книги / Методы повышения параметров БИС

2.7. ИОННОЕ ВНЕДРЕНИЕ (ИМПЛАНТАЦИЯ)

Ионное внедрение (имплантация) - введение атомов в твердую подложку путем бомбардировки ее.ускоренными ионами (с энер­ гией от нескольких десятков до нескольких сотен килоэлект­ ронвольт) . При этом возможно проникновение ионов в материал на глубину несколько микрометров.

Устройства для ионной имплантации состоят из ионного ис­ точника с экстрагирующей и фокусирующей оптикой, ускоряю­ щей системы, сепаратора для выделения ионов заданной массы, приемной камеры, устройства контроля и управления технологи­ ческим процессом. Применяют также устройства со сканирую­ щим сфокусированным ионным пучком и установки проек­ ционного типа.

Для создания необходимого распределения примесей в плас­ тине при ионной имплантации применяют свободные маски из Мо, Та, сплавов меди, графита, фотоситалла, а также наносимые на поверхность мишени пленки Аи или фоторезистов (органичес­

кие резисты выдерживают дозы менее 10й см '2) [41]. В случае использования масок на основе позитивных полимерных резис­ тов для имплантации ионов средних энергий с дозой П > 5 * 1013 ионов/см2 следует учитывать возможное изменение размеров то­ пологического рисунка маски из-за частичного травления поли­ мера [23].

Распределение внедренных ионов на глубине определяется динамическими процессами проникновения в вещество и диф­ фузными процессами во время внедрения или последующего от­ жига, а для кристаллических образцов еще и ориентацией кри­ сталлической решетки относительно ионного пучка.

Распределение пробегов в аморфной мишени приближенно описывается гауссовой кривой и характеризуется средним прое­ цированным пробегом R p (проекцией полного пробега R - рас­ стояния, проходимого ионом, на направление ионного пучка) и стандартным отклонением A Rp . Длина пробега иона опреде­ ляется его начальной энергией Е0 , массой М и атомным номером Z, а также массой М х и атомным номером Z, атомов мишени. Зная всличшш проецированного пробега k p, стандартного цтклонешш A R p и полную дозу облучения, можно определить Профиль концентрации примеси в мишени.

Максимальная концентрация	примеси
^макс **	Z 1
	2,5 ДRp

131

Распределение концентрации по глубине

где N0 —число внедренных атомов на единицу площади. Из пос­ ледней формулы видно, что на глубине х* = R p ± 2 ДRp концен­ трация примеси по сравнению с УУмакс уменьшается в 10 раз.

Параметры Rp и ARp вычисляют, исходя из предположения, что существует два механизма потерь энергии иона: упругое вза­ имодействие движущегося иона с атомами мишени (ядерное торможение);неупругое взаимодействие электронов движуще­ гося иона со свободными или связашшми электронами мишени (электронное торможение).

Эти процессы считаются независимыми; полное торможение является суммой электронного и ядерного торможений. При таком подходе не учитывается роль поверхности, особенно за­ метная в случае тяжелых мишеней и небольших энергий, а также оболочечцые эффекты, проявляющиеся при имплантации слож* hoix полупроводников с высокими атомными номерами ком­ понентов. Кроме того, при малых геометрических объемах ма­ териала, в который проводится имплантация, профиль распреде­ ления заметно отличается от гауссовою (7,88,91,151].

В случаях, когда имплантация проводится в двухкомпонент­ ные мишени, для вычисления R р и ARP могут быть использова­ ны формулы [88]:

где индексы 1, 2 относятся к атомам первого и второго элемен*

4 ММ;

тов мишени; у; -----------для каждого нго элемента. (.М+М;)2

В монекристаллических мишенях распределение пробегов сильно зависит от ориентации кристалла по отношению к направ-

132

Рнс. 63. Распределение примесных атомов в монокристалле при ори­ ентации ионного пучка вдоль од­ ной ю низкошщицировашых крис­ таллографических осей:

1 ~ пик некаиалированных частиц;

2 - типичные профили при канали­ ровании;. 3 —пик „идеально” кана­ лированных частиц

ленто движения иона. Например, в кремнии каналируемые (дви­ гающиеся параллельно оси или плоскости кристалла с малыми индексами) ионы мышьяка с энергией 100 кэВ могут проникать приблизительно в 50 раз глубже, чем неканалируемые [91].

