Общие принципы процесса ионного легирования

Собственно метод легирования полупроводников донорными и акцепторными примесями был предложен в 1954 г. Кратко сущность метода и его преимущества и недостатки были рассмотрены в главе 2.

Основными физическими характеристиками процесса являются: длина пробега ионов в твёрдом теле и степень нарушения кристаллической решетки пластины в результате её бомбардировки ионами. При этом распределение концентрации внедренных примесей есть результат сложных процессов, связанных с влиянием структуры кристаллической решетки, и её нарушений на характер движения и торможение ионов.

Следует понимать, что под действием ионной бомбардировки в приповерхностном слое пластины накапливаются радиационно-стимулированные дефекты, и каждая последующая порция ионов движется в иных условиях по сравнению с предыдущей. Поэтому конечный профиль распределения примесей представляет собой суперпозицию многих элементарных профилей.

Наиболее простому теоретическому описанию поддается торможение ионов в аморфных телах. Теория торможения в монокристаллах дает так называемый «хвост» распределений, что обусловлено эффектом каналирования. Применительно к ионной имплантации эта теория была разработана Н.Бором и Дж. Линдхардом, а дальнейшее развитие получила благодаря Шарффу и Шиотту. (Сокращенно – теория ЛШШ).

ЛШШ описывает ряд эффектов, возникающих при бомбардировке ионами твёрдых тел. К важнейшим эффектам, способствующим торможению и рассеянию ионов при ионной имплантации, относятся упругие соударения с ядрами атомов мишени и связанными электронами мишени.

Потери энергии при торможении ионов в твёрдом теле описывается выражением: , где Е – начальная энергия

иона; х – глубина проникновения иона в мишень; – потери энергии иона в слое dx; – ядерная и электронная тормозные способности мишени; N_a – число атомов в единице объёма мишени.

Проинтегрируем обе части:

- проекция длины пробега иона в твердом теле.

Ядерная и электронная тормозные способности определяются соотношениями:

потери энергии иона на электронах

потери энергии иона на ядрах

Тогда: - общая тормозная способность.

Характер зависимостей электронной и ядерной тормозных способностей от энергии имплантируемого иона приведен на рис.6.1.

Рис. 6.1. Зависимость электронной и ядерной

тормозных способностей от энергии имплантируемого иона

Для технологии ИЛ представляет интерес область энергий ионов до 1000 кэВ, которая расположена до максимумов S_n и S_e.

В теории ЛШШ ядерная тормозная способность S_n описывается уравнением:

, где Е_n – энергия, передаваемая движущимся ионом ядрам атомов мишени при столкновениях; р – прицельное расстояние; 2 πрdр – дифференциальное поперечное сечение взаимодействия.

Рассмотрим схему взаимодействия падающего иона с атомом мишени:

Рис. 6.2. Схема взаимодействия падающего иона с атомами мишени

При соударении имплантируемый ион отклоняется на угол Ө₁ от направления своего движения и передаёт энергию Е_n, столкнувшемуся с ним атому – мишени, в результате чего атом отклоняется на угол Ө₂ от оси полёта иона (рис.6.2). При этом, если р меняется от 0 до ∞, то Е_n меняется от 0 до , где М₁ и М₂ – относительные молекулярные массы иона и атома-мишени. Расчет Е представляет собой известную задачу классической механики: ,

где ; (6.1)

здесь U = 1/r; r = r₁+r₂ – расстояние между частицами в системе центра масс (рис. 6.2); U_max – величина, обратная максимальному расстоянию, на которое сближаются частицы; φ(U) – потенциал взаимодействия частиц; – энергия иона в центре масс.

Для количественной оценки ÐФ согласно (6.1) необходимо знать потенциал φ(U) взаимодействия частиц. В простейшем случае он равен кулоновскому потенциалу. Однако в реальном случае

, (6.2)

где Z₁, Z₂ – кратность зарядов ионов луча и мишени; – заряд; – функция экранирования ядер электронами; – параметр экранирования (по порядку значений равный радиусу Бора).

Введём для удобства расчёта дифференциального сечения ядерного торможения безразмерные нормированные значения энергии ε, пробега и параметра рассеяния t:

, (6.3)

, (6.4)

, (6.5)

где , – коэффициенты нормирования; » 0,05 нм – радиус Бора; и – относительные атомные массы и атома мишени.

Тогда выражение для ядерной и электронной тормозной способности можно переписать в нормированном виде:

; . (6.6)

Рассчитанные зависимости для нормированных ядерной и электронной тормозных способностей от энергии справедливы практически для всех комбинаций ″ион – мишень″.

Электронная тормозная способность пропорциональна корню квадратному из энергии ионов, т.е.

(6.7)

или в нормированном виде

, (6.8)

где K, K_н – коэффициенты пропорциональности и нормирования:

; (6.9)

. (6.10)

Уравнение (6.1) позволяет легко оценить максимальный пробег ионов в твёрдом теле при очень больших энергиях (>>150 200 кэВ) бомбардирующих ионов.

