МаскированиеПространственное селективное легирование выполняется маскированием. Т.к. имплантация - процесс механический, маскирование достигается использованием экрана соответствующей толщины. Для выбора материала маски при ионной имплантации имеются более широкие возможности, чем в случае диффузии. Окисел SiО2 обладает хорошими маскирующими свойствами, у Si3N4 эти характеристики даже несколько лучше (отметим, что Al имеет параметры, такие же как у Si3N4). Действие фоторезиста (KTER) при обычно используемых толщинах аналогично действию приведенных выше материалов, за исключением способности поглощения высокоэнергетических ионов бора. Каналирование Распределения пробегов в монокристаллических мишенях имеют совершенно другой характер, если пучок ориентирован вдоль кристаллографической оси. В этом случае глубина проникновения может возрастать вследствие каналирования ионов по междоузельным пространствам кристаллической решетки. Угол каналирования Y определяется соотношением (см. рис.8.1) где Y=[(a/d)Y1]1/2, где y=[(2z1z2q2)Ed]1/2 a=0, 05 нм; d - постоянная решетки (0, 35 нм для Si). Значения критических углов влета при разных энергиях и типах ионов для трех основных ориентации кристалла приведены на рис. 8.1 б. В результате каналирования может быть получено несколько типов профилей распределения (рис. 8.1 в). Аморфные пики А¢ и А образуются внедрением в кристалл ионов А¢, падающих на кристалл под произвольным углом, и хорошо сфокусированных ионов А, но претерпевших соударения с атомами рядов решетки на поверхности кристалла. Эти аморфные распределения описываются функцией Гаусса и характеризуются средней проекцией пробега Rp и средним квадратичным отклонением этой величины DRр. Пик каналирования С формируется ионами, траектории которых расположены внутри критического угла влета. Эти ионы теряют энергию за счет столкновений с электронами, каналируются в кристалл и имеют максимальный пробег. Если тормозная способность электронов для данного типа ионов достаточно велика, то пик каналирования выражен более ясно, не все ионы при комнатной температуре имеют пик каналирования. При изготовлении большинства приборов стараются избегать эффекта каналирования из-за того, что его трудно контролировать. Обычно имплантация проводится на пластине, разориентированной относительно направления пучка, для получения аморфного профиля распределения ионов. Например, если угол падения пучка относительно оси < 100> равен 7° - то более 99% ионов тормозятся так, как если бы кремний был аморфным.
Рисунок 8.1 Эффект каналирования: а - траектория движения частиц по каналу; б - критические углы каналирования различных ионов (в градусах); в - разновидности профилей распределения примесей. А - аморфный материал, несориентированный кристалл, пучок, входящий в кристалл под произвольными углами; В - деканалированный пучок, слабо сориентированный кристалл; С - каналированный пучок, хорошо сориентированный кристалл; Д - профиль, соответствующий стимулированию или ускорению диффузий; С¢ - каналированный пучок при относительно слабой ориентации кристалла или плохом каналировании в подложке. Имплантация Подытожим результаты предыдущего анализа. 1. для легких ионов (в) и при высоких энергиях основным механизмом потерь энергии является взаимодействие с электронами, для тяжелых ионов (As, Sb) и при низких энергиях основной вклад в потерю энергии вносят столкновения с ядрами. 2. Распределение ионов в мишени описывается функцией Гаусса как в z, так и x направлениях (см. рис.8.2)
Теория ЛШШ позволяет рассчитывать величины Rp и DRp для любых ионов и произвольной подложки. Отклонения от распределения Гаусса обычно связаны с остаточным эффектом каналирования, стимулированием диффузии во время отжига и возникновением повреждений (рис. 8.2).
Рисунок 8.2 Распределение имплантированных ионов в продольном (z) и поперечном (x) направлениях.
