WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 18 | 19 || 21 | 22 |   ...   | 27 |

Измеряемый сигнал после усиления поступает в систему управления. Так, например, усилители - интеграторы в цепи обратной связи имеют емкости, подбором которых задается необходимая доза. После того, как доза набрана, замыкаются контакты исполнительного механизма, и ионный поток прерывается механически или электрически.

Контрольные вопросы Укажите диапазон энергий ионов, используемых в ионно-лучевых установках.

Сформулируйте основные требования к ионно-лучевой установке.

Как работают ионные источники с поверхностной ионизацией Каков принцип действия полевых ионных источников Перечислите основные типы плазменных ионных источников.

Как устроен дуоплазмотрон Какие достоинства имеют плазменные ионные источники Как осуществляется вытягивание ионов из источника Почему система ускорения ионов делается многосекционной В чем заключается принцип сепарации ионного потока Как осуществляется формирование ионного потока в ионно-лучевой установке Сформулируйте основные особенности формирования ионных пучков.

Почему для отклонения ионных пучков чаще используются электрические поля Как можно оценить максимально возможное давление остаточных газов в ионно-лучевой установке 4.4. ИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ 4.4.1. Особенности технологии ионного легирования Технология ионного легирования основана на закономерностях движения ионов в твердом теле, которые были рассмотрены выше. Наиболее широкое применение процессов ионного легирования связано с твердотельной электроникой и микроэлектроникой.

Интенсивная разработка метода ионного легирования (ионной имплантации) полупроводников началась в начале 60-х годов. Толчком к этому послужило бурное развитие микроэлектроники. Интерес к методу ионного легирования вызван тем, что он обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционно существующими - диффузией, вплавлением и легированием из расплава. Сравнительно низкая температура обработки полупроводниковых подложек, точный контроль глубины и профиля распределения примеси, гибкость и универсальность, возможность полной автоматизации процесса - всё это позволяет применить метод ионного легирования при изготовлении полупроводниковых приборов с использованием наиболее перспективной планарной технологии и решить проблему интеграции и интенсификации технологических процессов микроэлектроники, поскольку появляется возможность на одной полупроводниковой пластине получать различные области с широким диапазоном электрических свойств.

Основные задачи технологического применения ионного легирования заключаются в точности определения и предсказания профилей распределения имплантированных ионов и пробегов ионов в твёрдых телах с учётом и без учёта эффектов каналирования и блокировки; местоположений в кристаллической решётке имплантированных ионов, дефектов решётки, возникающих при ионной имплантации, их роли при структурных превращениях; характеристик отжига дефектов; электрических характеристик имплантированных слоев; применения метода ионной имплантации для изготовления полупроводниковых приборов.

Разработаны технологические приёмы и режимы получения ряда полупроводниковых приборов и элементов интегральных схем на кремнии:

планарные микродиоды, спектрометрические детекторы ядерных излучений, умножители электронных потоков, p-i-n диоды, варикапы со сверхчувствительностью, высокочастотные биполярные p-n-p и n-p-n транзисторы, полупроводниковые резисторы с широким диапазоном сопротивлений, высоковольтные вентили, фотодиоды, преобразователи солнечной энергии и т.п.

Следует обратить особое внимание на разработки, в которых сочетается ионное внедрение с широко используемым в промышленности планарным технологическим процессом. Например, применение имплантации с последующим диффузионным отжигом в качестве базового технологического процесса при изготовлении высокочастотных транзисторов, для схем диодно-транзисторной логики позволяет существенно повысить процент выхода годных приборов, уменьшить разброс основных параметров и упростить процесс изготовления за счёт сокращения некоторых технологических операций.

Ионное легирование обладает рядом преимуществ перед традиционными методами модификации свойств поверхностных слоёв твёрдых тел, например, по сравнению с термическим диффузионным методом введения примесей:

- возможность легирования любыми примесными элементами;

- изотропная чистота вводимых примесей;

- простота регулировки концентрации примесных атомов (иногда можно повысить их концентрацию до уровня, превосходящего предельную растворимость);

- влияние окружающей среды сведено к минимуму;

- процесс осуществляется при нормальной температуре (отжиг на несколько сот градусов ниже, чем в диффузионных процессах);

- возможность легирования легкоплавких материалов;

- высокая степень автоматизации и воспроизводимости процесса, простота и удобство регулирования его параметров;

- локальная обработка с использованием защитных масок или остросфокусированных ионных пучков;

- возможность получения скрытых в глубине слоёв, различающихся типом электропроводности;

- возможность получения резких p-n-переходов;

- возможность создания твердотельных устройств с повышенной радиационной стойкостью.

При разработке и реализации технологических процессов ионной имплантации необходимо учитывать ряд особенностей. К ним относятся:



• Образование радиационных дефектов Ионная бомбардировка твердого тела сопровождается образованием радиационных дефектов, которые представляют собой как выбитые со своих мест атомы мишени, так и внедренные в междоузлия решетки первичные ионы. Для формирования полупроводниковых структур необходимо, чтобы эти атомы заместили атомы основного вещества в узлах кристаллической решетки. Последнее достигается отжигом, при котором ускоряется процесс диффузии и происходит восстановление решетки.

