книги / Электронно-лучевая, лазерная и ионно-лучевая обработка материалов

-62 -

5.1.Ионное легирование

Ионное легирование материалов, или другими словами, ионное внедрение и ионная имплантация, в настоящее время становится ос­ новным технологическим процессом из применяемых для модификации электрофизических, химических, оптических, механических и других свойств поверхностных слоев материалов.

Метод ионного легирования основан на контролируемом внедре­ нии в материал Ствердое тело) ускоренных ионизированных атомов и молекул.

Особенно перспективным метод ионного легирования оказался для полупроводниковой электроники. Этот метод обладает преимуществами по сравнению с ранее известными: диффузией, сплавлением, легиро­ ванием из расплава. К этим преимуществам относятся: универсаль­ ность, т.е. возможность введения любой примеси в любой материал; локальность воздействия; отсутствие нагрева подложки; возможность строгого дозирования примесей; простота управления; высокая' чис­ тота вводимых примесей и т.д.

Физические основы ионного легирования. Движение ионов, внед­ ренных в твердое тело, носит сложный характер.- В результате стол­ кновений с атомами вещества ионы тормозятся и рассеиваются, выби­ вая атомы подложки из их узлов, т.е. создавая так называемые ра­ диационные дефекты.

Любое кристаллическое вещество можно рассматривать как аморф­ ное, т.е. ион при движении в кристалле "видит0 хаотическое распо­ ложение атомов.

Для описания'движения иона в твердом теле используется нес­ колько упрощающих предположений. Во-первых, рассматриваются пар­

емая ионом атому вещества энергия, порядка тысячи электрон-вольт,

осуществляется в результате упругих я неупругих столкновений.

- 63 -

Особенности технологии ионного легирования. В настоящее время в микроэлектронике все чаще используют многокомпонентные материа­

имплантируемых ионов по длинам, пробегов в сложных материалах-воз­ никают определенные трудности. Однако, если облучается двухкомпо­ нентный материал с большими и близкими по значению атомными номе­ рами, то можно рассматривать материал как однокомпонентное ве­ щество со средними массой и порядковым, номером.

Распределение в мишени имплантируемых' ионов зависит от дозы облучения, т.е. числа ионов, падающихна единицу площади. Это связано с тем, что при увеличении дозы начинают играть роль два процесса: аморфиэация приповерхностного слоя вещества вследствие роста концентрации радиационных дефектов н распыление поверхности материала бомбардирующими ионами.

При торможении'в мишени ионы передают атомам решетки, энергию, которая может превышать значения энергии связи атомов. Выбитые со своих мест, атомы, в свою очередь,- могут сместить другие атомы, т.е; вызвать каскад столкновений..В этом случае вдоль траектории иона накапливаются вакансии, мехдоузедьные аТомы и объемные де­ фекты решетки (кластеры). При значительных дозах облучения от­ дельные кластеры перекрываются и образуется сплошной аморфный слой, т.е. с такой структурой, где отсутствует дальний порядок.

В монокристаллах существуют такие направления, вдоль которых атомы решетки образуют своеобразные каналы, ограниченные парал­ лельными цепочками атомов. Движение быстрых ионов ,вдоль канала, когда ионы незначительно рассеиваются атомами монокристалла, на­ зывается каналированием ионов..

Радиационные дефекты сильно влияют на процесс каналирования ионов. С увеличением дозы облучения растет число ионов в каналах из-за их рассеяния за пределы канала.

При легировании материалов большими дозами ионов,, особенно тяжелых, наблюдается сильный эффект распыления, поверхности мишени. вплоть до насыщения, когда число имплантируема иоНов становится равным числу распыляемых. При больших дозах облучения становится существенным нагрев материала мишени.

Созданные в результате ионной бомбардировки радиационные

-64 -

дефекты можно устранить отжигом. Отжиг ионно-легированных слоев вещества необходим еще и по другой причине. Так как цель легиро­ вания в микроэлектронике - изменение электрофизических свойств материала, например типа проводимости, то внедренные атомы приме­ си должны быть электрически активны. Это означает, что ион приме­ си должен заменить атом вещества в узле решетки и вступить в электронные связи с соседними атомами.

Подавляющая часть атомов, возникших из внедренных ионов, пос­ ле окончания процесса легирования электронейтральна и находится в междоузлиях. Отжиг, т.е. нагрев вещества до определенной темпера­ туры в течение некоторого времени, приводит к термической актива­ ции примесных атомов и ускорению процесса диффузии, в результате которой происходят восстановление структуры решетки и замещение атомов вещества атомами примеси. В технологии микроэлектроники обычно используются два метода отжига: термический и лазерный.

При термическом отжиге равномерно нагревается весь образец, определенные области которого подвергнуты легированию. Так, гер­ маний нагревается до температуры 380°С, а кремний - до 570°С в течение 30...40 мин. При таких режимах нагрева решетка вещества успевает восстановиться благодаря диффузии.

