14. Физические основы ионной имплантации
14.1. Общие сведения об ионном легировании
Поскольку в процессе изготовления ИС диффузию примеси осуществляют многократно, каждый последующий диффузионный нагрев вызывает продолжение диффузии примеси, введенной на предыдущем этапе. Это ухудшает воспроизводимость параметров ИС, так как изменяется диффузионный профиль структуры. По этой же причине получить базу толщиной менее 1 мкм очень сложно. В ряде случаев (производство ИС на МДП-структурах) боковая диффузия под окисел, характерная для термической диффузии, является нежелательной. В значительной мере свободно от этих недостатков ионное легирование.
Ионное легирование (имплантация) - это управляемое введение атомов в поверхностный слой подложки путем бомбардировки ее ионами с энергией от нескольких килоэлектрон-вольт до нескольких мегаэлектрон-вольт (обычно 20 - 200 кэВ).
Метод ионного легирования имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами легирования, что обусловлено нетепловым характером взаимодействия легирующего вещества и твердого тела. Во-первых, этот метод универсален, так как позволяет вводить любые примеси в любое твердое тело: металл, диэлектрик, полупроводник; во-вторых, он обеспечивает изотипную чистоту легирования, практически исключающую попадание неконтролируемых примесей в легированный слой; в-третьих, проводится при низких температурах. Отжиг легированных слоев происходит при температурах существенно более низких, чем, например, при диффузионном легировании, что обеспечивает плоскостность фронта легирования и простоту локализации процесса с помощью обычных фоторезистивных масок.
Имеется возможность управлять распределением примеси во всех измерениях путем изменения энергии ионов, применять сканирование ионного луча и защитные маски; возможность получать легированные слои под поверхностью, в объеме полупроводника (скрытое распределение); точно дозировать примеси за счет изменения плотности ионного тока в пучке и времени облучения; вводить их через диэлектрические и металлические покрытия (при соответствующем выборе режима); вводить примеси в количестве, превышающем равновесную концентрацию при температуре легирования.
Ограничениями в применении метода являются малая глубина проникновения ионов и вследствие этого малая глубина залегания p-n-переходов, затрудняющая применение последующих технологических обработок и предъявляющая высокие требования к качеству исходной поверхности полупроводника, а также сложность и высокая стоимость оборудования, необходимость использования труда специально обученного, высококвалифицированного персонала для обслуживания этого оборудования, необходимость соблюдения специальных мер по технике безопасности, связанных с применением высоких напряжений и возможностью возникновения проникающих излучений.
14.2. Оборудование для ионного легирования
Модифицирование поверхностных слоев материалов ионами определенного выбранного вида осуществляют на специальных технологических ускорителях – ионно-лучевых установках (ИЛУ) легирования. Диапазон энергий, в пределах которого обычно ускоряют ионы, распространяется от 20 до 450 кЭв. Схемы установок однотипны и содержат ряд основных узлов (рис.14.1).
Наибольшее распространение получили установки средних и малых доз (рис.14.2). В этих установках энергия ионов обычно не превышает 200 кэВ, приемная камера заземлена. Магнитная сепарация осуществляется при низкой энергии ионов, поэтому можно использовать магниты малых габаритов. Для питания как обмотки магнита, так и ускорительной системы требуются маломощные источники.
Атомы исходной имплантируемой примеси могут вводиться в ионный источник либо напуском (если примесь подается в виде газа), либо испарением (для жидкой или твердой примеси). В ионном источнике атомы ионизируются. Ионы вытягиваются соответствующим потенциалом в ускоритель, где ускоряются до заданных значений скоростей (энергий). После предварительной фокусировки в первой щелевой линзе пучок ионов направляется в электромагнитный сепаратор, в котором разделяется по массам таким образом, что все посторонние ионы отделяются от ионного пучка легирующей примеси. Здесь же осуществляется маcc-спектрометрия ионного пучка.
Рис.14.1. Структура установки ионно-лучевого легирования: 1 – система напуска рабочего вещества; 2 – источник ионов; 3 – система формирования ионного луча; 4 – ионопровод; 5 – сепаратор ионов; 6 – система доускорения; 7 – камера с образцами; 8-11 – системы откачки; 12 – блок питания ионного источника; 13 – блок вытягивающего и фокусирующего напряжения; 14 – блок питания сепаратора ионов; 15 – блок контроля дозы облучения
Сепарированный пучок фокусируется системой щелевых и квадрупольных линз в луч, который поступает в систему сканирования. Ускоренный сканированный луч направляется в приемную камеру, где располагаются обрабатываемые пластины.
Ионный источник (ИИ) - один из наиболее существенных узлов ИЛУ. Он состоит из собственно ИИ и устройства экстракции ионов. Конструкция ИИ и его характеристики в значительной степени определяют технологические возможности и эффективность работы ИЛУ.
К ИИ предъявляются следующие требования: генерирование однородного высокоинтенсивного ионного пучка со стабильными во времени параметрами; получение двухзарядных ионов и молекулярных ионов с высоким выходом; обеспечение высокой плотности ионного тока при максимально низких экстрагирующих напряжениях; ионизация газообразных (например, BF3,AsF3,PF5,H2,O2,N2и т.д.) и парообразных (P,Sb,Al, и др.) примесей; легкая замена легирующего элемента; простота управления и замены источника; надежность работы.
