Реферат
«Дослідження процесів іонного легування напівпровідникових матеріалів»
Зміст
Введення
1. Фізичні особливості процесу іонного легування
2. Аналіз впливу технологічних параметрів на процес іонної імплантації
2.1 Розподіл впроваджених домішкових атомів
2.2 Радіаційні дефекти
2.3 Відпал радіаційних дефектів
3. Схема пристрою для іонної імплантації
4. Можливості математичного моделювання процесу іонної імплантації
4.1 Методи моделювання
Список використаної літератури
Введення
Легування напівпровідника домішками проводиться з метою створення різних приладових структур за рахунок зміни його електрофізичних властивостей: типу електропровідності, питомого опору та інших характеристик.
Реалізовані та потенційні переваги іонного легування дозволяють: здійснювати процес з високою продуктивністю; створювати практично будь-які профілі розподілу за рахунок ступінчастого легування; поєднувати процес легування з іншими технологічними процесами поверхонь обробки кристала; отримувати прецизійне формування профілю напівпровідникових структур. З іншого боку, іонне легування має недоліки і обмеження. Є певні труднощі у проведенні процесу легування, пов'язані з порушеннями, створеними іонним бомбардуванням, і остаточним місцем розташування впроваджених іонів. Як правило, необхідно усунути ці порушення у вигляді зміщених з вузлів кристалічної решітки атомів напівпровідникової мішені і в той же час зробити впроваджені атоми домішки електрично активними. Зазвичай це досягається частковим або повним відпалом. До інших обмежень слід віднести труднощі створення і відтворення глибоких легованих областей, складність обробки великих напівпровідникових пластин через расфокусування при істотних відхиленнях іонних пучків.
Велика кількість регулюючих параметрів процесу іонного легування (доза, тип, енергія іонів, температура і середовище відпалу та ін) дозволяють в широких межах змінювати властивості легованих шарів, але поряд з цим потребують глибокого фізичного розуміння процесів впровадження іонів, їх поведінки в кристалічній решітці, кінетики утворення та усунення радіаційних дефектів, що необхідно для високоякісного технологічного моделювання в кінцевому підсумку ефективної реалізації приладових структур і схем в інтегральному виконанні. [5]
1. Фізичні особливості процесу іонного легування
Процес іонного легування напівпровідника включає дві основні операції: власне впровадження (імплантацію) іонів домішки і відпал радіаційних дефектів.
Іонна імплантація - процес впровадження в твердотільну підкладку іонізованих атомів з енергією достатньою для проникнення їх в приповерхневих області підкладки (від кіло-до мегаелектронвольт).
Найбільш загальним застосуванням іонної імплантації є процес іонного легування матеріалів, так як технологія іонної імплантації дозволяє з високою точністю управляти кількістю легуючої домішки. Іонна імплантація характеризується універсальністю і гнучкістю процесу, що дозволяє отримувати необхідні концентрації домішки у випадках, коли інші методи неприйнятні (легування бором і фосфором в алмазах). Маски при даному методі легування можуть бути виготовлені з фоторезистів, окислів, нітридів, полікристалічного кремнію та ін Процес іонної імплантації може здійснюватися при низьких температурах (аж до кімнатних), завдяки чому зберігаються вихідні електрофізичні властивості кристалів.
Процес іонного легування полягає в іонізації і прискоренні до великих швидкостей атомів домішки. Ефективна маса іона в 103 - 105 більше маси електрона, тому при заданій енергії іон має імпульс, в 102 - 104 разів перевищує імпульс електрона. Прискорені атоми домішки впроваджуються в кристалічну решітку напівпровідника під впливом набутого імпульсу. Проникаючи в кристалічну решітку, іонізований атом домішки поступово втрачає кінетичну енергію за рахунок взаємодії з електронами і пружних зіткнень з атомами напівпровідника і домішки, тобто в результаті електронного та ядерного гальмування. При точної орієнтації напрямку падіння пучка іонів уздовж однієї із кристалографічних осей пластини напівпровідника, частина іонів рухається уздовж атомних рядів, між якими є досить широкі канали, вільні від атомів. Це явище називають каналювання. Потрапивши в канал, іони відчувають менш сильне гальмування і проникають в кілька разів глибше, ніж у випадку неорієнтованого впровадження. Якщо енергія, передана атому решітки, перевищує енергію зв'язку атомів у твердому тілі, то атом залишає вузол. У результаті утворюється дефект.
Після імплантації виробляють відпал, завдання якого - усунути радіаційні порушення і забезпечити електричну активацію впроваджених атомів. [1] [3]
2. Аналіз впливу технологічних параметрів на процес іонної імплантації
На процес іонної імплантації впливають різні фактори такі як маса і енергія іонів, дози опромінення, матеріал мішені, її температура і кристалічна орієнтація, наявності на її поверхні забруднень і т.п.
2.1 Розподіл впроваджених домішкових атомів
При імплантації використовуються три види матеріалів: аморфні, полі-та монокристалічні. Аморфні та полікристалічні матеріали служать в якості масок при імплантації іонів. У монокристалічних матеріалах створюються структури із заданим профілем концентрації домішок.
При впровадженні в мішень швидкі іони в результаті зіткнень з атомними ядрами і електронами втрачають свою енергію і зупиняються. Довжина шляху іонів від поверхні мішені до точки впровадження називається довжиною пробігу R, а її проекція на направлення первинного руху - проекцією пробігу Rp (рисунок 1), яка є експериментально визначається величиною.
