Кафедра 67 Лекция Ионная имплантация Цель лекции

Кафедра 67 Лекция: Ионная имплантация Цель лекции – изучение процессов распределения и активации внедренной примеси методом ионной имплантации

Кафедра 67 План лекции 1 Основные понятия 2 Преимущества и недостатки метода 3 Виды столкновений 4 Методы расчета распределения ионно-легированной примеси в объеме кристалла 5 TRIM моделирование для расчета профиля внедренной примеси 6 Распределение ионно-легированной примеси 7 Влияние режимов ионной имплантации и термической обработки на кристаллическую структуру полупроводника

Кафедра 67 Основные понятия n Доза ионов (флюенс) Ф [ион/см 2] – число ионов , прошедших через единицу поверхности образца за все время облучения. n Плотность ионного тока j [мк. А/см 2] n Длительность облучения t [c] n Дозу можно выражать Q=jt [мк. Кл/см 2] Ф=6, 25 1012· Q Коэффициент отражения RN – отношение количества N всех рассеянных назад частиц независимо от их энергии, угла выхода и зарядового состояния к числу частиц N 0 падающих на мишень RN=N/N 0 Коэффициент отражения энергии RЕ – доля энергии, уносимой отраженными частицами , по отношению к энергии падающих частиц RE=∑EN/ E 0 Средняя относительная энергия отраженных частиц =RE/RN

Кафедра 67 Основные понятия Имплантируемые ионы (1) Мишень (2) – материал в который происходит внедрение ионов Взаимодействие ускоренного иона с твердым телом определяется энергией Е 1, массой М 1, атомным номером иона Z 1, массой М 2, атомным номером мишени Имплантируемые ионы делят: Легкие: М 1<20, В, N, O Средние: 20<М 1<60, Si, P, S, Ar Тяжелые: М 1>60, Zn, As, Se, Sb Имплантируемые ионы мишень

Кафедра 67 План лекции 1 Основные понятия 2 Преимущества и недостатки метода 3 Виды столкновений 4 Методы расчета распределения ионно-легированной примеси в объеме кристалла 5 TRIM моделирование для расчета профиля внедренной примеси 6 Распределение ионно-легированной примеси 7 Влияние режимов ионной имплантации и термической обработки на кристаллическую структуру полупроводника

Кафедра 67 Преимущества и недостатки ионной имплантации Преимущества: Недостатки: 1. Возможность получения высокооднородные и хорошо воспроизводимых профилей концентрации внедряемой примеси путем управления током пучка ионов и их энергией. 2. Возможность создания специальных форм профилей. 2. Хорошее согласование с планарной технологией изготовления ИС. 3. Низкотемпературный процесс. 4. Возможность внедрения в мишень ионов практически любого элемента периодической системы. 1. Образование радиационных дефектов 2. Небольшие глубины залегания внедряемой примеси 3. Необходимость процесса термического отжига

Кафедра 67 План лекции 1 Основные понятия 2 Преимущества и недостатки метода 3 Виды столкновений 4 Методы расчета распределения ионно-легированной примеси в объеме кристалла 5 TRIM моделирование для расчета профиля внедренной примеси 6 Распределение ионно-легированной примеси 7 Влияние режимов ионной имплантации и термической обработки на кристаллическую структуру полупроводника

Кафедра 67 Упругие столкновения Геометрия рассеяния в ЛСК: M 1, Vo – масса и скорость иона b – прицельный параметр; M 2, V 2 – масса и скорость атома отдачи 1, 2 – углы рассеяния б) Геометрия рассеяния в СЦМ: – соответствующий угол рассеяния Упругое столкновение справедливо если расстояние между движущимся ионом и атомом мишени меньше, чем расстояние между соседними атомами твердого тела. Процесс взаимодействия налетающего иона с атомом мишени рассматривается как в системе центра масс (СЦМ), так и в лабораторной системе координат (ЛСК) Угол рассеяния где b – прицельный параметр, V(r) – потенциал ионатомного взаимодействия, Eотн=E 1 M 2/(M 1+M 2)-1. Индекс 1 относится к имплантируемому иону (Z 1, M 1), индекс 2 – к атому мишени (Z 2, M 2). Z – заряд ядра, М – масса атома

