Ионная имплантация

Министерство  образования Российской Федерации

 
 
 

  
 
 
 
 
 

Московский  ордена Ленина, ордена Октябрьской революции

и ордена Трудового  Красного Знамени

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  имени Н. Э. Баумана 
 
 
 

  Факультет  РЛМ

Кафедра "Технологии приборостроения"

 
 
 
 
 
 

Реферат на тему

  «Ионная имплантация»  
 

Студент группы РЛ6-71 Gtnhjd

 

                                                                                   Преподаватель: Полущенко О.Л. 
 
 
 
 

Москва 2011 

     Содержание 

Введение

1.      Введение……………………………………………………………………..3

2.1.  Сущность метода. Основные характеристики ионной имплантации……4

2.2. Влияние технологических факторов на распределение пробега имплантированных ионов…………………………………………………..……7

2.3.  Радиационные  дефекты ……………………………………………………..9

3.     Вывод………………………………………………………………………..16

Список  литературы………………………………………………………………17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

Создание биполярных и МДП СБИС с хорошими технико-экономическими характеристиками невозможно без использования метода ионной имплантации, освоенного промышленностью в 70-е годы. Пучок положительно заряженных примесных ионов в ионно-лучевом ускорителе бомбардирует кристалл полупроводника. Проникая в кристалл, примесь легирует его и одновременно вызывает образование радиационных нарушений. Распределение концентрации внедренных ионов описывается кривой Гаусса, основным параметром которой является пробег ускоренных ионов. При малых дозах облучения радиационные нарушения не изменяют кристаллической структуры полупроводника, тогда как большие дозы облучения примесными атомами ведут к аморфизации кристалла. Для устранения нарушений и электрической активации внедренной примеси необходим отжиг кристалла.

Наиболее широкое  распространение ионная имплантация  получила в технологии загонки строго дозированного количества примесных атомов, которое используется в качестве источника при последующей диффузионной разгонке для формирования примесного профиля. Помимо того, имплантация используется для создания тонких базовых областей биполярных транзисторов, управления пороговыми напряжениями МДП-транзисторов и других целей.

Для контроля ионно-имплантированных структур исследуют профили распределения  внедренных атомов, измеряют эффективную поверхностную концентрацию носителей заряда.

Метод ионной имплантации  состоит в бомбардировке пучками ускоренных ионов с энергиями от 10 кэВ до 1 МэВ твердых тел с целью изменения их свойств и структуры. Ускоренные ионы проникают в кристаллическую решетку, преодолевая отталкивающее противодействие положительных зарядов ядер атомов. Глубина проникновения ионов возрастает с увеличением их энергии.

Реализованные и  потенциальные преимущества ионного  легирования позволяют: осуществлять процесс с высокой производительностью; создавать практически любые  профили распределения за счет ступенчатого легирования; совмещать процесс  легирования с другими технологическими процессами поверхностей обработки  кристалла; получать прецизионное формирование профиля полупроводниковых структур.  
 
 
 
 

2.1 Сущность ионной имплантации

Ионная имплантация  – это управляемое введение примесных  атомов в поверхностный слой подложки путем бомбардировки ее ионами с  энергией от нескольких килоэлектрон-вольт  до нескольких мегаэлектрон-вольт (обычно от 20 кэВ до 100 кэВ). Процесс ионного  легирования осуществляют для модификации  свойств (в первую очередь электрофизических) поверхностного слоя. Избирательность  процесса легирования обеспечивается либо сканированием остросфокусированного  ионного пучка по заданной программе, либо перемещением широкого ленточного пучка по предварительно маскированной  поверхности.

Ионы при движении в подложке сталкиваются с атомами  подложки и выбивают их из своих  узлов. В результате вдоль траектории движения имплантированных ионов образуются многочисленные вакансии и междоузельные  атомы, то есть создаются радиационные дефекты. Когда плотность пучка  ионов превышает некоторое критическое  значение, может образоваться сплошной аморфный слой. В результате столкновений ионов с атомами мишени они  теряют свою энергию и, в конечном  итоге, останавливаются (обычно в междоузлиях). Для того чтобы внедренные таким образом атомы смогли выполнить свои функции доноров или акцепторов, их необходимо перевести из междоузлий в узлы кристаллической решетки. Это осуществляют с помощью термического отжига. Другой важной задачей отжига является устранение возникших радиационных дефектов и восстановление исходной кристаллической структуры. Температура ипродолжительность отжига определяется тем, насколько сильно нарушенакристаллическая структураподложки.

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

Метод ионного легирования  имеет ряд преимуществ. Во-первых, этот метод универсален, так как с его помощью можно вводить любые примеси в любое твердое тело. Во-вторых, он обеспечивает высокую чистоту легирования, практически исключающую попадание неконтролируемых примесей в легированный слой. В-третьих, ионное легирование проводится при низких температурах (вплоть до комнатных), что позволяет использовать в качестве масок слои из фоторезиста. В-четвертых, данный метод легирования гораздо более управляем, чем метод диффузии.

Изменяя плотность пучка ионов и их энергию, можно в достаточно широких пределах варьировать количество имплантированных примесных атомов и глубину их залегания. Серьезным ограничением метода является малая глубина проникновенияионов в подложку и, вследствие этого, малая глубина залегания р-п-переходов. Это затрудняет выполнение последующих технологических операцийи, предъявляет высокие требования к качеству поверхности исходной подложки. Есть проблемы с легированием пластин большого диаметра из-за расфокусировки ионного пучка при больших отклонениях его от нормали. Хотя радиационныедефекты и устраняются в значительной степени отжигом, тем не менее, оставшаяся часть может негативно сказаться на работе полупроводниковых приборов.

Часто приходится проводить имплантацию атомов в  подложку, которая покрыта одним  или несколькими слоями различных  материалов. 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.

