Реферат: Ионная имплантация
Министерство образования РеспубликиБеларусь
Белорусский государственныйуниверситет информатики и радиоэлектроники
Факультет компьютерногопроектирования
Кафедра электронной техники итехнологии
Реферат на тему: «Ионная имплантация»
Выполнил: Студент гр. 911101 КравчукА. С.
Проверила: Гуревич О. В.
Минск, 2009
Содержание
Введение
1. Сущность иназначение ионной имплантации
2. Схема установки
3. Основные характеристикиионной имплантации
4. Ионнаяимплантация и промышленность
5. Дефекты приионном легировании и способы их устранения
6. Применение ионноголегирования в технологии СБИС
6.1 Создание мелких переходов
6.2 Геттерирование
6.3 Эффекты, используемые втехнологии СБИС
Заключение
Список литературы
Введение
Ионной имплантацией принято называтьлегирование тонких приповерхностных слоев твердого тела путем облученияповерхности пучком ионов, ускоренных до энергии 104-106 эВ. Первые публикациипо этой тематике датированы началом 60-х годов и речь тогда шла о легированииполупроводников. Это направление доминировало вплоть до начала 80-х годов,когда параллельно с ним появилась и за несколько лет сформировалась новая ветвьисследования и технологии, получившая в последние годы название“имплантационная металлургия”.
Универсальность ионной имплантации (ипо виду легирующего вещества, и по виду легируемого материала) на начальномпериоде “малых доз” позволяла не ограничивать себя ни физическими, ниэкономическими соображениями и пытаться применить ее всюду, где есть твердоетело и необходимость как-то изменить свойства его поверхностного слоя. На фонеколоссального расширения фронта работ до поры до времени можно было не замечатьотдельных неудач в применении ионной имплантации к тем или иным системам и тутже переходить к другим задачам. Позже, когда бум “Имплантация может все!”сменился более углубленным и серьезным анализом, начали проясняться некоторыефизические ограничения имплантационного метода. Этот процесс начался, когда, содной стороны, стали пытаться для получения тех же результатов пробоватьдругие, альтернативные методы, а с другой стороны, началась “гибридизация”имплантационной методики с традиционными технологиями.
Переход имплантационной технологии излабораторий в промышленность ввел в действие мощный экономический фактор оценки- производительность и стоимость операции. Особенно остро этот вопрос всталименно в связи с “имплантационной металлургией” или имплантацией больших доз,где решающим фактором стоимости всей технологии становится производительностьимплантационного оборудования. Даже в полупроводниковой технологии, где размерыобрабатываемой поверхности незначительны, длительность и стоимость операциилегирования эмиттерных слоев на стандартном имплантационном оборудованииоказалась непомерно высокой; для потребностей же машиностроения эта проблемаусугубляется и масштабом производства, и дешевизной остальных операцийтехнологической цепочки.
В связи с этим возникаетнастоятельная необходимость провести сравнительный анализ основных технологиймодификации поверхностных слоев, высветить физические ограничения ионнойимплантации и альтернативных технологий применительно к конкретным задачамнауки и техники, а также провести ориентировочную экономическую оценку этихтехнологий и перспективы их освоения в той или иной области промышленности.Этому и посвящена настоящая работа.
1. Сущность и назначение ионнойимплантации
Ионная имплантация — это процесс, вкотором практически любой элемент может быть внедрен в приповерхностную областьлюбого твердого тела — мишени, помещенной в вакуумную камеру, посредством пучкавысокоскоростных ионов с энергией до нескольких мегаэлектронвольт.Имплантируемые ионы внедряются в материал мишени на глубину от 0,01 до 1 мкм,формируя в ней особое структурно-фазовое состояние. Толщина слоя зависит отэнергии и от массы ионов и от массы атомов мишени.
Так как технология имплантационногомодифицирования позволяет внедрить в поверхность заданное количествопрактически любого химического элемента на заданную глубину, то таким образомможно сплавлять металлы, которые в расплавленном состоянии не смешиваются, илилегировать одно вещество другим в пропорциях, которые невозможно достичь дажепри использовании высоких температур. Следовательно, оказалось возможнымсоздавать композиционные системы с уникальными структурами и свойствами, существенноотличными от свойств основной массы детали.
Как объект атомно-физическихисследований ионная имплантация впервые сформировалась в начале 60-х годов. Этостало возможным благодаря достижениям в области изучения ядерныхвзаимодействий; основным оборудованием для ионного легирования являетсяускоритель. Энергия ионов может изменяться (в зависимости от свойств материаловкомбинации ион — мишень) от нескольких килоэлектронвольт (кэВ) до несколькихмегаэлектронвольт (МэВ). Введение импланта в основную решетку поверхностиизделия возможно без “соблюдения” законов термодинамики, определяющихравновесные процессы, например, диффузию и растворимость.
Ионная имплантация приводит кзначительному изменению свойств поверхности по глубине:
Ø слой с измененной дислокационнойструктурой до 100 мкм.
Успешное применение ионнойимплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управленияэлектрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданныхусловиях имплантирования.
Наиболее распространенным применениемИИ в технологии формирования СБИС является процесс ионного легирования кремния.Часто приходится проводить имплантацию атомов в подложку, которая покрыта однимили несколькими слоями различных материалов. Существование многослойнойструктуры способно вызвать резкие перепады в профиле легирования на границеотдельных слоев. За счет столкновения ионов с атомами приповерхностных слоевпоследние могут быть выбиты в более глубокие области легируемого материала.Такие «осколочные эффекты» способны вызвать ухудшение электрическиххарактеристик готовых приборов.
