Часть вторая Метод ионной имплантации

В начале 60-х годов на стыке физики полупроводников и физики атомных столкновений возникло новое научно-техническое направление — ионное легирование полупроводников, имеющее большое значение для полупроводниковой электроники.

Ионной имплантацией называется процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области. Успешное применение ионной имплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданных условиях имплантирования.

Наиболее распространенным применением ИИ в технологии формирования СБИС является процесс ионного легирования кремния. Часто приходится проводить имплантацию атомов в подложку, которая покрыта одним или несколькими слоями различных материалов. Ими могут быть как тонкие слои тяжелых металлов (например, Та или TaSi₂), так и диэлектриков. Существование многослойной структуры способно вызвать резкие перепады в профиле легирования на границе отдельных слоев. За счет столкновения ионов с атомами приповерхностных слоев последние могут быть выбиты в более глубокие области легируемого материала. Такие "осколочные эффекты" способны вызвать ухудшение электрических характеристик готовых приборов.

Во многих случаях для получения необходимого профиля распределения легирующей примеси в подложке применяют метод, основанный на предварительной загонке ионов с их последующей термической разгонкой в мишени. При этом имплантация проводится с малой энергией ионов.

Общая траектория движения иона называется длиной пробега R, а расстояние, проходимое внедряемым ионом до остановки в направлении, перпендикулярном к поверхности мишени, проецированной длиной пробега Rp.

При интенсивной бомбардировке на ионную имплантацию влияет катодное распыление (разрушение поверхности твердого тела при бомбардировке его ионами) мишени, а также диффузия внедрённых ионов и их выделение с поверхности. Существует максимально возможная концентрация внедрённых ионов, которая зависит от вида иона и мишени, а также от температуры мишени.

Ионная имплантация наиболее широко используется при введении примесей в полупроводниковые монокристаллы для создания требуемой примесной электропроводности полупроводника. Следующий за этим отжиг проводится для уничтожения образовавшихся дефектов в кристалле, а также для того, чтобы внедрённые ионы заняли определённые места в узлах кристаллической решётки. Ионная имплантация позволяет вводить в разные полупроводниковые материалы точно дозированные количества почти любых химических элементов. При этом можно управлять распределением внедрённых ионов по глубине путём изменения энергии ионов, интенсивности и направления ионного пучка относительно кристаллографических осей. Ионная имплантация позволяет создать в полупроводниковом кристалле электронно-дырочный переход на малой глубине, что увеличивает, например, предельную частоту транзисторов.

Одно из преимуществ метода ионного легирования — его универсаль­ность. Используя пучки ускоренных ионов в установках типа обычного масс-спектрометра, можно вводить любую примесь (если необходимо — изотопно чистую) в любой кристалл.

Процесс облучения кристаллов осуществляется практически при ком­натной температуре. Однако после ионного легирования образцы прихо­дится отжигать для устранения радиационных дефектов, возникающих под действием ионной бомбардировки. Вопрос о радиационных дефектах имеет принципиальное значение для ионного легирования полупроводников. Уже первые эксперименты с ионными пучками показали, что возможности практического применения нового метода в каждом конкрет­ном случае будут зависеть от того, удастся ли восстановить упорядочен­ную структуру решетки после ионной бомбардировки.