Розподіл пробігу іонів в атмосферному тілі залежить головним чином від їх енергії та атомної маси, а також речовини мішені. Для монокристалічних мішеней на розподіл пробігу впливає орієнтація їх граней щодо пучка іонів і наявність ефекту каналювання - рух іонів по каналах, утвореним атомними площинами.
При русі іонів у твердому тілі впроваджувані в підкладку іони змінюють напрямок свого руху з - за зіткнень з атомами мішені, які можуть залишати свої початкові положення у вузлах кристалічної решітки. У результаті вздовж траєкторії впроваджених іонів утворюються численні вакансії і междоузельние атоми. Виникають цілі області, в яких порушена кристалічна решітка, аж до переходу монокристала в аморфний стан. При цьому зазвичай оцінюють два види втрат енергії іонами - в результаті взаємодії їх з електронами (як пов'язаними, так і вільними) і ядрами. У першому наближенні вважається, що обидва види втрат не залежать один від одного і діють одночасно. Ядерне гальмування більш істотно при малих енергіях, електронне гальмування переважає при високих енергіях іонів. Зі збільшенням маси впроваджуваних іонів зростають потоки енергії за рахунок зіткнень з ядрами мішені.
Середнє значення питомих втрат енергії для одного бомбардира іона можна представити у вигляді суми ядерної Sn та електронної Se складових процесу гальмування.
Радіаційні порушення в мішені створюються головним чином при Sn>> Se.Поетому при впровадженні іонів малих енергій радіаційні дефекти утворюються вздовж всієї траєкторії, а за високої енергії іонів - тільки в кінці їх пробігу.
Розподіл пробігів іонів в монокристалічних мішенях відрізняється від їх розподілу в аморфних тим, що в монокристалах напрям падаючого пучка іонів може збігатися з одним з основних кристалографічних напрямків мішені, що пов'язано з ефектом каналювання.
Рух іонів строго по центру каналу малоймовірно. Однак може існувати траєкторія, осцилююча близько осі каналу, якщо імплантовані іони пересуваються за допомогою послідовних легких зіткнень з атомами, що утворюють "стінки" каналу. Така траєкторія руху іонів показана на малюнку 2, де напрямок шляху іона складає кут φ з віссю каналу. Максимальний кут φ, при якому зникає направляюче дію атомів мішені, називається критичним кутом каналювання φкр. Він визначає можливість каналювання.
Якщо припустити, що всі іони ідеально каналіровани, то розподілу концентрації іонів в мішені будуть мати два максимуми: один для неканалірованних іонів, інший для ідеально каналірованних (рисунок 3). У напівпровідникової технології ефект каналювання дає можливість отримувати більш глибокі леговані шари і зменшувати кількість радіаційних порушень.
На зразках кремнію з орієнтацією поверхні (110) щодо пучка, ймовірність каналювання з ростом енергії іонів зростає, а зі збільшенням дози опромінення падає. Збільшення температури мішені викликає деканалювання іонів внаслідок теплових коливань кристалічної решітки (малюнок 3). [1]
2.2 Радіаційні дефекти
При опроміненні твердих тіл іонами, так само як і швидкими частинками (нейтронами, протонами, електронами), утворюються радіаційні дефекти. Це можуть бути або точкові дефекти (вакансії і атоми в міжвузлів, комплекси), або їх скупчення, або лінійні і площинні дефекти типу дислокацій і дефектів упаковки. Цікавим специфічним явищам при опроміненні іонами є аморфізація напівпровідника, тобто повне розупорядкування структури. Від наявності дефектів та їх концентрації залежать багато властивостей напівпровідника. Тому вивчення закономірностей утворення дефектів і їх відпалу важливо для розуміння процесу імплантації, а також для правильного використання цього методу на практиці.
Розглянемо механізм утворення дефектів при бомбардуванні іонами. Стикаючись з атомами мішені, іон передає їм кінетичну енергію. Якщо передана енергія перевищує деяку порогову енергію Еd, атом мішені вибивається з вузла решітки і рухається через кристал. Стикаючись з іншими атомами, він може при підходящої енергії в свою чергу зміщати їх зі своїх місць і т.д. таким чином, первинний іон викликає каскад атомних зіткнень, в результаті якого виникають різноманітні дефекти. Їх повне число і взаємне розташування залежать від характеру розповсюдження каскаду по кристалу. На поширення каскаду впливає структура кристала. Частина рухомих атомів потрапляє в канали решітки, за якими їх рух полегшено. У атомних рядах енергія може передаватися від атома до атома шляхом послідовних зіткнень (фокусування). Уздовж шляху рухомого іона утворюється сильно разупорядкований область (малюнок 4). Розміри і форма цієї області залежать від маси, енергії бомбардирующие іона, маси атомів мішені, її температури структури кристала. При досить високій температурі первинні дефекти, мігруючи по кристалу, можуть частково анігілювати шляхом рекомбінації або виходу на поверхню, а частково об'єднуватися між собою або з вже наявні дефектами і домішками в більш стійкі вторинні дефекти. Остаточний склад дефектів, їх концентрація і розподіл по глибині мішені залежать від чисельності та розподілу спочатку зміщених атомів.
Існуючі теорії дозволяють виробляти оцінки числа зміщених атомів на 1 см2. при не надто великих дозах це число дорівнює ФNd, де Ф - доза (число іонів на см2), Nd - середнє число зміщених атомів на один іон.
Найбільш простою формулою, за якою легко оцінити Nd, є формула Кінчіна - Піза
E>> Ed, (2.3)
де Е - енергія іона; Еd - порогова енергія зміщення атома мішені з вузла кристалічної решітки.
Найпростішими дефектами є дефекти Френкеля, тобто вибиті з вузлів в атомами мішені і що утворилися при цьому порожні вузли.
Вакансії при своєму русі по кристалу можуть об'єднуватися, утворюючи великі скупчення або вакансійних кластери, причому для відпалу останніх потрібна більш високі температури.
Вакансії можуть об'єднуватися в пари - дивакансії, або більш складні комплекси трівакансіі, тетравакансіі і навіть гексавакансіі. Ці дефекти стійкі при кімнатній температурі. Наприклад дивакансії отжигаются приблизно за 550 К.
При бомбардуванні іонами і подальшому відпалі в результаті об'єднання простих дефектів або під дією механічних напруг, що виникають навколо радіаційних порушень, часто утворюються лінійні дефекти - дислокації або дислокаційні петлі. Лінійні дефекти в процесі відпалу можуть змінювати свою довжину, форму і місце розташування в кристалі.
Вакансії і міжвузлових атомів можуть групуватися в так звані площинні і лінійні включення (у вигляді дисків або стержнів). Ці включення здатні адсорбувати атоми домішок, що відрізняються за розмірами від атомів основної речовини, оскільки в цьому випадку поля механічних напружень навколо включень знижуються. Відпал при температурах 500 - 6000 С призводить до переходу площинних включень у дислокаційні петлі. Характер лінійних і плоских дефектів залежить від типу іонів, дози та температури відпалу.
При деяких критичних концентраціях радіаційних дефектів кристалічний стан стає нестійким і відбувається перехід в аморфний стан. Аморфізація має місце не для всіх напівпровідників, але чим більше виражений ковалентний характер зв'язку, тим більше, взагалі кажучи, схильність речовини до такого переходу. Si і Ge є прикладами типових ковалентних напівпровідників, для яких це явище вивчене найбільш повно. [4]
2.3 Відпал радіаційних дефектів
Дослідження процесу відпалу імплантованих структур призводить до висновку про те, що впливу відпалу на аморфні шари і на точкові і лінійні радіаційні дефекти різному.
Однією з основних проблем технології іонного легування є визначення мінімальних температури і часу відпалу, необхідних для повної активації донорів і акцепторів за умови повного усунення залишкових дефектів.
При певній температурі дефекти можна усунути термообробкою. Для усунення дефектів решітки необхідна енергія активації, тобто здійснюється активізація матеріалу, вбудовування атома легованої домішки в кристалічну решітку основного матеріалу встановлення хімічних зв'язків з сусідніми атомами. Ця енергія визначена для кожної структури дефектів (малюнок 5). Наприклад, для дивакансій потрібна енергія активації 1,25 еВ, в той час як для звичайних дефектів 0,33 еВ. Ймовірно, багаторазові дефекти решітки, більші, ніж дивакансії, мають більш високу енергію активації. Звичайний відпал не гарантує повного 100% позбавлення від дефектів, більш досконалим методом є лазерний відпал.
Процес полягає у використанні променя лазера з питомою потужністю рівної 500000 Вт/см3. При короткочасному впливі лазерного променя матеріал плавитися на дуже короткий час потім при переміщенні променя зона впливу лазерного променя кристалізується в нормальну кристалічну решітку. Лазерний відпал дозволяє строго контролювати зону обробки, глибину залягання домішки, а також усунути порушення кристалічної решітки в обсязі пластини. При обробці поверхонь з великою площею можлива значна втрата енергії лазерного променя внаслідок відбиває здатності поверхні. Тому прагнуть переміщати не промінь, а пластину. З цієї причини метод лазерного відпалу також не є бездоганним.
Електронно-променевої відпал не залежить від оптичних характеристик поверхні. Крім того електронний відпал дозволяє отримувати пластини з кращого електронної стабільністю. Після електронно-променевого відпалу пластини практично не містять дефектів. Однак необхідно підтримувати у вакуумній камері тиск порядку 0.00001-0.000001мм.рт.ст. Цей тип відпалу є найдосконалішим з усіх. [2]
3. Схема пристрою для іонної імплантації
Іонний джерело являє собою вакуумну камеру, в якій підтримується тиск 1,33 10-3 Па. У камері здійснюється іонізація парів легуючої домішки. Як іонізіруемих використовуються речовини, що містять необхідну домішка. Вихідні з джерела іони неоднорідні за складом. Для відділення сторонніх іонів використовується магнітний мас-сепаратор, який відхиляє від основної осі іони, які мають іншу масу і заряд. Таким чином, іони з різними масами будуть рухатися по різних траєкторіях. Якщо в первинному пучку крім іонів основний легуючої домішки були присутні іони сторонніх домішок, то внаслідок сепарації за масами, що відбувається в мас-сепаратор, іони основний домішки будуть збиратися в окремий пучок, в якому присутність інших домішок виключено. Виділений за масою пучок іонів проходить через діафрагму і направляється в приймальну камеру, де розташовуються підкладки. Сепарація іонів по масах забезпечує одне з основних достоїнств легування напівпровідників іонним впровадженням, а саме виключно високу чистоту впроваджуваної домішки. (Рисунок 6) [1]
4. Можливості математичного моделювання процесу іонної імплантації
Протягом останніх років, що минули з моменту повідомлення (кінець 70-х років) про першу високоефективної інженерної програмі одновимірного моделювання технологічних процесів виготовлення ВIС SUPREM II, даний рівень моделювання БІС стрімко розвивався. Сьогодні вже можна говорити про декількох поколіннях програм технологічного моделювання. До першого покоління відносяться згадувана програма SUPREM II, а також велика кількість зарубіжних та вітчизняних програм, так або інакше використовують і розвивають основні ідеї і моделі, закладені в програмі SUPREM II. Основну увагу в цих програмах приділялася моделювання процесів іонного легування, дифузії, окислення і епітаксії, відповідальних за розподіл домішок у напівпровідникових структурах, як правило, в одновимірному наближенні.