Общая траектория движения ионаназывается длиной пробега R, а расстояние, проходимое внедряемым ионом доостановки в направлении, перпендикулярном к поверхности мишени, проецированнойдлиной пробега Rp.
2. Схема установки
/>
Рис. 1. Схема установки для ионнойимплантации
Схема установки для ионнойимплантации приведена на рис. 1.
1 — источник ионов
2 — масс-спектрометр
3 — диафрагма
4 — источник высокого напряжения
5 — ускоряющая трубка
6 — линзы
7 — источник питания линз
8 — система отклонения луча повертикали и система отключения луча
9 — система отклонения луча погоризонтали
10 — мишень для поглощениянейтральных частиц
11 – подложка
Магнитный масс-спектрометрпредназначен для отделения ненужных ионов от легирующих, электрометр — дляизмерения величины имплантированного потока ионов. Маски для ИИ могут бытьизготовлены из любых материалов, используемых в технологии СБИС (фоторезист,нитриды, окислы, поликремний).
Управление дозой при ИИ затрудненорядом факторов. Это наличие потока нейтральных частиц, обмен энергии ионов смолекулами газов, вторичная электронная эмиссия из мишени, эффект обратногоионного распыления. Для ликвидации последствий действия этих факторовиспользуют следующие технические приемы. Нейтральные молекулы отсеивают спомощью масс-спектрометра (его магнитным полем не отклоняет нейтральные частицыи они не попадают в апертурную диафрагму). Кроме того, в камере поддерживаетсядостаточно высокий вакуум, предотвращающий процесс нейтрализации ионов.Вторичную электронную эмиссию подавляют, располагая около мишени ловушкуФарадея.
/>
Рис. 2. Профиль распределения примесипри ионной имплантации бора различных энергий в кремний
Профиль распределения примеси приионной имплантации бора различных энергий в кремний приведен на рис. 2. Длякорректного теоретического расчета профиля, особенно для больших значенийэнергий пучков ионов, используют два объединенных распределения Гаусса
/>,
Где D — поглощенная доза,
Rm — модальная длина пробега (аналог проекционной длиныпробега при Гауссовском распределении),
DR1, DR2 — флуктуации первого и второго распределения,
DRi=DR1 при x>Rm,
DRi=DR2 при x<=Rm.
Теоретические профили, рассчитанныепо приближению Пирсона с 4 параметрами и распределению Гаусса, и измеренныепрофили при ионной имплантации бора в кремний без проведения отжига приведенына рис. 3.
3. Основные характеристики ионнойимплантации
Формально ионной имплантациейследовало бы называть облучение поверхности твердого тела атомами илиатомарными ионами с энергией не менее 5-10 энергий связи атома в решеткеоблучаемой мишени (тогда до остановки ион или атом пройдет не менее 2-3межатомных расстояний, т.е. внедрится, “имплантируется” в объем мишени). Будем,однако, по традиции термином “ионная имплантация” называть здесь более узкий диапазонэнергий — от 5-10 кэВ до 50-100 кэВ (это связано и с историей развития метода,и с особенностями оборудования, на котором реализуется облучение, да и с тем,что для других энергий ионов уже практикуются иные наименования процесса). И ссамого начала сложилась такая ситуация, что исследователи ионной имплантациидекларировали (имея на это достаточно оснований) следующий ряд достоинствлегирования методом ионной имплантации (или имплантационного легирования):
1. Возможность вводить(имплантировать) любую примесь, любой элемент Таблицы Менделеева.
2. Возможность легировать любойматериал.
3. Возможность вводить примесь в любойконцентрации независимо от ее растворимости в материале подложки.
4. Возможность вводить примесь прилюбой температуре подложки, от гелиевых температур до температуры плавлениявключительно.
5. Возможность работать с легирующимивеществами технической чистоты и даже с их химическими соединениями (тоже любойчистоты).
6. Изотопная чистота легирующегоионного пучка (т.е. возможность легировать не только исключительно даннымэлементом, но и исключительно данным изотопом этого элемента).
7. Легкость локального легирования (спомощью хотя бы элементарного механического маскирования).
8. Малая толщина легированного слоя(менее микрона).
9. Большие градиенты концентрациипримеси по глубине слоя, недостижимые при традиционных методах с неизбежнымдиффузионным размыванием границы.
10. Легкость контроля и полнойавтоматизации технологического процесса.
11. Совместимость с планарнойтехнологией микроэлектроники.
К настоящему времени эйфорияабсолютизации этих достоинств прошла, более или менее определенно сформировалисьобласти их наиболее выпуклого проявления, но также и области, где они перестаютдействовать (ниже об этом будет сказано подробнее). В каждом конкретном случаеприменения ионной имплантации на первый план выступают те или иные особенностипроцесса, те или иные физические эффекты, сопутствующие имплантации. Поэтомуполезно напомнить перечень основных физических эффектов, существенных приимплантационном легировании (см. табл. 1).
Исследование этих эффектов позволилодобиться значительных успехов в использовании ионной имплантации для решениянаучных задач по целому ряду направлений, как фундаментальных, так иприкладных. Основные области науки, где ионная имплантация стала мощныминструментом исследований, перечислены в Таблице 2, а в Таблице 3 показано, какиеиз физических эффектов ионной имплантации являются ключевыми при использованиив каждой из этих областей науки.
