легирование методом ионной имплантации final

Легирование методом ионной

имплантации

Легирование методом ионной имплантации

Достоинства ионной имплантации:1 Возможность точно и многократно дозировать внедряемую примесь за счет контроля ионного тока пучка и времени облучения;

2 Высокая точность глубины залегания p-n перехода (до 0,02 мкм);

3 Высокая производительность при групповой загрузке за счет низкой температуры;

4 Возможно создавать любые профили распределения за счет ступенчатого легирования;

5 Можно формировать скрытые легированные слои;

6 Можно совмещать в одной установке ионно-плазменное осаждение, ионное травление и ионное легирование.


Недостатки ионной имплантации:

1 Необходим отжиг при температуре до 800˚С для восстановления нарушенной структуры и перевода примеси в активное состояние;

2 Трудно воспроизводимы глубокие легированные области;

3 Сложное оборудование;

4 Затруднена обработка пластин больших диаметров из-за расфокусировки при больших отклонениях луча.


Физические основы процесса.

Ионизирующая примесь, внедряясь в решетку, теряет энергию за счет взаимодействия двух видов:1 с электронами (электронное торможение);2 атомами полупроводника и примесей (ядерное торможение).Совокупная траектория электрона до торможения имеет вид ломаной линии и носит случайный характер. Практическое значение имеет проекция этой линии на направление первичного ионного луча, распределение которой характеризуется средней длиной пробега Rp и средним квадратичным отклонением ΔRp.


N-концентрация атомов в подложке ,см-3

Sn-поперечные сечения ядерного торможения ,ЭВ*см2

Se-поперечные сечения электронного торможения ,ЭВ*см2

Средний полный пробег иона с начальной энергией E0

Пробег иона в мишени

0

0

1E

n e

dER

N S S

15 1 2 1

2/3 2/3 1/ 2

1 2 1 2

*2.8*10 * *

( )n

Z Z AS

Z Z A A

17 1/ 2 1/ 21 2

1/ 2

1

3.25*10e

Z ZS E kE

A


Сечения ядерного (Sn) и электронного (Se) торможения ионов в твердом теле

Sn

SeSn, Se

E1/2E1 E2 E3

E1>E2>>E3

эВ*см2

Примесь Е1,кэВ Е2,кэВ Е3,кэВ

В 3 17 3*103

Р 17 140 3*104


Пробег ионов зависит от нескольких факторов:1 энергия иона;2 порядковый номер легирующего элемента;3 порядковый номер материала подложки;4 ориентация подложки относительно падающего луча;5 амплитуды тепловых колебаний атомов решетки, т.е.

температуры.

В результате преобразований получаем:

Это выражение справедливо при разориентации подложки относительно пучка ионов более 7 ˚

2

2ln(1 )e

e n

n

SR S S

Nk S


Профиль залегания примеси

Рассеяние ионов в твердом теле

Связь истинного пробега с проекцией

где b-эмпирическая константа

хRр1Rp2 Rp3

Rp4

M1,E0,Z1

1

1 2

pR M

R M bM


ΔRp – среднее квадратическое отклонение длин пробегов атомов примеси. Равно отношению полуширины при (1/2) Nmax к выражению (2 ln 2) 1/2

Концентрационный профиль примеси

E1 E2

E2>E1

Q=const

Хпер – глубина залегания p-n переходаNисх- исходная концетрация в подложке

х

N(x,t)

Rp

Nmax

ΔRp

N(x,t)

х

Rp1 Rp2

2

22

( , ) *exp2

p

pp

x RQN x t

RRmax2ln /пер p p исхx R R N N

max 1/22p

QN

R

1 2

1 2

2

3p p

M MR R

M M

2

1

1p

RR

Mb

M


источник ионов

ускоритель

масс сепаратор

отклоняющая системаприемная камера с мишеньюна прворотном механизме.

