Коледов Л.А. - Технология ИС, страница 82

В последнее время в разработке н применении твердых планарных источников зи достигнут значительный прогресс ТПИ бора и фосфора успешно используются в технологическом процессе изготовления современных микросхем. Их успешное применение послужило стимулом для создания твердых исто о|иков других легируюших примесей: появилис~ сообщения о созлании ТПИ сурьмы и мышьяка. Диффузия наиболее распространенный в настоящее время метод формирования р-л перекодав в полупроводниках. Диффузионная технология в производстве изделий электронной техники обладает комплексом критериев прогрессивности: высокой производительностью, достигаюшейся за счет одновременной групповой обработки большого количества изделий, универсальностью, т.

е. возможностью проведения процесса диффузии различных примесей с помощью однотипных технологических операций, втзполняющихся на однотипном оборудовании; адаптивностью, т. е. возможностью быстрой, не требующей больнгих затрат перестройки оборудования и изменения параметров технологических операций для изготовления новых .

видов изделиЕ Указанные качества обусловливают высокую жизнеспособность диффузионной технологии, т. е. способность ее длительного существования в условиях непрерывного появления н параллельного развития конкурирующих способов формирования р-л переходов в полупроводниках, например, ионного легирования. Ионное легирование кремния. Идея использования ионного пучка для легирования полупроводников (в частности, кремния) проста.

!(ис ! ! 53 Схема установки ион- нрго легнрования Разогнан)гые электрическим дающие значительной энерги ментов, используемых обычн ния примесной проводимост в кристалл полупроводника, его решетке положение атомо и создают соответствующий мости. Внедряя ионы 111 и !У г кристалл кремния, можно пол реход в любом месте и площади кристалла. Основными блоками и установки являются (рис.

!1.53) источник ионов 1, ионный ускоритель 2, магнитный сепаратор д, система сканирования пучком ионов 4, мишень б (пластина кремния). Источник ионов состоит из следующих основных узлов: камеры, в которой производится ионизация паров легирующих элементов, экстрагирующего ионы зонда; электростатической фокусирующей линзы и ускоряющего электрода, сообгцающего ионному пучку требуемую энергию. Ионизация осуществляется в высокочастотном или дуговом разряде электронной бомбардировкой. Электроны, эмитируемые из термокатода, ускоряются под действием разности потенциалов, ионизируют при столкновении атомы паров. легирующих элементов.

Положительные ионы выводятся из камеры, фокусируются и ускоряются ионным ускорителем. На ускоряющий электрод подается напряжение 20 ... 200 кВ. В магнитном сепараторе поле с индукцией В, действуя на движущиеся со скоростью и ионы с массой М! и зарядом Л!, заставляет их двигаться по дуге окружности радиусом г=М~оггл!В.

Поскольку =.чзг,пгч, =7зм,лгза,, р и з р хг траектории иона определяется отношением М!77ь Если ионный пучок содержит примеси других элементов, в магнитном сепараторе он подвергается разделению на несколько пуяков с Различными траекториями. Сепарирование ионов обеспечивает высокую чистоту легирования и на обрабатываемую пластину попадает моноизотопный пучок.

Он может быть широким, щелевым, острофокусным; стационарным или сканирующим в зависимости от разработанного технологического процесса. В системе ионного легирования поддерживается вакуум порядка 1О ' Па, чтобы ионы не испытывали столкновений со средой и не рассеивались. 365 Рис. 11.55 Схема, поясняющая процессы каналнрования и распрелеления падающих ионов по глубине: Я - облике ь, в коеор й рвсорелелекие инесс скк й мс в л, кк к в еморф ай мим.ки, В . абл и ь кеклвллир веки»; С вЂ” об.

лвс ь распределения в«омов, ссокввве. мого «кквлкровляие Рис. 11.56. Пробег иона в твердом теле (А«р-нормальный пробег) а) 367 Глубина проникновения ионов и характер их распределена)р в полупроводниковом монокристалле определяется рядом факторов ускоряющим напряжением, электрофизическими параметрами ионов .:. и атомов полупроводника; направлением движения падающих ионов- относительно кристаллографических осей полупроводникового моно.

р кристалла; температурными условиями в пропессе внедрения и после ~ него. Распределение внедренных ионов, обусловленное столкнове. нинми их с атомами полупроводника, видоизменяется за счет диф. фузии, если температура мишени во время легирования высока и если после легирования проводится тсрмообработка., Диффузия, в процессе и после ионного внедренна значительно ускоряется из-за наличия дефектов в монокристалле, возникших при ионной 1 бомбардировке. Внедряемые ионы, двигаясь, меняют направление своего движения из-за столкновения с атомами мишени, которые могут быть выбиты из узлов решетки.