Таблица 1. Основные физическиеэффекты, сопровождающие ионную имплантацию.
Индекс эффекта Наименование физического эффекта 1 Химическое легирование 2 Нарушение кристаллической структуры материала мишени 2.1 Нарушение стехиометрии материала мишени 3 Радиационное стимулирование процессов 3.1 Стимулирование дефектообразующей радиацией 3.2 Стимулирование неразрушающей радиацией 3.3 Постимплантационное стимулирование 4 Геттерирование дефектов и подвижных примесей 5 Механические напряжения 6 Образование макроскопических дефектных структур 7 Фазовые переходы 8 Диффузионные эффекты 8.1 Диффузионное перераспределение примеси 8.2 Диффузия дефектовТаблица 2. Перечень основных научныхнаправлений, где используется ионная имплантация
Индекс направления Наименование области науки 1 Физика взаимодействия быстрых атомных частиц с твердым телом 1.1 Физика движения быстрых частиц в твердом теле 1.2 Физика дефектообразования в твердом теле 2 Физика твердого тела 2.1 Физика фазовых переходов 2.2 Исследование радиационно-стимулированных процессов 3 Физика, химия и механика поверхности 3.1 Катализ 3.2 Внешняя электронная эмиссия 3.3 Коррозионная стойкость, пассивация 3.4 Физика усталости материалов 3.5 Износостойкость 3.6 Антифрикционные свойства поверхности 4 Физика полупроводников 4.1 Физика p-n-перехода 4.2 Физика сильнолегированных слоев полупроводника 4.3 Физика полупроводниковых приборных структурАнализируя содержимое Таблицы 3,нетрудно усмотреть, что в большинстве задач при использовании ионнойимплантации практически “работает” лишь малая часть того набора физическихэффектов, которые определяют результат имплантационного легирования. Этот фактнаводит на мысль, что можно для тех же целей использовать другие процессы иметодики, или более простые, или более дешевые, или более производительные, илипросто более доступные в конкретной ситуации. И наконец, следует отметить, чтосуществуют методики, обладающие, кроме перечисленных в Таблице 1 свойств, еще идругими свойствами, полезными применительно к некоторым конкретным задачам.
Таблица 3. Роль различных физическихэффектов ионной имплантации в работах по научным направлениям, перечисленным вТаблице 2.
Индекс физэффекта имплантации Индекс научного направления 1.1 1.2 2.1 2.2 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 4.1 4.2 4.3 1 - - + - + + + + + + + + 2 + + + - + + + + + 3.1 - + + + + + - - - - 3.2 - + + + - - - - - - - - - 3.3 - + + + - - - - - - - - - 4 - + + + + - + - - + - + 5 - + + - - - - + + + - - - 6 + + - - - - - + + - - - + 7 - + + + + + + - + + + - - 8.1 - - + - + + + - + + + + + 8.2 - + + + - - - + - - + + +Примечания к Таблице 3:
1. Индексы физических эффектов инаучных направлений соответствуют обозначениям в Таблицах 1 и 2,соответственно.
2. Знаком “+” отмечены эффекты,играющие значительную роль при работе по данному научному направлению, знаком“-” — не играющие никакой роли; отсутствие знака означает отсутствие надежнойинформации по данному вопросу.
Таким образом, есть смысл просмотретьосновные альтернативные процессы, в тех или иных вариантах применявшиеся какдля физических исследований, так и для промышленных технологий. Ориентировочныйперечень этих процессов или методик приведен в Таблице 4 (автор не претендуетни на полноту списка, который и так слишком велик, ни на строгостьклассификации).
Таблица 4. Перечень основныхтехнологических процессов (методик), применимых для решения задач в областяхисследования, перечисленных в Таблице 2.
/>
/>
Таблица 4 а. Перечень технологическихпроцессов группы 3 — “Энергетическое воздействие на подложку с нанесенным илилегированным слоем или без этого слоя”.
/>
Примечания к Таблицам 4 и 4 а:
1. Методики группы 3 индексируются впорядке строк матрицы (например, 3А2В4С1 означает «энергетическое воздействиелазерным лучом длительностью» /> с, причем слой в течение всего процесса остается втвердой фазе”).
2*. Знак “Х” условно означает весьнабор альтернативных методик по данной строке.
3**. Диффузионное легирование“приписано” к группе 2 условно, т.к. в отличие от всех остальных методик этойгруппы здесь не наносится внешний слой, а происходит легирование поверхностногослоя подложки.
4. Методики 4 относятся к “гибридным”методикам, сочетающим и нанесение пленки (группа 2), и независимуюэнергетическую ее обработку (группа 3).
Каждая из методик Таблиц 4 и 4 а,естественно, обладает своим комплектом физических эффектов, сопутствующихпроцессу. Поскольку задачей настоящей работы является сравнение альтернативныхметодик с ионной имплантацией 1.2.1, в качестве базового выберем комплектфизэффектов, перечисленных в Таблице 1, и посмотрим, какие из них и в какоймере реализуются в альтернативных методиках. Результат этого анализапредставлен в Таблице 5.
Таблица 5. Сравнительная рольразличных физических эффектов для различных методик, перечисленных в Таблице 4.
/>
Обозначения в Табл. 5:
0 — эффект отсутствует илипренебрежимо мал,
1 — эффект заметно слабее, чем приионной имплантации,
2 — эффект по величине такой же, каки при имплантации,
3 — эффект выражен сильнее, чем приионной имплантации,
4 — эффект выражен за пределамипараметров процесса, характерных для ионной имплантации, пустая клетка — надежная информация отсутствует.
Для методик группы 3А(1-3)ВХС(1-2),применяемых к рабочему слою, проявление физэффектов приведено в Таблице 5 а.
Таблица 5 а.
/>
Для остальных методик этой группыоценка — 0.
Для методик группы 3АХВХС3,применяемых к постороннему источнику вещества (нанесение пленки на рабочуюповерхность), оценки соответствуют седьмой строке Таблицы 5 (2.1.1-2.1.5).
Казалось бы, теперь, используясовместно Таблицы 3 и 5, можно решить задачу подбора альтернативной методики(или группы методик, применяемых совместно) соответственно научнойпроблематике. Однако в действительности ситуация и сложнее, и богачевозможностями. Дело в том, что в Таблице 3 плюсами отмечены физэффекты,влияющие на результат исследования, а это влияние может быть оченьнеоднозначно, в одних случаях физэффект мешает достижению цели, в других — помогает, в некоторых случаях его наличие совершенно безразлично, а иногдафизэффект вообще становится основным предметом исследования. Кроме того, из 12физэффектов можно составить столько комбинаций, что совершенно очевидна почтинулевая вероятность полного совпадения соответствующих комбинаций хотя бы дляодной пары строк в Таблицах 3 и 5. Ну и, наконец, вовсе необязательно точновоспроизводить весь комплект эффектов, работающих в данной задаче при решенииее имплантационными средствами, можно ведь не воспроизвести, а улучшить условияэксперимента, устранив вредные, мешающие эффекты и/или усилив полезные. Такимобразом, в каждом конкретном случае задача поиска альтернатив должна решатьсясамостоятельно с учетом множества факторов, не вошедших в Таблицы 3 и 5 (хотядля ориентировки эти Таблицы безусловно полезны).
В заключение этого раздела перечислимосновные физические ограничения, лимитирующие возможности ионной имплантации(эти возможности были названы в начале раздела), и те альтернативные процессы,в которых эти ограничения отсутствуют или выражены в меньшей степени(альтернативы обозначены индексами в скобках):
1. Возможность вводить любую примесьиногда ограничена свойствами рабочего вещества ионного источника:
а) слишком высокая рабочаятемпература (2.1.1, 2.1.2, 2.1.4, 2.3.1, 2.3.2 в совокупности с 4.1 или 4.2),
б) химическая или температурнаянестойкость (2.1.4, 2.3.1, 2.3.2 в совокупности с 4.1 или 4.2),
в) чрезмерная токсичность (2.3.1,2.3.4),
г) коррозионная активность (2.1.4,2.3.4, 2.3.5).
2. Возможность легировать любойматериал в действительности означает только возможность ввести, внедрить атомылегирующего вещества внутрь объема мишени. Если понятие “легирование” означаетеще и вполне определенное положение в кристаллической решетке мишени, то здесьвозможности ионной имплантации во многих случаях не намного больше, чем,например, диффузии (3А(1-3)В(1-4)С(1-2)).
Другое ограничение — радиационнаястойкость материала мишени. Условия облучения таковы, что декомпозиция сложныхматериалов имеет место при имплантации почти всегда (из-за преимущественногоиспарения или распыления какой-либо компоненты химического соединения) (2.1,2.3.3, 2.3.1, 2.3.2 совместно с 4.1 или 4.2).
3. Возможность вводить примесь влюбой концентрации ограничена сверху коэффициентом распыления kp слоя. Максимальнаяповерхностная концентрация, достижимая при ионной имплантации, равна Cmax=1/kp(при kp>1). Для ионов, масса которых не меньше массы атома мишени, kp >1при обычных режимах имплантации (2.1 совместно с 4.1 или 4.2).
Кроме того, примесь, введенная сверхпредела растворимости, при отжиге дефектов, как правило, выделяется в видепреципитатов другой фазы (3АХВ(2-3)С(1-2)).
4. Низкие температуры легирования(именно они декларировались как важное преимущество метода) характерны толькодля таких систем, где состояние кристаллической решетки несущественно. Если женарушенную решетку нужно восстановить после имплантации, то выигрыш втемпературе по сравнению, например, с диффузионным легированием становитсясущественно скромнее (например, в кремнии диффузию ведут при 1000-1150С, отжигимплантационных слоев — при 600-800С, а в некоторых случаях и до 1100С,“горячую” имплантацию без последующего отжига — при 400-600С)(3АХВ(1-4)С(1-2)).
5. Преимущество технической чистотылегирующих веществ только изредка омрачается необходимостью осушки веществалибо устранения из него легко ионизующихся посторонних примесей (2.3.1.совместно с 4).
6. Изотопная чистота ионного пучкаотнюдь не означает изотопной же чистоты легирования. Перераспыление деталейимплантационной установки быстрыми ионами и неконтролируемое вбивание этогораспыленного вещества в легированный слой в некоторых случаях (особенно вполупроводниковых применениях) существенно портит свойства слоя, в результатетребуются довольно сложные ухищрения, чтобы исключить возможность попадания налегируемую поверхность посторонних веществ (в том числе, в частности, иадсорбции паров вакуумного масла).
7. Локальность легирования приимплантации обеспечивается механическим маскированием либо накладнымитрафаретами-масками, либо фото литографически. Геометрические пределы иточности накладывают те же ограничения, что и в альтернативных технологиях,однако, здесь дополнительная неприятность связана с вбиванием материала маски влегированный слой (1.2.3).
