3.4. Ионное внедрение примесей в кремний

Ионное внедрение - широко используемый метод, альтернативной диффузии. Применяется в тех случаях, когда желаемая концентрация примеси должна быть получена менее чем в 1мкм от поверхности. Процесс включает в себя ионизацию атомов и их ускорение до высоких энергии в электрическом поле. Разогнанные ионы примеси налетает на исходный материал (пластину кремния), проникают в него на несколько десятых микрона и останавливаются.

Диффузия, проводимая по нормальному закону или закону дополнительного интеграла вероятности, дает некоторую возможность регулировать концентрацию примеси в кремнии между его поверхностью и глубиной около 25 мкм. Ионное внедрение дает возможность более точно управлять процессом за счет более высокого выбора граничных условий, но лишь до глубины 0,08 мкм. Поэтому правильнее считать, что диффузия и ионное внедрение - это два дополняющих друг друга, а не конкурирующих метода. Но в той мере, в которой сравнение между этими методами допустимо, можно говорить о следующих преимуществах метода ионного внедрения:

1.Профиль примеси можно точно регулировать стандартными способами, более того, возможности управления процессом определяются не физическими свойствами подложки, а самой установкой для внедрения, слой примеси может быть уложен под поверхность кремния полностью. Слой с небольшой глубиной залегания может быть внедрен до внедрения слоя другого типа, который должен иметь большую глубину залегания. Кроме того, концентрация примеси не обязательно ограничена соображениями твёрдой растворимости. Таким образом, ионное внедрение даёт возможность использовать в качестве примесей широкий набор элементов, что позволяет регулировать время жизни носителей и увеличивать устойчивость к облучению.

2.Внедрённые ионы входят в материал вертикально с очень малым боковым отклонением, отсутствие распространения примеси в стороны ведёт к уменьшению геометрических размеров приборов и в силу этого к увеличению плотности упаковки

3.В результате высокотемпературной обработки кремниевая пластина может покоробиться, искривиться. Поскольку производственный процесс изготовления микросхем требует точного прилегания рисунков по всей поверхности пластины, то коробление и искривление пластины уменьшают количество хороших кристаллов, т.е. снижает выход годных. Ионное внедрение есть по самой своей сути низкотемпературный процесс.

Ионное внедрение по сравнению с диффузией имеет следующие недостатки:

1.Можно получать лишь неглубокие профили.

2.По пути внедренного иона вплоть до его остановки возникают повреждения кристаллической решётки кремния. Повреждения удаляют обжигом. Его проводят при температуре от 450 до 1000⁰С. При этом активируются внедренные ионы.

3.Оборудование для ионного внедрения громоздко, сложно и дорого.

Метод ионного внедрения состоит в том, что на поверхность полупроводниковой подложки определенной ориентации подается пучок ускоренных ионов примеси с энергиями Е, достаточными для их проникновения в полупроводник. Ускоренные ионы при внедрении соударяются с электронами и атомами полупроводника и тормозятся.

Расстояние, которое проходит до торможения, называется длиной пробега, a средний пробег в направлении первоначальной траектории называется средней проекцией пробега Rp. Поскольку

Рис.2.Профили примеси при диффузии по нормальному закону.

Рис.2.Профили примеси при диффузии по нормальному закону.

Рис.3 К понятию проекции пробега

ионы подвергаются различному числу столкновений, они имеют и различные длины пробегов и средние проекции пробегов. Рассеяние средней проекции пробегов описывается - средним квадратичным отклонением Rp. Распределение средних проекции пробегов по глубине определяет концентрационные профили внедрённых ионов.

На основе теории торможения ионов рассчитаны Rp и Rр. Для основных примесей, используемых в микросхемах, данные по Rp и Rp представлены в таблице 1 (П 4) и на рис.1 (П 4).

При отсутствии эффекта каналирования рассеяние ионов носит случайный характер, и распределение их пробегов описывается функцией Гаусса. Для построения кривой распределения примесей необходимо знать два параметра: среднею проекцию пробега Rp и ее среднее квадратическое отклонение Rp. Распределение концентрации примеси в полупроводнике дается выражением

г де Ф - доза облучения, равная количеству ионов, бомбардирующих единицу поверхности подложки за время внедрения. Если общий заряд этих ионов Q, то Ф=Q/qI, где q- заряд электрона; I-целое число, соответствующее заряду иона. Доза ионов связана с током пучка J, площадью его сечения А и временем внедрения t зависимостью Ф=Jt/qIА, где А=1 см² , I=1.

