Материал: LS-Sb89583
тов ИМС, их изоляции друг от друга, создания скрытых легированных слоев, подлегирования омических контактов и областей канала.
К установкам и процессу ионной имплантации предъявляются следующие требования:
∙ обеспечение заданной дозы имплантации с воспроизводимостью
4 %, не хуже;
∙малый разброс по энергии в пучке 0,1%, не более;
∙высокая разрешающая способность по массе 1 %, не хуже;
∙высокая степень вакуума в камере мишени 10– 5 Па, не хуже;
∙высокая производительность − около 100 пластин/ч;
∙максимальная степень автоматизации;
∙полная радиационная безопасность.
Современные установки ионной имплантации (Везувий-3М, -5М, -13, -15, -17, Днепр, Лада-30) удовлетворяют всем этим требованиям, что позволяет получать ионно-легированные слои с высокой однородностью параметров (слоевое сопротивление, глубина, поверхностная или максимальная концентрация) по площади пластины и высокой воспроизводимостью от процесса к процессу.
Сопротивление ионно-легированных слоев определяется четырехзон-
довым методом, глубина залегания p−n-перехода − методом окрашивания косого шлифа, поверхностная концентрация − по кривым Ирвина для гаус-
совского распределения (см. рис. 2.1).
Процесс ионного легирования по сравнению с диффузионным легированием имеет ряд преимуществ, основные из которых следующие:
1)возможность имплантации практически любой примеси, а также сложных комплексных ионов в любую твердотельную подложку;
2)возможность использования в качестве маски нетермостойких материалов, таких, как фоторезист, алюминий;
3)возможность имплантации примеси в подложку через тонкие субмикрометровые слои маскирующих и защитных покрытий на заданную глубину;
4)установки ионной имплантации производят сепарацию ионов по массам, обеспечивая высокую степень чистоты процесса введения примеси;
5)позволяют осуществлять точный контроль количества введенной примеси (дозы имплантации), что особенно важно.
16
Перечисленные достоинства обеспечили широкое применение ионной имплантации в технологии ИМС. Особенностью ионного метода легирования является необходимость проведения термического отжига для электрической активации имплантированной примеси, для восстановления нарушенной имплантацией кристаллической решетки и для отжига радиационных дефектов. Температура отжига зависит от дозы и энергии имплантации,
вида примесных ионов и лежит в диапазоне 900...1100 ºС.
Согласно теории Линхарда−Шарфа−Шиотта (ЛШШ) распределение имплантированной примеси по глубине подложки может быть приближенно описано распределением типа Гаусса
|
|
Q |
|
|
|
|
(x − R p ) |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С(x) = |
|
|
|
|
exp − |
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|||||
|
|
2π |
2 |
|
|
|
2 R |
|
|
|
|
|
|
R p |
|
|
p |
|
|
|
|||
где Q − доза имплантации, ион/см2; Rp − средний проецированный пробег ионов; Rp − среднеквадратичное отклонение пробегов, или страгглинг.
Значения пробегов и страгглингов основных легирующих примесей (B, P, As, Sb) в кремнии приведены в табл. 3.1.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.1 |
|
|
|
Параметры распределения ионов B, P, As, Sb в Si |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
P |
|
|
As |
|
|
Sb |
|||
E, кэВ |
Rp, Å |
|
Rp, Å |
Rp, Å |
Rp, Å |
Rp, Å |
|
Rp, Å |
|
Rp, Å |
|
Rp, Å |
|
|
|
|
|
||||||||
40 |
1285 |
|
456 |
489 |
214 |
298 |
|
109 |
|
289 |
|
86 |
60 |
1880 |
|
573 |
731 |
300 |
402 |
|
145 |
|
370 |
|
110 |
80 |
2438 |
|
662 |
982 |
380 |
505 |
|
180 |
|
445 |
|
132 |
100 |
2964 |
|
733 |
1283 |
457 |
608 |
|
214 |
|
517 |
|
153 |
120 |
3463 |
|
792 |
1498 |
529 |
712 |
|
248 |
|
588 |
|
174 |
В результате проведения постимплантационных отжигов происходит диффузионное перераспределение имплантированной примеси и распределение примеси по глубине подложки примет вид
17
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(x − R p )2 |
|
|
|
С(x) = |
|
|
Q |
|
|
exp − |
|
|
|
+ exp − |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
2π |
p |
+ 2Dτ |
|
2 |
R p + 2Dτ |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(x + R |
|
)2 |
|
|
||
|
p |
|
|
||||
|
|
|
|
, |
|||
2 |
R2 |
+ 2Dτ |
|
||||
|
|||||||
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где D − коэффициент диффузии; τ − время диффузии.