Стрімкий прогрес у кремнієвої технології в останні 5 - 10 років ініціював подальший розвиток технологічного моделювання. Багато з недавно з'явилися програм володіють ознаками другого покоління.
Найближчим часом можна чекати появи перших програм з деякими ознаками третього покоління, які будуть відображати подальші тенденції у розвитку технології ВІС.
4.1 Методи моделювання
Найбільш поширеним методом моделювання процесу іонного легування є аналітичне наближення реальним, експериментально визначеним формам розподілу впроваджених в напівпровідник домішок. Суть його полягає в тому, що, поставивши апріорі формою кривої розподілу, можна експериментально визначити чи розрахувати коефіцієнти цього розподілу. Перевага цього методу є простота і наочність отриманого розподілу, обчислюваного з аналітичної формулою.
Найбільш старим і випробуваним описом профілю впровадженої домішки, згідно з класичною теорії ЛШШ (Лінхарда - Шарфа - Шіотта), є симетрична гауссіана. Проте вже ранні експериментальні дослідження показали, що даний опис істотно не адекватно експериментально знятим профілями для більшості іонів як у кремнії, так і в інших напівпровідниках. Було знайдено, що профілі більшості впроваджених іонів асиметричні в аморфних і кристалічних мішенях.
Використання результатів класичної теорії ЛШШ та аналітичних апроксимативних моделей розподілу впроваджених домішок раніше виявилося в більшості випадків достатньо задовільним, тому що при тривалому циклі загонками похибки початкового розподілу після іонного легування були незначними. У сучасних технологічних процесах виготовлення знайшли застосування надзвичайно короткі цикли термічного відпалу, а також іонне легування через один або кілька шарів безпосередньо в підкладку.
Найпростішим аналітичним апроксимативних методом практично неможливо побудувати точний розривної профіль розподілу домішок при іонному легуванні в багатошарову структуру типу Si3N4 - SiO2 - Si або Si - SiO2 - Si. Оскільки дана операція часто використовується в сучасних технологічних процесах виготовлення ВIС, це змушує для поліпшення адекватності застосовувати або метод Монте - Карло, або метод інтегрування КУБ для побудови необхідного розподілу. Метод інтегрування КУБ є більш швидким: якщо розрахунок одного одновимірного профілю даним методом вимагає t умовних одиниць машинного часу, то за методом Монте - Карло (40 - 60) t.
Високу ефективність при моделюванні іонного легування в багатошарових структурах володіє метод підбору доз, за допомогою якого можна отримувати прийнятну адекватність профілю розподілу домішки, характерну для методу інтегрування КУБ, але з мінімальними обчислювальними витратами, наприклад 10-1 t умовних одиниць машинного часу.
У цьому методі, заснованому на статичному розподілі і чисельному інтегруванні доз в кожному шарі, потрібні наступні кроки для моделювання іонного легування із загальною дозою D і енергією E.
Крок 1. Розподіл впровадженої домішки в шарі 1 (0 - Z1) на малюнку 7, визначається для дози D і енергії Е як p1f1 (Z), де p1 - пік концентрації; f1 (Z) - функція статичного розподілу від глибини Z. Кількість впроваджених іонів у шарі 1 одно d1.
Крок 2. Припускаючи, що іонне легування (D, E) було безпосередньо проведено в шар 2, на глибині Z1 - кордоні двох шарів - міститься d1 = d2 впроваджених іонів:
Крок 3. розподіл впровадженої домішки з, взяте з дозою D і енергією E, переноситься в шар 2 з. При цьому кількість іонів у шарі 2 товщиною одно d3.
Крок 4. Крок 2 повторюється для шару 3, щоб отримати глибину, для якої кількість впроваджених домішок визначається виразом
Крок 5. Розподіл домішки з береться таким же, як з шару 3 (з).
Використання співвідношень (4.1) - (4.4) в заданій послідовності кроків дозволяє просто і ефективно розраховувати профілі розподілу домішок.
На рисунку 8 представлені розрахункові та експериментальні залежності для іонного легування миш'яку в багатошарову підкладку Si - SiO2-Si, що підтверджують прийнятну адекватність наведеного методу для статичного розподілу.
Наявність у програмах технологічного моделювання БІС моделей іонного легування різного рівня складності - Монте - Карло, інтегрування КУБ, підбору доз для заданих статистичних розподілів - дозволяє залежно від типу і конфігурації багатошарових мішеней застосовувати найбільш підходящі моделі з метою мінімізації обчислювальних витрат. [5]
Список використаної літератури
1. Готра З.Ю. Технологія мікроелектронних пристроїв - М.: Радіо і зв'язок, 1991. - 528 с.
2. Технологія іонного легування Під ред. С. Намбу: Переклад з японської - М.: Сов радіо, 1974 - 160с.
3. Курносов А.І., Юдін В.В. Технологія виробництва напівпровідникових приладів в ІМ - М.: Вищ. школа, 1986. - 320с.
4. Зорін Є.І. Іонне легування напівпровідників - М.: Енергія 1975. - 128с.
5. Бубенніков О.М. Моделювання інтегральних мікротехнологій, приладів і схем - М.: Вища школа 1989. - 320с.