В общем случае профиль распределения примесей в кристал­ лическом материале представляет собой сумму трех распределе­ ний, которые создаются ионами, каналируемыми до полной ос­ тановки, ионами, движущимися как в аморфномтеле, и ионами, вышедшими из режима каналирования. Однако существующие теории не могут предсказать профиля распределения с учетом каналирования.

На рис. 63 показаны типичные профили концентрации примес­ ных атомов в монокристалле (штриховкой выделено распреде­ ление идеально каналированных частиц, глубина проникновения которых близка к максимальному пробегу Лмакс; пунктирны­ ми линиями показаны распределения, которые можно получить при обычных условиях в кремнии) [91],

Эффект каналирования оказывает сильное влияние на поло­ жение р-п перехода и его электрические характеристики, кото­ рые определяются той частью кривой распределения примеси, которая соответствует равенству концентраций внедренной при­ меси и примеси в исходном образце. В этой области концентра­ ции могут быть на несколько порядков ниже максимальной кон­ центрации внедренных атомов. Поэтому в ряде применений ионного легирования стремятся по возможности подавлять эф­ фект каналирования.

Процесс внедрения ионов в кристаллическую решетку сопро­ вождается ее разупорядочением и возникновением радиацион­ ных дефектов. Эти дефекты могут привести к появлению энерге­ тических уровней в запрещенной зоне полупроводника, увеличе­ нию .скорости рекомбинации и снижению концентрации свободных носителей в материале, затруднению процессов каналирования. Полное число дефектов в их распределение по глубине зависит от вида ионов и их энергии, полной дозы облучения, массы

133

атомов и температуры мишени. Максимальная концентрация де­ фектов при одной и той же энергии увеличивается с ростом мас­ сы иона.

Этим закономерностям, выведенным для моноатомиых полу­ проводников типа Si или Ge, в целом подчиняются и бинарные полупроводники А111 Bv , и в частности GaAs. Отличия, в первую очередь, связаны с тем, что в GaAs возможна генерация собст­ венных точечных дефектов одновременно в двух подрешетках кристалла. Кроме того, соединения типа A111 Bv более чувстви­ тельны к ионной бомбардировке, чем Si и Ge, поскольку поро­ говая энергия смещения их атомов значительно ниже. Так, при бомбардировке ионами примерно одной массы для полной аморфизации GaAs требуется доза 2 • 103 ионов/см2, а для Si —при­ мерно в шесть раз большая [88]. Ионная имплантация в эпита­ ксиальные слои GaAs имеет характерные особенности, связан­ ные с существованием в этих слоях специфических форм нахож­ дения примесей —примесных скоплений [98].

Профиль распределения радиационных дефектов не иденти­ чен профилю имплантированных атомов. Максимум скоплешш примеси смещен в глубь мишени по сравнению с максимумом скопления дефектов, что объясняется экранировкой слоев с максимальной концентрацией примесных атомов .вышележащи­ ми слоями [88]. Благодаря этому эффекту при не слишком вы­ соких дозах удается получить сравнительно большую цровощ!- мость в легированном слое даже при наличии расположенного ближе к поверхности высокоомного аморфного слоя с высокой концентрацией дефектов.

Для устранения радиационных повреждений необходима пос­ ледующая термообработка, при которой происходит рекристал­ лизация аморфного слоя, имеющего высокое удельное сопротив­ ление, а также перемещение внедрешшх атомов из метастабипьных междуузельных положений в узлы кристаллической решет­ ки, где они приобретают электрическую активность. Изолиро­ ванные разупорндоченные области отжигаются при более низкой температуре, чем сплошной аморфный слой.

Наряду с термическим отжигом в технологии ионного легиро­ вания все чаще применяется импульсный отжиг (лазерный или электронно-лучевой) [41, 50]. Импульсному отжигу не свойст­ венны такие недостатки термического отжига, как неполное восстановление нарушенной кристаллической решетки и зави­ симость остаточных дефектов от ориентации подложки. Приме­ нение импульсного Отжига особенно эффективно при изготовле­ нии элементов интегральных микросхем с субмикроинымн раз­ мерами.

