Реферат: Моделирование процессов ионной имплантации
Московская Государственная Академия Тонкой ХимическойТехнологии им. М. В. Ломоносова.
________________________________________________________________
Кафедра ТПМКУРСОВАЯ РАБОТА
Тема: «Математическоемоделирование ионно-имплантированных структур».
РуководительЕвгеньев С. Б.
Выполнил Гнездилов А. Л.
МОСКВА 1999г.
ПЛАН РАБОТЫ:
1. Общие сведения о процессе ионнойимплантации.
2. Постановка задачи.
3. Математическая модель.
4. Программное обеспечение.
5. Техническое обеспечение.
6. Результаты расчета.
7. Заключение.
8. Литература.
1. Общиесведения о процессе ионной имплантации.НАЗНАЧЕНИЕ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
Ионной имплантацией называетсяпроцесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной дляпроникновения в ее приповерхностные области. Успешное применение ионнойимплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управленияэлектрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданныхусловиях имплантирования.
Наиболеераспространенным применением ИИ в технологии формирования СБИС является процессионного легирования кремния. Часто приходится проводить имплантацию атомов вподложку, которая покрыта одним или несколькими слоями различных материалов. Имимогут быть как тонкие слои тяжелых металлов (например, Та или TaSi2), так идиэлектриков. Существование многослойной структуры способно вызвать резкиеперепады в профиле легирования на границе отдельных слоев. За счет столкновенияионов с атомами приповерхностных слоев последние могут быть выбиты в болееглубокие области легируемого материала. Такие «осколочные эффекты»способны вызвать ухудшение электрических характеристик готовых приборов.
Во многих случаях дляполучения необходимого профиля распределения легирующей примеси в подложкеприменяют метод, основанный на предварительной загонке ионов с их последующейтермической разгонкой в мишени. При этом имплантация проводится с малойэнергией ионов.
Общая траекториядвижения иона называется длиной пробега R, а расстояние, проходимое внедряемымионом до остановки в направлении, перпендикулярном к поверхности мишени,проецированной длиной пробега Rp.
/>
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
12 — электрометр
Магнитныймасс-спектрометр предназначен для отделения ненужных ионов от легирующих,электрометр — для измерения величины имплантированного потока ионов. Маски дляИИ могут быть изготовлены из любых материалов, используемых в технологии СБИС(фоторезист, нитриды, окислы, поликремний).
Управление дозой при ИИзатруднено рядом факторов. Это наличие потока нейтральных частиц, обмен энергииионов с молекулами газов, вторичная электронная эмиссия из мишени, эфектобратного ионного распыления.
Для ликвидациипоследствий действия этих факторов используют следующие технические приемы.Нейтральные молекулы отсеивают с помощью масс-спектрометра (его магнитным полемне отклоняет нейтральные частицы и они не попадают в апертурную диафрагму).Кроме того, в камере поддерживается достаточно высокий вакуум, предотвращающийпроцесс нейтрализации ионов. Вторичную электронную эмиссию подавляют,располагая около мишени ловушку Фарадея.
От загрязнений поверхностикремния вследствие полимеризации углеводородов ИИ проводят через окиснуюпленку, которую затем удаляют.
/>
/>
Профильраспределения примеси при ионной имплантации бора различных энергий в кремнийприведен на рис. 2. Для корректного теоретического расчета профиля, особеннодля больших значений энергий пучков ионов, используют два объединенныхраспределения Гаусса
, где
D — поглощенная доза,
Rm — модальная длина пробега(аналог проекционной длины пробега при Гауссовском распределении),
DR1,DR2 — флуктуации первого и второгораспределения,
DRi=DR1 при x>Rm, DRi=DR2при x<=Rm.
/> <td/> />Теоретическиепрофили, рассчитанные по приближению Пирсона с 4 параметрами и распределениюГаусса, и измеренные профили при ионной имплантации бора в кремний без проведенияотжига приведены на рис. 3.
ДЕФЕКТЫ ПРИ ИОННОМ ЛЕГИРОВАНИИ И СПОСОБЫИХ УСТРАНЕНИЯ
Ионное каналированиеЭффект каналированиянаблюдается при попадании иона в свободное пространство между рядами атомов.Как только ион попадает в это пространство, на него начинают действоватьпотенциальные силы атомных рядов, направляющие его в центр канала. В результатеэтого ион продвигается на значительные расстояния. Такой ион постепенно теряетэнергию за счет слабых скользящих столкновений со стенками канала и, в концеконцов, покидает эту область. Расстояние, проходимое ионом в канале, может внесколько раз превышать длину пробега иона в аморфной мишени.
Эффект каналированияхарактеризуется наличием «хвостов» концентрации атомов, выявляемых спомощью метода масспектрометрии вторичных ионов и «хвостов»концентрации свободных носителей зарядов, обнаруживаемых при проведенииэлектрических измерений. Попытки устранения эффекта каналирования путемориентации кремниевой монокристаллической подложки в наиболее плотно упакованныхнаправлениях сводят его к минимуму, но не исключают полностью.
Были сделаны попыткипрактического использования эффекта каналирования при имплантации примеси набольшую глубину. Однако в этом случае значительно затруднены управлениепрофилем распределения имплантируемой примеси и получение воспроизводимыхрезультатов из-за очень высоких требований к точности разориентации ионногопучка относительно основных кристаллографических направлений в подложке.
Образование радиационных дефектовПри внедрении ионов вкремниевую кристаллическую подложку они подвергаются электронным и ядернымстолкновениям, однако, только ядерные взаимодействия приводят к смещению атомовкремния. Легкие и тяжелые ионы производят качественно различное «дереворадиационных дефектов».
Легкие ионы привнедрении в мишень первоначально испытывают в основном электронное торможение.На профиле распределения смещенных атомов по глубине подложки существуетскрытый максимум концентрации. При внедрении тяжелых ионов они сразу начинаютсильно тормозиться атомами 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 процессеионной имплантации дефекты состоят из вакансий и дивакансий. При нагреве мишенипучком ионов в процессе имплантации до температуры выше 500 С будутобразовываться дислокации.
Отжиг легированных структурПараметры процессаотжига определяются дозой и видом имплантированных ионов.
1. Изохорный отжигструктур, имплантированных бором.
Весь диапазон температур отжигаразбит на три области.
Для первой области характерноналичие точечных радиационных дефектов. Повышение температуры отжига откомнатной до 500 C приводит к ликвидации таких точечных дефектов, какдивакансии.
Вторая область. При500 C<Т< 600 С кремний содержит меньшую концентрацию атомов бора в узлахкристаллической решетки и большую концентрацию межузельных атомов бора снеопределенным положением.
В третьей областиT> 600 C за счет увеличения числа кремниевых вакансий и их замащения атомамибора концентрация активных атомов примеси увеличивается. При дозахимплантированных ионов 1012 см-2 полный отжиг происходит при Т= 800 С в течениенескольких минут.
2. Изохорный отжигструктур, имплантированных фосфором.
Отжиг слоев фосфора,имплантированных при комнатной температуре мишени, производится качественноотличным способом. Доза имплантируемого фосфора от 3*1012 до 3*1014 см-2требует проведения отжига при температурах T> 800 C для устранения болеесложных радиационных дефектов по сравнению с отжигом слоев, имплантированныхбором.
Когда имплантированныйслой фосфора становится аморфным (при дозе выше 3*1014 см-2), начинаетдействовать другой механизм отжига. Температура отжига при этом несколькоменьше, чем для кристаллических слоев и составляет 600 С. Более сложныепроцессы происходят при отжиге скрытых слоев с аморфной структурой,расположенных на определенной глубине под поверхностью подложки. Эпитаксиальнаяперекристаллизация начинается на обеих поверхностях раздела аморфных имонокристаллических областей.
3. Изотермическийотжиг
Дополнительнаяинформация о характере распределения имплантированных примесей может бытьполучена при проведении отжига при постоянной температуре, но в течениеразличного времени. По мере увеличения времени отжига электрическая активностьлегирующей примеси возрастает относительно медленно; при этом доля электрическиактивных атомов бора повышается от начального значения до величины,составляющей более 90 % этого значения. Энергия активации соответствуетгенерации и миграции термически введенных вакансий. Термически генерированныевакансии мигрируют к межузельным образованиям. При этом происходит внедрениеатомов бора в узлы кристаллической решетки.
4. Диффузияимплантированных примесей.
