Ионное легирование полупроводников

атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области.

Успешное применение ионной имплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданных условиях имплантирования

Суть процесса ионного внедрения заключается в формировании пучков ионов с одинаковой массой и зарядом, обладающих необходимой заданной энергией, и внедрении их в подложку или мишень в определенном количестве, называемом дозой. Таким образом, основными характеристиками процесса являются энергия и доза пучка ионов

n - кратность ионизации, n = 1, 2, 3; e

- заряд электрона.

Доза ионов определяется плотностью тока ионов j в единицу времени t

примеси, определяемого током ионов во время внедрения;
воспроизводимость и однородность распределения

примеси;
возможность использования в качестве маски при легировании слоев SiO2 и Si3N4;
внедрение через тонкие слои диэлектриков и резистивных материалов;
пониженную в сравнении с диффузией температуру.

Вместе с тем процесс ионного внедрения сопровождается рядом явлений, для устранения которых необходимо использование специальных технологических приемов. В результате взаимодействия с ионами в решетку полупроводника вносятся радиационные повреждения, которые при последующих операциях могут искажать профили распределения примеси. Дефекты способствуют также увеличению токов утечки и изменению других характеристик приборов. Устранение дефектов требует постимплантационной высокотемпературной обработки (отжига).

в подложке применяют метод, основанный на предварительной загонке ионов с

их последующей термической разгонкой в мишени. При этом имплантация проводится с малой энергией ионов.

Общая траектория движения иона называется длиной пробега R, а расстояние, проходимое внедряемым ионом до остановки в направлении, перпендикулярном к поверхности мишени, проецированной длиной пробега Rp.

Схема движения внедряемого иона: а - пробег R, проекция пробега Rp и рассеяние пробегов ΔRp и ΔRl; б - образование дефектных областей в подложке
на пути иона. 1 - точечные дефекты; 2 - аморфные области

ионного внедрения для проектирования и изготовления полупроводниковых приборов и интегральных

микросхем. Нужно знать, во-первых, какое распределение пробегов ожидается для пучка заданной энергии, если известны материал подложки и ионы, которые требуется внедрить, и, во-вторых, каким образом можно осуществить модуляцию энергии пучка в процессе внедрения, чтобы получить желаемое распределение пробегов.
Все подложки можно разделить на два типа: аморфные и монокристаллические. Аморфными мишенями служат маски из окислов или других диэлектриков. Монокристаллические подложки - сам кремний и другие полупроводники.
Распределение пробегов в аморфной мишени зависит главным образом от энергии, масс и атомных номеров бомбардирующих ионов и атомов мишени, плотности и температуры мишени во время ионной бомбардировки, дозы внедренных ионов. Для монокристаллической мишени распределение пробегов, кроме того, сильно зависит от ориентации кристалла относительно ионного пучка, условий на поверхности мишени и ее предыстории.

является столь сложной задачей, что ни одним теоретическим приближением нельзя

пользоваться для всех случаев, представляющих практический интерес, из-за слишком широких пределов изменения наиболее существенных переменных величин. В случае внедрения ионов в аморфные и неориентированные кристаллические мишени обычно используется теория Линдхарда, Шарфа и Шиотта (называемая теорией Л Ш Ш), которая позволяет рассчитать ряд параметров, характеризующих измеряемые распределения пробегов с точностью, вполне удовлетворительной с точки зрения основных практических применений

внедрения рассматриваются два основных вида потерь энергии: в результате взаимодействия

с электронами твердого тела (как связанными, так и свободными) и при столкновении с ядрами мишени.

ее пути; Sn(E) - ядерная тормозная способность; Se(E) - электронная

тормозная способность; N - среднее число атомов в единице объема мишени.
Ядерная тормозная способность Sn(E) - это энергия, теряемая движущимся ионом с энергией E на интервале пути Δx при столкновении с ядрами мишени, плотность которой равна единице.
Электронная тормозная способность Se(E) - это энергия, теряемая движущимся ионом с энергией E при столкновении с электронами.

Считается, что эти два вида потерь энергии не зависят друг от друга. Такое допущение позволяет выразить среднюю величину удельных потерь энергии для одной бомбардирующей частицы в виде суммы:

перпендикулярной направлению [110]; б - движение внедренного
иона вдоль канала 1,

образованного атомами мишени 2

В том случае, когда кристалл ориентирован точно по направлению с низкими кристаллографическими индексами, для движущегося иона ряды атомов кристалла образуют как бы канал, а траектория иона совпадает с осью канала.
Движение частиц строго по центру канала маловероятно, однако вполне может существовать траектория, осциллирующая около оси канала, из-за последовательных легких соударений иона с рядами атомов, образующих стенки канала.
Максимальный угол ϕ, при котором исчезает направляющее действие ряда атомов, называется критическим углом каналирования ϕk.

деканалированные ионы; III - каналированные ионы

от процесса термической диффузии сопровождается возникновением в материале мишени большого

количества разнообразных структурных дефектов, называемых радиационными. Число дефектов может достигать нескольких сотен на один внедренный ион. От наличия дефектов и их концентрации зависят многие свойства полупроводника. Например, электропроводность легированных полупроводниковых слоев определяется концентрацией не только введенной примеси, но и дефектов. Радиационные дефекты приводят к появлению энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, которые способствуют росту скорости рекомбинации и снижению концентрации и подвижности свободных носителей заряда

(штриховые кривые) в кремнии. (Энергии ионов бора 20 и 40

кэВ).

Характерной особенностью распределения дефектов является смещение их максимума в сторону меньших глубин относительно максимума концентрации примесных атомов. Это объясняется тем, что слои, расположенные в районе максимума концентрации примесей, экранируются вышележащими слоями кремния и испытывают смещения от меньшего числа ионов по сравнению со слоями, расположенными ближе к поверхности.

от прицельного расстояния и масс сталкивающихся частиц. Если M1 >>

M2, то отклонения малы и ион движется почти прямолинейно, поэтому его полный пробег слабо отличается от проекции пробега . Если же M1 ≤ M2, а энергия иона не слишком велика, то траектория иона извилиста и значительно меньше .
Распределение проекций пробегов считается гауссовым. Поскольку рассматривается проекция пробега на направление движения ионов до их столкновения и остановки в мишени, то это распределение совпадает с распределением внедренных ионов по глубине пластины

различными энергиями
максимум концентрации внедренной примеси Nmax не соответствует поверхностной концентрации

(что было характерно для диффузионных процессов), а наблюдается в глубине полупроводника. С увеличением энергии ионов максимум концентрации ионов перемещается в глубь полупроводника, а поверхностная концентрация уменьшается.

технологии внедрение ионов проводится локально с использованием масок из различных

материалов. Чаще всего маской служит слой диоксида или нитрида кремния. Используются также металлы, например, молибден и вольфрам, пленки фоторезиста. Ясно, что для защиты кремния необходимо знать, какой должна быть толщина маскирующей пленки.
Кроме того, для предотвращения каналирования внедрение ионов часто проводят через тонкий слой аморфного диэлектрика (SiO2, Si3N4), который в этом случае служит рассеивающим слоем, т.е. поток ионов в сам полупроводник внедряется уже под некоторым углом к поверхности, так что кристалл для этих ионов представляет собой как бы аморфное образование.