Ионная имплантация
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
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.