«Дослідження процесів іонного легування напівпровідникових матеріалів»
Зміст
Введення
1. Фізичні особливості процесу іонного легування
2. Аналіз впливу технологічних параметрів на процес іонної імплантації
2.1 Розподіл впроваджених домішкових атомів
2.2 Радіаційні дефекти
2.3 Відпал радіаційних дефектів
3. Схема пристрою для іонної імплантації
4. Можливості математичного моделювання процесу іонної імплантації
4.1 Методи моделювання
Список використаної літератури
Введення
Легування напівпровідника домішками проводиться з метою створення різних приладових структур за рахунок зміни його електрофізичних властивостей: типу електропровідності, питомого опору та інших характеристик.
Реалізовані та потенційні переваги іонного легування дозволяють: здійснювати процес з високою продуктивністю; створювати практично будь-які профілі розподілу за рахунок ступінчастого легування; поєднувати процес легування з іншими технологічними процесами поверхонь обробки кристала; отримувати прецизійне формування профілю напівпровідникових структур. З іншого боку, іонне легування має недоліки і обмеження. Є певні труднощі у проведенні процесу легування, пов'язані з порушеннями, створеними іонним бомбардуванням, і остаточним місцем розташування впроваджених іонів. Як правило, необхідно усунути ці порушення у вигляді зміщених з вузлів кристалічної решітки атомів напівпровідникової мішені і в той же час зробити впроваджені атоми домішки електрично активними. Зазвичай це досягається частковим або повним відпалом. До інших обмежень слід віднести труднощі створення і відтворення глибоких легованих областей, складність обробки великих напівпровідникових пластин через расфокусування при істотних відхиленнях іонних пучків.
Велика кількість регулюючих параметрів процесу іонного легування (доза, тип, енергія іонів, температура і середовище відпалу та ін) дозволяють в широких межах змінювати властивості легованих шарів, але поряд з цим потребують глибокого фізичного розуміння процесів впровадження іонів, їх поведінки в кристалічній решітці, кінетики утворення та усунення радіаційних дефектів, що необхідно для високоякісного технологічного моделювання в кінцевому підсумку ефективної реалізації приладових структур і схем в інтегральному виконанні. [5]
1. Фізичні особливості процесу іонного легування
Процес іонного легування напівпровідника включає дві основні операції: власне впровадження (імплантацію) іонів домішки і відпал радіаційних дефектів.
Іонна імплантація - процес впровадження в твердотільну підкладку іонізованих атомів з енергією достатньою для проникнення їх в приповерхневих області підкладки (від кіло-до мегаелектронвольт).
Найбільш загальним застосуванням іонної імплантації є процес іонного легування матеріалів, так як технологія іонної імплантації дозволяє з високою точністю управляти кількістю легуючої домішки. Іонна імплантація характеризується універсальністю і гнучкістю процесу, що дозволяє отримувати необхідні концентрації домішки у випадках, коли інші методи неприйнятні (легування бором і фосфором в алмазах). Маски при даному методі легування можуть бути виготовлені з фоторезистів, окислів, нітридів, полікристалічного кремнію та ін Процес іонної імплантації може здійснюватися при низьких температурах (аж до кімнатних), завдяки чому зберігаються вихідні електрофізичні властивості кристалів.
Процес іонного легування полягає в іонізації і прискоренні до великих швидкостей атомів домішки. Ефективна маса іона в 103 - 105 більше маси електрона, тому при заданій енергії іон має імпульс, в 102 - 104 разів перевищує імпульс електрона. Прискорені атоми домішки впроваджуються в кристалічну решітку напівпровідника під впливом набутого імпульсу. Проникаючи в кристалічну решітку, іонізований атом домішки поступово втрачає кінетичну енергію за рахунок взаємодії з електронами і пружних зіткнень з атомами напівпровідника і домішки, тобто в результаті електронного та ядерного гальмування. При точної орієнтації напрямку падіння пучка іонів уздовж однієї із кристалографічних осей пластини напівпровідника, частина іонів рухається уздовж атомних рядів, між якими є досить широкі канали, вільні від атомів. Це явище називають каналювання. Потрапивши в канал, іони відчувають менш сильне гальмування і проникають в кілька разів глибше, ніж у випадку неорієнтованого впровадження. Якщо енергія, передана атому решітки, перевищує енергію зв'язку атомів у твердому тілі, то атом залишає вузол. У результаті утворюється дефект.
Після імплантації виробляють відпал, завдання якого - усунути радіаційні порушення і забезпечити електричну активацію впроваджених атомів. [1] [3]
2. Аналіз впливу технологічних параметрів на процес іонної імплантації
На процес іонної імплантації впливають різні фактори такі як маса і енергія іонів, дози опромінення, матеріал мішені, її температура і кристалічна орієнтація, наявності на її поверхні забруднень і т.п.
2.1 Розподіл впроваджених домішкових атомів
При імплантації використовуються три види матеріалів: аморфні, полі-та монокристалічні. Аморфні та полікристалічні матеріали служать в якості масок при імплантації іонів. У монокристалічних матеріалах створюються структури із заданим профілем концентрації домішок.
При впровадженні в мішень швидкі іони в результаті зіткнень з атомними ядрами і електронами втрачають свою енергію і зупиняються. Довжина шляху іонів від поверхні мішені до точки впровадження називається довжиною пробігу R, а її проекція на направлення первинного руху - проекцією пробігу Rp (рисунок 1), яка є експериментально визначається величиною.