Упрощенная схема  установки для ионной имплантации  представлена на рис. 1 
 
 

Рис. 1.Схема установки для ионной имплантации.

1 – источник ионов (газоразрядная камера); 2 – вытягивающий электрод; 3 – электромагнитнаяфокусирующая линза; 4 – ускоряющий электрод; 5 – отклоняющие ионный пучок пластины; 6 – входная и выходная диафрагмы; 7 – магнитный сепаратор; 8 – подложка; 9– держатель подложки. 

Наличие в установке  для ионной имплантации магнитного сепаратора обеспечивает высокую чистоту  легирования. Принцип действия сепаратора основан на взаимодействии магнитного поля, созданного в сепараторе, с  движущимися ионами. В результате действия силы Лоренца ионы движутся по дуге окружности, радиус R которой  определяется выражением , где m - масса иона; U - ускоряющее напряжение; q - заряд иона; B – магнитная индукция. Поскольку радиус кривизны траектории зависит от массы иона, то это дает возможность настроить сепаратор таким образом, чтобы через его выходную щель проходили только ионы определенной массы. Все другие ионы и нейтральные частицы будут задерживаться диафрагмой и подложки не достигнут. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.2. Влияние технологических факторов на распределение пробега имплантированных ионов. 

В ионно-легированном слое распределение примеси на фронтальной поверхности,вблизи перехода, определяется разбросом проецированного пробега. Но на боковой границе перехода распределение ионов может быть совершенно иным, чем на фронтальной поверхности. На рис. 2 показано влияние скошенного края маски на распределение внедренных атомов у боковых границ p-n-перехода, полученного ионным внедрением. Применение маски с прямоугольным (не скошенным) краем дает очень резкую границу между облученной и необлученной областями. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 2.2. Влияние маски ори р-n-переходе, полученном ионным легированием, на распределение внедренных атомов

При движении ионов  в подложке в результате столкновений с атомными ядрами электронами они теряют свою энергию и останавливаются (рис. 3). На рисунке 2 R - это длина пробега – длина пути иона от поверхности подложки (точка А) до точки остановки (точка В), а Rx – проекция пробега, т.е.  проекция на направление первоначального движения. Именно эта величина и определяет глубину проникновения иона в подложку.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.3.

Движение  иона в подложке

Движущиеся ионы могут остановиться в любой точке внутри подложки, так как столкновения с тормозящими частицами носят случайный характер. Поэтому следует ввести понятие «распределение пробега ионов». Для разъяснения этого понятия используют такие параметры, как средний пробег ионов и среднеквадратичное отклонение пробега ионов. Аналогичные характеристики используются и для определения проекций пробега ионов. В дальнейшем под Rx и DRx будем понимать именно средние характеристики проекций пробега. Глубина проникновения ионов в подложку и распределение пробега ионов в аморфной подложке зависит, главным образом, от энергии ионов, а такжеот вещества подложки, массы и атомного номера ионов. Для монокристаллических подложек на распределение пробега оказывает влияние кристаллографическая ориентация подложки относительно пучка ионов. Рассмотрим кратко физические основы процессов потери энергии ионовпри ихторможении в подложке. Теория ионной имплантации ионов в аморфную подложку была разработана датскими учеными Линдхардом, Шарфом и Шиоттом и получила название теории ЛШШ. Согласно этой теории движущиеся в подложке ионы теряют свою энергию в основном за счет двух механизмов: из-за столкновений с атомными ядрами мишени (ядерное торможение) и из-за взаимодействия с электронами (электронное торможение). В первом приближении считается, что оба вида потерь не зависят друг от друга и действуют одновременно. Потеря энергии ионов на единице длины пробега в этом случае определяется выражением , где Е - энергия иона в произвольной точке х на еготраектории движения;N – концентрация атомов подложки; Sn и Se – ядерная и электронная тормозные способности; . Знак минус показывает, что энергия иона при торможении уменьшается. Разделяя переменные, получим роизведя интегрирование в пределах от начальной энергии иона Е до нуля, можно найти среднюю длину пробега ионов: 

Электронная тормозная способность пропорциональна скорости движения ионов, которая, в свою очередь, пропорциональна квадратному корню из энергии иона. 

Покажем качественно  зависимость Sn и Se от энергии ионов (рис. 4).

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис 4.

Общий вид  зависимости тормозных сечений  электронного и ядерного торможения от энергии иона. 

При некоторой энергии  Е₂ тормозные способности Sn и Se равны друг другу. Если энергия ионов меньше Е₂, то преобладающий механизм торможения ядерный, если энергия ионов превышает Е₂, то преобладает электронный механизм. Радиационные дефекты в подложке создаются, главным образом, при Sn >> Se. Поэтому при имплантации ионов, обладающих малыми энергиями, радиационные дефекты в подложке образуются вдоль всей траектории, а при высоких энергиях ионов – только в конце их пробега.

     Профиль распределения примеси при ионной имплантации бора различных энергий  в кремний приведен на рис. 5. 

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 5.

     Профиль распределения примеси при ионной имплантации бора различных энергий  в кремний

     Для корректного теоретического расчета  профиля, особенно для больших значений энергий пучков ионов, используют два  объединенных распределения Гаусса

     ,

     де  D - поглощенная доза,

     Rm - модальная длина пробега (аналог проекционной длины пробега при Гауссовском распределении),

     DR1, DR2 - флуктуации первого и второго распределения,

     DRi=DR1 при x>Rm,

     DRi=DR2 при x<=Rm.

     Теоретические профили, рассчитанные по приближению  Пирсона с 4 параметрами и распределению  Гаусса, и измеренные профили при  ионной имплантации бора в кремний  без проведения отжига приведены  на рис. 3.