Исследование процессов ионного легирования полупроводниковых материалов

Реферат

«Исследование процессов ионного легирования полупроводниковых материалов»

1. Физические особенности процесса ионного легирования

2. Анализ влияния технологических параметров на процесс ионной имплантации

2.1 Распределение внедренных примесных атомов

2.2 Радиационные дефекты

2.3 Отжиг радиационных дефектов

3. Схема устройства для ионной имплантации

4. Возможности математического моделирования процесса ионной имплантации

4.1 Методы моделирования Список используемой литературы

Легирование полупроводника примесями проводится с целью создания различных приборных структур за счет изменения его электрофизических свойств: типа электропроводности, удельного сопротивления и других характеристик.

Реализованные и потенциальные преимущества ионного легирования позволяют: осуществлять процесс с высокой производительностью; создавать практически любые профили распределения за счет ступенчатого легирования; совмещать процесс легирования с другими технологическими процессами поверхностей обработки кристалла; получать прецизионное формирование профиля полупроводниковых структур. С другой стороны, ионное легирование имеет недостатки и ограничения. Есть определенные трудности в проведении процесса легирования, связанные с нарушениями, созданными ионной бомбардировкой, и окончательным местоположением внедренных ионов. Как правило, необходимо устранить эти нарушения в виде смещенных из узлов кристаллической решетки атомов полупроводниковой мишени и в то же время сделать внедренные атомы примеси электрически активными. Обычно это достигается частичным или полным отжигом. К другим ограничениям следует отнести трудность создания и воспроизведения глубоких легированных областей, сложность обработки больших полупроводниковых пластин из-за расфокусировки при существенных отклонениях ионных пучков.

Большое число регулирующих параметров процесса ионного легирования (доза, тип, энергия ионов, температура и среда отжига и др.) позволяют в широких пределах изменять свойства легированных слоев, но наряду с этим требуют глубокого физического понимания процессов внедрения ионов, их поведения в кристаллической решетке, кинетики образования и устранения радиационных дефектов, что необходимо для высококачественного технологического моделирования в конечном итоге эффективной реализации приборных структур и схем в интегральном исполнении. [5]

1. Физические особенности процесса ионного легирования

Процесс ионного легирования полупроводника включает две основных операции: собственно внедрение (имплантацию) ионов примеси и отжиг радиационных дефектов.

Ионная имплантация — процесс внедрения в твердотельную подложку ионизированных атомов с энергией достаточной для проникновения их в приповерхностные области подложки (от килодо мегаэлектронвольт).

Наиболее общим применением ионной имплантации является процесс ионного легирования материалов, так как технология ионной имплантации позволяет с высокой точностью управлять количеством легирующей примеси. Ионная имплантация характеризуется универсальностью и гибкостью процесса, что позволяет получать необходимые концентрации примеси в случаях, когда другие методы неприемлемы (легирование бором и фосфором в алмазах). Маски при данном методе легирования могут быть изготовлены из фоторезистов, окислов, нитридов, поликристаллического кремния и др. Процесс ионной имплантации может осуществляться при низких температурах (вплоть до комнатных), благодаря чему сохраняются исходные электрофизические свойства кристаллов.

Процесс ионного легирования заключается в ионизации и ускорении до больших скоростей атомов примеси. Эффективная масса иона в 103 — 105 больше массы электрона, поэтому при заданной энергии ион имеет импульс, в 102 — 104 раз превышающий импульс электрона. Ускоренные атомы примеси внедряются в кристаллическую решетку полупроводника под воздействием приобретенного импульса. Проникая в кристаллическую решетку, ионизированный атом примеси постепенно теряет кинетическую энергию за счет взаимодействия с электронами и упругих столкновений с атомами полупроводника и примеси, т. е. в результате электронного и ядерного торможения. При точной ориентации направления падения пучка ионов вдоль одной из кристаллографических осей пластины полупроводника, 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 в несколько раз глубже, чем в случае неориентированного внедрения. Если энергия, переданная атому решетки, превышает энергию связи атомов в твердом теле, то атом покидает узел. В результате образуется дефект.

