12. Перечислите физические основы метода ионного легирования
Ионное легирование после высокотемпературной диффузии является 2-м основным методом получения легированных полупроводниковых слоев при изготовлении полупр-х структур ИС и полупров-х приборов.
Впервые метод ионного легирования был применен для изготовления p – n - переходов В.Шокли в 1954 г.
Значительный вклад в разработку и внедрение данного метода в производство ИС внесли отечественные ученые и разработчики П.В.Павлов, В.М.Стружинский и многие другие.
В настоящее время метод ионного легирования применяется при изготовлении полупроводниковых приборов с большой площадью переходов, солнечных батарей и кремниевых детекторов ядерных излучений, варакторов, фотодиодов, биполярных и МДП ИС.
Процесс ионного легирования происходит в два этапа.
Сначала в полупроводниковую пластину внедряют ионы, затем производят отжиг, при котором восстанавливается нарушенная внедрением кристаллическая структура полупроводника, и ионы примеси занимают узлы кристаллической решетки.
Механизм ионного внедрения принципиально отличается от механизма диффузии.
При ионном внедрении движение ионов в полупроводнике определяется их начальной кинетической энергией, а не градиентом концентрации, как при диффузии.
Ионное внедрение в зависимости от направления падения ионов на поверхность может быть объяснено двумя механизмам и, приводящими к различным глубинам проникновения и распределениям примесей.
Взаимодействие ионов со встречными атомами пластины происходит как независимое столкновение пары ион-атом. При каждом столкновении происходит передача энергии атомам пластины и торможение движущегося иона до тех пор, пока он не остановится окончательно.
Если передаваемая ионом энергия превышает энергию связи атомов в решетке, атомы смещаются и покидают узлы решетки, в результате чего образуются дефекты по Френкелю – вакансии и атомы в междоузлиях. Поскольку первичная энергия иона велика, на пути его перемещения внутри полупроводника образуются многочисленные дефекты смещений, сливающиеся зоны размером 50 – 100 ангстрем (рис.10).
По мере внедрения ионов количество и размер зон с разупорядоченной кристаллической решеткой увеличивается, и если плотность зон велика, то в определенный момент времени происходит полное слияние всех дефектных зон, т.е. полупроводник из кристаллического состояния переходит в аморфное. Критическая величина дозы ионного облучения, при которой полупроводник переходит из кристаллического состояния в аморфное, называется дозой аморфизации.
Рис.10. Траектория движения внедренных ионов:
…… отклонения атомов полупроводника при столкновении с ионами;
–– траектория движения иона
Аморфизация поверхности кремниевой пластины под действием ионов фосфора происходит более интенсивно, чем под действием ионов бора.
Доза облучения, необходимая для аморфизации поверхности кремния, составляет приблизительно 6,2·1014 см-2.
Ориентированное внедрение происходит, если направление падения ионов на поверхность полупров-вой пластины практически совпадает с одним из основных кристаллографических направлений – [110], [100] или [111], т.е. когда угол между направлениями падения ионов и главной кристаллографической оси меньше критического. При ориентированном внедрении движение ионов происходит с малыми потерями энергии и носит упорядоченный характер, так как осуществляется по свободным каналам (рис.11).
Каналирование – проникновение ионов по междоузлиям вдоль атомных рядов или плоскостей, образующих межосевые или межплоскостные каналы. При каналировании ионы испытывают скользящие столкновения, при которых потери энергии незначительны и число смещенных ионов невелико. Большинство ионов сохраняет направление своего движения, и поэтому средняя длина пробега ионов в этом случае во много раз превышает соответствующие значения при разориентированном внедрении.
Рис.11. Каналы в [110] кремниевой пластине
1 – атомы кремния;
2 – каналы, направленные перпендикулярно
к плоскости рисунка
Глубина проникновения ионов по каналам зависит от кристаллографической ориентации канала и максимальна для направления [110], так как плотность атомов решетки типа алмаза
в этом направлении меньше, чем в других направлениях.
Глубина внедрения ионов меняется в соответствии с рядом [110] > [100] > [111]. Вдоль направления [110] она примерно в 2 раза больше, чем в направлении [111].
Если направление падения первоначального пучка ионов на поверхность пластины отклоняется от основного кристаллографического направления и, следовательно, от оси канала, то ионы выходят за область канала и перемещаются по беспорядочным траекториям. В реальных условиях, даже если угол падения ионов отклоняется от оси канала не более чем на критический, чистое каналирование не будет иметь места.
Это объясняется тем, что по мере внедрения с увеличением дозы облучения часть падающих на подложку ионов будет сталкиваться с поверхностными атомами.
Эти ионы не попадут в каналы, а отклонятся от первоначального направления, и в результате их неупорядоченного движения будут образовываться дефектные области, которые, в свою очередь, будут влиять на характер внедрения.
При больших дозах облучения концентрация ионов в канале велика и не все из них находятся в одинаковых условиях. Энергия ионов, движущихся по центральной части канала, теряется в основном из-за взаимодействия с электронами.
Потери энергии ионами, отклонившимися от центра канала, обусловлены также их взаимодействием с ядрами атомов.
Отклонения ионов могут происходить также и при
их взаимодействии с тепловыми колебаниями атомов полупроводника, дефектами решетки и др.
Влияние дополнительных причин отклонения ионов от центра канала тем больше, чем дальше ион находится от центра канала. С увеличением дозы облучения деканалирование становится более заметным, и при дозах 1015 см-2 эффект каналирования практически исчезает.
Внедрение ионов приводит к появлению радиационных дефектов кристаллической решетки и не обеспечивает активного легирования.
Для обеспечения активного ионного легирования необходимо, чтобы решетка полупроводника была минимально нарушена и чтобы ионы вводимой примеси попали в узлы кристаллической решетки. Только в этом случае атомы примеси являются электрически активными и могут выполнять роль доноров или акцепторов.
Вероятность прямого попадания ионов в узлы решетки невелика. Для восстановления кристаллической решетки полупроводника и перевода ионов в электрически активное состояние (из междоузлий в узлы) полупроводниковые пластины непосредственно после ионного внедрения подвергают отжигу. Наиболее часто применяется термический отжиг кремния в атмосфере аргона при температурах 600 – 800°С в течение 10 – 20 мин.
При этих температурах смещенные атомы решетки и внедренные ионы приобретают достаточную подвижность для перехода в вакантные узлы, за счет чего происходит упорядочение кристаллической структуры полупроводника. Иногда отжиг совмещают с внедрением ионов, для этого производят внедрение в нагретую пластину. Такой способ называется горячим внедрением. Его рекомендуют применять для примесей с малым коэффициентом диффузии, так как в противном случае управлять профилем распределения примесей довольно трудно.