Скачать презентацию КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗДЕЛИЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ Скачать презентацию КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗДЕЛИЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ

Лекция 28 (Ионное легирование).ppt

  • Количество слайдов: 37

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗДЕЛИЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗДЕЛИЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ

Основные определения Ионной имплантацией называют процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной Основные определения Ионной имплантацией называют процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области (от единиц кэ. В до единиц Мэ. В). Ионное легирование – процесс, состоящий из двух элементарных операций: ионной имплантации и термической обработки, необходимой для устранения дефектов кристаллической структуры и создания области с заданным законом распределения легирующей примеси. 2

Имплантация Метод ионного внедрения На поверхность монокристалла кремния направляют пучок ионов примеси, имеющих высокую Имплантация Метод ионного внедрения На поверхность монокристалла кремния направляют пучок ионов примеси, имеющих высокую скорость. Ионы проникают в толщину кристалла, взаимодействуют с атомами решетки, замедляются и останавливаются. Диффузия дает возможность регулировать концентрации примеси в кремнии между ее поверхностью и глубиной около 25 мкм. Ионная имплантация дает возможность более точно управлять процессом за счет более широкого выбора граничных условий, но лишь на глубину 0, 05 мкм. , т. е. это два дополняющих друга метода.

Преимущества ионной имплантации 1. -Профиль примеси можно точно регулировать стадартными способами. -Возможности управления процессом Преимущества ионной имплантации 1. -Профиль примеси можно точно регулировать стадартными способами. -Возможности управления процессом определяются не свойствами подложки, а оборудованием для внедрения. -Слой примеси может быть уложен под поверхность полностью. -Слой с небольшой глубиной залегания можно внедрять до внедрения слоя другого типа с большей глубиной залегания. -Возможность использовать в качестве примесей широкий набор элементов. 2. -Ионы входят в подложку вертикальн с малым боковым отклонением т. е. отсутствует уход примеси в сторон, что позволяет уменьшить размеры и увеличить плотность упаковки. 3. -Процесс низкотемпературный.

Недостатки 1. Можно получать только неглубокие профили. 2. По пути внедрения иона возникают повреждения Недостатки 1. Можно получать только неглубокие профили. 2. По пути внедрения иона возникают повреждения кристаллической решетки кремния, которые удаляют отжигом при температуре 450 -1000 град. С. 3. Сложность и дороговизна оборудования для имплантации.

Переход, образованный в результате ионного легирования Переход, образованный в результате ионного легирования

Пробег иона в твёрдом теле Ион, внедренный в твёрдое тело, многократно сталкивается с электронами Пробег иона в твёрдом теле Ион, внедренный в твёрдое тело, многократно сталкивается с электронами и атомами мишени, теряет свою энергию и останавливается. Результатомэтих столновений является образование точечных дефектов в мишени и даже областей с аморфным разупорядоченным строением. 7

Схематическое изображение длины пробега R – общая траектория иона (длина пробега); Rp – проецированная Схематическое изображение длины пробега R – общая траектория иона (длина пробега); Rp – проецированная длина пробега; ΔRp–рассеяние величины проецированного пробега; ΔR - боковое рассеяние. 8

Теория ионного торможения Длина пробега определяется по теории Линдхарда, Шарфа, Шиотта (ЛШШ). Механизмы потери Теория ионного торможения Длина пробега определяется по теории Линдхарда, Шарфа, Шиотта (ЛШШ). Механизмы потери энергии ионов являются независимыми и аддитивными: - суммарная потеря энергии на единицу длины; - потеря энергии за счет ядерного торможения; - потеря энергии за счет электронного торможения; 9

Полная длина пробега N – плотность атомов мишени; S(E) – степень торможения; Е – Полная длина пробега N – плотность атомов мишени; S(E) – степень торможения; Е – первоначальная энергия иона. Энергия, передаваемая ионом: Е 1, М 1, – энергия и масса падающего иона, соответственно, М 2 –масса атома мишени, θ=180°-угол рассеяния. 10

Ядерное торможение ионов (*) В теории ЛШШ интегрирование уравнения (*) проводится с использованием безразмерных Ядерное торможение ионов (*) В теории ЛШШ интегрирование уравнения (*) проводится с использованием безразмерных переменных -длина экранирования, a 0 – радиус Бора, Z 1 и Z 2 атомный номер падающего иона и материала мишени соответственно 11

Электронное торможение ионов Коэффициент kе является относительно слабой функцией параметров Z 1, Z 2, Электронное торможение ионов Коэффициент kе является относительно слабой функцией параметров Z 1, Z 2, M 1 и М 2 12

