Физико-химические основы технологии электронных средств. Конспект лекций, страница 26

4.  амплитуда тепловых колебаний атомов решетки подложки, определяемая ее температурой.

Значительную роль в правильном выборе траектории ионов в подложке играет эффект каналирования: это движение ионов примеси вдоль одного из открытых направлений в решетке подложки по кристаллографическим осям или по атомным плоскостям. Каналирование ионов увеличивает глубину залегания p-n переходов и уменьшает дефектность структуры.

Средний пробег иона с начальной энергией  можно рассчитать из выражения:

         (1)

где N – концентрация атомов в подложке;

Sn – поперечное сечение ядерного торможения (ядерная тормозная способность) .

        (2)

                    (3)

где  и  - заряды ядер иона и атома;

 и  - атомные веса иона и атома.

Проинтегрировать выражение (1) с учетом (2) и (3) получаем:

    (4)

На пробег иона влияет ориентация подложки (эффект деканалирования), которая учитывается углом каналирования. Превышение этого угла приводит к ядерным столкновениям и разупорядочению структуры.

Критический угол при внедрении в кремний ионов бора и фосфора в зависимости от энергии ионов и кристаллографического направления составляет .  Наибольший пробег достигается по направлению <110>; наименьший - <100>. На практике с достаточной точностью нормальный пробег ионов бора и фосфора в кремнии при энергиях Е=20¸100 кэВ можно принять равным:

Математическое распределение примеси вблизи максимума определяется законом Гаусса:

где Q – доза облучения;  - среднее отклонение нормального пробега .

В принципе ионную имплантацию, как и диффузию, можно проводить многократно, встраивая один слой в другой, но сочетание энергий, времен экспозиции и режимов отжига, необходимых для многократной имплантации очень затруднительно, поэтому ионная имплантация применяется главным образом при создании тонких одинарных слоев.

Концентрация примеси в имплантированном слое зависит от плотности тока в ионном пучке и времени проведения процесса (времени экспозиции). В зависимости от плотности тока и желаемой объемной концентрации время экспозиции составляет от нескольких секунд до 3-5 минут. Чем больше время экспозиции, тем больше количество радиационных дефектов.

Максимальное значение концентрации носителей, например в ионно-легированных слоях кремния достигает  для бора и  для фосфора.

Ионное легирование полупроводника в планарной технологии применяется:

1.  для введения фиксированного количества примеси в локальную область;

2.  для создания контролируемого распределения концентрации примеси в заданной области;

Преимущества ионного легирования:

1.  возможность точного задания конфигурации распределения концентрации примеси как по глубине, так и по площади облучения, при этом градиент концентрации примеси в области p-n перехода значительно больше чем у диффузионного профиля;

2.  осуществление процесса при низких температурах, это позволяет сохранить заданный профиль распределения концентрации примеси в структурах и их электрофизические параметры;

3.  возможность легирования полупроводника любыми легирующими примесями в любых количествах, вплоть до предельной растворимости;

4.  получение изотропной чистоты ионов легирующей примеси, сепарированных в магнитном поле;

5.  отсутствие влияния окружающей среды, так как процесс идет в вакууме;

6.  высокая воспроизводимость результатов, благодаря точному контролю интенсивности пучка и дозы внедряемых атомов;

7.  возможность осуществления на одной установке комплекса операций, включая легирование, металлизацию и защиту поверхности.

Недостатки метода:

1.  сложность технологических установок;

2.  возможность образования дефектного слоя на поверхности подложки.

Применение: ионное легирование используется для создания биполярных транзисторов СВЧ - диапазона, МДП-транзисторов с самосовмещающимся затвором, диодов, высокоомных резисторов и других элементов полупроводниковых ИМС.