Повреждения Пробег ионов определяется взаимодействием ионов, как с электронами, так и ядрами. Однако, рассматривая радиационные повреждения, следует учитывать только столкновения с атомами или ядрами мишени, т.к. лишь в этом случае атомам мишени передается достаточное количество энергии. В кристаллической решетке энергия связи атомов равна Еd. для образования дефекта необходимо, чтобы передаваемая энергия Еперед была больше или равна Еd. Тяжелые ионы (Sb, As) тормозятся в основном за счет столкновений с ядрами, поэтому они вызывают появление большего числа дефектов, чем В или Р, торможение которых происходит главным образом из-за взаимодействия с электронами. Вклад ядерного торможения особенно значителен при малых энергиях, поэтому можно ожидать, что большинство повреждений, вносимых бором, будет локализовано в конце длины пробега ионов. Тяжелые ионы (Sb, As). Тяжелые ионы тормозятся в основном за счет ядерных столкновений (Ес> 500 кэВ для Sb, As и Ес»200 кэВ для Р), поэтому можно ожидать значительных повреждений при их имплантации. Возникающую типичную ситуацию легко понять, рассматривая образование дефектов ионами Sb с энергией 100 кэВ, потеря энергии которых за счет столкновений с ядрами и составляет 2 кэВ/нм по всему пути внутри кристалла. Т.к. расстояние между атомными плоскостями в решетке кремния составляет около 0, 25 нм, то ион Sb в среднем теряет примерно 500 эВ на каждую плоскость решетки. Основная часть этой энергии передается атомам отдачи кремния, причем средняя энергия атомов отдачи приближается к 500 эВ. такие атомы имеют пробег около 2, 5 нм. Для сравнения отметим, что пробег ионов Sb с энергий 100 кэВ составляет 50 нм, т.е. всего в 20 раз превышает пробег атомов отдачи кремния. Каскад последующих столкновений первоначально выбитого атома вызывает дополнительное смещение около 15 атомов мишени, т.к. общее число атомов отдачи для тяжелых ионов примерно равно E/2Ed, где х Ed - энергия связи атомов решетки (около 15 эВ для Si). Общий объем области повреждения VD=p(2, 5 нм)2. 50 нм (рис. 8.3). Внутри этого объема в каждой плоскости решетки кремния находится около 15 смещенных атомов, т.е. всего имеет место около 3000 смещений. Средняя плотность вакансий 3000/VD»3х1021 см-3, что составляет примерно 10% общего числа атомов в объеме VD. Вследствие этого поверхность материала после ионной имплантации становится аморфной. Легкие ионы (В). В этом случае большая часть энергии теряется при взаимодействиях с электронами, которые не приводят к возникновению повреждений. Поэтому в основном дефекты возникают в конце пробега, где начинают преобладать столкновения с ядрами. Для бора Ec»10 кэВ, поэтому большинство повреждений образуется в массе остановки иона. Например, ион бора с энергией 100 кэВ имеет проекцию пробега Rp»340 нм, что соответствует появлению 500 смещений или вакансий на последние 170 нм пробега и около 200 смещений на первые 170 нм пробега. Средняя плотность дефектов в объеме (VD»1, 6х10-18см3), где сосредоточено 500 смещенных атомов, составляет 500/VD»3х1020 см-3, т.е. меньше 1% общего количества атомов, поэтому для перевода материала в аморфное состояние в этом случае требуются большие дозы.
Рисунок 8.3 Структура дефектных областей Формирование аморфного слоя. Для образования аморфного материала требуются затраты энергии около 1021 кэВ/см3, т.е. столько же, сколько и при плавлении. Для вычисления полной дозы, превращающей кристалл в аморфный материал, рассмотрим результаты торможения тяжелого иона Sb с энергией 100 кэВ и проекцией пробега 50 нм. Для этого случая кремний перейдет в аморфное состояние при
Для ионов бора с энергией 100 кэВ, имеющих Rр»330 нм, D»1021(3, 3х10-5)=3, 3х1014 см-2. На практике при имплантации легких ионов требуются еще большие суммарные потоки, т.к. дефекты в этом случае распределены вдоль траектории иона неравномерно. Профили распределения дефектов. В первом приближении профиль распределения дефектов можно считать близким к распределению Гаусса. Обычно центр распределения дефектов находится на глубине, меньшей, чем центр распределения пробегов ионов. Основные характеристики профиля распределения дефектов могут быть получены, исходя из теории ЛШШ. Например, для бора МSi/Мв=12/5=2, 4. Используя таблицы Зигмунда-Сандерса, можно получить распределение дефектов с учетом того, что < z> D=RD, < Dz> D=DRD Средняя глубина возникновения дефектов определяется как отношение величин, находящихся во вторых столбцах этих таблиц, таким образом < z> D=(0, 22/0, 26)Rр»0, 8RD (8.27) Среднее квадратичное отклонение в распределении дефектов равно отношению величин третьих столбцов этих таблиц: < Dz> D=0, 75(DRр) (8.28) Соотношения (8.27) и (8.28) позволяют полностью описать распределение дефектов по глубине. Расположение имплантированных ионов. При небольших дозах ионы занимают места в решетке кристалла, т.