Ім'я файлу: Лабораторная работа 6. Моделирование процесса ионной имплантации Розширення: docx Розмір: 235кб. Дата: 23.01.2021 скачати Пов'язані файли: Лаб №5 Формирование биполярного транзистора методом диффузии_00 Лаб №5 Формирование биполярного транзистора методом диффузии_00 Лаб №5 Формирование биполярного транзистора методом диффузии_00 Лабораторная работа 6. Моделирование процесса ионной имплантации Лабораторная работа N•.6. Моделирование процесса ионной имплантации Теоретическая частьПри ионной имплантации заряженные частицы ионного пучка внедряются в твердое тело, изменял различные его свойства. При внедрении в решетку твердого тела ионы теряют свою энергию, как вследствие неупругих, так и упругих столкновений. Неупругими столкновениями считаются такие, в результате которых часть энергии иона теряется на возбуждение или ионизацию атома мишени (взаимодействие с электро нами решетки). Энергия при упругих столкновениях передается ядрам атомов мишени. Кроме того, вклад в энергетические потери дает обмен зарядами между ионом и атомом мишени. Если энергия, преданная атому при упругом столкновении, превышает энергию связи атомов в твердом теле, то атом покидает узел. В результате образуется пара Френкеля — вакансия+междоузельный атом. Атомы, находящиеся в поверхностном слое, получив энергию иона, могут отрываться от кристалла — происходит процесс распыления и образуется вакансия — дефект Шошки. Энергия первично смещенного атома, называемого атомом отдачи, сравнительно велика, поэтому на пути своего движения атом отдачи образует целый ряд каскад смещений, вследствие чего в кристалле возникают отдельные разупорядоченные зоны размером 3. . . 10 им. По мере имплантации ионов идет накопление радиационных дефектов. Когда плотность ионов, внедренных на единице поверхности, превосходит критическую величину, называемую дозой аморфизации, образуется сплошной аморфный слой. Внедренный ион может попасть в вакантный узел, став донором или акцептором, но вероятность замещения узлов мала. Большинство внедренных ионов находится в междоузлиях, где они не являются электрически активными. Для перевода их в узлы и восстановления кристаллической структуры полупроводника производят отжиг. В процессе отжига происходит распад и аннигиляция радиационных дефектов, а внедренные примеси занимают вакантные узлы, в результате чего образуется слой p- или п- типа проводимости. В упрощенной классической модели ЛШШ (Линхарда-Шарфа-Шиотта) для изотропной или аморфной полубесконечной мишени принимается, что рассеяние ионов в мишени носит случайнбый характер, а распределение их пробегов описывается функцией Гаусса. Полный пробег иона с начальной энергией Е# описывается формулой где S» — поперечное сечение ядерного торможения (ядерная тормозная способность); Se ПОперечное сечение электронного торможения (электронная тормозная способность). С достаточно хорошим приближением сечение ядерного торможения описывается выражением „S 0,278 М N ——1 (2) где Z — заряд ядра; М + м z 2k М—атомная масса, индексы 1 и 2 относятся соответственно к иону и атому мишени; N—собственная концентрация атомов вещества; k —коэффициент ядерной замедляющей способности. Как видно из формулы (2), замедляющая способность вещества не зависит от энергии. Поперечное сечение электронного торможения в соответствии с моделью ЛШШ S, —— 3,28 10 ’ Z l + ‘2 где k1 коэффициент электронной замедляющей способности. При вычислении длины пробега иона принято предполагать, что потери энергии на ядерные и электронные взаимодействия не связаны друг с другом. Тогда выражение (1) может быть проинтегрировано, в результате чего получаем: R—— 2 ME1 In(1 + 2k kI ME). (4) k I k kl 2 Траектория внедряемого атома до полной остановки представляет собой ломаную линию. Полное расстояние, на которое он проникает в кристалл, называется полным пробегом. Полный пробег Я характеризуется продольным распределением zlЯ. С точки зрения практического использования важное значение имеет не полный пробег, а проекция пробега (проективный пробел) Rp, т. е. пробел в направлении первоначальной траектории движения иона. Проекция пробега Яр характеризуется продольным распределением ARp и поперечным распределением m относительно полного пробега. Между полным пробегом Я и проекцией пробега Rp существует приближенное соотношение: (5) где Мі/Мz. Среднее квадратическое отклонение пробега (дисперсия) АЯ} Afi 2 м м fi 2 3 (Mi +М z)z (6) Интервал 2tд-i'ЗzlЯ включает 99,7% внедренных ионов. Необходимые для расчета сведения по проективному пробегу и его дисперсии для некоторых элементов в кремнии приведены в таблице 1. Таблица 1 Проективный пробег и дисперсия проективного пробега некоторых элементов в кремнии,