Зависимости d. E/dx для B, P и As 13 Зависимости d. E/dx для B, P и As 13

Характерные особенности ядерного и электронного торможения Универсальная потеря энергии, обусловленная ядерным торможением, зависит от Характерные особенности ядерного и электронного торможения Универсальная потеря энергии, обусловленная ядерным торможением, зависит от Z 1, Z 2, M 1, M 2 или N. В общем случае она относительно мала при высокой энергии ионов. При средних энергиях ионов она повышается, а для самых низких энергий ионов – опять уменьшается. Зависимость потери энергии за счет электронного торможения носит монотонный характер. 14

Зависимости Rp ионов B, P и As от величины энергии в кремнии и Si. Зависимости Rp ионов B, P и As от величины энергии в кремнии и Si. O 2 15

Зависимости рассеяния ΔRp и ΔRp от энергии ионов B, P и As 16 Зависимости рассеяния ΔRp и ΔRp от энергии ионов B, P и As 16

РРаспределение пробегов ионов ННа практике для оценки профилей легирования используют Гауссово распределение в приближении РРаспределение пробегов ионов ННа практике для оценки профилей легирования используют Гауссово распределение в приближении двух параметров: Н дозой облучения Сs – поверхностная плотность внедренных ионов, определяемая : q – элементарный заряд, l – кратность ионизации 17

Распределение Пирсона Дает наиболее точное описание профилей распределения имплантированных ионов. Учитывает четыре параметра: Rp, Распределение Пирсона Дает наиболее точное описание профилей распределения имплантированных ионов. Учитывает четыре параметра: Rp, ΔRp, а также несимметричность γ и затухание β. 18

Сравнительные результаты расчетов эксперимента 19 Сравнительные результаты расчетов эксперимента 19

Эффект каналирования Заключается в беспрепятственном проникновении ионов по каналам, образуемым плоскостями кристаллической решетки. Проекция Эффект каналирования Заключается в беспрепятственном проникновении ионов по каналам, образуемым плоскостями кристаллической решетки. Проекция структуры кремния на плоскость (110) 20

Движение иона вдоль канала Ион нацелен на лобовой удар с атомом мишени, однако на Движение иона вдоль канала Ион нацелен на лобовой удар с атомом мишени, однако на него действует вся цепочка атомов. В результате столкновения не происходит. Ион меняет траекторию и движется между цепочками атомов на значительное расстояние. Он постепенно теряет энергию за счет слабых скользящих столкновений со стенками канала и в конце концов покидает канал. 21

Распределение примеси при каналировании 1 – распределение при умеренных дозах легирования; 2 – распределение Распределение примеси при каналировании 1 – распределение при умеренных дозах легирования; 2 – распределение при больших дозах легирования. 22

Критический угол Существует критический угол ψ при превышении которого прохождение атомов по каналу прекращается: Критический угол Существует критический угол ψ при превышении которого прохождение атомов по каналу прекращается: 23

Значения критических углов для различных типов примеси Ионы B N P As Энергия, кэ. Значения критических углов для различных типов примеси Ионы B N P As Энергия, кэ. В 30 50 Ψкрит , град <110> <111> <100> 4, 2 3, 5 3, 3 3, 7 3, 2 2, 9 4, 5 3, 8 3, 5 4, 0 3, 4 3, 0 5, 2 4, 3 4, 0 4, 5 3, 8 3, 5 5, 9 5, 0 4, 5 5, 2 4, 4 4, 0 24

Радиационные повреждения В результате столкновений иона с кристаллической решеткой он передает энергию атомам и Радиационные повреждения В результате столкновений иона с кристаллической решеткой он передает энергию атомам и смещает их. При этом атом может оказаться в междоузельном положении, т. е. возникают точечные дефекты, которые могут переходить в линейные и даже в объемные. При дозах более 1016 см-2 наблюдается появление аморфизированных областей. Дефекты, образованные при ионной имплантации называют радиационными. 25

Схема распределения внедренных ионов в кристалле. • А – область, в которой распределение имеет Схема распределения внедренных ионов в кристалле. • А – область, в которой распределение имеет такой же вид, как и в аморфной мишени. • Б – область деканалирования. • В – распределение атомов, создаваемое каналированием.