После имплантации производят отжиг, задача которого — устранить радиационные нарушения и обеспечить электрическую активацию внедренных атомов. 1] [3]

2. Анализ влияния технологических параметров на процесс ионной имплантации

На процесс ионной имплантации влияют различные факторы такие как масса и энергия ионов, дозы облучения, материал мишени, её температура и кристаллическая ориентация, наличия на её поверхности загрязнений и т. п.

2.1 Распределение внедренных примесных атомов

При имплантации используются три вида материалов: аморфные, полии монокристаллические. Аморфные и поликристаллические материалы служат в качестве масок при имплантации ионов. В монокристаллических материалах создаются структуры с заданным профилем концентрации примесей.

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 до точки внедрения называется длиной пробега R, а её проекция на направления первоначального движения — проекцией пробега Rp (рисунок 1), которая является экспериментально определяемой величиной.

Распределение пробега ионов в атмосферном 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. В первом приближении считается, что оба вида потерь не зависят друг от друга и действуют одновременно. Ядерное торможение более существенно при малых энергиях, электронное торможение преобладает при высоких энергиях ионов. С увеличением массы внедряемых ионов возрастают потоки энергии за счет столкновений с ядрами мишени.

Среднее значение удельных потерь энергии для одного бомбардирующего иона можно представить в виде суммы ядерной Sn и электронной Se составляющих процесса торможения.

Радиационные нарушения в мишени создаются главным образом при Sn >> Se. Поэтому при внедрении ионов малых энергий радиационные дефекты образуются вдоль всей траектории, а при высокой энергии ионов — только в конце их пробега.

Распределение пробегов ионов в монокристаллических мишенях отличается от их распределения в аморфных тем, что в монокристаллах направление падающего пучка ионов может совпадать с одним из основных кристаллографических направлений мишени, что связано с эффектом каналирования.

Движение ионов строго по центру канала маловероятно. Однако может существовать траектория, осциллирующая около оси канала, если имплантированные ионы передвигаются с помощью последовательных легких соударений с атомами, образующими «стенки» канала. Такая траектория движения ионов показана на рисунке 2, где направление пути иона составляет угол ц с осью канала. Максимальный угол ц, при котором исчезает направляющее действие атомов мишени, называется критическим углом каналирования цкр. Он определяет возможность каналирования.

Если предположить, что все ионы идеально каналированы, то распределения концентрации ионов в мишени будут иметь два максимума: один для неканалированных ионов, другой для идеально каналированных (рисунок 3). В полупроводниковой технологии эффект каналирования дает возможность получать более глубокие легированные слои и уменьшать число радиационных нарушений.

На образцах кремния с ориентацией поверхности (110) относительно пучка, вероятность каналирования с ростом энергии ионов возрастает, а с увеличением дозы облучения падает. Увеличение температуры мишени вызывает деканалирование ионов вследствие тепловых колебаний кристаллической решетки (рисунок 3). [1]

2.2 Радиационные дефекты

При облучении твердых тел ионами, так же как и быстрыми частицами (нейтронами, протонами, электронами), образуются радиационные дефекты. Это могут быть либо точечные дефекты (вакансии и атомы в межузлиях, комплексы), либо их скопления, либо линейные и плоскостные дефекты типа дислокаций и дефектов упаковки. Интересным специфическим явлениям при облучении ионами является аморфизация полупроводника, т. е. полное разупорядочение структуры. От наличия дефектов и их концентрации зависят многие свойства полупроводника. Поэтому изучения закономерностей образования дефектов и их отжига важно для понимания процесса имплантации, а также для правильного использования этого метода в практике.