Розподіл пробігу іонів в атмосферному тілі залежить головним чином від їх енергії та атомної маси, а також речовини мішені. Для монокристалічних мішеней на розподіл пробігу впливає орієнтація їх граней щодо пучка іонів і наявність ефекту каналювання - рух іонів по каналах, утвореним атомними площинами.
При русі іонів у твердому тілі впроваджувані в підкладку іони змінюють напрямок свого руху з - за зіткнень з атомами мішені, які можуть залишати свої початкові положення у вузлах кристалічної решітки. У результаті вздовж траєкторії впроваджених іонів утворюються численні вакансії і междоузельние атоми. Виникають цілі області, в яких порушена кристалічна решітка, аж до переходу монокристала в аморфний стан. При цьому зазвичай оцінюють два види втрат енергії іонами - в результаті взаємодії їх з електронами (як пов'язаними, так і вільними) і ядрами. У першому наближенні вважається, що обидва види втрат не залежать один від одного і діють одночасно. Ядерне гальмування більш істотно при малих енергіях, електронне гальмування переважає при високих енергіях іонів. Зі збільшенням маси впроваджуваних іонів зростають потоки енергії за рахунок зіткнень з ядрами мішені.
Середнє значення питомих втрат енергії для одного бомбардира іона можна представити у вигляді суми ядерної Sn та електронної Se складових процесу гальмування.
Радіаційні порушення в мішені створюються головним чином при Sn>> Se.Поетому при впровадженні іонів малих енергій радіаційні дефекти утворюються вздовж всієї траєкторії, а за високої енергії іонів - тільки в кінці їх пробігу.
Розподіл пробігів іонів в монокристалічних мішенях відрізняється від їх розподілу в аморфних тим, що в монокристалах напрям падаючого пучка іонів може збігатися з одним з основних кристалографічних напрямків мішені, що пов'язано з ефектом каналювання.
Рух іонів строго по центру каналу малоймовірно. Однак може існувати траєкторія, осцилююча близько осі каналу, якщо імплантовані іони пересуваються за допомогою послідовних легких зіткнень з атомами, що утворюють "стінки" каналу. Така траєкторія руху іонів показана на малюнку 2, де напрямок шляху іона складає кут φ з віссю каналу. Максимальний кут φ, при якому зникає направляюче дію атомів мішені, називається критичним кутом каналювання φкр. Він визначає можливість каналювання.
Якщо припустити, що всі іони ідеально каналіровани, то розподілу концентрації іонів в мішені будуть мати два максимуми: один для неканалірованних іонів, інший для ідеально каналірованних (рисунок 3). У напівпровідникової технології ефект каналювання дає можливість отримувати більш глибокі леговані шари і зменшувати кількість радіаційних порушень.
На зразках кремнію з орієнтацією поверхні (110) щодо пучка, ймовірність каналювання з ростом енергії іонів зростає, а зі збільшенням дози опромінення падає. Збільшення температури мішені викликає деканалювання іонів внаслідок теплових коливань кристалічної решітки (малюнок 3). [1]
2.2 Радіаційні дефекти
При опроміненні твердих тіл іонами, так само як і швидкими частинками (нейтронами, протонами, електронами), утворюються радіаційні дефекти. Це можуть бути або точкові дефекти (вакансії і атоми в міжвузлів, комплекси), або їх скупчення, або лінійні і площинні дефекти типу дислокацій і дефектів упаковки. Цікавим специфічним явищам при опроміненні іонами є аморфізація напівпровідника, тобто повне розупорядкування структури. Від наявності дефектів та їх концентрації залежать багато властивостей напівпровідника. Тому вивчення закономірностей утворення дефектів і їх відпалу важливо для розуміння процесу імплантації, а також для правильного використання цього методу на практиці.
Розглянемо механізм утворення дефектів при бомбардуванні іонами. Стикаючись з атомами мішені, іон передає їм кінетичну енергію. Якщо передана енергія перевищує деяку порогову енергію Еd, атом мішені вибивається з вузла решітки і рухається через кристал. Стикаючись з іншими атомами, він може при підходящої енергії в свою чергу зміщати їх зі своїх місць і т.д. таким чином, первинний іон викликає каскад атомних зіткнень, в результаті якого виникають різноманітні дефекти. Їх повне число і взаємне розташування залежать від характеру розповсюдження каскаду по кристалу. На поширення каскаду впливає структура кристала. Частина рухомих атомів потрапляє в канали решітки, за якими їх рух полегшено. У атомних рядах енергія може передаватися від атома до атома шляхом послідовних зіткнень (фокусування). Уздовж шляху рухомого іона утворюється сильно разупорядкований область (малюнок 4). Розміри і форма цієї області залежать від маси, енергії бомбардирующие іона, маси атомів мішені, її температури структури кристала. При досить високій температурі первинні дефекти, мігруючи по кристалу, можуть частково анігілювати шляхом рекомбінації або виходу на поверхню, а частково об'єднуватися між собою або з вже наявні дефектами і домішками в більш стійкі вторинні дефекти. Остаточний склад дефектів, їх концентрація і розподіл по глибині мішені залежать від чисельності та розподілу спочатку зміщених атомів.
Існуючі теорії дозволяють виробляти оцінки числа зміщених атомів на 1 см2. при не надто великих дозах це число дорівнює ФNd, де Ф - доза (число іонів на см2), Nd - середнє число зміщених атомів на один іон.
Найбільш простою формулою, за якою легко оцінити Nd, є формула Кінчіна - Піза
E>> Ed, (2.3)
де Е - енергія іона; Еd - порогова енергія зміщення атома мішені з вузла кристалічної решітки.