Ионнолучевой ускоритель

где m - масса ионаU - напряжение экстракции в ускорителе (кВ)n - кратность ионизации (=1,2,3)H - напряженность магнитного поля

в сепараторе (А/м)

114,3 /mU

r Hn

r=30-50см


Применение ионного внедрения:

а) Ступенчатое внедрение в несколько этапов с различными энергией и дозой легирования

Гауссовское распределение

E1 Q1

E2 Q2

E3 Q3

N

X

1 2 3

1 2 3

E E E

Q Q Q



б) Радиационно-стимулированная диффузия.Основана на внедрении примеси в результате бомбардировки полупроводника легкими ионами с энергией, достаточной для смещения атомов подложки в межузельное положение и формирования вакансий, которые заполнялись примесными атомами.Поверхностный источник формируется заранее. Затем выполняется облучение ионами электрически неактивных примесей (H, He, N, Ar и др.) либо в процессе термообработки, либо перед ней, ионами высоких энергий (10-100 кЭв), низкоэнергетическими ионами или нейтральными частицами (до 5 кЭв). Глубина проникновение зависит от длительности бомбардировки t, энергии ионов и интенсивности облучения.



в) Пассивация Si.Подогретую поверхность до 500-600 ̊̊ С (что гораздо ниже,чем при традиционном термическом окислении) облучают кислородом или азотом. Стехиометрия может быть достигнута за счет ступенчатого внедрения и последующего отжига.

г) Для получения рисункавнедрение кремния в кремний или азота в кремний.Рисунок получается из-за различной скорости окислениятвердого раствора и остальной поверхности, в зависимости от вида элемента внедрения. Можнополучить как углубление, так и возвышенность наповерхности. Легирование происходит селективно, атравление сплошное, в результате чего и формируетсярисунок на поверхности - рельефное изображение.


Легирование

Окисление

Травление

Si → Si N → Si


Эффект каналирования

Большие пробеги ионов можно получить используя эффект каналированиия. В монокристаллах существуют такие направления, где имеются свободные от атомов каналы, в которых ионы испытывают слабое торможение. При каналировании потери энергии ионов происходит в основном за счет взаимодействия с элекронами. Эффект каналирования полностью исключается при разориентации 7-8˚

φ 2

1 2

02кр

z z e

Ed


При ионной имплантации возникают радиационные дефекты.

Эффект ионного легирования может быть полностью завуалирован дефектами. В результате концентрация свободных носителей в имплантированных областях подложки будет существенно ниже величины которую можно рассчитать, находя из профиля распределения введенных при имплантации примесей. Т.е. лишь незначительный процент имплантированных атомов дает вклад в общее количество свободных носителей заряда. Для восстановления кристаллической структуры необходим отжиг.


Z

Q

Радиационные повреждения решетки

x Rp

1

0,5

Sbz=51

Bz=5

Тяжелые ионы тормозятся за счет столкновения с ядрами (Ядерное торможение)

Легкие ионы тормозятся из-за взаимодействия с электронами

Связь дозы аморфизации с атомным номером иона

Профили распределения дефектов и ионов


Схема установки лазерного отжига

лазер

линза

Зеркало для развертки по оси х

Зеркало для развертки по оси у

Полупроводниковый образец

держатель

Вакуумные насос


Модель лазерного отжигаРаспределение температуры внутри образца описывается уравнением

где х- координата по нормали к поверхностиt- времяF-плотность мощности излучения, поглощенного кремниемǽ- коэффициент теплопроводности (Вт/м*град)γ – плотность кремния (кг/м3)с- удельная теплоемкость (Дж/кг*град)

Граничные и начальные условия:

t=0 T(х,0)=0

х=0 , æ =0

х → T(,t) → 0

Приближенное решение уравнения:

при

где к= æ/ γС

1kt

0 0

0 0

0

0, 1

2*

m

m

t tT t T

t t

F tT

c kt

æ

2

2

T x,t ,x

T x tC F t e

x t

0x

T

x


t

t

Температура поверхности во время отжига

Распределение температуры по глубине в момент отключения лазера

F/F0

T(0,t)Tm

t0

1Tm

T(x,t0)

x, мкм

SiO2 Si

0


Достоинства лазерного отжига1.Возможность строго контролировать пространство, занятое рекристаллизованной областью пластины.2.Возможность управлять глубиной залегания легирующей примеси путем изменения длительности и интенсивности импульса излучения.3.Твердые растворы замещения с уровнем легирования как и в обычных методах получаются вследствие очень высокой скорости рекристаллизации (102-103 см/с) расплавленных приповерхностных областей.4.Устраняются нарушения кристаллической структуры в объеме пластины, т.к. локально нагреваются только приповерхностные области5.Вследствие высокой скорости лазерного отжига исключается необходимость проводить отжиг в вакууме или специальной инертной среде, чтобы предотвратить окисление или загрязнение.

легирование методом ионной имплантации final

Education