Ионная имплантация

Ионизация атомов примеси, ускорение ионов и фокусировка ионного пучка осуществляется в специальных установках типа ускорителя частиц в ядерной физике.  В качестве примесей используют те же материалы, что и при диффузии. 

Сущность ионного легирования  Ионы примеси, получаемые из специальных источников, ускоряются и фокусируются в электрическом поле, попадают на подложку, бомбардируя ее. Обладая большой энергией от 10 до 1000 КэВ, они внедряются в поверхностный слой полупроводника.

При внедрении в кристаллическую решетку ионы теряют свою энергию как вследствие Кулоновского взаимодействия с атомами решетки, возбуждая или ионизируя их, так из-за упругих (ядерных) столкновений с атомами, в результате которых образуется большое число точечных дефектов решетки, междоузельные атомы и вакансии. При внедрении атомы примеси частично занимают определенное положение в решетке, а частично – распорядоченны. Для упорядочения нарушенной внедрением ионов структуры и тем самым созданием электрически активной примеси, подложки подвергают отжигу. Процесс ионного легирования состоит из внедрения ионов и отжига с одновременным легированием или после него. Кулоновское взаимодействие – это электростатическое взаимодействие зарядов. Ионы сами несут заряд и электроны тоже сами несут заряд. Особенностью ионного легирования является то, что содержание внедренных атомов примеси определяется не физическими свойствами подложки, а условиями внедрения атомов и температуры подложки, которая ниже, чем при  диффузии.

Для получения переходов на глубине  в несколько микрон показывают имплантацию примеси в качестве 1 этапа легирования для точного дозирования вводимой примеси. Для разгонки пластины подвергают высокотемпературному нагреву, которым одновременно обеспечивается и отжиг. Для конкретного примесного элемента профиль распределения положения по глубине полностью определяется двумя технологическими параметрами, а именно энергией ионного пучка и дозой легирования. В свою очередь энергия Е зависит от ускорении напряжения U и кратности концентрации атомов. E = q n U   (Дж)  E = n U      (Дж) Чем больше энергия, чем больше толщина имплантационного слоя. С ростом энергии возрастает и количество радиационной диффузии в кристалле, то есть повышает его электрофизические параметры, поэтому энергия ионов ограничивает величину от 100 до 150 КэВ. А нижний уровень от 5 до 10 КэВ. При таком диапазоне 0,1-0,4 микрон – диффузионный слой. Доза облучения Q = I t (Кл/см2) , то есть количество примеси введенное через единицу площади зависит от плотности тока в пучке I (А/см2) и времени облучения t (с). Плотность тока обычно установляется в пределах от 10-7 до 10-4 А/см2 это I. А доза облучения Q от 1012 до 1017 см-2.

Преимущества:

• Возможность внедрения в полупроводниковые материалы практически в любых легируемых элементах, при этом концентрация их не ограничена предельной растворимостью.
• Низкотемпературный процесс 450-600 градусов.
• Возможность управления профилем распределения концентрации примеси, как по глубине, так и по площади. При этом профиль может регулироваться, а концентрация примесей регулируется дозой излучения. Возможно получение профилей с максимальной концентрацией примесей в глубине материала.
• Высокая воспроизводимость результатов, благодаря точному контролю, току пучка и дозы ионов, а также равномерности распределений.
• Возможность легирования через диэлектрические и металлические покрытия.
• Возможность локального легирования с помощью фокусирования до требуемого размера ионного пучка.
• Частота ионов легированной примеси, которая обеспечивается интеграцией пучков в магнитном поле.

Ограничения и недостатки:

• Возникновение в облучаемом кристалле большого количества структурных дефектов
• Неглубокое проникновение, применяемое при ионном легировании (для бора и фосфора 0,2 и 0,4 микрон). Для того чтобы увеличить глубину легирования, используют  ионное легирование с диффузным методом или применяют ускорители.