Ионное легирование

Рассмотренные ранее процессы термической диффузии имеют ряд недостатков и существующих ограничений:

1. Наличие высоких температур в процессе термической диффузии приводит к перераспределению примеси в уже сформированных п/п слоях и р/п переходах, что значит затрудняет изготовление приборов с мелкими р/п переходами.

2. Наличие значительной боковой диффузии приводит к заметному увеличению площади п/п приборов и накладывает ограничения на высокие степени интеграции МС.

3. Температурная зависимость коэффициента диффузии и растворимости существенным образом сужает набор используемых диффузантов.

Для устранения недостатков был разработан метод ионного легирования, который заключается в следующем. Поток ионов, легируемого элемента, ускоряется до энергии от 10³ до 10⁶ В, затем осуществляется сепарирование ионного пучка и бомбардировка ионным пучком поверхности п/п пластины. В результате происходит внедрение (имплантация) ионов легирующего элемента в приповерхностную область п/п. Очевидно, что плотность и профиль распределения легирующей примеси зависит от типа легирующего элемента, энергии ионов и количества ионов, прошедших через поперечное сечение.

Для прояснения принципа ионного легирования рассмотрим упрощенную схему ионного ускорения, применяемого в технологии производства ИМС.

1. источник ионов

2. вытягивающие электроды

3. электростатическая линза

4. каскадный ускоритель

5. пластина для корректировки пучка ионов

6. диафрагма (на входе и на выходе)

7. электромагнитный сепаратор

8. пластины для развертки ионного пуска

9. держатели пластин (в виде барабана)

10. п/п пластина

Источник ионов (1) за счет использования материала мишени обеспечивает перевод легирующего элемента в газо или парообразное состояние последующей ионизацией.

Заряженный пучок ионов вытягивается электрическим полем (не менее 10КэВ), создаваемый электродом (2). Полученный пучок ионов фокусируется электростатической линзой (3). Затем с помощью каскадного ускорителя (4) конечный пучок ускоряется до энергии, необходимых для осуществления легирования. С помощью корректирующих пластин (5) обеспечивается прохождение ионного пучка через диафрагму (6) и попадания его в электромагнитный сепаратор (7). В электромагнитном сепараторе происходит разделение ионов в соответствии с их массой. В результате на выходе сепаратора получается только ионный пучок, легируемого элемента. С помощью пластин (8) можно обеспечить сканирование ионным пучком поверхности п/п пластины (10), которая размещается на специальном держателе (9). Вся система ионного легирования находится в вакууме (10⁷-10⁸ Па) начиная с (2) и кончая держателем п/п пластины. В качестве держателя (9) п/п пластин, обычно используется специальный барабан, обеспечивающий вращение пластин. В результате за счет механического перемещения пластин и электрического сканирования ионным пучком поверхности всех пластин облучается равномерно. В некоторых установленных для производительности облучения проводят в расфокусированным ионным пучком.

При ионном легировании необходимо определить 2 основных факта:

1. Длину пробега ионов, которую определяют до легирования.

2. Возникновение радиационных дефектов.

Падающий ионный пучок можно разделить на 2 составляющие 1 – составляющая часть рассеивается в приповерхностной области п/п за счет взаимодействия, как с ядрами, находящиеся в узлах кристаллической решетки, так и с электрическими оболочками атомов. Для этой составляющей структуру п/п можно считать аморфной. 2-я составляющая пучка после преломления на поверхности кристалла, начинает двигаться в направлении параллельном узлам кристаллической решетки.

Движение ионов в междоузлием пространстве без столкновения с узлами кристаллической решетки, называют каналированием. При каналировании торможение ионов осуществляется только за счет взаимодействия с электрическими оболочками атомов и длина свободного пробега значительно превосходит длину пробега ионов в пространственной области. При ионном легировании каналирование считается нежелательным эффектом и его стремящиеся минимизировать путем подбора угла падения ионов на поверхность пластины. В случае отсутствия каналирования, можно считать что ионы рассеиваются в аморфном теле. Для этого случая распределение ионов по глубине кристалла носит случайный характер и определяется распределение Гаусса.

, где

- проекция вектора среднего пробега ионов на направление первоначального распределения ионного пучка.

- средняя длина пробега

- среднее квадратичное отклонение

- повышенная концентрация ионов легируемого элементов

Рассчитанный с помощью данной формулы и рассчитанный экспериментально профиль распадения легируемой примеси от энергетических ионов.

Как видно из рисунка с ↑ энергии ионов max концентрация смещается в глубь кристалла, причем для любой энергии ионов max концентрация примеси начинается не на поверхности, на в объёме п/п. Обычно глубина имплантации ионов ограничивается глубиной в 1 микрон. Однако при большой энергии ионов (около 1 МэВ) max концентрация легирующей примеси может сместиться в глубь кристалла, в результате чего в п/п возникает скрытый слой.

Основным приемом ионного легирования является возможность прецизионнымм управлением концентрацией и профилем распределения легируемой примеси, а так же min уход легирующей примеси за край маски. (практическое отсутствие боковой диффузии). В результате метод ион легирования является основным в технологии производства СБИС для получения мелких pn переходов п/п приборов с малыми проектными нормами. Ионное легирование часто используется при необходимости введения малых доз примесных элементов, например, при управлении пороговым напряжения МДП тр. путем введения в канал примеси с небольшой концентрацией. После введения примеси ионным легированием для активации примеси и устранения радиационного эффекта проводят термический отжиг пластин. Для минимизации используют фотонный отжиг, при котором нагрев пластины обусловлен ее освещением.