3.5. Формирование диодных и транзисторных структур.

Внедряя ионы элементов III и V групп таблицы Менделеева в монокристалл кремния можно получить р - п или п - р переход в любом месте на любой площади. Глубина залегания р - п перехода x_j определяется выражением:

x_j = R_p + R_p  2 ln( N_S / N_исх R_p  2  ) (3.18)

Образование p-n переходов при внедрении ионов малых(до 400кэВ) и больших энергий(до 2,5МэВ) показано на рис.6. Используя ионы высокой энергии в результате их глубокого проникновения в кремний nтипа, можно получить скрытую область р- типа. С помощью ионного легирования удается изготовить диоды, которые по своим параметрам не уступают диодам, созданным термической диффузией. Обычно при термодифузии глубина боковой диффузии под окисел такая же, как и глубина p-n перехода. При ионном легировании глубина бокового рассеяния ионов от края окисной маски на порядок меньше.

При формировании трехслойной структуры типа n-p-n, p-n-p или n-n-p проводят последовательное введение двух примесей. В частности, для транзисторной структуры n-p-n, образованной внедрением ионов акцепторной примеси для формирования базы и ионов донорной примеси для формирования эмиттера, суммарное распределение примеси описывается выражением:

x-R^a_p x-R^d_p

N(x)=N^a_max exp[-(--------)² ]-N^d_max exp[-(---------)² ]-N_исх (3.19)

R^a_p 2 R^d_p2

причем R^a_p > R^d_p , а N^a_max < N^d_max

Глубину залегания коллекторного перехода можно определить из условия

x - R^a_p

N^a_max exp[ - (------------)² ] - N_исх = 0 (3.20)

R^a_p  2

откуда

x^k _j =R^a_p + R^a_p 2 ln( N_max / N_исх ) (3.21)

3.6. Оборудование для ионного легирования.

Схема установки для ионного легирования показана на рис.7. Источник ионов состоит из камеры, в которой производиться ионизация примеси. Обычно ионных источников несколько и они в установке сьемные. Источниками ионов называют устройства, в которых на основе различных принципов ионообразования создается определенная концентрация заряженных частиц-ионов. Ионы образуются из нейтральных молекул или атомов вследствии ионизации электронным ударом, фотоионизации, химической или термической ионизации, ионизации в результате соударений с другими ускоренными ионами и др. В соответствии с принципом ионизации бывают источники

- высокочастотные,

- с поверхностной термической ионизацией,

- с ионизацией электронным ударом,

- на основе дугового разряда (плазмотроны) и др.

Наиболее часто внедряют ионы бора (B), фосфора (P) и мышьяка (As). Так как при комнатной температуре эти элементы не являются газами, в качестве источника ионов используют молекулы их газообразных соединений. Для получения ионов бора служит BF₃ или BCl₃ , для получения ионов фосфора и мышьяка их гидриды PH₃ и AsH₃.

Вытягиваемый из источника поток положительных ионов обычно не однороден по составу, по энергиям и скоростям. Для разделения ионов по массам применяют магнитные сепараторы в которых магнитное поле с магнитной индукцией В, действуя на движущиеся со скоростью v ионы с массой M_i и зарядом q_i , заставляет их двигаться по дуге окружности радиусом r, равным r = M_i v/q_i B, а поскольку v = ( 2q_i U / M_i ) то

r =  (2M_i U/q_i B) (3.22)

т.е. при постоянном ускоряющем напряжении U и магнитной индукцией B радиус траектории иона определяется отношением M_i /q_i . Если ионный пучек содержит примеси других элементов, то он подвергается в магнитном сепараторе разделению на несколько пучков с различными траекториями. Таким образом, сепарация отделяет примесные ионы от основных и обеспечивает высокую чистоту легирования, при этом на кремниевую пластину попадает монохроматический пучок. Пучок может быть широким, щелевым, острофокусным или сканирующим в зависимости от разработанного технологического процесса.

Для равномерной обработки кремниевой пластины потоком ионов используют два способа. При первом способе используют расфокусированный пучек, диаметр которого больше диаметра образца. При втором способе используют сфокусированный пучек малого размера и сканируют его по поверхности по заданной программе.

В камере мишени поддерживается вакуум порядка 10^-4 Па. Для достижения такого вакуума обычно используется диференцальная система откачки, состоящая из двух высоковакуумных насосов. Первый насос устанавливается перед сепаратарами, откачка ведется из ионого источника до давления порядка 10^-2 Па, второй насос размещается в районе камеры мишени. Если оба насоса маслянные, то предусматривается система ловушек для уменьшения концентрации паров масла.

Отечественнаой промышленностью выпускаются промышленные установки типа "Везувий". Например, установка "Везувий-8" предназначена для имплантации больших доз ионов (до 200 а.е.), током миллиамперного диапазона (2-5мА) при энергии до 100 кэВ в производстве ИС на пластинах диаметром 76, 100 и 150мм. Предусмотрена возможность работы установки в двух режимах: полуавтоматическом (с участием оператора) и автоматическом (от внешней управляющей ЭВМ). Установка "Везувий-9" имеет расширенный диапазон энергии ионов и предназначена для использования ионной технологии в новых классах приборов микроэлектроники, не допускающих высокотемпературных обработок. Повышение энергии ионов на установке достигается за счет использования двух и трехзарядных ионов. Ионный инжектор находиться под потенциалом +300кВ, приемное устройство под потенциалом -300кВ. Таким образом, суммарное ускоряющее напряжение на установке составляет 600кВ