Сущность ионного легирования

Ионная имплантация

Диффузия примеси на этапе разгонки

Для получения заданных значений параметров диффузии после этапа загонки проводится разгонка примеси. Это операция выполняется в обычной печи, после снятия с поверхности пластины примесью силикатного стекла. Процесс проводят в кислородосодержащей среде в присутствие аргона.

На втором этапе диффузии идут одновременно 2 процесса – диффузия примеси в глубь кристалла и окисление поверхности кремния, обогащенным примесью. От соотношения скоростей этих процессов будет зависеть результирующая поверхность, концентрация примесей, глубина залегания p-n перехода и вид распределения по глубине диффузионного слоя.

Метод легирования пластины или эпитаксиального слоя путем бомбардировки ионами примеси, ускоренных до энергии, достаточной для их внедрения вглубь твердого тела.

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.

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:

1. Возможность внедрения в полупроводниковые материалы практически в любых легируемых элементах, при этом концентрация их не ограничена предельной растворимостью.

2. Низкотемпературный процесс 450-600 градусов.

3. 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.

4. Высокая воспроизводимость результатов, благодаря точному контролю, току пучка и дозы ионов, а также равномерности распределений.

5. Возможность легирования через диэлектрические и металлические покрытия.

6. Возможность локального легирования с помощью фокусирования до требуемого размера ионного пучка.

7. Частота ионов легированной примеси, которая обеспечивается интеграцией пучков в магнитном поле.

Ограничения и недостатки:

1. Возникновение в облучаемом кристалле большого количества структурных дефектов
2. 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.
3. относительная сложность, громоздкость и высокая стоимость

Дата добавления: 2014-01-20