В технологии микроэлектроники применяются два метода отжига - термический и лазерный. При термическом отжиге весь образец нагревается равномерно. Температура и время отжига для каждого материала подбираются так, чтобы диффузионная длина атомов в решетке была примерно равна среднему размеру кластера. Необходимо отметить, что при термическом отжиге профиль легирования размывается из-за диффузии внедренных ионов. При лазерном отжиге нагревается локально только легированная область материала. Под действием импульсного лазерного нагрева возможно не только ускорение диффузии, но и локальное плавление материала, что значительно ускоряет процесс отжига. Размытие профиля легирующей примеси в этом случае оказывается значительно меньшим.

• Ионное распыление поверхности мишени При легировании материалов большими дозами ионов наблюдается эффект распыления мишени. При увеличении дозы облучения и массы внедряемых ионов возможен эффект насыщения, при котором скорость имплантации ионов становится равной скорости распыления. Профиль легирования с учетом распыления материала мишени описывается выражением:

S x - R + Q p x - R N2 Np erf N = - erf, (4.13) x 2S 2R 2R p p где S - коэффициент распыления; Q - доза облучения; N - плотность атомов мишени;

x erf x = e-t dt - функция ошибок.

( ) При насыщении профиля легирования распределение внедряемых атомов по глубине описывается выражением:

- R x N p N = erfc, (4.14) x 2S 2R p где erfc(x) = 1 - erf(x) - дополнительная функция ошибок.

Максимальное значение концентрации внедренной примеси в этом случае находится на поверхности мишени и может быть найдено из уравнения (4.14) при х = 0. Эта максимальная концентрация не зависит от дозы имплантированных ионов Q и приближенно равна N/S.

• Нагрев материала мишени При больших дозах облучения становится существенным нагрев материала мишени под действием ионной бомбардировки. Плотность мощности при ионной бомбардировке равна E0 ji q =, (4.15) e где Е0 - энергия ионов; ji - плотность ионного тока.

Вся тепловая энергия выделяется в слое толщиной порядка проекции траекторного пробега. Глубина прогретого слоя определяется теплопроводностью материала мишени. Если мишень (например кремниевая пластина) расположена на идеально теплоотводящем контакте с металлической подложкой, то, используя модель поверхностного источника тепла и пренебрегая лучистым теплообменом, можно определить температуру поверхности по уравнению:

2q a T = + T0, (4.16) K где Т0 - начальная температура образца, а - коэффициент температуропроводности, K - коэффициент теплопроводности.

Оценки по уравнению (4.16) показывают, что температура поверхности в этом случае повышается всего на несколько десятков градусов, что мало влияет на скорость диффузии.

При отсутствии теплового контакта обрабатываемой пластины с подложкодержателем теплоотвод происходит с обеих сторон пластины за счет излучения. При этом температура образца в стационарном режиме равна:

q Т = + T0, (4.17) где - степень черноты материала; - постоянная Стефана-Больцмана.

В рассматриваемом режиме температура пластины составляет несколько сотен градусов, и процессы диффузии становятся существенными.

4.4.2. Установки для ионного легирования Отечественная промышленность выпускает несколько типов установок для ионного легирования материалов: ИЛУ, "Везувий", "Иолла", "Лада" и другие. Технические характеристики некоторых из них приведены в таблице 4.3. Неоднородность легирования в промышленных установках составляет - 4%.

Таблица 4.3.

Установки ионного легирования Марка Диапазон Сила тока Система Потребляемая энергий, кэВ ионов, мА сепарации мощность, кВт «Везувий - 1» 20-200 200 (P+) Электро-магнит 20 (B+) «Везувий - 2» 20-200 600 (P+) Постоянный 150 (B+) магнит «Везувий - 20-150 1000 (P+) Постоянный 3М» 300 (B+) магнит «Везувий - 4» 15-100 700 (P+) Постоянный 300 (B+) магнит «Везувий - 5» 20-150 Электро-магнит 3104 (P+) «Везувий - 10-125 10-103 (P+) Электро-магнит 8М» 2103 (B+) «Везувий - 9» 25-600 104 (P+) Электро-магнит «ИЛУ - 3» 20-80 300 (P+) Электро-магнит «ИЛУ - 4» 20-100 Электро-магнит 3104 (P+) «Иолла - 2» 50-80 100 Электро-магнит «Иолла - 3» 10-150 104 (P+) Электро-магнит 4.5. ТЕХНОЛОГИЯ ИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ Технологические режимы ионного легирования различных материалов предварительно подбираются расчетным путем с использованием приведенных выше уравнений или при численном моделировании процесса, а затем проверяются экспериментально.