8. Малая толщина легированного слояхороша в микроэлектронике, но отнюдь не является достоинством вметаллургических применениях (2 совместно с 3 или 4).
9. Большие градиенты концентрациипримеси по глубине. Расчетные градиенты (по распределению пробегов ионов)реально никогда не получаются из-за размытия профиля, обусловленногорадиационным стимулированием диффузии примеси (поэтому, кстати, ни одна попыткаполучить имплантационный туннельный диод не увенчалась даже намеком на успех)(1.1.3).
10. Легкость контроля и автоматизациипроцесса во многих установках используется, но до идеала — полностьюавтоматизированной технологической линии — еще далеко (2.2).
4. Ионная имплантация ипромышленность
В списке Таблицы 4 процесс 1.2.1(ионная имплантация) — один из самых дорогостоящих. Поэтому при переходе отлабораторного к промышленному масштабу применения проблема поиска и выбораальтернативных технологий становится куда более важной. Тем более что к спискуальтернативных методик, приведенному в Таблице 4, здесь добавится целый рядчисто металлургических технологий, хорошо отработанных, производительных игораздо более дешевых.
Какие из успехов физики ионнойимплантации уже “дозрели” до промышленного внедрения? Их довольно много, частьпроцессов благополучно освоена промышленностью (прежде всего это относится ктехнологии полупроводниковых приборов), но значительно большая часть последемонстрации заметных физических преимуществ имплантации “забуксовала” именнона стадии масштабирования процесса, когда решающее слово — за экономическимрасчетом.
Современное имплантационноеоборудование (даже промышленного назначения) было ориентировано в основном напотребности микроэлектроники и обеспечивало фактически только режим малых доз.Переход к большим дозам имплантационной металлургии требует эффективнееиспользовать и рабочий ионный пучок, и время работы установки, ивспомогательные ресурсы (воду, электроэнергию, рабочее вещество), иавтоматизацию, причем все это — на фоне увеличения ионного тока на 3-6порядков. Такие задачи непосильны для существующего оборудования, поэтому вовсем мире одновременно с модификацией импланторов (так называют установки дляимплантационного легирования) идет поиск альтернативных процессов итехнологического оборудования (что находит свое отражение даже в названияхконференций и школ, когда одновременно аудитории предлагается обсуждениевакуумной, электронной и ионной технологий).
Конкретные требования к технологии иоборудованию фактически определяются тремя факторами: поверхностной дозойлегирования (ат/см2), производительностью технологического участка(м2/час) и допустимой стоимостью обработки единицы площади (руб/м2,или, во исключение инфляционных поправок, в $US/м2). Чтобыориентироваться в этих величинах, проведем сравнение различных технологий придозах 1014 и 1017 ион/см2. Максимальная из этих величинприблизительно соответствует задачам имплантационной металлургии, минимальная — задачам микроэлектроники. Варьирование производительности единицы оборудованияочень существенно, т.к. полностью меняет облик установок, их структуру иотносительный приоритет функциональных возможностей, а вследствие этого ирезультирующую стоимость как оборудования, так и технологии.
В Таблице 6 приведены результатысравнения стоимостных характеристик различных технологий. Сравнение сугубоориентировочное, т.к. многое зависит от конкретных задач и конкретныхвозможностей реализации технологии. К примеру, для повышения коррозионнойстойкости некоторых материалов иногда применяют палладирование поверхностногослоя толщиной < 1 мкм. Если эту операцию осуществлять на имплантационнойустановке с ионным источником нильсеновского типа, где ионный ток на линию Pd+не превышает 0.3 мкА, то для набора дозы 1017 ион/см2 необходимовесь этот пучок сосредоточить на площади в 1 см2 в течение 20000секунд, т.е. 5.4 часа. Производительность операции оказывается недопустимонизкой (< 0.00002 м2/час), стоимость будет астрономической. Дляболее мощной установки с ионным источником типа “калютрон”, где ток на линиюPd+ достигает 100 мкА, производительность составит уже 0.006 м2/час,стоимость обработки одного м2 уменьшится, но все равно только до~1500 $US/м2. Если учесть неполноту использования ионного тока(из-за граничных эффектов, сложной формы обрабатываемой поверхности, и т.п.),то эти значения могут ухудшиться в 3-20 раз.
Другой пример — азотированиеповерхности деталей. Здесь ионный ток в 30-100 раз выше, чем на Pd;соответственно, во столько же раз лучше и экономические показатели процесса.Однако и в том, и в другом случае ни производительность (~2*10-5 и0.5-2*10-3 м2/час), ни стоимость (1500 и 15 $US/м2)не соответствуют обычным масштабам машиностроительных производств. Беглыйанализ Таблицы 6 показывает, что для каждой из названных задач (палладированиеи азотирование субмикронного слоя) можно выбрать не менее десяткаальтернативных технологий, стоимость и производительность которых существеннолучше, чем для имплантации с масс-сепарацией. Например, если палладированиеосуществлять двух стадийным процессом 2.3.1 и 3А1В3С1, то получим производительностьдо 100 м2/час при стоимости обработки 0.2-0.3 $US/м2. Дляазотирования вполне технологичны 1.1.1 (для тех материалов, которые не боятсянагрева) или 1.1.2. В последнем случае можно применять ионные источники, дающиерабочий ионный ток в десятки ампер, что позволяет обеспечить производительностьв сотни м2/час и стоимость обработки <0.02 $US/м2.
Таблица 6. Сравнение экономическихпоказателей различных технологий.