Рассмотрим механизм образования дефектов при бомбардировке ионами. Сталкиваясь с атомами мишени, ион передает им кинетическую энергию. Если передаваемая энергия превышает некоторую пороговую энергию Еd, атом мишени выбивается из узла решетки и двигается через кристалл. Сталкиваясь с другими атомами, он может при подходящей энергии в свою очередь смещать их со своих мест и т. д. таким образом, первичный ион вызывает каскад атомных столкновений, в результате которого возникают разнообразные дефекты. Их полное число и взаимное расположение зависят от характера распространения каскада по кристаллу. На распространение каскада влияет структура кристалла. Часть движущихся атомов попадает в каналы решетки, по которым их движение облегчено. В атомных рядах энергия может передаваться от атома к атому путем последовательных столкновений (фокусировки). Вдоль пути движущегося иона образуется сильно разупорядоченная область (рисунок 4). Размеры и форма этой области зависят от массы, энергии бомбардирующего иона, массы атомов мишени, её температуры структуры кристалла. При достаточно высокой температуре первичные дефекты, мигрируя по кристаллу, могут частично аннигилировать путем рекомбинации или выхода на поверхность, а частично объединяться между собой или с уже имевшимися дефектами и примесями в более устойчивые вторичные дефекты. Окончательный состав дефектов, их концентрация и распределение по глубине мишени зависят от числа и распределения первоначально смещенных атомов.

Существующие теории позволяют производить оценки числа смещенных атомов на 1 см². при не слишком больших дозах это число равно ФNd, где Ф — доза (число ионов на см2), Nd — среднее число смещенных атомов на один ион.

Наиболее простой формулой, по которой легко оценить Nd, является формула Кинчина — Пиза

E >> Ed, (2.3)

где Е — энергия иона; Еd — пороговая энергия смещения атома мишени из узла кристаллической решетки.

Простейшими дефектами являются дефекты Френкеля, т. е. выбитые из узлов в межузлия атомы мишени и образовавшиеся при этом пустые узлы.

Вакансии при своем движении по кристаллу могут объединяться, образуя крупные скопления или вакансионные кластеры, причем для отжига последних требуется более высокие температуры.

Вакансии могут объединяться в пары — дивакансии, или более сложные комплексы тривакансии, тетравакансии и даже гексавакансии. Эти дефекты устойчивы при комнатной температуре. Например дивакансии отжигаются приблизительно при 550 К.

При бомбардировке ионами и последующем отжиге в результате объединения простых дефектов либо под действием механических напряжений, возникающих вокруг радиационных нарушений, часто образуются линейные дефекты — дислокации или дислокационные петли. Линейные дефекты в процессе отжига могут изменять свою длину, форму и местоположение в кристалле.

Вакансии и межузельные атомы могут группироваться в так называемые плоскостные и линейные включения (в виде дисков или стержней). Эти включения способны адсорбировать атомы примесей, отличающихся по размерам от атомов основного вещества, поскольку в этом случае поля механических напряжений вокруг включений понижаются. Отжиг при температурах 500 — 6000 С приводит к переходу плоскостных включений в дислокационные петли. Характер линейных и плоских дефектов зависит от типа ионов, дозы и температуры отжига.

При некоторых критических концентрациях радиационных дефектов кристаллическое состояние становится неустойчивым и происходит переход в аморфное состояние. Аморфизация имеет место не для всех полупроводников, но чем более выражен ковалентный характер связи, тем больше, вообще говоря, склонность вещества к такому переходу. Si и Ge являются примерами типичных ковалентных полупроводников, для которых данное явление изучено наиболее полно. [4]

2.3 Отжиг радиационных дефектов

Исследования процесса отжига имплантированных структур приводит к выводу о том, что влияния отжига на аморфные слои и на точечные и линейные радиационные дефекты различно.

Одной из основных проблем технологии ионного легирования является определение минимальных температуры и времени отжига, необходимых для полной активации доноров и акцепторов при условии полного устранения остаточных дефектов.

При определенной температуре дефекты можно устранить термообработкой. Для устранения дефектов решетки необходима энергия активации, т. е. осуществляется активизация материала, встраивание атома легированной примеси в кристаллическую решетку основного материала и установление химических связей с соседними атомами. Эта энергия определена для каждой структуры дефектов (рисунок 5). Например, для дивакансий требуется энергия активации 1,25 эВ, в то время как для обычных дефектов 0,33 эВ. Вероятно, многократные дефекты решетки, большие, чем дивакансии, имеют более высокую энергию активации. Обычный отжиг не гарантирует полного 100% избавления от дефектов, более совершенным методом является лазерный отжиг.