В случае неглубокой имплантации и достаточно длительного высоко-
температурного отжига, когда 2√ τ >> Rp, последнее выражение перехо-
дит в известное выражение для диффузии из ограниченного источника (см. (2.2)). В этом случае для определения поверхностной концентрации примеси в ионно-легированном слое можно воспользоваться соответствующими кривыми Ирвина (см. рис. 2.1). Выражение для сопротивления ионно-леги-
рованного слоя Rs имеет вид
Rs− 1 = ex∫jn(x)µ(x)dx, 0
где e − заряд электрона; xj − глубина залегания p−n-перехода; n(x) − ре-
зультирующая концентрация доноров или акцепторов; − подвижность носителей заряда. В общем случае необходимо учитывать зависимость по-
движности от концентрации носителей заряда μ(n) в виде
|
|
μ(n) = μ |
+ (μ |
− μ |
)/[1+(n/C |
)a]. |
||||
|
|
|
min |
max |
min |
r |
|
|
|
|
Параметры концентрационной зависимости подвижности приведены в |
||||||||||
табл. 3.2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.2 |
|
|
Параметры концентрационной зависимости подвижности |
|||||||||
|
|
|
носителей заряда в кремнии |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тип |
|
μmin, |
μmax, |
|
Cr, cм−3 |
|
a |
|
|
|
проводимости |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
||
|
|
cм /(В·с) |
cм /(В·с) |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n-Si |
|
65 |
1330 |
|
8,5·1016 |
|
0,72 |
|
|
|
p-Si |
|
47,7 |
495 |
|
6,3·1016 |
|
0,76 |
|
|
Верхнюю оценку сопротивления ионнолегированого слоя Rsmax можно
получить, полагая μ(x) = μ(Cmax) = μmin, где Cmax − максимальная концентрация примеси в имплантированном слое:
18
Сmax = |
|
Q |
|
. |
(3.1) |
|||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
2π R p |
|
||||
В этом случае |
|
|
|
|
|
|
|
|
− 1 |
|
|
|
|
x j |
|
||
= eµmin |
∫ n(x)dx = eµminQ . |
(3.2) |
||||||
Rs max |
||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
||
Вобласти малых доз подвижность перестает зависеть от концентрации
иформула (3.4) станет точной.
3.2. Схема установки ионной имплантации
Схема установки ионной имплантации представлена на рис. 4.1. Ионы примеси для имплантации создаются в источнике ионов 1 из напускаемого газа, паров или твердого источника легирующей примеси формированием электрического разряда. Из источника вытягиваются ионы потенциалом до 40 кэВ с помощью системы экстракции 2 и формируются в узкий пучок с помощью системы электрофокусировки 4. В масс-сепараторе 5 происходит выделение из пучка ионов заданной массы M и заряда z (M/z). Отсепарированные ионы проходят выходную щель 6 и подвергаются линейному ускорению до заданной энергии (до 200 кэВ) в ускорительной трубке 7, питаемой источником напряжения ИН. В системе фокусирования и сканирования 8 производятся окончательная фокусировка и организация сканирования пучка ионов в вертикальном направлении. Далее ионы попадают в приемную камеру мишени 8, где на барабане 9 установлены полупроводниковые пласти-
Рис. 3.1. Схема установки ионной имплантации
19
ны. В установке поддерживается вакуум на уровне 1·10−3 Па в камере ис-
точника и на уровне 1·10−5 в приемной камере.
3.3.Порядок выполнения работы
1.Получить инструктаж по технике безопасности от руководителя ра-
боты.
2.Ознакомиться с установкой ионной имплантации, её техническим описанием и характеристиками.
3.Получить от руководителя задание на режим ионной имплантации контрольных пластин (тип примеси, энергия ионов, доза облучения, плотность тока пучка).
4.Подготовить контрольные пластины кремния для имплантации. Установить их с помощью пинцета в пазы барабана.
5.Закрыть камеру мишени.
6.Задать ускоряющее напряжение и плотность тока пучка.
7.Набрать необходимую дозу имплантации.
8.Осуществить выгрузку проимплантированных контрольных пла-
стин.
9.Провести активационный отжиг контрольных пластин при температуре 1050 ºС в течение 15 мин в атмосфере азота.
10.Измерить сопротивление имплантированного слоя на одной из контрольных пластин в нескольких точках. Оценить величину разброса слоевого сопротивления по пластине.
11.Рассчитать максимальную концентрацию примеси в соответствии с формулой (3.1), определить соответствующую ей подвижность носителей за-
ряда с помощью рис. 3.2 и рассчитать величину Rs max в соответствии с фор-
мулой (3.2).
12. Сравнить результаты расчета с экспериментальными значениями слоевого сопротивления и сделать вывод о степени точности расчетных формул.
3.4. Отчет о работе
Отчет о работе должен содержать:
1. Краткие сведения о методе ионного легирования полупроводников и его особенностях.
20