Рис.14.2. Схема установки средних и малых доз: 1 - ионный источник; 2 – вытягивающий и фокусирующий электроды; 3 – магнитный масс-сепаратор; 4 – узел, находящийся под высоким потенциалом; 5 – регулируемая диафрагма; 6 – ускоряющая система; 7 – фокусирующая линза; 8 – система электростатического отклонения и сканирования пучка; 9 – приемная камера
Удовлетворение перечисленных требований в одном источнике является довольно сложной задачей. В связи с этим используется набор источников для работы с различными ионами. Применяются ИИ с горячим, холодным и полым катодами; дуоплазматроны; источники с ВЧ- и СВЧ-возбуждением; с поверхностной ионизацией; типа плазма-потоки др.
Ионный источник должен обеспечить возбуждение атомов рабочего газа до энергии, превышающей потенциал ионизации атома, в результате чего будут образованы положительные ионы. Классический метод ионизации – электрический разряд в газе. Поэтому большинство источников содержит следующие конструктивные элементы: разрядную или ионизационную камеру, которая в ряде случаев является несущей конструкцией источника; анод, предназначенный для создания электрического поля внутри разрядной камеры; источник электронов (обычно термокатод), служащий для подачи в зону разряда необходимого количества ионизирующих энергетических электронов; магнитную систему для повышения эффективности ионизации и плотности плазмы в зоне экстракции ионов; электроды экстрагирующей и первичной фокусировки пучка для экстракции ионов из зоны плазмы. Экстрагирующая система является одновременно и первичным ускорителем ионного пучка.
К вспомогательным системам, обеспечивающим работу ИИ, относятся: система подачи рабочего газа; устройство испарения (распыления) твердого легирующего материала; система источников питания. Последняя обеспечивает необходимые анодный и экстрагирующий потенциалы, а также питание катода и электромагнитной системы.
Устройства ускорения ионного пучка должны ускорять пучок необходимой ионной концентрации до заданной энергии с минимальной потребляемой мощностью; быть компактными; дополнительно фокусировать пучок при его транспортировании вдоль ускорителя: обеспечивать минимальное рассеяние и загрязнение пучка; исключать электрические пробои между элементами ускорителя; иметь эффективную защиту от рентгеновского излучения и высокого напряжения.
Ускоритель ионовв зависимости от конструкции ИЛУ располагается до или после масс-сепаратора. Он ускоряет ионы до заданных энергий и осуществляет их дополнительную фокусировку. Ускоритель обычно изготавливается в виде трубки с секционным расположением в ней электродов, разделенных между собой изоляционными кольцами.
Масс-сепараторприменяется для очистки пучка ионов от нежелательных элементов, которые могут присутствовать при формировании пучка в ИИ. Работа масс-сеператора основана на разном отклонении ионов в магнитном поле в зависимости от массы и заряда. Подбирая величину напряженности магнитного поля, можно получать на выходе сепаратора пучок только тех ионов, которые необходимы для легирования.
Связь между магнитной индукцией и параметрами сепарируемых ионов имеет следующий вид:
(14.1)
где R - радиус отклонения иона;M1 - масса иона;q- заряд иона;B- магнитная индукция;U - ускоряющее напряжение.
Как видно из (14.1), частицы с одинаковой энергией, но разной массой отклоняются по разным траекториям, что и используется для отделения ненужных частиц. В установках ИЛ обычно встраивается анализатор масс, по показаниям которого осуществляется настройка сепаратора на выделение нужных ионов. На рис. 14.3 показаны схема сепарации ионов и масс-спектр ионного пучка при легировании бором из ВС13.
Рис.14.3. Схема масс-сепарации ионов в ионно-лучевой установке (а) и масс-спектр ионов при легировании бором из BCl3 (б): 1 – источник ионов; 2 – ускоритель ионов; 3 – коллиматор; 4 – магнитный масс-сепаратор; 5 – потоки ионов, отделенных от основного пучка; 6 – экран с отверстием; 7 – основной пучок легирующих ионов
Устройства сканирования ионного пучкапредназначены для того чтобы сфокусированный ионный луч направлять в нужное место полупроводниковой пластины по заданной программе. В различных установках ИЛ применяют три способа сканирования: полное механическое, полное электростатическое и гибридное. При полном механическом сканировании ионный луч остается неподвижным относительно подложки, а последняя перемещается по отношению к нему в вертикальном и горизонтальном направлениях. Полное электростатическое сканирование представляет собой перемещение ионного луча по поверхности неподвижной пластины. При гибридном сканировании луч сканируется в одном направлении, а подложка перемещается в другом.
Приемная камера предназначена для загрузки полупроводниковых пластин, перемещения их на позицию легирования и выгрузки. В современных установках все чаще применяют поштучную обработку пластин, автоматически вводимых в камеру и удаляемых из нее через вакуумные шлюзы. Специально сконструированные кассеты (подложконосители) обеспечивают герметизацию пластин в процессе их транспортирования с операции ионно-лучевой обработки на другую.
Вакуумные системы должны обеспечивать: рабочий вакуум в системе ионного транспорта и приемной камере не хуже 1,310-4Па; максимальную скорость откачки высокоэффективных (желательно безмасляных) средств откачки; минимальное газовыделение конструкционных материалов. Азотные ловушки на насосах, а также криогенные панели в объеме приемной камеры и внутри ионопровода повышают эффективность использования диффузионных откачных средств. Для быстрой смены подложек необходимы надежные вакуумные затворы и устройства для продувки сухим азотом ионопровода и приемной камеры в случае разгерметизации.