Процесс заключается в использовании луча лазера с удельной мощностью равной 500 000 Вт/см3. При кратковременном воздействии лазерного луча материал плавиться на очень короткое время затем при перемещении луча зона воздействия лазерного луча кристаллизуется в нормальную кристаллическую решетку. Лазерный отжиг позволяет строго контролировать зону обработки, глубину залегания примеси, а также устранить нарушения кристаллической решетки в объеме пластины. При обработке поверхностей с большой площадью возможна значительная потеря энергии лазерного луча вследствие отражающей способности поверхности. Поэтому стремятся перемещать не луч, а пластину. По этой причине метод лазерного отжига также не совершенен.

Электронно-лучевой отжиг не зависит от оптических характеристик поверхности. Кроме того электронный отжиг позволяет получать пластины с лучшей электронной стабильностью. После электронно-лучевого отжига пластины практически не содержат дефектов. Однако необходимо поддерживать в вакуумной камере давление порядка 0.1−0.1мм.рт.ст. Этот тип отжига является самым совершенным из всех. 2]

3. Схема устройства для ионной имплантации

Ионный источник представляет собой вакуумную камеру, в которой поддерживается давление 1,33 10−3 Па. В камере осуществляется ионизация паров легирующей примеси. В качестве ионизируемых используются вещества, содержащие требуемую примесь. Выходящие из источника ионы неоднородны по составу. Для отделения посторонних ионов используется магнитный масс-сепаратор, который отклоняет от основной оси ионы, имеющие другую массу и заряд. Таким образом, ионы с различными массами будут двигаться по различным траекториям. Если в первоначальном пучке кроме ионов основной легирующей примеси присутствовали ионы посторонних примесей, то вследствие сепарирования по массам, происходящего в масс-сепаратор, ионы основной примеси будут собираться в отдельный пучок, в котором присутствие других примесей исключено. Выделенный по массе пучок ионов проходит через диафрагму и направляется в приемную камеру, где располагаются подложки. Сепарирование ионов по массам обеспечивает одно из основных достоинств легирования полупроводников ионным внедрением, а именно исключительно высокую чистоту внедряемой примеси.(рисунок 6) [1]

4. Возможности математического моделирования процесса ионной имплантации

В течении последних лет, прошедших с момента сообщения (конец 70-х годов) о первой высокоэффективной инженерной программе одномерного моделирования технологических процессов изготовления БИС SUPREM II, данный уровень моделирования БИС стремительно развивался. Сегодня уже можно говорить о нескольких поколениях программ технологического моделирования. К первому поколению относятся упоминавшаяся программа SUPREM II, а также большое количество зарубежных и отечественных программ, так или иначе использующих и развивающих основные идеи и модели, заложенные в программе SUPREM II. Основное внимание в этих программах уделялось моделированию процессов ионного легирования, диффузии, окисления и эпитаксии, ответственных за распределение примесей в полупроводниковых структурах, как правило, в одномерном приближении.

Стремительный прогресс в кремниевой технологии в последние 5 — 10 лет инициировал дальнейшее развитие технологического моделирования. Многие из недавно появившихся программ обладают признаками второго поколения.

В ближайшее время можно ожидать появления первых программ с некоторыми признаками третьего поколения, которые будут отражать дальнейшие тенденции в развитии технологии БИС.

4.1 Методы моделирования

Наиболее распространенным методом моделирования процесса ионного легирования является аналитическое приближение реальным, экспериментально определяемым формам распределения внедренных в полупроводник примесей. Суть его заключается в том, что, задавшись априори формой кривой распределения, можно экспериментально определить или рассчитать коэффициенты этого распределения. Преимущество данного метода является простота и наглядность полученного распределения, вычисляемого по аналитической формуле.