Коэффициент использования примеси Ион в процессе внедрения в твердое тело может остановиться в любом Коэффициент использования примеси Ион в процессе внедрения в твердое тело может остановиться в любом месте(узле или междоузлии). Поэтому число носителей заряда будет меньше, чем число внедренных ионов. Данное несоответствие характеризуется коэффициентом использования примеси: np – концентрация дырок в инверсном слое; CD – концентрация доноров в исходной структуре; СА – концентрация введенной примеси. 27

Термический отжиг структур после ИИ Осуществляется в вакууме либо среде азота после ионной имплантации. Термический отжиг структур после ИИ Осуществляется в вакууме либо среде азота после ионной имплантации. Различают 3 вида отжига: 1. Низкотемпературный (T=400 – 700 °C) - происходит активация примеси и увеличение Ки; 2. Высокотемпературный (Т=700 – 1000 °С) восстанавливается кристаллическая структура; – 3. Разгонка примеси (Т>1000 °С) – достигается получение желаемого профиля. 28

Схема установки ИИ 1 – источник ионов, 2 – масс–сепаратор, 3 – диафрагма, 4 Схема установки ИИ 1 – источник ионов, 2 – масс–сепаратор, 3 – диафрагма, 4 – источник высокого напряжения, 5 – ускоряющая трубка, 6 –линзы, 7 – источник питания линз, 8 – система отклонения луча по вертикали и система отключения луча, 9 – система отклонения луча по горизонтали, 10 – мишень для поглощения нейтральных частиц, 11 – 29 подложка

Маски для ИИ При нормальном падении ионного луча размер легированной области точно определяется размером Маски для ИИ При нормальном падении ионного луча размер легированной области точно определяется размером маски. В качестве масок для ионной имплантации могут служить любые материалы, используемые в технологии ИИЭ (фоторезист, нитриды, оксиды, поликремний и др. ) Во избежание загрязнений поверхности кремния вследствие полимеризации углеводородов ионную имплантацию проводят через тонкую оксидную пленку (толщиной до 0, 15 мкм), которую затем удаляют. 30

Примеры использования масок Маска из оксида кремния Маска из фоторезиста Маска из поликристаллического кремния Примеры использования масок Маска из оксида кремния Маска из фоторезиста Маска из поликристаллического кремния 31

Профиль имплантированных ионов C(x) – плотность распределения по глубине подложки на большом расстоянии от Профиль имплантированных ионов C(x) – плотность распределения по глубине подложки на большом расстоянии от края маски. 32

Образование боковых профилей распределения имплантированной примеси Тип примеси – бор; Энергия – 70 кэ. Образование боковых профилей распределения имплантированной примеси Тип примеси – бор; Энергия – 70 кэ. В; Rp = 271 нм; ΔRp = 82, 4 нм; ΔR | = 100, 6 нм. 33

Достоинства ионного легирования Метод позволяет: 1. точно и воспроизводимо дозировать внедряемую примесь за счет Достоинства ионного легирования Метод позволяет: 1. точно и воспроизводимо дозировать внедряемую примесь за счет контроля дозы облучения; 2. получать высокую точность глубины залегания p-nпереходов (до 0, 02 мкм); 3. осуществлять процесс быстро (за несколькоминут)с высокой производительностью при групповой загрузке установки; 4. создавать практически любые профили распределения за счет ступенчатого легирования (изменения энергии и (или) типа легирующего элемента); 5. формировать скрытые легированные слои; 6. совмещать процесс в единой технологической установке с другими элионными процессами (ионно-плазменным осаждением, ионным травлением, МЛЭ и др. ) 34

Недостатки ионного легирования 1. Необходим отжиг пластин для восстановлеления нарушенной структуры и активации примеси; Недостатки ионного легирования 1. Необходим отжиг пластин для восстановлеления нарушенной структуры и активации примеси; 2. Трудно воспроизводимы глубокие легированные слои; 3. Оборудование ионно-лучевых установок сложно, что обусловлено нелобходимостью применения высокого вакуума (~10 -4 Па) и высоких напряжений, а также устройств подготовки примеси (ионных источников, масс-сепаратора); 4. Обработка больших пластин затрудняется из -за расфокусировки при больших отклонениях луча 35

 • Синтез вещества с помощью легирования При легировании Ga. As ионами P и • Синтез вещества с помощью легирования При легировании Ga. As ионами P и Al можно получить сложные соединения типа Ga. As. P и Ga. Al. As. Ga. As – это основной материал фотодиодов. Для того чтобы спектр излучения сместить в видимую область необходимо использовать Ga. As. P, являющийся сложным кристаллическим веществом состоящим Ga. As и Ga. P или Ga. Al. As, состоящий из Ga. As и Al. As. На рисунке показана зависимость ширины запрещенной зоны от концентрации Если после образования соединения Ga. As. P образец облучать светом со стороны легированного P слоя, то максимальный фототок будет при длине волны света 0, 65 мкм, при облучении с обратной стороны максимальный фототок наблюдается при длине волны 0, 89 мкм.

Распределение примеси при различных процессах Эпитаксия имплантация Диффузия Ионная 37 Распределение примеси при различных процессах Эпитаксия имплантация Диффузия Ионная 37