134

Достоинствами технологии, основанной на ионной импланта­ ции и импульсном отжиге, являются локальность но глубине и площади, высокая воспроизводимость параметров, возможность создания сверхнизких градиентов распределения примеси, сохра­ нение стехиометричности состава.

Разрабатывается метод ионно-лучевого отжига, при котором происходит упорядоченная перекристаллизация кремния одно­ временно с легированием при обработке пластины ионным лу­ чом высокой интенсивности [7]. Длительность импульса ионов выбирается из условия, чтобы за время его действия темпе­ ратура подложки поднялась до точки плавления, но испарения легированного приповерхностного слоя не происходило.

Имплантацией ионов примеси в полупроводниковый матери­ ал можно получить р-п и п-р переходы в любом месте и на любой площади. Конфигурация перехода, образованного в результате ионного внедрения, отличается от конфигурации диффузионного перехода. В последних боковое и фронтальное распределение примеси одинаково, в имплантированных - может сильно разли­ чаться. По нормали к поверхности переход более плавный; он определяется разбросом проецированного пробега и эффекта­ ми каналирования и радиационно-стимулированной диффузии. Характер бокового распределения зависит от конфигурации мас­ ки. При скошенном крае маски боковая граница р-п перехода наклонена к поверхности, распределение градиента концентрации примеси в легированном слое оказывается более сложным, чем у диффузионных структур. Прямоугольный край маски дает очень резкую границу между облученной и необлученной об­ ластями, характер перехода определяется только поперечным разбросом пробегов ионов и расходимостью пучка.

Одной из важных особенностей ионного внедрения является возможность создания инверсионных слоев в глубине подложки при использовании высокоэнергетичных ионов. Глубина залега­ ния и ширина скрытого легированного слоя зависит от энергии ионов и концентрации примеси в исходном материале. Форма маски и ее толщина оказывают существенное влияние на процесс образования и конфигурацию скрытого инверсионного слоя. Маска со скошенными краями не позволяет получить скрытые структуры, так как при постепенном уменьшении толщины мас­ ки край такого слоя выходит К поверхности (рис. 64) [11, 91]. Глубину залегания скрытого слоя можно регулировать путем из­ менения толщины маски, обеспечивающей лишь частичное экрани­ рование пластины. Чем меньше толщина маски, тем дальше от поверхности располагается инверсщншый слой.

Имплантацией кислорода или элементов, создающих ком­ пенсированный слой, в глубине полупроводника можно форми-

135

Рис. 64. Влияние маски со скошен*				Пучок ионаб
ними краями на конфигурацию				акцепторной примеси
„скрытого" инверсионного слоя
ровать	изолирующие слои.			маска
При создании оксидного слоя				п-51
необходима определенная теп­				\ йндерсйдн/шЯ ^ / г ------
ловая	обработка		(Т = 700 ...	\_л-с(!РМ-__у
...800 °С),		при	которой из	n-St
смеси дефектов и кислорода
происходит		формирование

кислородно-кремниевых комплексов и последующее их связы­ вание в аморфный слой [113]. Диэлектрические нитридные слои, полученные в результате внедрения ионов азота в кремний, ме­ нее однородны, чем окисные слои, и имеют большое количество таких серьезных дефектов, как микропоры [88]. Используя ска­ нирующие остросфокусированные ионные пучки с изменяе­ мой по соответствующей программе энергией, можно полу­ чать диэлектрические слои произвольной конфигурации со сложным толщииным профилем, закругленными или остры­ ми краями.