/>
Условные обозначения в графе“Примечания” Таблицы 6:
а- преимущественно большие дозы,
б- преимущественно малые дозы,
в- выбор рабочих веществ ограничен(в1 — металлы, в2- газы),
г- производительность сильно зависитот вида легирующей примеси,
д- требует дополнительных операций.
Аналогичная ситуация имеет местопрактически во всех областях применения ионной имплантации в режиме большихдоз.
5. Дефекты приионном легировании и способы их устранения
Сталкиваясь с электронами и ядрамимишени, ионы легирующего вещества на некоторой глубине теряют энергию иостанавливаются. Если известны тип и энергия ионов и свойства обрабатываемогоматериала, то глубина проникновения (или длина пробега) может быть вычислена.Для пучков с типичными энергиями от 10 до 500 кэВ величина пробега достигаетодного мкм. Как уже указывалось, вследствие влияния большого числа факторов,эпюра распределения внедренного вещества в поверхность близка по формегауссовскому распределению (рис. 4). Внедрение ионов в кристаллическую решеткуобрабатываемого материала приводит к появлению дефектов структуры (рис. 4).
Выбитые из узлов решетки атомывещества приводят к образованию вакансий и дефектов структуры в виде внедренныхмежузельных атомов. Эти же дефекты возникают при застревании между узламирешетки ионов. Скопление таких дефектов образует дислокации и целыедислокационные скопления (рис. 5).
/>
Рис. 4. Распределение ионовлегирующего вещества (1) и дефектов кристаллической решетки (2) по глубинемодифицированного поверхностного слоя.
Общая разупорядоченностькристаллического строения (вплоть до перехода вещества в аморфное состояние)решетки при ионной бомбардировке называется радиационным повреждением.Исследования показывают, что радиационные повреждения могут изменить вположительную сторону механические, электрические и другие свойства металлаповерхностного слоя, но могут и снижать эксплуатационные свойства деталей. Впоследнем случае делается отжиг; температурная активация ускоряет перестройкуатомов, что приводит к более высокой термодинамической стабильностиупорядоченной кристаллической решетки.
Для изменения эпюры распределенияимплантированных атомов по глубине поверхностного слоя применяют варьированиеэнергии ионного пучка и числа ионов, попадающих в мишень, как это показано нарисунке 6.
/>
Рис. 5. Модель изменениякристаллического строения вещества и химического состава подложки при бомбардировкеее ускоренными ионами
1 — атомы подложки;
2 — ионы имплантируемого вещества;
3 — образующиеся вакансии;
4 — пути движения иона;
5 — атом подложки, застрявший вмежузельном пространстве;
6 — пути движения выбитых атомов изузлов решетки;
7 — атом мишени, удаляемыйраспылением с поверхности.
Пунктирными линиями показаны эпюрыраспределения ионов азота, имплантированного в железо пучками различныхэнергий; при этом каждая последующая обработка выполняется пучком большейэнергии. Результирующая концентрация ионов имплантированного веществаполучается достаточно однородной при некоторой толщине слоя.
/>
Рис. 6. Эпюры распределенияконцентрации ионов азота, имплантированного в железо пучками различных энергий
Ионное каналирование.
Эффект каналирования наблюдается припопадании иона в свободное пространство между рядами атомов. Как только ионпопадает в это пространство, на него начинают действовать потенциальные силыатомных рядов, направляющие его в центр канала. В результате этого ионпродвигается на значительные расстояния. Такой ион постепенно теряет энергию засчет слабых скользящих столкновений со стенками канала и, в конце концов,покидает эту область. Расстояние, проходимое ионом в канале, может в несколькораз превышать длину пробега иона в аморфной мишени.
Эффект каналирования характеризуетсяналичием «хвостов» концентрации атомов, выявляемых с помощью методамасспектрометрии вторичных ионов и «хвостов» концентрации свободныхносителей зарядов, обнаруживаемых при проведении электрических измерений.Попытки устранения эффекта каналирования путем ориентации кремниевоймонокристаллической подложки в наиболее плотно упакованных направлениях сводятего к минимуму, но не исключают полностью.
Были сделаны попытки практическогоиспользования эффекта каналирования при имплантации примеси на большую глубину.Однако в этом случае значительно затруднены управление профилем распределенияимплантируемой примеси и получение воспроизводимых результатов из-за оченьвысоких требований к точности разориентации ионного пучка относительно основныхкристаллографических направлений в подложке.
Образование радиационных дефектов.
При внедрении ионов в кремниевуюкристаллическую подложку они подвергаются электронным и ядерным столкновениям,однако, только ядерные взаимодействия приводят к смещению атомов кремния.Легкие и тяжелые ионы производят качественно различное «дереворадиационных дефектов».
Легкие ионы при внедрении в мишеньпервоначально испытывают в основном электронное торможение. На профилераспределения смещенных атомов по глубине подложки существует скрытый максимумконцентрации. При внедрении тяжелых ионов они сразу начинают сильно тормозитьсяатомами кремния.
Тяжелые ионы смещают большоеколичество атомов мишени из узлов кристаллической решетки вблизи поверхностиподложки. На окончательном профиле распределение плотности радиационныхдефектов, который повторяет распределение длин пробега выбитых атомов кремния,существует широкий скрытый пик. Сложная структура различных типов дефектоввдоль траектории движения иона вызвана распределением смещенных атомов кремния.
Вводимые в процессе ионнойимплантации дефекты состоят из вакансий и дивакансий. При нагреве мишени пучкомионов в процессе имплантации до температуры выше 500 С будут образовыватьсядислокации.