е. становятся примесями замещения, обладающими электрической активностью. При больших дозах большинство ионов останавливаются в междоузлиях и электрически нейтральны, в частности, при имплантации бора имеется большой процент междоузельных ионов, не обладающих электрической активностью. Радиационно-стимулированная диффузия Диффузия всех примесей, используемых при изготовлении кремниевых приборов, осуществляется вакансионным или междоузельным механизмов. Вследствие этого процесс диффузии является чувствительным к концентрации вакансий может существенно изменяться при появлении дополнительных вакансий. Одним из возможных путей создания вакансий является смещение атомов при ядерных столкновениях во время ионной имплантации. Этот механизм известен как радиационно-стимулированная диффузия. Из теории следует, что коэффициент стимулирования самодиффузии при низких температурах и больших дозах зависит от потока как корень квадратный из потока Ds~k(поток)1/2. При малых потоках эта зависимость имеет линейный характер: Ds~k¢ (поток). Эффект атомов отдачи Столкновения с ядрами приводят не только к образованию радиационных дефектов в материале мишени, в результате чего возникает радиационно-стимулированная диффузия, но и у изменению распределения примесей за счет введения дополнительных атомов, выбиваемых из поверхностных слоев (рис. 8.4).
Рисунок 8.4 Возникновение ядер отдачи Этот эффект имеет место, когда поверхность кремниевой пластины покрыта диэлектрическое пленкой, используемой для селективного легирования. Общее число атомов отдачи, выбиваемых из поверхностной пленки и достигающих кремниевой подложки, зависит от типа бомбардирующих ионов, их энергии (Е0), состава атомов пленки и толщины пленки (W). Распределение атомов отдачи по глубине кремния в структуре окисел-кремний (рис. 8.4) описывается соотношением
где В - коэффициент, зависящий от свойств атомов пленки и бомбардирующих ионов, W0- эмпирический коэффициент, характеризующий образование каскадов столкновений. Распределения атомов отдачи, пробега ионов и дефектов является важнейшими параметрами, которые необходимо учитывать при проектировании приборов с использованием ионной имплантации. Вычисления, выполненные на основе теории ЛШШ, позволяют с удовлетворительной точностью описать распределения имплантированных ионов и дефектов в полубесконечной полупроводниковой подложке. Однако на практике имплантация проводится в подложку, покрытую одной или несколькими тонкими пленками. В этих случаях необходимо учитывать пространственное распределение не только имплантируемых ионов, но и атомов отдачи, выбиваемых из каждого слоя. Более точные оценки распределения исходных ионов и пробега атомов отдачи, изменений потерь энергии, а также углового распределения атомов по энергиям могут быть выполнены численным интегрированием обобщенного уравнения Больцмана. Максимальная концентрация имплантированных ионов Одно из основных преимуществ ионной имплантации состоит в точном контроле числа имплантированных ионов, выполняемом на внешнем пучке. Однако при больших дозах это преимущество теряется вследствие распыления мишени. Максимально достижимая концентрация вводимых примесей определяется в пределе распылением или эрозией имплантируемой поверхности, т.к. во время имплантации энергия падающих ионов передается материалу мишени, в результате чего атомы могут покидать поверхность. При дозе 1017 ион/см2 (около 100 монослоев) возможно удаление 100-1000 атомных слоев материала мишени, что соответствует изменению ее толщины на 50-500 нм. Таким образом, во время имплантации результирующий профиль определяется распылением или эрозией как материала мишени, так и имплантированных ионов, простейшая оценка дает, что концентрация имплантированных примесей пропорциональна 1/S, где S - скорость распыления подложки. Эксперименты по распылению сложных соединений показали, что максимальная концентрация имплантированных ионов определяется главным образом эффект «приоритетного» распыления. Этот эффект, характеризующийся параметром t, приводит к уменьшению концентрации легких атомов на поверхности мишени, В соответствии с этой моделью максимальная концентрация ионов пропорциональна t/S, где S - полная скорость распыления мишени, t - фактор «приоритета» распыления 1/2< t< 2). Т.к. легкие элементы распыляются в первую очередь, то концентрация тяжелых элементов в подложке оказывается большей по сравнению с концентрацией легких элементов. Примеры практического использования Техника загонки и разгонки, используемая при обычном диффузионном легировании, приводит к «автоматической» пассивации перехода слоем SiO2 (рис. 8.5), однако за ионной имплантацией должен следовать процесс окисления. Биполярные приборы. При изготовлении биполярных приборов большие дозы имплантируемых ионов используются для формирования скрытых слоев, эмиттера и приконтактных областей баз, тогда как малые и средние дозы применяются для легирования активных базовых областей и изготовления резисторов.