Вдоль траектории движения внедренного иона образуется большое число вакансий и междоузельных атомов, При большой дозе внедренных ионов могут возникнуть целые области, в которых нарушена кристаллическая решетка. Монокристалл полупроводника вблизи поверхности может переходить даже в аморфное состояние. При попадании ионов вдоль одного из кристаллографических направлений, например (1!О) в кремнии (рис. 1!.54,а), часть ионов может проникнуть вглубь каналов, не претерпевая столкновений с атомами полупроводника, тормозясь только в результате взаимодействия с электронами.

Этот эффект носит название эффекта каналирования. На рис. 1!.54,б показана та же самая кристаллическая решетка, рассматриваемая под углом !Оо к оси (!!О). Здесь видно, что характер расположения атомов в кристаллической решетке больше похож на характер расположения атомов в аморфном веществе. Рис. 11.54. Модель кристаллической рещеткн типа алмаза: а — вкк ва аск ((30): б — ик в «случайном» млврквлеиия — вол углом 30 ' к оси (е(0) При попадании в кристалл в направлении, соответствующем определенному кристаллографическому направлению, часть ионов проходит вдоль каналов (рис. !!.55), часть деканалируется в результате взаимодействия с атомами мишени, часть рассеивается вблизи поверхности кристалла, как в аморфной мишени. Результаты ионного внедрения, соответствующего условиям каналирования, не всегда стабильны, так как положение и форма аморфного пика в сильной степени зависят от условий на поверхности кристалла, от фокусировки ионного пучка и т, д.

Поэтому в производстве условия каналирования намеренно не соблюдаются и в кривой распределения ионов (рис. !!.55) преобладает аморфный пик, Влетающий в кристаллическую решетку ион тормозится за счет взаимодействия с электронами мишени (неупругое рассеяние) и за счет упругих столкновений с ядрами мишени. Считается, что оба механизма действуют одновременно и независимо, что результат каждого акта рассеяния не зависит от предыстории движения иона.

Цепочка столкновений представляет собой цепь Маркова и описывается обычной теорией вероятности. Полный усредненный пробег иона (чь до остановки в решетке складывается из отдельных прямолинейных участков (рис. ! 1,56). Изменение направления движения после каждого столкновения иона с ядрами атомов происходит в соответствии с теорией атомных столкновений. Между столкновениями торможение происходит только из-за взаимодействия ионов с электронами, не влияющего на направление двйжения иона.

Экспериментально величину )чь определить невозможно. Практически при изучении профиля ионного легирования определяют проекцию )с на перпендикуляр к плоскости образца )(р, точнее, проекцию пробега на направление первичного ионного пучка(' Нормальный пробег )г связан с полным пробегом приближенным соотношением й М 2 (+ — —— 3 М, где М! — масса имплантированного иона, 72)2 — масса ионов мишени.

Среднее квадратическое отклонение (дисперсия) нормального пробега равно Д(ср Лй 2 ! 2 й й (М +Мв) Распределение проекций пробегов ионов считается гауссовым Оно совпадает с распределением внедренных ионов по глубин пластины (рнс. 11.57): г (х — нр) э дг(х) = ехр( — -' — — ~ . с)( 2п (эй ) ( р) Если после внедрения проводится термический отжиг, то 2 дг(х) = ехр!— -Л и»ам» " ~ив»'.'- Полное количество атомов, введенных в единицу поверхности, С(, см 2, и соответствующая доза облучения Р, Кл/мв, связаны между собой соотношениями с л,е л,е' где 1' — плотность ионного тока; У!е — заряд иона, Кл; ( — время легнрования, (х) (У(х) рнс.

! !.57. Характер распределеннн легару. юшей примеси прн ионном внедреннн; в — М <М«6 — М~>М»: в=савв! и) ;рнс. (!.БВ. Формнрованне ! р-н переходов методом вонного легнрованнн: и — ммвкая э срэм»; 6 — высо- каи эмврги» иаяов Глубина залегания р-п перехода х; определяется выражением х(=й +ой 2!и 9 -/ъм ж,' где д(о — исходная концентрация примеси в полупроводнике, подвергнутом ионному легированию примесью противоположного типа проводимости (рис. 11.58).