Отжиг легированных структур
Параметры процесса отжигаопределяются дозой и видом имплантированных ионов.
1. Изохорный отжиг структур,имплантированных бором.
Весь диапазон температур отжигаразбит на три области.
Для первой области характерно наличиеточечных радиационных дефектов. Повышение температуры отжига от комнатной до500 C приводит к ликвидации таких точечных дефектов, как дивакансии.
Вторая область. При 500 C<Т<600 С кремний содержит меньшую концентрацию атомов бора в узлах кристаллическойрешетки и большую концентрацию межузельных атомов бора с неопределеннымположением.
В третьей области T> 600 C за счетувеличения числа кремниевых вакансий и их замощения атомами бора концентрацияактивных атомов примеси увеличивается. При дозах имплантированных ионов 1012см-2 полный отжиг происходит при Т= 800 С в течение нескольких минут.
2. Изохорный отжиг структур,имплантированных фосфором.
Отжиг слоев фосфора, имплантированныхпри комнатной температуре мишени, производится качественно отличным способом.Доза имплантируемого фосфора от 3*1012 до 3*1014 см-2 требует проведения отжигапри температурах T> 800 C для устранения более сложных радиационных дефектовпо сравнению с отжигом слоев, имплантированных бором.
Когда имплантированный слой фосфорастановится аморфным (при дозе выше 3*1014 см-2), начинает действовать другоймеханизм отжига. Температура отжига при этом несколько меньше, чем длякристаллических слоев и составляет 600 С. Более сложные процессы происходят приотжиге скрытых слоев с аморфной структурой, расположенных на определеннойглубине под поверхностью подложки. Эпитаксиальная перекристаллизация начинаетсяна обеих поверхностях раздела аморфных и монокристаллических областей.
3. Изотермический отжиг
Дополнительная информация о характерераспределения имплантированных примесей может быть получена при проведенииотжига при постоянной температуре, но в течение различного времени. По мереувеличения времени отжига электрическая активность легирующей примесивозрастает относительно медленно; при этом доля электрически активных атомовбора повышается от начального значения до величины, составляющей более 90 %этого значения. Энергия активации соответствует генерации и миграции термическивведенных вакансий. Термически генерированные вакансии мигрируют к межузельнымобразованиям. При этом происходит внедрение атомов бора в узлы кристаллическойрешетки.
4. Диффузия имплантированныхпримесей.
Коэффициент диффузии бора может бытьповышен за счет уничтожения кремниевых вакансий и межузельных кластеров, приэтом вакансии могут увеличить коэффициент диффузии по узлам кристаллическойрешетки, а межузельные атомы кремния могут вытеснять атомы бора из ее узлов,что приведет к быстрой диффузии комплексов межузельный атом кремния — атомбора.
5. Быстрый отжиг.
Имплантированные слои могут бытьподвергнуты лазерному отжигу с плотностью энергии в диапазоне 1-100 Дж/см2.Вследствие короткого времени нагрева имплантированные слои могут бытьтермообработаны без заметной диффузии примеси. Имплантированные аморфные слоитолщиной 100 нм перекристаллизуются в течение нескольких секунд при Т= 800 С помеханизму твердофазной эпитаксии.
Процесс быстрого отжига относиться ккатегориям чистых процессов, и загрязнения от элементов конструкцииоборудования не создают серьезной проблемы. Лазерная энергия может бытьлокализована на отдельной части кристалла ИС, так что некоторые р-n переходысхемы могут размываться во время отжига за счет диффузии в большей степени,тогда как другие не претерпевают изменений.
Значительное преимущество метода то,что после расплавления и кристаллизации аморфных слоев по методу жидкофазнойэпитаксии в них отсутствуют линейные дефекты.
С использованием технологии лазерногоотжига создают биполярные и МОП-транзисторы, кремниевые солнечные батареи.
6. Отжиг в атмосфере кислорода.
Процессы отжига, в результате которыхвсе имплантированные ионы занимают электрически активные положения в узлахкристаллической решетки, обычно приводят к возникновению микродефектов. Эти дефектыназывают вторичными дефектами. Любые внешние микродефекты развиваются в большиедислокации и дефекты упаковки. Эти дефекты, называемые третичными дефектами,имеют достаточно большие размеры.
7. Упрочнение деталей.
Изначально ионная имплантация применяласьв микроэлектронике для изготовления больших интегральных схем. С развитиемвакуумной техники и появлением сильноточных ионных источников стало возможнымпроводить модификацию поверхности крупногабаритных изделий. В настоящее времяразработанные технологии ионной имплантации позволяют обрабатывать рабочиелопатки паровых турбин максимальным габаритом до 1700 мм.
Достигнуто:
Ø Увеличениепредела усталости на 7-25 %;
Ø Повышениедолговечности более чем в 20 раз;
Ø Улучшениеструктуры поверхностного слоя деталей;
Ø Повышениеадгезионной прочности последующих покрытий;
/>
Рис. 7. Потерямассы образцов из сплава ЦНК7П в процессе испытания на жаростойкость послеразличных видов обработки. Длительнаяпрочность образцов из сплава ЦНК7П (нагрузка 350МПа, температура 850 ОС навоздухе.
