9.5 Іонне легування напівпровідників

Мікроелектронні структури можна одержувати за допомогою електронного і іонного променів (пучків). Таку технологію називають еліонною, а всі питання, що відносяться до її реалізації – еліонікою.

Еліонну технологію застосовують для різних видів оброблення –мікрофрезерування (гравіювання, літографії), мікрозварювання, різці, створення р-n-переходів і ін., а також для інтенсифікації фізико-хімічних процесів, що відбуваються на поверхні напівпровідникової або діелектричної підкладки, десорбції, полімеризації, конденсації, деструкції і т.д.

Найбільш широко використовують еліоніку в технології напівпровідникових ІМС для локального легування напівпровідників, заснованого на іонному впровадженні домішок.

Сутність іонного легування полягає в такому. Іони домішки, одержувані із спеціальних джерел, швидшають і фокусуються в електричному полі, потрапляють на підкладку, бомбардуючи її. Маючи велику енергію (10-103 кеВ), вони впроваджуються в поверхневий шар напівпровідника. При впровадженні в кристалічні гратки іони втрачають свою енергію внаслідок кулонівської взаємодії з атомами гратки, порушуючи або іонізуючи їх, так і через пружні (ядерних) зіткнення з атомами, в результаті яких утворюється велике число точкових дефектів гратки (міжвузлові атоми підкладки і вакансії). В загальному випадку при іонному впровадженні атоми домішки частково займають певне положення в гратках, а частково підпорядковане. Для впорядкування порушеної упровадженням іонів структури і тим самим створення електрично активної домішки підкладки піддають відпалу при температурі 650—700°С. Застосовують також лазерний відпал.

Таким чином, процес іонного легування складається з впровадження іонів і відпалу, одночасного з упровадженням або після нього.

Характерною особливістю іонного легування є те, що зміст упроваджених атомів домішки визначається не фізичними властивостями підкладки (як при дифузії), а умовами впровадження іонів і температурою відпалу, яка значно нижча, ніж при дифузії.

Іонне легування створюється на установці, схема якої показана на рис. 9.4. Джерело іонів 1 складається з камери, призначеної для іонізації пари легуючих елементів, і екстрагуючого іони зонда. Іонізація проводиться у високочастотному або дуговому розряді. Початковими матеріалами для отримання іонів фосфору і бору, які в основному використовують при легуванні кремнію, є червоний порошкоподібний або кристалічний фосфор і галогеніди бору. Речовину у вигляді твердої фази завантажують в тигель джерела, а пари галогенідів поступають в джерело через натікач.

Екстраговані за допомогою негативно зарядженого зонда додатні іони концентруються і фокусуються в пучок з густиною до 100 А/м. Під дією напруги прискорювальної системи 2 (20-200 кВ) іонні пучки набувають необхідної енергії, достатньо потужної для іонного впровадження.

Рисунок 9.4 – Схема установки іонного легування напівпровідників

Магнітний мас-сепаратор 3 служить для виділення іонів потрібної маси, що досягається розділенням руху частинок по різних траєкторіях у відповідності з їх масами під впливом магнітного поля. Сепарація за масами обумовлює високу чистоту легування.

Система сканування 4 забезпечує керування потоком іонів по поверхні підкладок, встановлених в багатопозиційному приймачі іонів 5. Щоб уникнути зіткнень іонів при русі в установці підтримується вакуум (54·10^-5 – 14·10^-4 Па).

Установки даного типу забезпечують отримання легованих тонких шарів кремнію з глибиною залягання р-n-переходів 0,2—0,4 мкм, для чого необхідна доза іонного легування складає 10 –15 см^-2, причому упровадження іонів здійснюється як в умовах нагріву підкладки, так і при кімнатній температурі з подальшим відпалом.

Ефективність застосування іонного легування визначається багатьма чинниками, головними з яких є: розподіл пробігів упроваджених атомів, ступінь і характер безпорядковості гратки, локалізація атомів в кристалічних гратках і електричні властивості шарів після упровадження і відпалу.

Основні переваги іонного легування: