Ионная имплантация

5. Радиационные дефекты.

     Сталкиваясь с электронами и ядрами мишени, ионы легирующего вещества на некоторой  глубине теряют энергию и останавливаются. Если известны тип и энергия ионов  и свойства обрабатываемого материала, то глубина проникновения (или длина  пробега) может быть вычислена. Для  пучков с типичными энергиями  от 10 до 500 кэВ величина пробега достигает  одного мкм. Как уже указывалось, вследствие влияния большого числа  факторов, эпюра распределения внедренного  вещества в поверхность близка по форме гауссовскому распределению (рис. 6). Внедрение ионов в кристаллическую решетку обрабатываемого материала приводит к появлению дефектов структуры (рис. 7).

      Выбитые из узлов решетки атомы  вещества приводят к образованию  вакансий и дефектов структуры в  виде внедренных межузельных атомов. Эти же дефекты возникают при  застревании между узлами решетки  ионов. Скопление таких дефектов образует дислокации и целые дислокационные скопления (рис. 5). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 6.

     Распределение ионов легирующего вещества (1) и  дефектов кристаллической решетки (2) по глубине модифицированного  поверхностного слоя.

Общая разупорядоченность кристаллического строения (вплоть до перехода вещества в аморфное состояние) решетки при ионной бомбардировке  называется радиационным повреждением. Исследования показывают, что радиационные повреждения могут изменить в  положительную сторону механические, электрические и другие свойства металла поверхностного слоя, но могут  и снижать эксплуатационные свойства деталей. В последнем случае делается отжиг; температурная активация  ускоряет перестройку атомов, что  приводит к более высокой термодинамической  стабильности упорядоченной кристаллической  решетки.

     Для изменения эпюры распределения  имплантированных атомов по глубине  поверхностного слоя применяют варьирование энергии ионного пучка и числа  ионов, попадающих в мишень, как это показано на рисунке 8.

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 7.

     Модель  изменения кристаллического строения вещества и химического состава  подложки при бомбардировке ее ускоренными  ионами 

     1 - атомы подложки;

     2 - ионы имплантируемого вещества;

     3 - образующиеся вакансии;

     4 - пути движения иона;

     5 - атом подложки, застрявший в  межузельном пространстве;

     6 - пути движения выбитых атомов  из узлов решетки;

     7 - атом мишени, удаляемый распылением  с поверхности.

     Пунктирными линиями показаны эпюры распределения  ионов азота, имплантированного  в железо пучками различных энергий; при этом каждая последующая обработка  выполняется пучком большей энергии. Результирующая концентрация ионов имплантированного вещества получается достаточно однородной при некоторой толщине слоя. 

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 8.

     Эпюры распределения концентрации ионов  азота, имплантированного в железо пучками различных энергий 

     Ионное  каналирование.

     Эффект  каналирования наблюдается при  попадании иона в свободное пространство между рядами атомов. Как только ион попадает в это пространство, на него начинают действовать потенциальные  силы атомных рядов, направляющие его  в центр канала. В результате этого  ион продвигается на значительные расстояния. Такой ион постепенно теряет энергию  за счет слабых скользящих столкновений со стенками канала и, в конце концов, покидает эту область. Расстояние, проходимое ионом в канале, может в несколько  раз превышать длину пробега  иона в аморфной мишени.

     Эффект  каналирования характеризуется  наличием "хвостов" концентрации атомов, выявляемых с помощью метода масспектрометрии вторичных ионов  и "хвостов" концентрации свободных  носителей зарядов, обнаруживаемых при проведении электрических измерений. Попытки устранения эффекта каналирования  путем ориентации кремниевой монокристаллической  подложки в наиболее плотно упакованных  направлениях сводят его к минимуму, но не исключают полностью.

     Были  сделаны попытки практического  использования эффекта каналирования  при имплантации примеси на большую  глубину. Однако в этом случае значительно  затруднены управление профилем распределения  имплантируемой примеси и получение  воспроизводимых результатов из-за очень высоких требований к точности разориентации ионного пучка  относительно основных кристаллографических направлений в подложке.

     Образование радиационных дефектов.

     При внедрении ионов в кремниевую кристаллическую подложку они подвергаются электронным и ядерным столкновениям, однако, только ядерные взаимодействия приводят к смещению атомов кремния. Легкие и тяжелые ионы производят качественно различное "дерево радиационных дефектов".

     Легкие  ионы при внедрении в мишень первоначально  испытывают в основном электронное  торможение. На профиле распределения  смещенных атомов по глубине подложки существует скрытый максимум концентрации. При внедрении тяжелых ионов  они сразу начинают сильно тормозиться  атомами кремния.

     Тяжелые ионы смещают большое количество атомов мишени из узлов кристаллической  решетки вблизи поверхности подложки. На окончательном профиле распределение  плотности радиационных дефектов, который  повторяет распределение длин пробега  выбитых атомов кремния, существует широкий скрытый пик. Сложная  структура различных типов дефектов вдоль траектории движения иона вызвана  распределением смещенных атомов кремния.

     Вводимые  в процессе ионной имплантации дефекты  состоят из вакансий и дивакансий. При нагреве мишени пучком ионов  в процессе имплантации до температуры  выше 500 С будут образовываться дислокации.

     Отжиг легированных структур

     Параметры процесса отжига определяются дозой  и видом имплантированных ионов.

     1. Изохорный отжиг структур, имплантированных  бором.

     Весь  диапазон температур отжига разбит на три области.

     Для первой области характерно наличие  точечных радиационных дефектов. Повышение  температуры отжига от комнатной  до 500 C приводит к ликвидации таких  точечных дефектов, как дивакансии.

     Вторая  область. При 500 C<Т< 600 С кремний  содержит меньшую концентрацию атомов бора в узлах кристаллической  решетки и большую концентрацию межузельных атомов бора с неопределенным положением.

     В третьей области T> 600 C за счет увеличения числа кремниевых вакансий и их замощения  атомами бора концентрация активных атомов примеси увеличивается. При  дозах имплантированных ионов 1012 см-2 полный отжиг происходит при Т= 800 С в течение нескольких минут.

     2. Изохорный отжиг структур, имплантированных  фосфором.

     Отжиг слоев фосфора, имплантированных при  комнатной температуре мишени, производится качественно отличным способом. Доза имплантируемого фосфора от 3*1012 до 3*1014 см-2 требует проведения отжига при температурах T> 800 C для устранения более сложных радиационных дефектов по сравнению с отжигом слоев, имплантированных бором.

     Когда имплантированный слой фосфора становится аморфным (при дозе выше 3*1014 см-2), начинает действовать другой механизм отжига. Температура отжига при этом несколько  меньше, чем для кристаллических  слоев и составляет 600 С. Более  сложные процессы происходят при  отжиге скрытых слоев с аморфной структурой, расположенных на определенной глубине под поверхностью подложки. Эпитаксиальная перекристаллизация начинается на обеих поверхностях раздела аморфных и монокристаллических областей.

     3. Изотермический отжиг

     Дополнительная  информация о характере распределения  имплантированных примесей может быть получена при проведении отжига при  постоянной температуре, но в течение  различного времени. По мере увеличения времени отжига электрическая активность легирующей примеси возрастает относительно медленно; при этом доля электрически активных атомов бора повышается от начального значения до величины, составляющей более 90 % этого значения. Энергия активации  соответствует генерации и миграции термически введенных вакансий. Термически генерированные вакансии мигрируют  к межузельным образованиям. При  этом происходит внедрение атомов бора в узлы кристаллической решетки.

     4. Диффузия имплантированных примесей.

     Коэффициент диффузии бора может быть повышен  за счет уничтожения кремниевых вакансий и межузельных кластеров, при  этом вакансии могут увеличить коэффициент  диффузии по узлам кристаллической  решетки, а межузельные атомы  кремния могут вытеснять атомы  бора из ее узлов, что приведет к  быстрой диффузии комплексов межузельный  атом кремния - атом бора.

     5. Быстрый отжиг.

     Имплантированные  слои могут быть подвергнуты лазерному  отжигу с плотностью энергии в  диапазоне 1-100 Дж/см2. Вследствие короткого  времени нагрева имплантированные слои могут быть термообработаны  без заметной диффузии примеси. Имплантированные аморфные слои толщиной 100 нм перекристаллизуются  в течение нескольких секунд при  Т= 800 С по механизму твердофазной эпитаксии.

     Процесс быстрого отжига относиться к категориям чистых процессов, и загрязнения  от элементов конструкции оборудования не создают серьезной проблемы. Лазерная энергия может быть локализована на отдельной части кристалла  ИС, так что некоторые р-n переходы схемы могут размываться во время  отжига за счет диффузии в большей  степени, тогда как другие не претерпевают изменений.

     Значительное  преимущество метода то, что после  расплавления и кристаллизации аморфных слоев по методу жидкофазной эпитаксии  в них отсутствуют линейные дефекты.

     С использованием технологии лазерного  отжига создают биполярные и МОП-транзисторы, кремниевые солнечные батареи.

     6. Отжиг в атмосфере кислорода.

     Процессы  отжига, в результате которых все  имплантированные ионы занимают электрически активные положения в узлах кристаллической  решетки, обычно приводят к возникновению  микродефектов. Эти дефекты называют вторичными дефектами. Любые внешние  микродефекты развиваются в большие дислокации и дефекты упаковки. Эти дефекты, называемые третичными дефектами, имеют достаточно большие размеры.

     7. Упрочнение деталей.

     Изначально  ионная имплантация применялась  в микроэлектронике для изготовления больших интегральных схем. С развитием  вакуумной техники и появлением сильноточных ионных источников стало  возможным проводить модификацию  поверхности крупногабаритных изделий. В настоящее время разработанные  технологии ионной имплантации позволяют  обрабатывать рабочие лопатки паровых  турбин максимальным габаритом до 1700 мм.

     Достигнуто:

• Увеличение предела усталости на 7-25 %;
• Повышение долговечности более чем в 20 раз;
• Улучшение структуры поверхностного слоя деталей;
• Повышение адгезионной прочности последующих покрытий;

 

       
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 7.

Потеря  массы образцов из сплава ЦНК7П в  процессе испытания на жаростойкость  после различных видов обработки. Длительная прочность образцов из сплава ЦНК7П (нагрузка 350МПа, температура 850 ОС на воздухе.