При нанесении защитных покрытий натурбинные лопатки из жаропрочных сплавов тио ЦНК достигнуто повышение:
Ø жаростойкости в2,5 раза,
Ø коррозионнойстойкости в 1,9 раза
Ø длительнойпрочности в 1,6 раза
Ø сопротивленияусталости в 1,2 раза
/>
Рис. 5. Длительная прочность образцовиз сплава ЦНК7П (нагрузка 350МПа, температура 850 ОС на воздухе).
6. Применениеионного легирования в технологии СБИС
6.1 Создание мелких переходовТребование формирования n+ слоев,залегающих на небольшой глубине, для СБИС можно легко удовлетворить с помощьюпроцесса ионной имплантации Аs. Мышьяк имеет очень малую длину проецированногопробега (30 нм) при проведении обычной имплантации с энергией ионов 50 кэВ.
Одной из прогрессивных тенденцийразвитии СБИС является создание КМОП-транзисторов. В связи с этим большоезначение имеет получение мелких p+ — слоев. Такие слои очень сложносформировать путем имплантации ионов В+.
Решение проблемы, связанной симплантацией бора на небольшую глубину, на практике облегчается использованиемв качестве имплантируемых частиц ВF2. Диссоциация молекулы ВF2+ при первомядерном столкновении приводит к образованию низкоэнергетических атомов бора.Кроме того, использование молекулы ВF2 имеет преимущество при проведениипроцесса отжига структур.
ионный легированиеимплантация кремний
6.2 ГеттерированиеПроцесс геттерирования основан натрех физических эффектах:
Ø освобождениепримесей или разложение протяженных дефектов на составные части.
Ø диффузия примесейили составных частей дислокаций.
Ø поглощениипримесей или собственных межузельных атомов некоторым стоком.
Рассмотрим четыре основные механизмагеттерирования примесей.
1. Образование пар ионов.
Диффузия фосфора является эффективнымметодом геттерирования. Профиль распределения таких примесей, как медь, котораяв основном находится в междоузлиях в решетке нелегированного кремния идиффундирует по межузельному механизму, принимает форму диффузионного профиляраспределения фосфора. Атомы меди занимают положения в узлах кристаллическойрешетки кремния в области, легированной фосфором, а затем захватываютсявакансиями, расположенными около атомов фосфора, образуя пары Р+Сu3-. Энергиясвязи и коэффициент диффузии ионных пар определяются обоими ионами.
2. Геттерирование с использованиемнарушенных слоев.
Геттерируюшее действие дефектов былоисследовано с использованием пескоструйной обработки, механического абразивноговоздействия ультразвуком или шлифованием. Особенности дефектов зависят отконцентрации и вида имплантированных частиц.
Оптимальная температурагеттерирования определяется для каждого конкретного случая. Время жизнинеосновных носителей в слое, имплантированном аргоном, существенноувеличивается после отжига при температуре 850 С.
3. Внутреннее геттерирование
Геттером может служить преципитатыSiOx и комплексы дислокаций, присутствующие в объеме кремниевой подложки послепредварительной имплантации в нее кислорода. Воздействие этих преципитатов надислокации приводит к тому, что последние действуют в качестве стока дляпримесей тяжелых металлов, тогда как поверхностные области становятсясвободными от дефектов.
6.3 Эффекты, используемые втехнологии СБИС
При высокой дозе имплантированногоазота скорость окисления кремния уменьшается из-за образования нитрида кремния,тогда как появление дефектов, вводимых при имплантации B, Ar, As, Sb можетпривести к увеличению скорости окисления. С помощью этих эффектов можно изменятьтолщину окисла в различных областях приборов СБИС.
В другом случае окислы с поврежденнойповерхностью используются для уменьшения толщины маски по краям вытравленных вмаске окон, при этом поверхностная область стравливается быстрее, чембездефектные участки.
Заключение
Одним из наиболее привлекательныхнаправлений использования метода ионного легирования углеродных наноструктурявляется наноэлектроника. Малые размеры, возможность при синтезе получатьнеобходимую электропроводность, механическая прочность и химическаястабильность делают углеродные наноструктуры весьма желанным материалом дляпроизводства рабочих элементов функциональных схем. Поэтому в настоящее времяусилия ученых направлены на разработку технологии получения фуллеренов и нанотрубок,заполненных проводящим или сверхпроводящим материалом.
Итогом решения этой проблемы стало бысоздание токопроводящих соединений, которые позволят перейти к производствунаноэлектронных приборов, размеры которых будут на один или два порядка меньшеныне существующих. Таким решением может стать метод имплантации частиц припомощи ионных пучков, который хорошо зарекомендовал себя в микроэлектронике.
Список литературы
1. Матюхин С.И. Ионная имплантация как метод внедренияатомных частиц в углеродные наноструктуры // Тез. докл. Междунар. конф. «Химиятвердого тела и современные микро- и нанотехнологии. — Кисловодск, Россия,2002, с. 77.
2. Рожков В.В., Матюхин С.И. Использование каналирования дляионной имплантации атомных частиц в углеродные наноструктуры // Труды XVМеждунар. конф. по физике радиационных явлений и радиационномуматериаловедению. — Алушта, Украина, 2002, с.277.
3. Вавилов В.С., Челядинский А.Р., Ионная имплантацияпримесей в монокристаллы кремния: эффективность метода и радиационные нарушения.// УФН. 1995. Т.165. №3. С.347.
4. Матюхин С.И. Стохастическая теория каналирования быстрыхчастиц в монокристаллах. // Дис… канд. ф.-м. наук, Москва, 1997.
5. А. И. Курносов, В. В. Юдин «Технология производстваполупроводниковых приборов и интегральных микросхем».