В настоящее время ионное внедрение при легировании полу­ проводников является хорошо известным технологическим приемом. Для легирования кремния и германия чаще всего ис­ пользуются ионы BjfJAs, Sb; для GaAs - ионы S, Zn, Cd; для CdS - ионы Р, As; для SiC я-типа —ионы В, Al, Ga, In; для SiC p-типа - ионы N, Р, As. Чтобы повысить эффективность внедрения, рекомендуется одновременно облучать образец иона­ ми примеси и нейтральными ионами (Н , Не , Аг , Ne , Хе ) или высокоэнергетичными электронами. Возникающая при этом радиационно-стимулированная диффузия способствует возраста­ нию глубины проникновения в два-три раза, а высокоэнергетичные электроны обеспечивают выравнивание глубины проникно­ вения ионов и нейтрализуют накапливающийся положительный заряд [108].-

Специфика ионного внедрения накладывает некоторые огра­ ничения на порядок и даже на возможность проведения некото­ рых технологических операций. В частности, нельзя проводить высокотемпературные операции, например термическое выращи­ вание SiOs, после создания ионным внедрением заданного про­ филя распределения примеси.

Использование ионной имплантации позволяет формировать планарные р-п переходы с более высокими характеристиками, чем диффузионные, и реализовать на их основе структуры с суб-

136

микронными размерами. В настоящее время ионное внедрение наиболее широко применяется при изготовлении МОП-транзис- горов с низким пороговым напряжением, быстродействующих МОП-схем и приборов с зарядовой связью. В комплементарных МОП ИС ионная имплантация позволяет независимо регулировать пороговое напряжение р- и л-каналов, формировать прецизион­ ные высокоомные резисторы. При создании высокочастотных ПЗС структур ионной имплантацией формируют тонкие слои с противоположным типом проводимости, скрытые каналы. На рис. 65 показан диапазон энергий и доз, используемых для формирования МОП-структур [108].

Разработка методов ионного внедрения внесла существенные изменения в технологию биполярных приборов и схем, в част­ ности, позволила отказаться от методики формирования скры­ тых слоев с выращиванием эпитаксиальных пленок поверх диф­ фузионных областей, уменьшить или полностью устранить эф­ фект „выдавливания” базового слоя под эмиттером в область коллектора, который наблюдается при создании в базовом слое транзистора сильно легированного эмиттера. На рис. 66 показан диапазон энергий и доз ионов, используемых для формирования областей биполярного транзистора [108].

Расширилась сфера применения ионной имплантации при изго­ товлении кремниевых эпитаксиальных структур. В этом случае ионное легирование проводится одновременно с выращиванием пленок методом молекулярной эпитаксии.

В технологии изготовления приборов на GaAs ионная имплан­ тация применяется для улучшения качества омических контак­ тов, в особенности к //-областям, для получения сверхрезких пе­ реходов, для создания проводящих слоев на полуизолирующем GaAs. Наиболее перспективно применение ионной имплантации для изготовления полевых транзисторов с барьером Шоттки, для которых нужно создавать субмикронные слои л-типа с резкой границей.

Ряд приложений ионной имплантации основан на использова­ нии эффекта ускоренного травления облученного материала (см. п. 2.5). Известно, что качество металлизации значительно улучшается, если вскрытые в толстых диэлектрических пленках окна имеют пологие стенки. Такие окна можно сформировать, если до нанесения фоторезистивной маски провести, мелкую имплантацию в слой Si02, например, ионов Аг с дозой 1013’...

ДО14 ионов/см2, которая в несколько раз повысит скорость травления облученных слоев по сравнению с необлученными [43]. Ускоренное травление в облученных слоях SiOj и Si3N4 позволяет методами жидкостного и плазмо-химического травле-

‘ 137

Рис. 65. Диапазон энергий и доз ионов, используемых для формиро­ вания МОП-схруктур

Рис. 66. Диапазон энергий и доз ионов, используемых для формиро­ вания областей биполярного транзистора

ния через резистивные маски изготавливать очень узкие канавки без бокового подтравливания, которое наблюдается при обра­ ботке неимппантированных слоев [7].

К числу новых направлений использования ионной импланта­ ции относится генерирование (уменьшение числа подвижных дефектов некоторых примесей в кристаллической структуре пластин, особенно в их активных или критических частях, зани­ маемых схемами) путем легирования обратной стороны пласти­ ны или внутреннего слоя ионами аргона (реже бора и фосфора)

сдозой 1015...1016 ионов/см2, достаточной для аморфизации кремния и образования генерирующего „стока” [7,501.

