Ионная имплантация

ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ

Ионной имплантацией называется процесс внедрения в мишень ионизованных 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.

Наиболее распространенным применением ИИ в технологии формирования СБИС является процесс ионного легирования  кремния. Часто приходится проводить  имплантацию атомов в подложку, которая  покрыта одним или несколькими  слоями различных материалов. Ими  могут быть как тонкие слои тяжелых  металлов, так и диэлектриков. Существование  многослойной структуры способно вызвать  резкие перепады в профиле легирования  на границе отдельных слоев. За счет столкновения ионов с атомами  приповерхностных слоев последние  могут быть выбиты в более глубокие области легируемого материала. Такие "осколочные эффекты" способны вызвать ухудшение электрических  характеристик готовых приборов.

Во многих случаях для  получения необходимого профиля  распределения легирующей примеси  в подложке применяют метод, основанный на предварительной загонке ионов  с их последующей термической  разгонкой в мишени. При этом имплантация  проводится с малой энергией ионов.

При ионной имплантации атомы  легирующей примеси ионизируют в  сильном электрическом поле и  облучают потоком ионов поверхность  пластины с подготовленной заранее  оксидной маской (рис. 5). Имея при подлёте  к поверхности одинаковую энергию, ионы при вхождении в кремний  испытывают многократные столкновения с ядрами и кулоновское взаимодействие с электронами атомов кремния. Это  приводит к постепенному торможению ионов вплоть до полной остановки.

 
Рис.5. Принцип легирования ионной имплантацией.

Маски для ИИ могут быть изготовлены из любых материалов, используемых в технологии СБИС (фоторезист, нитриды, окислы, поликремний). В материале  оксидной маски (SiO₂), имеющей более плотную структуру по сравнению с кремнием, имеет место более сильное торможение ионов, благодаря чему лишь незначительное количество ионов пронизывает маску и внедряются в кремний. За счёт этого достигается избирательность легирования. Для восстановления нарушенного слоя и перевода всей внедрённой примеси в активное состояние прибегают к отжигу поверхностного слоя путём, обычно, облучения коротким (порядка 1 мс) и мощным импульсом инфракрасного излучения.

Эффекты, используемые в технологии СБИС

После проведения процесса имплантации  кремний, окись кремния, фоторезист и металлическая мишень могут  изменить свои свойства и повлиять на проведение последующих стадий процесса изготовления СБИС. Во-первых, при высокой  дозе имплантированного азота скорость окисления кремния уменьшается  из-за образования нитрида кремния, тогда как появление дефектов, вводимых при имплантации B, Ar, As, Sb может  привести к увеличению скорости окисления. В другом случае окислы с поврежденной поверхностью используются для уменьшения толщины маски по краям вытравленных в маске окон, при этом поверхностная  область стравливается быстрее, чем бездефектные участки.

Во-вторых, имплантация в  окисел приводит к разрыву связей смещением атомов кислорода и  кремния.

В-третьих, при использовании  в качестве маски при имплантации  фоторезиста происходит его разрушение, что приводит к испарению таких  летучих компонентов, как водород  и азот. При этом образуется слой, богатый углеродом.

Далее, ионная имплантация  через поверхность раздела металл-кремний  характеризуется протеканием реакций  на поверхности раздела за счет ионно-лучевого перемешивания. Сущность и особенности  процесса имплантации

Преимущества ионной имплантации  по сравнению с термической диффузией  примеси сводятся к следующему:

1.                  Процесс не требует нагрева пластин и, следовательно, не приводит к изменению параметров ранее сформированных слоёв (за счёт диффузионной разгонки).

2.                  Так как ионный пучок перпендикулярен к пластине, размеры легированной области точно соответствуют размерам окна в оксидной маске.

3.                  Количество введённой примеси точно дозируется (контролируется в процессе облучения).

Недостатком процесса ионной имплантации является то, что при  постоянной энергии ионов невозможно получить глубоко залегающий переход  с одновременным присутствием примеси  на поверхности.

 
Рис.6. Формирование глубоких профилей: а ступенчатый процесс; 
б - комбинирование имплантационной загонки с диффузионной разгонкой.

1.                  Ступенчатый процесс. Непрерывное и глубокое распределение примеси от поверхности до перехода обеспечивается несколькими ступенями легирования при различных энергиях, причём первый (глубокий) профиль

2.                  Комбинированный процесс. Имплантационная загонка примеси при низкой энергии обеспечивает необходимую дозу Рабочая камера установки ионной имплантации.

Установка ионной имплантации  представляет собой вакуумную камеру, состоящую из ряда блоков, последовательно  состыкованных с помощью уплотнений из вакуумной резины. Из источника  примесь в парообразном или газообразном виде попадает в разрядный блок (ионизатор), из которого отрицательным потенциалом  в 20…25 кВ ионы вытягиваются в магнитный  сепаратор (масс-анализаторВ рабочую  камеру, таким образом, проходит плоский (ленточный) ионный луч, неподвижный  в пространстве.

Рис.7. Схема рабочей камеры установки  ионной имплантации

Схема рабочей камеры (последнего блока установки) приведена на рис. 7. Облучаемые пластины 1, несущие оксидную  маску, размещаются по периферии держателя (контейнера) 2 в несколько ярусов. В процессе облучения пластин неподвижным ленточным лучом 5 контейнер вращается и совершает возвратно-поступательное движение. Пластины, таким образом, постепенно набирают необходимую дозу легирования. Между пластинами располагаются датчики 4, принимающие ту же дозу заряда, что и пластины. По достижении необходимой дозы системой контроля вырабатывается сигнал, отключающий ионный луч. Перед выгрузкой контейнера с обработанными пластинами вакуумный затвор 3 отсекает рабочую камеру от остального объёма установки, камеру открывают и производят замену контейнера с пластинами. После закрытия камеры и открывания затвора вакуумные насосы восстанавливают рабочее давление (примерно 10^-4 Па) в объёме установки и начинается следующий цикл обработки.

Управление дозой при  ИИ затруднено рядом факторов. Это  наличие потока нейтральных частиц, обмен энергии ионов с молекулами газов, вторичная электронная эмиссия  из мишени, эффект обратного ионного  распыления. Для ликвидации последствий  действия этих факторов используют следующие  технические приемы. Нейтральные  молекулы отсеивают с помощью  масс-спектрометра (его магнитное  поле не отклоняет нейтральные частицы  и они не попадают в апертурную диафрагму). Кроме того, в камере поддерживается достаточно высокий  вакуум, предотвращающий процесс  нейтрализации онов. Вторичную электронную  эмиссию подавляют, располагая около  мишени ловушку Фарадея. От загрязнений  поверхности кремния вследствие полимеризации углеводородов ИИ проводят через окисную пленку, которую  затем удаляют.