Найпростішими дефектами є дефекти Френкеля, тобто вибиті з вузлів в атомами мішені і що утворилися при цьому порожні вузли.
Вакансії при своєму русі по кристалу можуть об'єднуватися, утворюючи великі скупчення або вакансійних кластери, причому для відпалу останніх потрібна більш високі температури.
Вакансії можуть об'єднуватися в пари - дивакансії, або більш складні комплекси трівакансіі, тетравакансіі і навіть гексавакансіі. Ці дефекти стійкі при кімнатній температурі. Наприклад дивакансії отжигаются приблизно за 550 К.
При бомбардуванні іонами і подальшому відпалі в результаті об'єднання простих дефектів або під дією механічних напруг, що виникають навколо радіаційних порушень, часто утворюються лінійні дефекти - дислокації або дислокаційні петлі. Лінійні дефекти в процесі відпалу можуть змінювати свою довжину, форму і місце розташування в кристалі.
Вакансії і міжвузлових атомів можуть групуватися в так звані площинні і лінійні включення (у вигляді дисків або стержнів). Ці включення здатні адсорбувати атоми домішок, що відрізняються за розмірами від атомів основної речовини, оскільки в цьому випадку поля механічних напружень навколо включень знижуються. Відпал при температурах 500 - 6000 С призводить до переходу площинних включень у дислокаційні петлі. Характер лінійних і плоских дефектів залежить від типу іонів, дози та температури відпалу.
При деяких критичних концентраціях радіаційних дефектів кристалічний стан стає нестійким і відбувається перехід в аморфний стан. Аморфізація має місце не для всіх напівпровідників, але чим більше виражений ковалентний характер зв'язку, тим більше, взагалі кажучи, схильність речовини до такого переходу. Si і Ge є прикладами типових ковалентних напівпровідників, для яких це явище вивчене найбільш повно. [4]
2.3 Відпал радіаційних дефектів
Дослідження процесу відпалу імплантованих структур призводить до висновку про те, що впливу відпалу на аморфні шари і на точкові і лінійні радіаційні дефекти різному.
Однією з основних проблем технології іонного легування є визначення мінімальних температури і часу відпалу, необхідних для повної активації донорів і акцепторів за умови повного усунення залишкових дефектів.
При певній температурі дефекти можна усунути термообробкою. Для усунення дефектів решітки необхідна енергія активації, тобто здійснюється активізація матеріалу, вбудовування атома легованої домішки в кристалічну решітку основного матеріалу встановлення хімічних зв'язків з сусідніми атомами. Ця енергія визначена для кожної структури дефектів (малюнок 5). Наприклад, для дивакансій потрібна енергія активації 1,25 еВ, в той час як для звичайних дефектів 0,33 еВ. Ймовірно, багаторазові дефекти решітки, більші, ніж дивакансії, мають більш високу енергію активації. Звичайний відпал не гарантує повного 100% позбавлення від дефектів, більш досконалим методом є лазерний відпал.
Процес полягає у використанні променя лазера з питомою потужністю рівної 500000 Вт/см3. При короткочасному впливі лазерного променя матеріал плавитися на дуже короткий час потім при переміщенні променя зона впливу лазерного променя кристалізується в нормальну кристалічну решітку. Лазерний відпал дозволяє строго контролювати зону обробки, глибину залягання домішки, а також усунути порушення кристалічної решітки в обсязі пластини. При обробці поверхонь з великою площею можлива значна втрата енергії лазерного променя внаслідок відбиває здатності поверхні. Тому прагнуть переміщати не промінь, а пластину. З цієї причини метод лазерного відпалу також не є бездоганним.
Електронно-променевої відпал не залежить від оптичних характеристик поверхні. Крім того електронний відпал дозволяє отримувати пластини з кращого електронної стабільністю. Після електронно-променевого відпалу пластини практично не містять дефектів. Однак необхідно підтримувати у вакуумній камері тиск порядку 0.00001-0.000001мм.рт.ст. Цей тип відпалу є найдосконалішим з усіх. [2]
3. Схема пристрою для іонної імплантації
Іонний джерело являє собою вакуумну камеру, в якій підтримується тиск 1,33 10-3 Па. У камері здійснюється іонізація парів легуючої домішки. Як іонізіруемих використовуються речовини, що містять необхідну домішка. Вихідні з джерела іони неоднорідні за складом. Для відділення сторонніх іонів використовується магнітний мас-сепаратор, який відхиляє від основної осі іони, які мають іншу масу і заряд. Таким чином, іони з різними масами будуть рухатися по різних траєкторіях. Якщо в первинному пучку крім іонів основний легуючої домішки були присутні іони сторонніх домішок, то внаслідок сепарації за масами, що відбувається в мас-сепаратор, іони основний домішки будуть збиратися в окремий пучок, в якому присутність інших домішок виключено. Виділений за масою пучок іонів проходить через діафрагму і направляється в приймальну камеру, де розташовуються підкладки. Сепарація іонів по масах забезпечує одне з основних достоїнств легування напівпровідників іонним впровадженням, а саме виключно високу чистоту впроваджуваної домішки. (Рисунок 6) [1]
4. Можливості математичного моделювання процесу іонної імплантації
Протягом останніх років, що минули з моменту повідомлення (кінець 70-х років) про першу високоефективної інженерної програмі одновимірного моделювання технологічних процесів виготовлення ВIС SUPREM II, даний рівень моделювання БІС стрімко розвивався. Сьогодні вже можна говорити про декількох поколіннях програм технологічного моделювання. До першого покоління відносяться згадувана програма SUPREM II, а також велика кількість зарубіжних та вітчизняних програм, так або інакше використовують і розвивають основні ідеї і моделі, закладені в програмі SUPREM II. Основну увагу в цих програмах приділялася моделювання процесів іонного легування, дифузії, окислення і епітаксії, відповідальних за розподіл домішок у напівпровідникових структурах, як правило, в одновимірному наближенні.