При лазерном отжиге нагреву сфокусированным лучом лазера под­ вергается только легированная область материала. Механизм лазер­ ного отжига уже нельзя объяснить только процессами диффузии. Наи­ более приемлемое объяснение эффекта отжига заключается в том, что в зоне воздействия лазерного луча происходит плавление материала. Затем наступает кристаллизация вещества при очень большой ско­ рости остывания.Высокая напряженность электрического поля вс время импульса, доходящая до 10® В/см, может приводить к иониза­ ции примесей, что ускоряет процесс отжига ионно-легированного слоя.

Помимо термического и лазерного методов отжига используют также электронно-лучевой метод, который по своему механизму бли­ зок к лазерному, а также отжиг с помощью некогерентного мощного оптического излучения. Источником такого излучения являются им­ пульсные лампы, которые применяют в системах накачки лазеров. Длительность импульса излучения таких источников т % 10"3... 10"4 с, а частота следования достигает 100 Гц.

Оборудование для ионного легирования поверхностных слоев ма­ териалов ионами определенного выбранного вида представляет собой специальные технологические ускорители. Диапазон анергий, в пре­ делах которого обычно ускоряются ионы, распространяется от 20 до 450 кЭв, хотя перспективны и установки с энергиями до 0.6...I МэВ. Схемы установок однотипны и содержат ряд основных узлов Срис. 5.1).

Требования к лабораторным и производственным установкам нес­ колько различны. Для выполнения исследований возникает необходи­ мость в частых изменениях типов ионов и их энергии. Эксплуатация же установок в производстве обычно осуществляется с применением определенного рабочего режима на каком-то одном выбранном типе ионов.

Основными требованиями, предъявляемыми к лабораторным уста­ новкам, ЯВЛЯЮ ТСЯ:

1)возможность работы как с одно-, так и с многоэарядными ио­ нами различных изотопов;

2)обеспечение ускорения ионов в широком диапазоне энергий С20...500 кЭв, а в перспективе - до I Мэв);

3)точное регулирование дозы при ее постоянстве в процессе

обработки мишени-образца;

4)возможность прецизионной взаимной ориентации ионного луча

иобразца;

5)точное регулирование температуры образца в широком интер­

вале; 6) обеспечение в ионопроводе и рабочей камере высокого вакуу­

ма с отсутствием в остаточной газовой среде углеводородов; 7) модульное исполнение установки, позволяющее с малыми зат­

ратами заменять узлы и блоки.

Многие из перечисленных требований важны и для современных производственных установок, но для них во многих случаях более значительными являются:

1)высокая производительность, определяемая количеством обра­ ботанных пластин определенного размера в единицу времени;

2)малые габариты и энергопотребление;

3)длительная и стабильная работа источника ионов и других узлов ускорителя;

система откачки; 7 - камера с образцами; 8 - II - системы откачки; 12 - блок питания ион­ ного истоздика; 13 - блок вытягивающего . и и фокусирующего напряжения; 14 - блок ‘пита­ ния сепаратора ионов; 15 - блок контроля до­ зы облучения

-67 -

4)однородность дозы по большой площади мишени и воспроизво­ димость результатов при выбранном типе ионов;

.5) возможность автоматизации процесса и управления им от ЭВМ;

6) безопасность и простота., обслуживания.

Все типы установок по системам ускорения ионов условно можно условно разделить на три группы: с ускорением до сепаратора и Сили) после сепаратора. В устройствах первой группы ионы вытяги­ ваются из выходной щели источника напряжением 5... 15 кВ и далее получают приращение энергии в иногоэлектродной системе с постоян­ ной напряженностью электрического поля. После сепаратора выделен­ ный поток направляется в приемную (рабочую) камеру. Как сепара­ тор, так и приемная камера здесь находятся под нулевым потенциа­ лом, что удобно при эксплуатации.

Однако работа с ионами большой! массы и энергии требует значи­ тельного увеличения габаритов магнитного сепаратора, поэтому ста­ новится .выгодным ускорять ионы до требуемой энергии nodre их •разделения.. Вытягивание их из источника и формирование потока осуществляется с помощью относительно невысокого напряжения. Ус­ тановки этой группы относятся к устройствам с послеускорением ио­ нов; приемная камера или располагаемые внутри 'ее держатели образ­ цов находятся под высоким потенциалом, что Усложняет эксплуата­ цию.

Установки третьей группы чаще используют для легирования вы­ сокоэнергетическими ионами со сравнительно малыми массовыми чис­ лами. В них применяются две системы ускорения. Если приемное ус­ тройство заземлено, то под высоким напряжением находятся источник ионов и масс-сепаратор.

При выборе типа установки существенна величина дозы Легируе­ мой примеси, и по этому признаку установки также разделяют на три типа: малых и средних доз, больших доз с интенсивными ионными то­ ками, высокоэнергетические.

Установки малых и среднихдоз характеризуются пучками с ин­ тенсивностью от I до 500...800 мкА. В сильноточных установках больших доз сила тока ионного пучка достигает I...2Q мА. Оба типа установок работают в области энергий 30...200 кэВ. В установках третьей группы достигается энергия I МэВ н выше, но токи не пре­ вышают единиц микроампер.

Одним из основных узлов любого технологического ускорителя является ионный источник. По принципу действия и протекающим в них физическим процессам эти источники подразделяются на источни­ ки с разрядом Пеннинга, высокочастотные, с контрагированным плаз­ менным разрядом Сдуоплазматроны), дуговые. Последние' нашли наи­ большее применение в установках со значительным током пучка ио­ нов.

К эксплуатационным характеристикам ионных источников относят­ ся: сила тока пучка в стационарном режиме; возможность работы с исходными рабочими веществами, в состоянии поставки Сгаз, жид­ кость, твердое тело);.коэффициент использования рабочего вещест­ ва; возможность управления энергией ионов на выходе из источника при малых изменениях силы тока; экономичность, т.е. отношение си­ лы ионного *ока' на выходе из источника к подводимой к нему мощ­ ности; долговечность; простота конструкции, позволяющая быстро заменить его элементы при разрушении, например, ионной бомбарди­ ровкой.

Так как в большинстве промышленных установок используются ду­ говые источники, рассмотрим подробнее их конструкцию и ее техни­ ческие характеристики.

Напуск газа или паров рабочего вещества Срис. 5.2) через ре­ гулируемый натекатель обеспечивает внутри ионизационной камеры рабочее давление на уровне I— 10 Па. Ионизация рабочего тела осуществляется бомбардировокой электронами, эмиттируемыми воль­ фрамовым катодом и ускоряемыми высоким напряжением, под которым находится ионизационная камера. Магнитное поле,, создаваемое внеш­ ним магнитом/ удлиняет путь электронов за счет.искривления их траекторий. В результате вероятность ионизации резко возрастает. При напряжениях между катодом и камерой 100...300 В внутри камеры поддерживается ограниченный по силе тока дуговой разряд. Извлече­ ние ионов с границы плазмы происходит "провисающим" в выходное отверстие камеры электрическим полем. Для извлечения положитель­ ных ионов извлекающий электрод должен иметь отрицательный потен­ циал по отношению к камере. С той же целью можно прикладывать.по­ ложительный потенциал (порядка 5 кВ) к плазме через цепь катода. Изменяя потенциал на извлекающем электроде относительно заземлен­ ного корпуса СО...150 В), оптимизируют условия извлечения и фор-

- 70 -

мирования потока ионов. Энергия ионов, выходящих из источника, оп­ ределяется разностью потенциалов между ускоряющим электродом и плазмой.

Отечественной промышленностью выпускаются установки для ион­ ного легирования различных типов: ИЛУ, "Везувий”, "Иолла", "Ла­ да" и др.

Общей характеристикой установок класса ИЛУ СИЛУ-100, ИЛУ-200, ИЛУ-2, ИЛУ-3 и ИЛУ-4) является использование в-них электромагнит­ ного сепаратора и двойного ускорения ионов. Энергия ионов регули­ руется в диапазоне 20...100 кэВ. Ускорители класса ИЛУ - это крупногабаритные установки. Например, для размещения ускорителя ИЛУ-4 требуется площадь 57 м*.

но разделять ионы с массовыми числами в диапазоне I... 120 а.е.м. Максимальная сила ионного тока равна 200 мкА для ионов фосфора и 20 мкА - для ионов бора.

Для легирования полупроводниковых материалов ионами бора и фосфора в производственных условиях целесообразно использовать малогабаритный ускоритель "Везувий-2". В нем имеются два дуговых источника ионов с прямонакальными катодами и поперечным магнитным полем, создаваемым магнитной системой самого сепаратора. Источни­

ходящийся под напряжением 10...20 кВ, соединен с электродной системой масс-сепаратора. Энергию ионов можнр регулировать в диа­ пазоне 20...200 кэВ; сила тока на мишени ионов фосфора равна 200 мкА, а ионов*бора - 20 мкА.

Еще один класс .ускорителей носит общее название "Иолла". У полуавтомата"Иолла-2" средняя плотность ионов бора составляет 2...3 мкА/мм2 , ионов фосфора - Ю мкА/мм2 при обрабатываемой пло­ щади 2,25 см*. Без разгерметизации шлюзовой системы можно обраба­ тывать до 20 образцов размером 15 х 15 мм с автоматической их сменой. Отсчет дозы вводимой примеси осуществляется интегратором. Энергию ионов можно регулировать в диапазонеЮ...70 кэВ. Потреб­