Глава 6. Ионное легирование полупроводников

6. 1. Общие принципы процесса ионного легирования

Собственно метод легирования полупроводников донорными и акцепторными примесями был предложен в 1954 г. Кратко сущность метода и его преимущества и недостатки были рассмотрены в главе 2.

Основными физическими характеристиками процесса являются: длина пробега ионов в твёрдом теле и степень нарушения кристаллической решетки пластины в результате её бомбардировки ионами. При этом распределение концентрации внедренных примесей есть результат сложных процессов, связанных с влиянием структуры кристаллической решетки, и её нарушений на характер движения и торможение ионов.

Следует понимать, что под действием ионной бомбардировки в приповерхностном слое пластины накапливаются радиационно-стимулированные дефекты, и каждая последующая порция ионов движется в иных условиях по сравнению с предыдущей. Поэтому конечный профиль распределения примесей представляет собой суперпозицию многих элементарных профилей.

Наиболее простому теоретическому описанию поддается торможение ионов в аморфных телах. Теория торможения в монокристаллах дает так называемый «хвост» распределений, что обусловлено эффектом каналирования. Применительно к ионной имплантации эта теория была разработана Н.Бором и Дж. Линдхардом, а дальнейшее развитие получила благодаря Шарффу и Шиотту. (Сокращенно – теория ЛШШ).

ЛШШ описывает ряд эффектов, возникающих при бомбардировке ионами твёрдых тел. К важнейшим эффектам, способствующим торможению и рассеянию ионов при ионной имплантации, относятся упругие соударения с ядрами атомов мишени и связанными электронами мишени.

Потери энергии при торможении ионов в твёрдом теле описывается выражением: , где Е – начальная энергия

иона; х – глубина проникновения иона в мишень; – потери энергии иона в слое dx; – ядерная и электронная тормозные способности мишени; N_a – число атомов в единице объёма мишени.

Проинтегрируем обе части:

- проекция длины пробега иона в твердом теле.

Ядерная и электронная тормозные способности определяются соотношениями:

потери энергии иона на ядрах

потери энергии иона на электронах

Тогда: - общая тормозная способность.

Характер зависимостей электронной и ядерной тормозных способностей от энергии имплантируемого иона приведен на рис.6.1.

Рис. 6.1. Зависимость электронной и ядерной

тормозных способностей от энергии имплантируемого иона

Для технологии ИЛ представляет интерес область энергий ионов до 1000 кэВ, которая расположена до максимумов S_n и S_e.

В теории ЛШШ ядерная тормозная способность S_n описывается уравнением:

, где Е_n – энергия, передаваемая движущимся ионом ядрам атомов мишени при столкновениях; р – прицельное расстояние; 2 πрdр – дифференциальное поперечное сечение взаимодействия.

Рассмотрим схему взаимодействия падающего иона с атомом мишени:

Рис. 6.2. Схема взаимодействия падающего иона с атомами мишени

При соударении имплантируемый ион отклоняется на угол Ө₁ от направления своего движения и передаёт энергию Е_n, столкнувшемуся с ним атому – мишени, в результате чего атом отклоняется на угол Ө₂ от оси полёта иона (рис.6.2). При этом, если р меняется от 0 до ∞, то Е_n меняется от 0 до , гдеМ₁ и М₂ – относительные молекулярные массы иона и атома-мишени. Расчет Е представляет собой известную задачу классической механики:,

где ;^(6.1)

здесь U = 1/r; r = r₁+r₂ – расстояние между частицами в системе центра масс (рис. 6.2); U_max – величина, обратная максимальному расстоянию, на которое сближаются частицы; φ(U) – потенциал взаимодействия частиц; – энергия иона в центре масс.