Наиболее старым и испытанным описанием профиля внедренной примеси, согласно классической теории ЛШШ (Линхарда — Шарфа — Шиотта), является симметричная гауссиана. Однако уже ранние экспериментальные исследования показали, что данное описание существенно не адекватно экспериментально снятым профилям для большинства ионов как в кремнии, так и в других полупроводниках. Было найдено, что профили большинства внедренных ионов ассиметричны в аморфных и кристаллических мишенях.

Использование результатов классической теории ЛШШ и аналитических аппроксимативных моделей распределения внедренных примесей ранее оказалось в большинстве случаев достаточно удовлетворительным, так как при продолжительном цикле загонки погрешности начального распределения после ионного легирования были незначительными. В современных технологических процессах изготовления нашли применение чрезвычайно короткие циклы термического отжига, а также ионное легирование через один или несколько слоев непосредственно в подложку.

Простейшим аналитическим аппроксимативным методом практически невозможно построить точный разрывный профиль распределения примесей при ионном легировании в многослойную структуру типа Si3N4 — SiO2 — Si или Si — SiO2 — Si. Поскольку данная операция часто используется в современных технологических процессах изготовления БИС, это вынуждает для улучшения адекватности применять либо метод Монте — Карло, либо метод интегрирования КУБ для построения требуемого распределения. Метод интегрирования КУБ является более быстрым: если расчет одного одномерного профиля данным методом требует t условных единиц машинного времени, то по методу Монте — Карло (40 — 60) t.

Высокой эффективностью при моделировании ионного легирования в многослойных структурах обладает метод подбора доз, с помощью которого можно получать приемлемую адекватность профиля распределения примеси, характерную для метода интегрирования КУБ, но с минимальными вычислительными затратами, например 10−1 t условных единиц машинного времени.

В данном методе, основанном на статическом распределении и численном интегрировании доз в каждом слое, требуются следующие шаги для моделирования ионного легирования с общей дозой D и энергией E.

Шаг 1. Распределение внедренной примеси в слое 1 (0 — Z1) на рисунке 7, определяется для дозы D и энергии Е как p1f1 (Z), где p1 — пик концентрации; f1(Z) — функция статического распределения от глубины Z. Количество внедренных ионов в слое 1 равно d1.

Шаг 2. Предполагая, что ионное легирование (D, E) было непосредственно проведено в слой 2, на глубине Z1 — границе двух слоев — содержится d1=d2 внедренных ионов:

Шаг 3. распределение внедренной примеси из, взятое с дозой D и энергией E, переносится в слой 2 из. При этом количество ионов в слое 2 толщиной равно d3.

Шаг 4. Шаг 2 повторяется для слоя 3, чтобы получить глубину, для которой количество внедренных примесей определяется выражением

Шаг 5. Распределение примеси из берется таким же, как из слоя 3 (из).

Использование соотношений (4.1) — (4.4) в заданной последовательности шагов позволяет просто и эффективно рассчитывать профили распределения примесей.

На рисунке 8 представлены расчетные и экспериментальные зависимости для ионного легирования мышьяка в многослойную подложку Si — SiO2- Si, подтверждающие приемлемую адекватность приведенного метода для статического распределения.

Наличие в программах технологического моделирования БИС моделей ионного легирования различного уровня сложности — Монте — Карло, интегрирования КУБ, подбора доз для заданных статистических распределений — позволяет в зависимости от типа и конфигурации многослойных мишеней применять наиболее подходящие модели с целью минимизации вычислительных затрат. [5]

Список используемой литературы

1. Готра З. Ю. Технология микроэлектронных устройств — М.: Радио и связь, 1991. — 528 с.

2. Технология ионного легирования Под ред. С. Намбы: Перевод с японского — М.: Сов радио, 1974 — 160с.

3. Курносов А. И., Юдин В. В. Технология производства полупроводниковых приборов в ИМ — М.: Высш. школа, 1986. — 320с.

4. Зорин Е. И. Ионное легирование полупроводников — М.: Энергия 1975. — 128с.

5. Бубенников А. Н. Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем — М.: Высшая школа 1989. — 320с.