Энергия облучения определяется разностью потенциалов, под действием которой ионы ускоряются, она равна 3 0 qU enU. (7) На практике принято выражать энергию в электронвольтах (эВ) или килоэлектронвольтах (кэВ). Доза облучения D (мкКл/см 2) где —е единичный заряд, 1,6- 10 " Кл; D——enQ——jt, (8) ii - кратность заряда иона; Q—поверхностная плотность внедренных ионов, 1/см 2; —j плотность ионного тока в мкA/cpz; t — длительность облучения, с. На практике распространено измерение плотности ионного тока. Максимальная концентрация примеси С .„., соответствующая проекции пробега Я с ——D (9) "‘"' enБRp Распределение концентрации примеси в полупроводнике с исходной концентрацией С в, легированном ионным внедрением, i • exp —2 ( (1o)Глубина залегания р-п перехода при условии полной активации примеси определяется инверсией типа проводимости, т.е. равенством С =Св: (i1)При извлечении корня следует учитывать оба знака. Поскольку максимум распределения залегает в объеме полупроводника, то возможно одновременное образование двух p-n переходов, разделенных базовым слоем. Наиболее старым описанием профиля внедренной примеси, согласно классической теории ЛШШ, является симметричная гауссиана. Однако уже ранние экспериментальные исследования показали, что данное описание сутіtественно не адекватно экспериментально снятым профилям для большинства ионов, как в кремнии, так и в других полупроводниках. Было найдено, что профили большинства внедренных ионов асимметричны в аморфных и кристаллических мишенях, причем асимметрию можно отразить введением третьего центрального момента распределения 2 • двум прежним nt, Rp (рисунок 1, а, 6) . Большинство экспериментальных данньп по распределениям ионов фосфора, мыіиьяка, сурьмы хорошо аппроксимируется теоретическими расчетами с использованием третьего центрального момента в распределении типа «сдвоенная гауссиана» гауссианы с различными дисперсиями на левом и правом плечах распределения (рисунок 1, б) . С, “3 6)Рисунок 1 Модели ионного легирования мышьяком с энергией 150 кэВ, дозой 3 10' см 2 через SiOz толщиной 50 нм (а); распределение типа «сдвоенная гауссиана» (6); о -эксперимент; — распределение PEARSON; — — — — распределение Гаусса Таким образом, в рассматриваемом методе моделирования профиль внедренной примеси задается аналитически с помощью формулы с —— |
Примесь | Е, кэВ | ||||||||||
20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 200 | 400 | 600 | 800 | 1000 | ||
@,нм | Р As Sb | 21.8 19.Ф 12.36 | 44.34 31.60 20.67 | 68.94 44.32 27.84 | 94.95 35.25 - | 122 72.8 41.45 | 263.6 134.7 174.1 | 545.7 253.2 140.5 | 810 344.7 210.7 | 1060 484.6 284.3 | 1295 609.2 360.3 |
п;,нм | Р As Sb | 7.343 9.11 2.07 | 15.66 14.44 4.21 | 24.7 19.864 5.622 | 34 25.484 - | 43.35 31.50 8.53 | 87.54 55.08 15.55 | 161 86.96 29.83 | 220 96.55 45.33 | 270 133.5 61.43 | 316.5 157.3 77.53 |
nz | Р Sb | 15.6 7.957 5.925 | 25.8 13.Ф 9.543 | 34.35 17.17 12.78 | 41.63 20.17 - | 47.8 22.55 18.65 | 68.97 39.16 31.83 | 81.39 81.36 55.85 | Ю 135.7 77.25 | 13.5 161.3 96.84 | 15.6 192.6 115 |
Материал | Атомный номер Z | Атомная масса М, г/моль | Число атомов в ед. объема, х1022 1/см’ |
Si | 14 | 28 | 5,04 |
Ge | 32 | 72,6 | 4,53 |
№ варианта | Примесь | Энергия, кэВ | Доза, мкКл/см2 | Концентрация примеси в исходном кремнии |
i | В | 40 | 100 | 10" |
2 | Р | 100 | 150 | 10" |
3 | As | 150 | 100 | l0 i‘ |
4 | Sb | 500 | 400 | 10" |
5 | In | 60 | 100 | 10" |
6 | Ga | 120 | 200 | l0 i‘ |
№ варианта | Примесь | Энергия, кэВ | Доза, мкКл/см 2 | Глубина слоя, мкм | Толщина слоя, мкм | Концентрация примеси в кремнии, см |
| В | 20 | 100 | 0,2 | 0,7 | io" |
2 | Р | 60 | 100 | 0,1 | 0,2 | 10' 101 Э |
3 | As | 80 | 100 | 0,05 | 0,15 | 1 / |
4 | В | 60 | 200 | 0,3 | 0,6 | 10 |
5 | Р | 100 | 400 | 0,1 | 0,3 | 10' ' |
6 | As | 140 | 1000 | 0,03 | 0,15 | 10'° |