Кафедра 67 Неупругие столкновения При неупругой передачи энергии происходят электронные переходы в атомах, ионизация, перезарядка иона и ряд других сложных физических процессов. Энергетический диапазон n Низкоэнергетическая имплантация. На практике к низкоэнергетическим относят ионные имплантеры, ускоряющие частицы до энергии 1 10 кэ. В. В этом диапазоне энергий доминирующими оказываются ядерные столкновения иона с атомами твердого тела n Среднеэнергетическая имплантация. Наиболее перспективной в машиностроении сегодня представляется имплантация ионов средних энергий. К ионам средней энергии относят частицы с энергией 10 100 кэ. В n Высокоэнергетическая имплантация. К высокоэнергетической ионной имплантации относят обработку ионами, энергия которых превышает 100 кэ. В (Металлургия)

Кафедра 67 План лекции 1 Основные понятия 2 Преимущества и недостатки метода 3 Виды столкновений 4 Методы расчета распределения ионно-легированной примеси в объеме кристалла 5 TRIM моделирование для расчета профиля внедренной примеси 6 Распределение ионно-легированной примеси 7 Влияние режимов ионной имплантации и термической обработки на кристаллическую структуру полупроводника

Кафедра 67 Методы расчета распределения ионно-легированной примеси в объеме кристалла Распределение Пирсона IV в безразмерных единицах X = (x-Rp)/d. Rp для различных значений параметра асимметрии: Sk = 0 (1), 1 (2), 2 (3), 3 (4), 5 (5) 1. Метод Монте-Карло рассматривает историю движения каждого иона в отдельности [А. Ф. Комаров. ЖТФ. 2001]. 2. Способ Гиббонса и Мильроя. Функция распределения конструируется из двух полугауссиан [Gibbons J. F. , Mylroie S. Appl. Phys. Lett. , 1973] 3. Распредление Эджворта [J. B. Sanders. J. Phys. 1968] 4. Распределение Пирсона [А. Ф. Буренков и др. Минск: Изд. БГУ им. Ленина. - 1980]. 7 типов уравнений Пирсона, для построения профилей ионно-имплантированной примеси используется только распределение Пирсона IV

Кафедра 67 Методы расчета распределения ионно-легированной примеси в объеме кристалла Распределение внедренной примеси до термообработки (распределение Гаусса): где N(x) – концентрация внедренной примеси, Rp – средний проективный пробег, d. Rp – среднеквадратичный разброс пробегов (страгглинг), k. A – коэффициент активации примеси, х – глубина залегания. Распределение внедренной примеси алюминия в карбиде кремния после термообработки в атмосфере Ar при температуре 1700 ºС в течение 15 секунд где D/ – коэффициент диффузии в Si. C, t – время термообработки, Rp’ – сдвиг максимума в сторону поверхности

Кафедра 67 Методы расчета распределения ионно-легированной примеси в объеме кристалла Концентрационные профили Al при ионной имплантации (Al+ 300 кэ. В, 5*1014 см-2) до (кривые 1, 1’) и после (кривые 2, 2’) БТО (1700 С, 5 с). 1, 2 – эксперимент, 1’, 2’ – расчетные данные [Александров, О. В. ФТП. 2009]

Кафедра 67 План лекции 1 Основные понятия 2 Преимущества и недостатки метода 3 Виды столкновений 4 Методы расчета распределения ионно-легированной примеси в объеме кристалла 5 TRIM моделирование для расчета профиля внедренной примеси 6 Распределение ионно-легированной примеси 7 Влияние режимов ионной имплантации и термической обработки на кристаллическую структуру полупроводника

Кафедра 67 Моделирование относительного распределения имплантированных ионов бора в Si. C подложку с использованием программного пакета TRIM Е = 30 кэ. В Е = 70 кэ. В Е = 100 кэ. В

Кафедра 67 Определение дозы легирования где NMAX – максимальное значение концентрации внедренной примеси, ∆Rp – среднеквадратичное отклонение внедренных ионов. Для Si. C NMAX = 1020 см-3 [А. А. Лебедев. ФТП. 1999] Параметры ионной имплантации бора в Si. C Энергия имплантации, кэ. В 30 40 50 60 70 80 90 100 Страгглинг, 10 -2 мкм 2, 40 2, 85 3, 21 3, 52 3, 78 4, 01 4, 29 4, 51 Доза имплантации, 1015 ион/см 2 0, 602 0, 713 0, 805 0, 882 0, 948 1, 000 1, 080 1, 130

