18. Ионная имплантация примесей в полупроводник.

Ионная имплантация применяется для внедрения ионов легирующих примесей в слои полупроводника на различные заданные глубины. Главное достоинство этого метода заключается в достижении высокой точности глубины проникновения легирующей примеси благодаря хорошей управляемости процесса. С помощью ионного легирования удается добиться высокой однородности распределения примесей (неоднородность по пластине не превышает 1%) при высокой воспроизводимости результатов (разброс от пластины к пластине и от партии к партии менее 2%).

Установка для ионной имплантации работает по следующему принципу. Поток нейтральных атомов сталкивается с пучком электронов, что приводит к ионизации большого числа атомов. Полученные ионы сепарируются специальной анализирующей магнитной системой и направляются с помощью ускоряющего канала на ту часть пластины, которая требует обработки. Управление пучком ионов обеспечивает его сканирование. При этом пластины обычно вращаются для достижения необходимой однородности распределения примесей. В качестве маски для пучка ионов используются толстые слои диоксида кремния или фоторезиста. Число (доза) легирующих ионов, достигающих пластины, подсчитывается при прохождении их через детектор, что позволяет осуществлять точный контроль за концентрацией легирующих примесей.

Глубина внедрения определяется полной энергией ионов, которая регулируется ускоряющим напряжением. Управление энергией ионов легирующей примеси дает возможность точно управлять глубиной р-n-перехода, что недостижимо с помощью обычных методов термической диффузии.

Ионы высоких энергий, попадая внутрь совершенной кристаллической решетки пластины, выбивают атомы из ее узлов и переводят часть верхнего слоя монокристалла толщиной 0,1 мкм в аморфное состояние, что резко изменяет его электрические свойства и делает непригодным для изготовления ИМС. Устранение повреждений кристаллической решетки и активация ионов легирующих примесей достигаются отжигом пластин. Отжиг проводится при температурах 1000 ... 1200 К. Эта операция помогает атомам кремния снова сгруппироваться в кристаллическую решетку. Структура отожженного кристалла становится близкой к первоначальной.

До недавнего времени отжиг пластин осуществлялся в печи. При этом пластины загрязнялись различными посторонними примесями, подвергались короблению, возникала нежелательная диффузия в боковом направлении и т. п. Поэтому в последние годы отжиг в печи стал заменяться импульсным лазерным отжигом.

При лазерном отжиге практически не происходит коробления пластины, так как он производится только в тех областях, которые подвергались ионному легированию. В установках лазерного отжига используются аргоновые лазеры с длиной волны 488 нм, которые нагревают поверхность пластины до температуры 1400 ... 1500 К (ниже температуры плавления кремния). Этот процесс (эпитаксия в твердой фазе) позволяет получить более совершенную решетку кристалла, т. е. более высокого качества, чем при отжиге в печи. При лазерном отжиге применяется также эпитаксия в жидкой фазе: ИК лазеры нагревают поверхность пластины до температуры 1700 ... 1720 К; при этом происходит повторный рост монокристалла кремния от нижерасположенной границы раздела фаз к поверхности примерно так же, как при выращивании монокристалла из расплава.

Главное достоинство этого метода состоит в том, что ионы примесей как бы «вмораживаются» в узлы кристаллической ре­шетки, что бывает трудно обеспечить при отжиге в печи.