Процесс ионного легирования происходит в два этапа

Сначала в полупроводниковую пластину внедряют ионы, затем производят отжиг, при котором восстанавливается нарушенная внедрением кристаллическая структура полупроводника, и ионы примеси занимают узлы кристаллической решетки.

Механизм ионного внедрения принципиально отличается от механизма диффузии.

При ионном внедрении движение ионов в полупроводнике определяется их начальной кинетической энергией, а не градиентом концентрации, как при диффузии.

Ионное внедрение в зависимости от направления падения ионов на поверхность может быть объяснено двумя механизмам и, приводящими к различным глубинам проникновения и распределениям примесей.

Взаимодействие ионов со встречными атомами пластины происходит как независимое столкновение пары ион-атом. При каждом столкновении происходит передача энергии атомам пластины и торможение движущегося иона до тех пор, пока он не остановится окончательно.

Если передаваемая ионом энергия превышает энергию связи атомов в решетке, атомы смещаются и покидают узлы решетки, в результате чего образуются дефекты по Френкелю – вакансии и атомы в междоузлиях. Поскольку первичная энергия иона велика, на пути его перемещения внутри полупроводника образуются многочисленные дефекты смещений, сливающиеся зоны размером 50 – 100 ангстрем (рис.10).

По мере внедрения ионов количество и размер зон с разупорядоченной кристаллической решеткой увеличивается, и если плотность зон велика, то в определенный момент времени происходит полное слияние всех дефектных зон, т.е. полупроводник из кристаллического состояния переходит в аморфное. Критическая величина дозы ионного облучения, при которой полупроводник переходит из кристаллического состояния в аморфное, называется дозой аморфизации.

Рис.10. Траектория движения внедренных ионов:

^…… отклонения атомов полупроводника при столкновении с ионами;

–– траектория движения иона

Аморфизация поверхности кремниевой пластины под действием ионов фосфора происходит более интенсивно, чем под действием ионов бора.

Доза облучения, необходимая для аморфизации поверхности кремния, составляет приблизительно 6,2·10¹⁴ см^-2.

Ориентированное внедрение происходит, если направление падения ионов на поверхность полупров-вой пластины практически совпадает с одним из основных кристаллографических направлений – [110], [100] или [111], т.е. когда угол между направлениями падения ионов и главной кристаллографической оси меньше критического. При ориентированном внедрении движение ионов происходит с малыми потерями энергии и носит упорядоченный характер, так как осуществляется по свободным каналам (рис.11).

Каналирование – проникновение ионов по междоузлиям вдоль атомных рядов или плоскостей, образующих межосевые или межплоскостные каналы. При каналировании ионы испытывают скользящие столкновения, при которых потери энергии незначительны и число смещенных ионов невелико. Большинство ионов сохраняет направление своего движения, и поэтому средняя длина пробега ионов в этом случае во много раз превышает соответствующие значения при разориентированном внедрении.

Рис.11. Каналы в [110] кремниевой пластине

1 – атомы кремния;

2 – каналы, направленные перпендикулярно

к плоскости рисунка

Глубина проникновения ионов по каналам зависит от кристаллографической ориентации канала и максимальна для направления [110], так как плотность атомов решетки типа алмаза

в этом направлении меньше, чем в других направлениях.

Глубина внедрения ионов меняется в соответствии с рядом [110] > [100] > [111]. Вдоль направления [110] она примерно в 2 раза больше, чем в направлении [111].

Если направление падения первоначального пучка ионов на поверхность пластины отклоняется от основного кристаллографического направления и, следовательно, от оси канала, то ионы выходят за область канала и перемещаются по беспорядочным траекториям. В реальных условиях, даже если угол падения ионов отклоняется от оси канала не более чем на критический, чистое каналирование не будет иметь места.

Это объясняется тем, что по мере внедрения с увеличением дозы облучения часть падающих на подложку ионов будет сталкиваться с поверхностными атомами.

Эти ионы не попадут в каналы, а отклонятся от первоначального направления, и в результате их неупорядоченного движения будут образовываться дефектные области, которые, в свою очередь, будут влиять на характер внедрения.

При больших дозах облучения концентрация ионов в канале велика и не все из них находятся в одинаковых условиях. Энергия ионов, движущихся по центральной части канала, теряется в основном из-за взаимодействия с электронами.

Потери энергии ионами, отклонившимися от центра канала, обусловлены также их взаимодействием с ядрами атомов.

Отклонения ионов могут происходить также и при

их взаимодействии с тепловыми колебаниями атомов полупроводника, дефектами решетки и др.

Влияние дополнительных причин отклонения ионов от центра канала тем больше, чем дальше ион находится от центра канала. С увеличением дозы облучения деканалирование становится более заметным, и при дозах 10¹⁵ см^-2 эффект каналирования практически исчезает.

Внедрение ионов приводит к появлению радиационных дефектов кристаллической решетки и не обеспечивает активного легирования.

Для обеспечения активного ионного легирования необходимо, чтобы решетка полупроводника была минимально нарушена и чтобы ионы вводимой примеси попали в узлы кристаллической решетки. Только в этом случае атомы примеси являются электрически активными и могут выполнять роль доноров или акцепторов.

Вероятность прямого попадания ионов в узлы решетки невелика. Для восстановления кристаллической решетки полупроводника и перевода ионов в электрически активное состояние (из междоузлий в узлы) полупроводниковые пластины непосредственно после ионного внедрения подвергают отжигу. Наиболее часто применяется термический отжиг кремния в атмосфере аргона при температурах 600 – 800°С в течение 10 – 20 мин.

При этих температурах смещенные атомы решетки и внедренные ионы приобретают достаточную подвижность для перехода в вакантные узлы, за счет чего происходит упорядочение кристаллической структуры полупроводника. Иногда отжиг совмещают с внедрением ионов, для этого производят внедрение в нагретую пластину. Такой способ называется горячим внедрением. Его рекомендуют применять для примесей с малым коэффициентом диффузии, так как в противном случае управлять профилем распределения примесей довольно трудно.

Поиск по сайту: