйти из канала – деканалированные ионы.

124

34. Ионная имплантация. Процессы дефектообразования. Отжиг

дефектов.

Процесс ионного легирования в отличие от процесса термической диффузии сопровождается возникновением в материале мишени большого количества разнообразных структурных дефектов, называемых радиационными. Число дефектов может достигать нескольких сотен на один внедренный ион.

Радиационные дефекты приводят к появлению энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, которые способствуют росту скорости рекомбинации и снижению концентрации и подвижности свободных носителей заряда.

Отжиг позволяет восстановить исходную структуру кристалла и почти полностью ионизировать примесные атомы, введенные в полупроводник в процессе ионного легирования. (это обусловлено большой подвижностью

первичных точечных радиационных дефектов – междоузельных атомов и вакансий).

Поскольку монокристалл обладает тепловой энергией, в нем имеются дефекты решетки, определяемые условиями теплового равновесия. Если в кристалл внедряются ионы, то возникающие в нем дефекты решетки отличаются от дефектов, возникающих при тепловом равновесии.

Внедряемые ионы, сталкиваясь с атомами мишени, передают им кинетическую энергию. Если передаваемая ионом энергия превышает некоторую пороговую энергию Eпор, то атом мишени выбивается из узла решетки и может двигаться через кристалл. Пороговой энергией называется наименьшая энергия, которую надо сообщить колеблющемуся около положения равновесия атому, чтобы он оказался в междоузлии. Обычно пороговая энергия заключена в пределах 15–80 эВ (например, 16 эВ для кремния). Смещенный атом мишени может в свою очередь сместить другие атомы. Таким образом, первичный ион вызывает при подходящей энергии

125

каскад атомных столкновений, в результате которого возникают

разнообразные дефекты.

Виды дефектов.

При ионном легировании характерными являются дефекты по Френкелю (в основном, легкие и средние ионы), представляющие собой совокупность выбитого из узла в междоузлие атома полупроводника и образовавшегося пустого узла — вакансии V. Вакансии мигрируют по кристаллу, при этом энергия их миграции в кремнии p-типа равна 0,33 эВ, а в кремнии n-типа — 0,18 эВ. Междоузельные атомы также подвижны: в

кремнии p-типа их энергия миграции составляет 0,01 эВ, а в кремнии n-типа

— 0,4 эВ.

Вакансии при своем движении по кристаллу могут объединяться в пары

— дивакансии или более сложные комплексы — тривакансии, тетравакансии

идаже гексавакансии. Эти дефекты устойчивы при комнатной температуре.

Врезультате объединения простых дефектов, например, под действием механических напряжений, возникают линейные и плоскостные дефекты —

дислокации, дефекты упаковки.

При внедрении тяжелых ионов малыми дозами при комнатной температуре в кристаллической решетке возникают разупорядоченные области, называемые кластерами. Кластер в кремнии представляет собой отдельную разупорядоченную область, которая состоит из центральной области нарушенной структуры диаметром, равным примерно 50 нм,

окруженной областью объемного заряда, создаваемого благодаря захвату основных носителей дефектами центральной области. При больших дозах ионов кластеры могут перекрыться и привести к аморфизации полупроводников.

126

35. Применение методов ионной имплантации в микротехнологии.

Легирование, окисление, нитрирование, протонизация.

Легирование - внедрение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.

Ионная имплантация – это метод легирования, путем внедрения в твердое тело ускоренных, высокоэнергетических, ионизированных атомов.

Преимущества: точный контроль внедрения примеси; быстрая скорость имплантации; высокая чистота примеси; процесс имплантации происходит в низкотемпературном режиме; толщина внедрения примеси варьируется от нанометрового диапазона.

Недостатки: не всеми частицами можно эффективно бомбардировать мишень, тяжелые частицы могут привести к существенным дефектам подложки; температурная обработка легирующего материала не гарантирует полное восстановление кристаллической решетки; концентрация легирующей примеси имеет разное ограничение, в зависимости от установки; цена использования механизма ионной имплантации достаточно высока и не может конкурировать с более простыми методами для лабораторных целей.

Диапазон энергий: несколько кэВ – несколько МэВ.

Технология кремния на изоляторе.

Окисление – это процесс получение диоксида кремния, выполняющего функции: пассивации участков p-n переходов; маски; подзатворный диэлектрик и т.д.

SIMOX - ионный синтез окисла в глубине кремния путем имплантации ионов кислорода и последующего отжига при высокой температуре.

Первый вариант SIMOX состоял из двух этапов:

1) Имплантация ионов 16O+ с энергией ~200 кэВ в приповерхностную область кремниевой пластины, при очень высоких дозах облучения (около

2 1018см−2), необходимых для ионного синтеза окисла. Чтобы не было аморфизации слоя во время облучения такими дозами, оно должно

128

проводиться при повышенной температуре при 600 °C. При этом доза облучения определяет толщину скрытого окисла, а энергия ионов — глубину его нахождения под поверхностью. Скрытый слой SiO2, образовавшийся в результате ионного синтеза непосредственно в процессе имплантации,

окружен кремнием с высокой плотностью радиационных дефектов.

2) Высокотемпературный отжиг, позволяющий устранить большую часть дислокаций и растворить частицы твердой фазы окисла. При растворении частиц более мелкие частички оксида распадаются и диффундируют к более крупным, которые их поглощают. Области, где объемная концентрация кислорода ниже определенного критического значения, формирования скрытого окисла не происходит и кислород перераспределяется в процессе отжига между поверхностью и скрытым слоем оксида. В результате возникает приповерхностная область, практически свободная от кислорода, а на поверхности и в глубине формируется однородный по толщине оксидный слой.

Проблема: приборный слой окисла кремния содердит высокую концентрацию дислокаций (108 − 109см−2).

Технология с пониженной дозой облучения ITOX-SIMOX_ –

добавляется высокотемпературное внутреннее окисление кремния.

1) Как и в стандартном процессе SIMOX, проводится облучение нагретой до 550–650 °C кремниевой подложки ионами 16O+ при энергии 180

кэВ на глубину ~400 нм. Единственное отличие состоит в том, что доза облучения уменьшена с 1 − 2 1018 и 3 – 4,5 1017ион/см2.

2) Образец подвергается двухступенчатому отжигу при высокой температуре. На первом этапе это происходит в инертной атмосфере (не более

1 % O2), чтобы предотвратить образование вуали на поверхности в результате нежелательных химических реакций. Как и в обычной технологии SIMOX,

при этом отжигаются радиационные дефекты, созданные в процессе облучения, и формируется заглубленный слой окисла. Затем в камеру напускается кислород и при той же температуре (> 1300 °C) начинается

129

окисление подложки, т. е. собственно процесс ITOX. Толщина скрытого окисла при этом растет за счет внутреннего окисления кремния (качество улучшается).

Нитрирование – процесс образования нитрида кремния (заглубленный слой), выполняющего функции изолирующего слоя.

1) Формирование нитрида кремния, как изолятора.

Облучение с энергиями 140 эВ, 550°C. Диэлектрическая проницаемость

7, когда у дикосида кремния 4.

2) Азотирование диэлектрика.

Основным ограничением области практического применения структур кремний-на-изоляторе (КНИ) является накопление заряда в диэлектрике.

Генерированные в валентной зоне SiO2 свободные дырки захватываются на границе раздела Si/SiO2. Локализованные таким образом на границе или вблизи границы раздела положительные заряды являются медленными состояниями, характеризующимися большими временными константами, и

могут медленно заряжаться или разряжаться при приложении положительных или отрицательных смещений. Накопление таких аномальных положительных зарядов часто приводит к деградации изолирующего SiO2.

Азотирование термического оксида в результате взаимодействия азота с избыточным кремнием приводит к удалению кремний-кремниевых связей.

Этот эффект используется для уменьшения концентрации дырочных ловушек в диэлектрике.

Протонизация (процесс smart-cut).

В специально окисленную рабочую пластину кремния (толщина оксида несколько сотен ангстрем) вначале производится имплантация протонов Н+)

с дозой облучения порядка (1 − 8) 1016см−2 и энергией 100-150 кэВ Имплантируемые ионы H+ создают микрополости в объеме кремниевой

пластины на глубине, определяющейся энергией ионов. Часть водорода заполняет микрополости, часть — соединяется с кремнием на их границе. При нагреве атомы водорода стягиваются в объем микрополостей и образуют

130