Рассмотрим влияние технологических факторов на параметры ионнолегированных слоев. Энергия ионов определяет глубину их проникновения в твердое тело и распределение в легированном слое. Энергия ионов также влияет и на распределение плотности дефектов, причем в ряде случаев с увеличением энергии ионов плотность дефектов уменьшается. Это можно объяснить разогревом твердого тела и отжигом дефектов непосредственно в процессе имплантации. Доза имплантации определяет концентрацию легирующей примеси и, после отжига дефектов, электрофизические параметры ионно-легированных слоев. Плотность тока в пучке определяет температуру обрабатываемой пластины. При больших плотностях тока возможно плавление и термические удары, приводящие к нежелательным последствиям. Поэтому при использовании плотных пучков необходимо охлаждать мишень, хотя это создает дополнительные технические трудности.





Ориентация пластины относительно ионного пучка влияет на распределение ионов в монокристаллических материалах из-за эффекта каналирования. При формировании локальных легированных областей применяется маскирование. Маскирующие пленки должны быть достаточно толстыми, чтобы полностью тормозить ионы, иметь низкие коэффициенты распыления, хорошо растворяться после облучения. В качестве материала масок используются оксиды и нитриды кремния, металлы, органические полимерные материалы.

Ионное легирование нашло наиболее широкое применение при формировании структур в кремнии. Для сложных полупроводниковых материалов процесс ионной имплантации имеет определенную специфику.

Рассмотрим особенности технологии ионного легирования сложных полупроводников на примере изготовления активных элементов СВЧприборов путём прямой ионной имплантации в полуизолирующую пластину GaAs.

Свойства исходного полуизолирующего кристалла оказывают существенное влияние на профиль распределения концентрации и подвижности носителей заряда, степень электрической активации примеси.

Особое место в характеристике полуизолирующего GaАs занимают параметры, определяемые примесным составом кристалла: удельное сопротивление и его разброс по площади пластины, стабильность при термической и радиационной обработке, коэффициенты диффузии основных и фоновых примесей; степень перекомпенсации материала, зависимость этих параметров от методов изготовления полуизолирующего GaAs.

Если во время ионного легирования повысить температуру подложки, то будет происходить отжиг дефектов, который закончится одновременно с окончанием легирования, что удобно в технологии. Метод, основанный на таком принципе, называется горячей имплантацией и состоит в том, что во время легирования образец нагревается до высоких температур. Благодаря такому методу получаются довольно хорошие результаты по отжигу дефектов. Но для образцов, в которых при легировании происходит ускоренная диффузия, такой метод не всегда удобен, так как трудно регулировать профиль распределения примесей. Кроме того при высоких температурах возможна диссоциация GaAs и активное испарение мышьяка.

Если в процессе легирования образец находится при низкой температуре, то исключается перемещение легирующих атомов в подложке, что позволяет достаточно четко выдерживать профили распределения внедренных примесей.

Рассмотрим еще некоторые примеры технологий ионного легирования.

Ионно-лучевая технология меж элементной изоляции Локальная протонная бомбардировка позволяет эффективно осуществлять изоляцию отдельных элементов на подложке, получать высокоомные области для пассивной части и создавать планарные СВЧ ИМС на эпитаксиальных и исходных ионно-легированных структурах. Первые работы в этом направлении были опубликованы в конце 70-х годов. К настоящему моменту данная технология постепенно вытесняет традиционную изоляцию элементов ИС мезатравлением. Создание изоляции возможно при бомбардировке ионами водорода, гелия, аргона, криптона с последующей термообработкой. При этом проекционная длина пробега с ростом массы падает. Известно создание высокоомных областей при изготовлении полевого транзистора на GaAs и родственных соединениях с помощью имплантации дейтронов. Наиболее высококачественные изоляционные слои получаются при имплантации ионов бора и кислорода с последующей термообработкой.

Сопротивление облучённых слоёв большой толщины может быть повышено при равномерном по толщине слоя введении дефектов путём "ступенчатого" облучения протонами с различной энергией.

Оптимальным для изоляции слоёв с толщиной до 0,3 мкм является диапазон доз 1-10 мкКл/см2 при энергии 75 кэВ. Для толщин от 0,85 до 1,мкм оптимальна ступенчатая протонная изоляция с энергиями 150 и 30 кэВ и дозами 10 и 3 мкКл/см2. При толщине менее 0,1 мкм использовалась изоляция ионами аргона с энергией 100 кэВ и дозой 0,005 мкКл/см2.

Ионно-лучевая технология изготовления полупроводниковых резисторов Впервые планарные резистивные слои, полученные ионной имплантацией, были созданы для кремневой биполярной технологии.

Резисторы формируются путём имплантации ионов аргона через слой окисла о с последующим отжигом структуры при температуре 550-650 С. Затем формируются алюминиевые или молибденовые контакты к сильнолегированным областям. Ионная бомбардировка канала резистора проводится ионами Аr, N, He, H, Si такой дозой, чтобы получить кристаллическую структуру, насыщенную радиационными дефектами, но не аморфизированную. Сопротивление резистивных слоёв при этом выше о кОм/ после обработки при температуре 500-800 С. Применение ионной имплантации позволило расширить функциональные возможности резисторов.

Pages:     | 1 |   ...   | 18 | 19 || 21 | 22 |   ...   | 27 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.