Распределение пробега ионов представляет основной интерес для определения профиля концентрации в создаваемой методом ионного легирования структуре ИС. Пробег иона можно вычислить из уравнения

, (6.11)

при этом разброс значений пробега рассчитывается в теории ЛШШ из соотношения:

, (6.12)

где s – параметр потенциала взаимодействия φ(r) частиц (потенциал Томаса – Ферми).

Значение s определяется из .

Если при столкновении частиц передаётся большое количество энергии, то принимают s = 1, если малое, то s = 2.

В настоящее время рассчитаны и табулированы значения пробегов для многих используемых на практике систем “ион – мишень”. Распределение имплантированных ионов определяется их средним пробегом , стандартным отклонением и дозой имплантации (число ионов на 1 см² облучаемой поверхности) по формуле распределения Гаусса:

. (6.13)

При этом максимальная концентрация внедренной примеси выражается соотношением

. (6.14)

Рассмотрим влияние радиационных дефектов на структуру поверхности пластин ИС. Легированный слой, создаваемый методом ионной имплантации, обычно получается сильно дефектным, что не позволяет использовать его без дополнительной обработки (например, отжига дефектов) для использования изготовления ИС.

Механизм образования дефектов весьма сложен. Если вкратце, то суть его заключается в следующем. При столкновении с атомами мишени бомбардирующий ион передаёт им часть своей кинетической энергии. Если эта энергия превышает некоторое пороговое значение, близкое по величине к значению энергии связи в кристалле, то атом-мишень выбивается из узла решетки. Выбитый таким образом атом может смещать соседние атомы из узлов, т.е. возникает каскад атомных столкновений. Взаимодействие легких (А_имп<A_миш) и тяжелых (А_имп>A_миш) ионов с решеткой твердого тела при внедрении происходит различным образом, поэтому вблизи их траекторий дефекты образуются по-разному (рис. 6.3).

а б

Рис. 6.3. Формирование треков для легких (а) и тяжелых (б)

ионов в твердом теле

С увеличением дозы имплантации отдельные разупорядоченные области перекрываются вплоть до образования аморфного слоя определенной толщины. Доза имплантации, при которой образуется сплошной аморфный слой, называют дозой аморфизации.

Очевидно, что число радиационных дефектов и их распределение в объеме мишени зависят от атомного номера, массы, энергии, дозы облучения, степени каналирования имплантируемых ионов и температуры мишени – подложки.

Число атомов мишени, смещенных из узлов кристаллической решетки N_c.a на 1 см² при небольших дозах имплантации, будет равно:

, (6.15)

где – среднее число бомбардируемых атомов.

Если энергия падающих ионов (Е) намного превышает пороговую энергию смещения атома мишени из узла ( ), то . Например, для кремния = 22 эВ.

Рассмотрим кривые распределения примесных атомов и дефектов при бомбардировке кремния ионами бора с различной энергией, приведенных на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Кривые распределения примесных атомов и дефектов

для Si при его бомбардировке ионами бора с различной энергией

Характерной особенностью кривых распределения дефектов являются их сдвиги по отношению к кривым распределения примесных атомов в сторону меньших глубин проникновения внедряемых ионов (т.е. ближе к поверхности). Данный факт объясняется тем, что энергии внедряемого иона в конце его трека ещё вполне достаточно на некоторое продвижение вперед, однако уже может быть недостаточно для генерирования новых дефектов в кристаллической структуре мишени.

Эффект «запаздывания» распределения дефектов имеет важное значение для технологии ИС, поскольку аморфизация структуры происходит только в приповерхностных слоях и может не затрагивать глубинной её части. Благодаря этому сопротивление глубинных легированных слоёв значительно меньше сопротивления верхних аморфных слоёв.

Заметим, что концентрация дефектов увеличивается при увеличении массы имплантируемого иона.

При наличии эффекта каналирования (т.е. преимущественной имплантации примеси вдоль какой-либо одной кристаллографической оси) профиль распределения дефектов будет сдвигаться в глубь мишени.

Температура мишени влияет на характер распределения дефектов двояко:

с одной стороны, повышение температуры увеличивает деканалирование и, следовательно, число генерируемых дефектов (в режиме каналирования ионы не смещают атомов); с другой стороны, повышение температуры ведёт к отжигу дефектов, т.е. к уменьшению их концентрации.

Аморфизация имплантированного слоя имеет важное значение не только для понимания процессов, протекающих при ионном легировании полупроводников, но и непосредственно для технологии ионной обработки пластин – подложек. Различают критические дозы трёх видов аморфизации: поверхностная (ДПА), внутренняя (ДВА), сплошная (ДСА).

Если в процессе имплантации поверхностный слой не образуется, то критическая доза сплошной аморфизации совпадает с критической дозой внутренней аморфизации. Зависимости ДСА и ДПА от массы бомбардирующего иона при плотности ионного тока, например, ион/(см²с), описываются эмпирическими соотношениями:

; (6.16)

. (6.17)

Уравнение (6.17) выполняется при массе имплантируемого иона >31.

Согласно теории процессов образования дефектов, для того чтобы произошла аморфизация слоя, достаточно сместить 1/25-ю часть атомов из регулярных узлов решётки.

Характерным признаком образования аморфного слоя является изменение окраски полупроводниковой пластины. Кроме того, аморфную область легко обнаружить по её ″запотеванию″, если холодную пластину поместить во влажную атмосферу. Таким способом можно отличить имплантированную область от неимплантированной и даже оценить степень неоднородности самой имплантации. Тем не менее, данный метод является достаточно упрощенным для того, чтобы применять его в производстве при изготовлении ИС.

6.2. Отжиг дефектов и электрические свойства слоёв

Появление дефектов в результате ионного легирования пластин ИС приводит к определённым изменениям свойств материала. Для полупроводниковых слоёв такие изменения почти всегда нежелательны, поскольку радиационные дефекты уменьшают подвижность и время жизни основных носителей заряда. Однако на диэлектрические и металлические слои дефекты могут иногда оказывать положительное влияние:

· изменить коэффициент преломления в приповерхностных слоях световодов;

· захватывать в SiO₂ дефектными центрами ионы модификатора;

· повышать скорость травления плёнок SiO₂;

· упрочнять поверхностный слой.

Отжиг почти всегда или уменьшает концентрацию дефектов в монокристаллических слоях, или снижает отрицательное воздействие дефектов на электрические свойства полупроводниковых структур. При этом имплантированная примесь может диффундировать в наиболее дефектную область структуры – к поверхности (другими словами, профиль распределения примеси сдвигается к поверхности).

Перечислим параметры материала, наиболее чувствительные к радиационным дефектам в полупроводниковых ИС:

· время жизни неосновных носителей заряда τ_s;

· поверхностное сопротивление ;

· поверхностная n_s и объёмная n_v концентрация носителей заряда;

· подвижность μ_v неосновных носителей заряда в легированных слоях;

· распределение μ_v и n_v по глубине слоя;

· эффективность легирования n_s / N_s (N_s – поверхностная концентрация примесей).

Перечисленные свойства легированных полупроводниковых слоёв зависят в значительной степени от местоположения имплантированной примеси в решетке кристалла.

Отжиг при высоких температурах (~800-1000°С) способствует повышению скорости диффузии атомов и одновременному уменьшению концентрации дефектов, что приводит систему в более равновесное состояние. В результате легирующие примеси занимают преимущественно узлы решетки и становятся электрически активными, играя роль доноров или акцепторов в полупроводниковом слое. Очевидно, что вероятность занять место в узлах решётки для различных примесных атомов будет различна. Так, например, тяжёлым атомам III – группы (Ga, In, Tl) труднее занять места в узлах решетки кремния, чем легкому бору.

При термической обработке структуры протекает одновременно несколько процессов: диффузия примесей, отжиг дефектов, ассоциация (диссоциация) ранее образованных дефектных комплексов.

Поскольку имплантация легирующих примесей в полупроводниковую пластину происходит в локализованных областях, определяемых топологией пластины ИС, то отжиг всей пластины не является удачным технологическим решением в производстве микросхем. Поэтому ведутся широкие исследования, направленные на поиск и разработку методов локального отжига участков полупроводниковой пластины, никак не затрагивающие смежные области кристалла ИС. Результатом этих исследований стало появление импульсного локального отжига.

Импульсный лазерный отжиг

Импульсный локальный отжиг устраняет радиационные дефекты и переводит внедренные примеси в электрически активное состояние. При использовании лазеров непрерывного действия механизм отжига несколько усложняется в связи с появление ряда побочных явлений. Для импульсного лазерного отжига пригодны различные лазеры с длиной волны излучения 0,26−10,6 мкм, работающие в режимах синхронизации мод, модуляции добротности и свободной генерации.

Как уже отмечалось ранее, при ионной имплантации наиболее сильно разупорядоченным оказывается поверхностный слой полупроводника на глубине, не превышающий 1 мкм. Работа лазера в режиме модулированной добротности обеспечивает эффективный отжиг именно на этой глубине в течение длительности одного импульса лазерного излучения. Для импульсного отжига дефектов ионно-имплантированных слоев применяют рубиновые и неодимовые лазеры, которые позволяют отжигать области микронных размеров, что исключительно важно для технологии производства БИС и СБИС. Перевод аморфного слоя полупроводника, образовавшегося после ионной имплантации, в монокристаллический возможен только при значениях энергии лазерного облучения, превышающих определенные (пороговые) значения. Эти значения энергии напрямую зависят от кристаллографической ориентации пластин. Например, отжиг дефектов на поверхности с ориентацией <111> происходит при несколько больших плотностях энергии лазерного импульса, чем для ориентации <100>.