Рисунок 8.5 Пассивация перехода: а - выращивание окисла; б - диффузия; в - вторичное окисление; г - металлизация
Рисунок 8.6 Формирование скрытого слоя: а - имплантация Аs (1015-1016 см-3); б - отжиг и окисление; в - удаление окисла и выращивание эпитаксиального слоя На рис. 8.6 в качестве примера показано формирование из мышьяка скрытого слоя с низким сопротивлением под высококачественной эпитаксиальной пленкой. В этом случае имплантирование большой дозы мышьяка может осуществляться через окно в окисле. Во время высокотемпературной разгонки и операции окисления происходит отжиг. Наиболее интенсивно окисляются предварительно облученные области кремния, что способствует удалению дефектов, свойственных имплантации с большими дозами, и позволяет выращивать высококачественную эпитаксиальную пленку на скрытом слое. Описанная методика дает возможность получать поверхностное сопротивление менее 10 Ом/ð. МОП-приборы. Впервые ионная имплантация в широких масштабах была использована при изготовлении МОП-приборов, причем эта область применения непрерывно расширяется, возможность введения небольшого, строго контролируемого количества примесей в приповерхностные области имеет очень широкую сферу применения, в МОП-приборах ионная имплантация чаще всего используется для управления пороговым напряжением. Корректировка порогового напряжения путем внедрения небольшой дозы в подзатворную область границы раздела окисел - подложка была первым таким применением и широко используется до сих пор. На рис. 8.7 приведены некоторые данные для МОП-транзистора с р-каналом, в котором имплантация бора осуществляется через затворный окисел, с тем чтобы максимум распределения приходился на границу раздела и примерно 50% примесных атомов внедрялись в кремний. В идеальном случае поверхностный заряд, расположенный правее границы раздела, и пороговое напряжение изменяются линейно с дозой.
Резисторы. Резисторы, созданные с использованием имплантации ионов, могут применяться как при изготовлении интегральных микросхем, так и для создания монолитных прецизионных резистивных цепей. Как и в предыдущих случаях, это связано с возможностью точного контроля количества атомов примеси (получение высоких удельных поверхностных сопротивлений с хорошей воспроизводимостью диффузионным способом крайне затруднено). Как показано в таблице 8.1, где приведены данные для резисторов, легированных бором, возможно изменение проводимости в очень широких пределах. Таблица 8.1 Свойства резисторов, легированных бором
Удельное поверхностное сопротивление может изменяться от значения, меньшего, чем 100 Ом/ð, до нескольких килоом на квадрат, хотя для очень больших удельных поверхностных сопротивлений затруднен контроль их величины вследствие влияния поверхности. Очень важной характеристикой является температурный коэффициент сопротивления (ТКС). При полном отжиге после имплантации ТКС положителен и имеет большую величину при малых дозах (последний столбец в таблице). Низкая температура отжига вследствие структурных нарушений и эффектов легирования может привести к отрицательным значениям ТКС, за исключением случая очень малых доз. При некоторых условиях отжига ТКС становится равным нулю вследствие неполного отжига дефектов (см. четвертый столбец в табл.). Этот неполный отжиг используется при изготовлении прецизионных резистивных цепей, имеющих высокую стабильность в заданном температурном диапазоне. В третьем столбце табл. представлен диапазон изменения ТКС для отжига при температурах 400-950°С. Для всех доз, за исключением очень малых, значение ТКС сначала отрицательно, затем проходит через нуль, достигает максимума при 600-700°С, после чего уменьшается, стремясь к предельной величине, соответствующей 950°С. Эта предельная величина характерна для глубокого отжига, когда влияние дефектов полностью устраняется.
|
(8.26)