Значительную роль играет ионная имплантация в решении за­ дачи создания устройств на цилиндрических магнитных доменах

сбольшой информационной емкостью, в частности, ее использу­ ют для подавления „жестких” доменов, формирования структуры продвижения доменов в виде соприкасающихся дисков. Процесс

находит также применение в создании оптоэлектронных прибо­ ров в интегральном исполнении для схем функциональной мик­ роэлектроники и при управлении свойствами сверхпровод­ ников.

Как уже упоминалось, при облучении полупроводникового материала легкими ионами электрически неактивных примесей происходит радиационно-стимулированное увеличение коэффи­ циента диффузии за счет генерации вакансий при смещении ато­ мов в междуузлия [7, 108]. Этот эффект может быть использо­ ван для проведения селективной диффузии (через маску или сфокусированным ионным пучком) при создании глубоких кон­ тактов.

Важным достоинством метода ионного внедрения является то, что осуществляемый в условиях высокого вакуума, при стро­ гом контроле за энергией и током ионов процесс допускает практически полную автоматизацию и близкую к 100 %-ной вос­ производимость электрических параметров изготавливаемых приборов.

2.8. МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВАЯ ЭПИТАКСИЯ

Молекулярно-лучевая эпитаксия - процесс синтеза веществ, осуществляемый при взаимодействии одного или нескольких по­ токов молекул компонентов с подогретой монокристаллическоц подложкой в условиях сверхвысокого (по фоновым газам) ва­ куума (10~f...10_8 Па) [135]. Молекулярные потоки создаюттер­ мическим испарением или сублимацией элементов илисоединений. За счет низкой скорости роста, которую можно контролировать с

139

большой точностью, удается воспроизводимо выращивать очень тонкие слои с атомно-гладкой поверхностью, регулируе­ мыми профилем легирования, составом элемента и шириной зап­ рещенной зоны.

Процесс молекулярно-лучевой эпитаксии включает несколько технологических операций, основными из которых являются подготовка поверхности подложки, выращивание слоев, анализ сформированной структуры. Для качественного проведения про­ цесса особое значение имеет использование чистой бездефектной подложки, содержащей регулярно расположенные стоки для ада­ томов и обладающей определенной сверхструктурой. Очистка подложки производится нагревом ее в сверхвысоком вакууме или травлением („сухими” методами) с последуйщим отжигом.

В процессе эпитаксиального выращивания подложку нагре­ вают до температуры, при которой еще не происходит объемная диффузия. Обычно оптимальная температура подложки на 100...

...200 ° С ниже, чём при жидкофазной или газофазной эпитаксии. Источники молекулярных пучков должны создавать стабильные во времени (при заданной температуре ) и однородные по гоют- -ости (в пределах площади подложки) молекулярные потоки, свободные от посторонних примесей. В установках для молеку­ лярно-лучевой эпитаксии используются как тигельные источни­ ки с резистивным нагревом, так и бестигельные, с электронно­ лучевым или лазерным нагревом. Тигли изготавливают из туго­ плавких материалов высокой чистоты (например, из пиролити­ ческого нитрида бора или из графита с защитным покрытием из нитрида алюминия, карбида тантала, нитрида бора) [55]. Для по­ вышения чистоты молекулярных пучков производятся масс-се- парация и лазерная очистка [135].

Интенсивность молекулярных пучков можно изменять резко с помощью индивидуальных заслонок, размещаемых между ис­ точником и подложкой, или плавно, регулируя по заданной программе температуру источника.

Возможность управления интенсивностью молекулярных по­ токов выращиваемого слоя и легирующих примесей, сравнитель­ но низкая температура процесса позволяют получать слои задан­ ного состава с резкими границами раздела и сложными профиля­ ми легирования. В процессе нанесения слоев могут применяться различные методы маскирования.

Равномерность выращиваемого эпитаксиального слоя зависит от геометрии молекулярного источника и его удаленности от подложки. Так, для получения однородного по толщине.слоя на подложке диаметром до 76 мм молекулярный источник дол­ жен иметь диаметр до 25 мм и быть расположен в 300 мм от под­

140