Кафедра 67 Расчет внедренных ионов в абсолютных значениях Концентрация примеси, см-3 Профиль внедренных ионов Изменение концентрации имплантированной примеси на поверхности Глубина, мкм Энергия, кэ. В

Кафедра 67 План лекции 1 Основные понятия 2 Преимущества и недостатки метода 3 Виды столкновений 4 Методы расчета распределения ионно-легированной примеси в объеме кристалла 5 TRIM моделирование для расчета профиля внедренной примеси 6 Распределение ионно-легированной примеси 7 Влияние режимов ионной имплантации и термической обработки на кристаллическую структуру полупроводника

Кафедра 67 Распределение внедренной примеси Kакт В_Si. C = 5 ÷ 15 % 1 партия D 1 = 1015/5% = 2· 1016 ион/см 2; 2 партия D 2 = 1015/15% = 6· 1015 ион/см 2 Концентрация, см-3 Количество дырок мкм где NA – концентрация внедренной акцепторной примеси бора в абсолютных величинах EA = 0, 35 э. В – энергия активации примеси бора [А. А. Лебедев. ФТП. 1999] g – фактор вырождения (для Si. C g можно принять 4) Nv = 4, 8*1015 Т 3/2 – плотность состояний в валентной зоне [БД Института ФТИ Иоффе РАН]

Кафедра 67 План лекции 1 Основные понятия 2 Преимущества и недостатки метода 3 Виды столкновений 4 Методы расчета распределения ионно-легированной примеси в объеме кристалла 5 TRIM моделирование для расчета профиля внедренной примеси 6 Распределение ионно-легированной примеси 7 Влияние режимов ионной имплантации и термической обработки на кристаллическую структуру полупроводника

Кафедра 67 Радиационные дефекты Распределение по глубине х относительной концентрации повержедений разными энергиями ионов 30 и 60 кэ. В Виды дефектов: - точечные дефекты (вакансии и атомы в межузлиях, комплексы) либо их скопления - линейные и плоскостные дефекты типа дислокаций и дефектов упаковки

Кафедра 67 Морфология поверхности до и после имплантации и высокотемпературного отжига Поверхность Si. C до имплантации После имплантации и 30 сек термообработки при 1750 С Размах высот поверхности (шероховатость) увеличивается более чем в 10 раз

Кафедра 67 Качество кристаллич. решетки, Q Качество кристаллической структуры после «статического» отжига 1 – 1600 ºС 2 – 1700 ºС 3 – 1750 ºС 4 – 1800 ºС Доза имплантации, мк. Кл/см 2 Q - отношение интенсивности какого-либо выбранного на картине дифракционного каналирования «рефлекса» к соответствующей величине, измеренной на необлученном участке образца: Q=1 соответствует совершенному кристаллу Q=0 – аморфному веществу

Кафедра 67 Аморфизация поверхности при ионном легировании и высокотемпературной обработке Поперечное сечения 4 H-Si. C CVD слоя с ND 0 = 1· 1015 см-3, ионно-легированного алюминием дозой 5· 1016 см-2 с энергией 100 кэ. В до (А) и после отжига при температуре 1700 ºС в течение 15 секунд (В, С). (А): 1 – аморфная структура, 2 – монокристалл. (В): 1 – поликристалл, 2 – монокристалл. (С): 2 – монокристалл, 3 – дефектная область [Е. В. Калинина. Дисс. д-р. -физ. -мат. наук. 2009 г].

Кафедра 67 Выводы 1. Преимущество ионной имплантации заключается в прецизионном контроле вводимой примеси, возможного введения любого элемента в подложку и получения необходимого профиля легирования 2. При ионном легировании образуются радиационные дефекты. Количество дефектов снижается при высокотемпературной обработке 3. При расчете профиля внедренной примеси необходимо рассматривать механизмы упругого и неупругого взаимодействия 4. Метод Монте-Карло является одним из наиболее перспективных методов расчета профиля концентрации ионно-легированной примеси 5. При использовании программного пакета TRIM для анализа профиля концентрации внедренной примеси необходимо учитывать максимальную растворимость имплантируемого элемента в подложке, а также коэффициент его активации 6. Качество кристаллической структуры поверхности обратно пропорционально энергии и дозе вводимых ионов и прямо пропорционально температуре отжига