N(x)/N _max N(x)/N _max

1 1

100 кэВ

40

20

50 кэВ

10 20

10^-2 10^-2

10^-4 10^-4

10^-6 10^-6

10^-8 10^-8

0.1 0.2 0.3 0.4 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Рис.4 Распределение фосфора (а) и бора (б) при ионном внедрении.

На рис.4 представлена теоретическая зависимость относительной концентрации Н(x)/N mах примеси от глубины ее проникновения в полупроводник. Максимальная концентрация внедренной примеси

не соответствует поверхностной концентрации (что характерно для диффузионных процессов), а наблюдается внутри полупроводника. С увеличением энергии ионов макcимум концентрации ионов перемещается в глубь полупроводника, а поверхностная концентрация падает.

Пример. Рассчитать максимальную концентрацию примеси и глубину залегания p-n перехода при ионном внедрении бора с энергией Е=100 кэВ и дозой Ф=10¹⁴см^-3

При E=100кэВ, Rp=307нм, Rp=69нм

Глубина p-n перехода определяется из соотношения

Электрические свойства легированных слоев зависят также от структурных дефектов, которые возникают при бомбардировке поверхности полупроводника ионами с высокими энергиями и которые принято называть радиационными. Ионы при внедрении в кристалл и взаимодействии с кристаллической решеткой образуют структурные дефекты типа дефектов по Френкелю. Эти дефекты создают вблизи поверхности полупроводника сильно разупорядоченные области.

Структурные дефекты влияют на электрические свойства легированных слоев полупроводника. Они снижают подвижность носителей заряда. Таким образом, электропроводность легированных слоев определяется не только концентрацией введенной примеси, но и концентраций структурных дефектов. Кроме того, они приводят к появлению энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, увеличивая скорость рекомбинации.

Измерения показывают, что число дефектов решетки дорастает линейно с ростом дозы облучения. При больших дозах наступает насыщение, которое можно объяснить тем, что отдельные дефекты сливаются, образуй сплошной разупорядоченный слой, уже не имеющий кристаллической структуры (рис.5).

N деф.отн.ед N деф.отн.ед.

1 0² 10²

1 0 10

1 .0 1.0

0.1 0.1

10¹² 10¹³ 10¹⁴ 10¹⁵ Д см^-7 0 400 600 Т, °С

Рис.5 Зависимость концентрации дефектов Nдеф Рис.6 Зависимость концентрации дефектов

от дозы излучения Д Nдеф от дозы температуры обжига Т

Для снижения концентрации дефектов после ионного внедрения производится отжиг полупроводниковых пластин. Кривые отжига дефектов для кремния при внедрении ионов сурьмы представлены на рис.6. Очевидно, что чем больше структурных нарушений, тем выше должна быть температура отжига и наоборот.

Проведение отжигов при T-400...900°С приводит к возрастанию коэффициента использования примеси, поскольку тепловое возбуждение кристаллической решетки способствует расположению ионов в ее узлах.

При отжиге дефектов и активации примеси за счет диффузии, происходит, размытие концентрационного профиля. Для его установления можно найти решение одномерного уравнения диффузии для ограниченного источника примеси, представляющего собой легированный слой с гауссовым распределением примеси. Если, как и ранее, при рассмотрении диффузионных процессов предположить, что поверхность кремниевой пластины является отражающей границей, т.е. обратная диффузия примеси не зависит от концентрации внедренных ионов, то распределение внедренных ионов после отжига дефектов описывается функцией Гаусса

где D - коэффициент диффузии, t - время отжига.

Пример. Определить время воздействия пучка с плотностью тока 0.1 мА/см² для получения легированного слоя толщиной 100нм со средней концентрацией N=10²⁰см^-3. Кратность ионизации равна 1.

Ф=Jпл=t/q; t=Фq/Jпл; Ф=Nd;