Стрімкий прогрес у кремнієвої технології в останні 5 - 10 років ініціював подальший розвиток технологічного моделювання. Багато з недавно з'явилися програм володіють ознаками другого покоління.
Найближчим часом можна чекати появи перших програм з деякими ознаками третього покоління, які будуть відображати подальші тенденції у розвитку технології ВІС.
4.1 Методи моделювання
Найбільш поширеним методом моделювання процесу іонного легування є аналітичне наближення реальним, експериментально визначеним формам розподілу впроваджених в напівпровідник домішок. Суть його полягає в тому, що, поставивши апріорі формою кривої розподілу, можна експериментально визначити чи розрахувати коефіцієнти цього розподілу. Перевага цього методу є простота і наочність отриманого розподілу, обчислюваного з аналітичної формулою.
Найбільш старим і випробуваним описом профілю впровадженої домішки, згідно з класичною теорії ЛШШ (Лінхарда - Шарфа - Шіотта), є симетрична гауссіана. Проте вже ранні експериментальні дослідження показали, що даний опис істотно не адекватно експериментально знятим профілями для більшості іонів як у кремнії, так і в інших напівпровідниках. Було знайдено, що профілі більшості впроваджених іонів асиметричні в аморфних і кристалічних мішенях.
Використання результатів класичної теорії ЛШШ та аналітичних апроксимативних моделей розподілу впроваджених домішок раніше виявилося в більшості випадків достатньо задовільним, тому що при тривалому циклі загонками похибки початкового розподілу після іонного легування були незначними. У сучасних технологічних процесах виготовлення знайшли застосування надзвичайно короткі цикли термічного відпалу, а також іонне легування через один або кілька шарів безпосередньо в підкладку.
Найпростішим аналітичним апроксимативних методом практично неможливо побудувати точний розривної профіль розподілу домішок при іонному легуванні в багатошарову структуру типу Si3N4 - SiO2 - Si або Si - SiO2 - Si. Оскільки дана операція часто використовується в сучасних технологічних процесах виготовлення ВIС, це змушує для поліпшення адекватності застосовувати або метод Монте - Карло, або метод інтегрування КУБ для побудови необхідного розподілу. Метод інтегрування КУБ є більш швидким: якщо розрахунок одного одновимірного профілю даним методом вимагає t умовних одиниць машинного часу, то за методом Монте - Карло (40 - 60) t.
Високу ефективність при моделюванні іонного легування в багатошарових структурах володіє метод підбору доз, за допомогою якого можна отримувати прийнятну адекватність профілю розподілу домішки, характерну для методу інтегрування КУБ, але з мінімальними обчислювальними витратами, наприклад 10-1 t умовних одиниць машинного часу.
У цьому методі, заснованому на статичному розподілі і чисельному інтегруванні доз в кожному шарі, потрібні наступні кроки для моделювання іонного легування із загальною дозою D і енергією E.
Крок 1. Розподіл впровадженої домішки в шарі 1 (0 - Z1) на малюнку 7, визначається для дози D і енергії Е як p1f1 (Z), де p1 - пік концентрації; f1 (Z) - функція статичного розподілу від глибини Z. Кількість впроваджених іонів у шарі 1 одно d1.
Крок 2. Припускаючи, що іонне легування (D, E) було безпосередньо проведено в шар 2, на глибині Z1 - кордоні двох шарів - міститься d1 = d2 впроваджених іонів:
Крок 3. розподіл впровадженої домішки з, взяте з дозою D і енергією E, переноситься в шар 2 з. При цьому кількість іонів у шарі 2 товщиною одно d3.
Крок 4. Крок 2 повторюється для шару 3, щоб отримати глибину, для якої кількість впроваджених домішок визначається виразом
Крок 5. Розподіл домішки з береться таким же, як з шару 3 (з).
Використання співвідношень (4.1) - (4.4) в заданій послідовності кроків дозволяє просто і ефективно розраховувати профілі розподілу домішок.
На рисунку 8 представлені розрахункові та експериментальні залежності для іонного легування миш'яку в багатошарову підкладку Si - SiO2-Si, що підтверджують прийнятну адекватність наведеного методу для статичного розподілу.
Наявність у програмах технологічного моделювання БІС моделей іонного легування різного рівня складності - Монте - Карло, інтегрування КУБ, підбору доз для заданих статистичних розподілів - дозволяє залежно від типу і конфігурації багатошарових мішеней застосовувати найбільш підходящі моделі з метою мінімізації обчислювальних витрат. [5]
Список використаної літератури
1. Готра З.Ю. Технологія мікроелектронних пристроїв - М.: Радіо і зв'язок, 1991. - 528 с.
2. Технологія іонного легування Під ред. С. Намбу: Переклад з японської - М.: Сов радіо, 1974 - 160с.
3. Курносов А.І., Юдін В.В. Технологія виробництва напівпровідникових приладів в ІМ - М.: Вищ. школа, 1986. - 320с.
4. Зорін Є.І. Іонне легування напівпровідників - М.: Енергія 1975. - 128с.
5. Бубенніков О.М. Моделювання інтегральних мікротехнологій, приладів і схем - М.: Вища школа 1989. - 320с.