Понятие о технологии ионного легирования

При внедрении в мишень быстрые ионы в результате столкновений с атомными ядрами и электронами теряют свою энергию и останавливаются. Длина пути ионов от поверхности мишени (точка 0) до точки внедрения называется длиной пробега R, а ее проекция на направление первоначального движения – проекцией пробега R_p, которая является экспериментально определяемой величиной.

 

Распределение пробега ионов в аморфном теле зависит главным образом от их энергии и атомной массы, а также вещества мишени. Для монокристаллических мишеней на распределение пробега влияет ориентация их граней относительно пучка ионов и наличие эффекта каналирования – движение ионов по каналам, образованным атомными плоскостями.

При движении ионов в твердом теле внедряемые в подложку ионы меняют направление своего движения из-за столкновений с атомами мишени, которые могут покидать свои первоначальные положения в узлах кристаллической решетки. В результате вдоль траектории внедренных ионов образуются многочисленные вакансии и междоузельные атомы. Возникают целые области, в которых нарушена кристаллическая решетка, вплоть до перехода монокристалла в аморфное состояние. При этом обычно оценивают два вида потерь энергии ионами – в результате взаимодействия их с электронами (как связанными, так и свободными) и ядрами. Ядерное торможение более существенно при малых энергиях, электронное торможение преобладает при высоких энергиях ионов.

А – область, в которой распределение имеет такой же вид, как и в аморфной мишени.

Б – область деканалирования.

В – распределение атомов, создаваемое каналированием.

При точной ориен­тации направления падения пучка ионов вдоль одной из кристал­лографических осей пластины полупроводника— (11О) или (111) — часть ионов движется вдоль атомных рядов, между которыми имеются достаточно широкие каналы, свободные от атомов. Это явление называют каналированием. Попав в канал, ионы испы­тывают менее сильное торможение и проникают и несколько раз глубже, чем в случае неориентированного внедрения.

Внедряя ионы III и V групп в монокристалл кремния можно получить p-n-переход в любом месте, на любой площади. Используя ионы высокой энергии в результате их глубокого проникновения в кремний n-типа можно получить скрытую область p-типа и, наоборот в p-кремнии создать скрытую область n-типа.

 

Низкая энергия Высокая энергия

Переход, образованный в результате ионного легирования.

 

Основное преимущество метода ионного легирования перед диффузией – это свобода выбора легирующей примеси независимо от вида полупроводникового материала, так как при ионном легировании нет необходимости учитывать степень растворимости примесей и коэффициент диффузии.

Преимущества ионной имплантации по сравнению с термической диффузией примеси сводятся к следующему:

1. Процесс не требует нагрева пластин и, следовательно, не приводит к изменению параметров ранее сформированных слоёв (за счёт диффузионной разгонки).
2. Так как ионный пучок перпендикулярен к пластине, размеры легированной области точно соответствуют размерам окна в оксидной маске.
3. Количество введённой примеси точно дозируется (контролируется в процессе облучения).

 

 

Длина пробега ионов

Глубина проникновения нона в вещество характеризуется пробегом. Траектории отдельных ионов в кристалле подобны ломаным линиям, каждый прямолинейный участок и полная длина которых отличаются друг от друга. Вся совокупность пробегов отдельных ионов группируется по закону нормального распределения случайной величины со значением среднего полного пробега R и среднеквадратичным отклонением пробега ∆R. Практическую важность имеет средний нормальный пробег R_p — проекция траектории среднего полного пробега на направление первоначальной скорости иона и его среднеквадратич­ное отклонение ∆R_р.

 

Длинна пробега внедренных ионов:

R – средний полный пробег;

R_р –средний нормальный пробег

К механизмам потери энергии внедряемыми ионами можно отнести взаимодействие между внедряемыми ионами и электронами мишени (неупругие столкновения), а также упругие столкновения внедряемых ионов с ядрами атомов мишени. Если энергия ионов относительно мала, они теряют ее при упругом столкновении с ядрами мишени, а если энергия велика – при взаимодействии с электронами. С увеличением массы внедряемых ионов потери энергии за счет столкновений с ядрами возрастают.

Для расчета среднего полного пробега R (см) иона с энергией Е (эВ) используют формулы, в которых энергия и пробег выражены в безразмерных единицах ε и ρ соответст­венно:

Параметры распределения пробегов R_p и ∆R_p зависят от энергии ионов Е, а также от эффективного диаметра атома примеси (иначе говоря от порядкового номера z в периодической системе элементов). Чем выше Е и меньше z, тем больше R_p и ∆R_p.

На практике очень сложно обеспечить необходимую точность ориентирования. В результате имеет место неориентированное внедрение, когда падение ионов происходит под углом больше «критического».

Периодичность решетки кристалла не сказывается, ионы движутся хаотично и теряют свою энергию при взаимодействии с атомами решетки, характер распределения концентрации ионов примеси описывается функцией Гаусса:

где: N – доза облучения (ион/м2) и определяется как:

N = jt/ne

j –плотность ионного тока, А/м2; t -длительность облучения,

час; n -(1-3) кратность ионизации иона; e - заряд электрона.