Физические основы ионной имплантации.

Ионная имплантация – это метод легирования полупроводниковых пластин или эпитаксиальных слоев путем бомбардировки ионами примеси ускоренными до энергии достаточной для внедрения в глубь твердого тела. Очень широко применяется в технологии интегральных микросхем.

Физическая сущность метода заключается в следующем: ионы примеси получаются в специальных источниках, ускоряются и фиксируются в электрическом поле, они бомбардируют подложку и внедряются в приповерхностный слой полупроводника.

При внедрении в подложку ионы примеси расходуют свою энергию на два вида процессов:

1. возбуждение или ионизация атомов в кристаллической решётке подложки за счет кулоновского взаимодействия с ионами внедряемой примеси.

2. упругие ядерные столкновения ионов примеси с атомами подложки, в результате которых образуется большое число точечных дефектов решётки: междоузельные атомы в подложке и вакансии в структуре подложки – это нежелательный эффект, поэтому для упорядочения нарушений внедрением ионов в структуру и устранения радиационных дефектов, подложки подвергают отжигу (низкотемпературному 500-800С). Применяется лазерный отжиг.

Процесс ионного легирования состоит из внедрения ионов примеси и отжига одновременного с внедрением или после него. Площадь ионного пучка невелика, порядка 1-2 , поэтому его перемещают вдоль пластины плавно либо скачками, идет сканирование луча вдоль пластины с помощью специальных отклоняющих систем. Глубина внедрения ионов зависит от их энергий и массы. Чем больше энергия (Е), тем больше глубина имплантированного слоя, но больше концентрация радиационных дефектов в кристалле, за счет чего ухудшаются электрофизические параметры микросхем, поэтому существуют ограничения на энергию (Е): Е 100…150кэВ, нижний предел Е5…10кэВ, при таком значении энергии глубина проникновения составляет 0,1…0,4 мкм.

Основные параметры определяющие пробеги ионов:

1. энергия и порядковый номер легирующего вещества;

2. порядковый номер металла подложки;

3. ориентация подложки;

4. амплитуда тепловых колебаний атомов решетки подложки, определяемая ее температурой.

Значительную роль в правильном выборе траектории ионов в подложке играет эффект каналирования: это движение ионов примеси вдоль одного из открытых направлений в решетке подложки по кристаллографическим осям или по атомным плоскостям. Каналирование ионов увеличивает глубину залегания p-n переходов и уменьшает дефектность структуры.

Средний пробег иона с начальной энергией можно рассчитать из выражения:

(1)

где N – концентрация атомов в подложке;

Sn – поперечное сечение ядерного торможения (ядерная тормозная способность) .

(2)

(3)

где и - заряды ядер иона и атома;

и - атомные веса иона и атома.

Проинтегрировать выражение (1) с учетом (2) и (3) получаем:

(4)

На пробег иона влияет ориентация подложки (эффект деканалирования), которая учитывается углом каналирования. Превышение этого угла приводит к ядерным столкновениям и разупорядочению структуры.

Критический угол при внедрении в кремний ионов бора и фосфора в зависимости от энергии ионов и кристаллографического направления составляет . Наибольший пробег достигается по направлению <110>; наименьший - <100>. На практике с достаточной точностью нормальный пробег ионов бора и фосфора в кремнии при энергиях Е=20100 кэВ можно принять равным:

Математическое распределение примеси вблизи максимума определяется законом Гаусса:

где Q – доза облучения; - среднее отклонение нормального пробега .

В принципе ионную имплантацию, как и диффузию, можно проводить многократно, встраивая один слой в другой, но сочетание энергий, времен экспозиции и режимов отжига, необходимых для многократной имплантации очень затруднительно, поэтому ионная имплантация применяется главным образом при создании тонких одинарных слоев.

Концентрация примеси в имплантированном слое зависит от плотности тока в ионном пучке и времени проведения процесса (времени экспозиции). В зависимости от плотности тока и желаемой объемной концентрации время экспозиции составляет от нескольких секунд до 3-5 минут. Чем больше время экспозиции, тем больше количество радиационных дефектов.

Максимальное значение концентрации носителей, например в ионно-легированных слоях кремния достигает для бора и для фосфора.

Ионное легирование полупроводника в планарной технологии применяется:

1. для введения фиксированного количества примеси в локальную область;

2. для создания контролируемого распределения концентрации примеси в заданной области;

Преимущества ионного легирования:

1. возможность точного задания конфигурации распределения концентрации примеси как по глубине, так и по площади облучения, при этом градиент концентрации примеси в области p-n перехода значительно больше чем у диффузионного профиля;

2. осуществление процесса при низких температурах, это позволяет сохранить заданный профиль распределения концентрации примеси в структурах и их электрофизические параметры;

3. возможность легирования полупроводника любыми легирующими примесями в любых количествах, вплоть до предельной растворимости;

4. получение изотропной чистоты ионов легирующей примеси, сепарированных в магнитном поле;

5. отсутствие влияния окружающей среды, так как процесс идет в вакууме;

6. высокая воспроизводимость результатов, благодаря точному контролю интенсивности пучка и дозы внедряемых атомов;

7. возможность осуществления на одной установке комплекса операций, включая легирование, металлизацию и защиту поверхности.

Недостатки метода:

1. сложность технологических установок;

2. возможность образования дефектного слоя на поверхности подложки.

Применение: ионное легирование используется для создания биполярных транзисторов СВЧ - диапазона, МДП-транзисторов с самосовмещающимся затвором, диодов, высокоомных резисторов и других элементов полупроводниковых ИМС.

48