Формирование структур методом 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.

Ионная имплантация-это управляемое введение атомов примеси в поверхностный слой подложки путем бомбардировки ее ионами с энергией от нескольких килоэлектрон-вольт до нескольких мегаэлектрон-вольт .

Интерес к методу ионного легирования (ионно-лучевого легирования) вызван тем, что он обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с диффузией..

Основные достоинства метода:

• сравнительно низкая температура обработки полупроводниковых подложек;

• точный контроль глубины и профиля распределения примеси; гибкость и универсальность;

• возможность полной автоматизации.

Наиболее широкое распространение ионная имплантация получила в технологии загонки строго дозированного количества примесных атомов, которое используется в качестве источника при последующей диффузионной разгонке для формирования примесного профиля. Помимо того имплантация используется для создания тонких базовых областей биполярных транзисторов, управления пороговыми напряжениями МДП-транзисторов и других целей. Маски при данном методе легирования могут быть изготовлены из фоторезестов, окислов, нитридов, поликристаллического кремния и др.

Для контроля ионно-имплантированных структур исследуют профили распределения внедренных атомов.

Понятие о технологии ионного легирования

При внедрении в мишень быстрые ионы в результате столкновений с атомными ядрами и электронами теряют свою энергию и останавливаются. Длина пути ионов от поверхности мишени (точка 0) до точки внедрения называется длиной пробега R, а ее проекция на направление первоначального движения – проекцией пробега R_p, которая является экспериментально определяемой величиной.

Распределение пробега ионов в аморфном теле зависит главным образом от их энергии и атомной массы, а также вещества мишени. Для монокристаллических мишеней на распределение пробега влияет ориентация их граней относительно пучка ионов и наличие эффекта каналирования – движение ионов по каналам, образованным атомными плоскостями.

При движении ионов в твердом теле внедряемые в подложку ионы меняют направление своего движения из-за столкновений с атомами мишени, которые могут покидать свои первоначальные положения в узлах кристаллической решетки. В результате вдоль траектории внедренных ионов образуются многочисленные вакансии и междоузельные атомы. Возникают целые области, в которых нарушена кристаллическая решетка, вплоть до перехода монокристалла в аморфное состояние. При этом обычно оценивают два вида потерь энергии ионами – в результате взаимодействия их с электронами (как связанными, так и свободными) и ядрами. Ядерное торможение более существенно при малых энергиях, электронное торможение преобладает при высоких энергиях ионов.

А – область, в которой распределение имеет такой же вид, как и в аморфной мишени.

Б – область деканалирования.

В – распределение атомов, создаваемое каналированием.

При точной ориен­тации направления падения пучка ионов вдоль одной из кристал­лографических осей пластины полупроводника— (11О) или (111) — часть ионов движется вдоль атомных рядов, между которыми имеются достаточно широкие каналы, свободные от атомов. Это явление называют каналированием. Попав в канал, ионы испы­тывают менее сильное торможение и проникают и несколько раз глубже, чем в случае неориентированного внедрения.

Внедряя ионы III и V групп в монокристалл кремния можно получить p-n-переход в любом месте, на любой площади. Используя ионы высокой энергии в результате их глубокого проникновения в кремний n-типа можно получить скрытую область p-типа и, наоборот в p-кремнии создать скрытую область n-типа.

Низкая энергия Высокая энергия

Переход, образованный в результате ионного легирования.

Основное преимущество метода ионного легирования перед диффузией – это свобода выбора легирующей примеси независимо от вида полупроводникового материала, так как при ионном легировании нет необходимости учитывать степень растворимости примесей и коэффициент диффузии.

Преимущества ионной имплантации по сравнению с термической диффузией примеси сводятся к следующему:

1. Процесс не требует нагрева пластин и, следовательно, не приводит к изменению параметров ранее сформированных слоёв (за счёт диффузионной разгонки).

2. Так как ионный пучок перпендикулярен к пластине, размеры легированной области точно соответствуют размерам окна в оксидной маске.

3. Количество введённой примеси точно дозируется (контролируется в процессе облучения).