Коэффициент диффузии бора можетбыть повышен за счет уничтожения кремниевых вакансий и межузельных кластеров,при этом 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 отжигаотноситься к категориям чистых процессов, и загрязнения от элементовконструкции оборудования не создают серьезной проблемы. Лазерная энергия можетбыть локализована 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 методато, что после расплавления и кристаллизации аморфных слоев по методужидкофазной эпитаксии в них отсутствуют линейные дефекты.
С использованием технологиилазерного отжига создают биполярные и МОП-транзисторы, кремниевые солнечныебатареи.
6. Отжиг в атмосферекислорода.
Процессы отжига, в результатекоторых все имплантированные ионы занимают электрически активные положения вузлах кристаллической решетки, обычно приводят к возникновению микродефектов.Эти дефекты называют вторичными дефектами. Любые внешние микродефектыразвиваются в большие дислокации и дефекты упаковки. Эти дефекты, называемыетретичными дефектами, имеют достаточно большие размеры.
ПРИМЕНЕНИЕ ИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ВТЕХНОЛОГИИ СБИС
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 большое значениеимеет получение мелких p+ — слоев. Такие слои очень сложно сформировать путемимплантации 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.
ГеттерированиеПроцесс геттерированияоснован на трех физических эффектах:
-освобождение примесейили разложение протяженных дефектов на составные части.
-диффузия примесей илисоставных частей дислокаций.
-поглощении примесейили собственных межузельных атомов некоторым стоком.
Рассмотрим четыреосновные механизма геттерирования примесей.
1. Образование парионов.
Диффузия фосфораявляется эффективным методом геттерирования. Профиль распределения такихпримесей, как медь, которая в основном находится в междоузлиях в решеткенелегированного кремния и диффундирует по межузельному механизму, принимаетформу диффузионного профиля распределения фосфора. Атомы меди занимаютположения в узлах кристаллической решетки кремния в области, легированнойфосфором, а затем захватываются вакансиями, расположенными около атомовфосфора, образуя пары Р+Сu3-. Энергия связи и коэффициент диффузии ионных паропределяются обоими ионами.
2. Геттерирование сиспользованием нарушенных слоев.
Геттерируюшее действиедефектов было исследовано с использованием пескоструйной обработки,механического абразивного воздействия ультразвуком или шлифованием. Особенностидефектов зависят от концентрации и вида имплантированных частиц.
Оптимальнаятемпература геттерирования определяется для каждого конкретного случая. Времяжизни неосновных носителей в слое, имплантированном аргоном, существенноувеличивается после отжига при температуре 850 С.
3. Внутреннеегеттерирование
Геттером может служитьпреципитаты SiOx и комплексы дислокаций, присутствующие в объеме кремниевой подложкипосле предварительной имплантации в нее кислорода. Воздействие этихпреципитатов на дислокации приводит к тому, что последние действуют в качествестока для примесей тяжелых металлов, тогда как поверхностные области становятсясвободными от дефектов.
Эффекты, используемые в технологии СБИС
При высокой дозеимплантированного азота скорость окисления кремния уменьшается из-заобразования нитрида кремния, тогда как появление дефектов, вводимых приимплантации B, Ar, As, Sb может привести к увеличению скорости окисления. Спомощью этих эффектов можно изменять толщину окисла в различных областяхприборов СБИС.
В другом случае окислыс поврежденной поверхностью используются для уменьшения толщины маски по краямвытравленных в маске окон, при этом поверхностная область стравливаетсябыстрее, чем бездефектные участки.
2. Постановка задачи.
Постановка задачи заключается в разработкепрограммного обеспечения, которое необходимо, чтобы наглядно представить ипонять, а также самому принять неотъемлемое участие в процессе расчета основныхявлений при ионной имплантации.
1. По числу компонентов, заданной массе атомов, собственной концентрацииатомов в кристалле, зарядам ядер ионов и атомов мишени, необходимо сделать расчет,конечным результатом которого послужит графическое представление расчета(зависимость концентрации примеси от глубины проникновения иона).
/>
Рис. 1.1. Окно заставки
Далее следуетокно, в котором пользователь должен будет выбрать тип решаемой задачи (Рис.1.2.).
/>
Рис. 1.2. Выбор требуемой задачи (в данном случае выбрана задача №1)
Затем появляется окно, вкотором пользователю необходимо ввести все необходимые данные, для еереализации (Рис. 1.3.).
/>
Затемвыводится окно, в котором/>представлены результаты расчета(Рис. 1.4.).
Конечнымрезультатом данной задачи является форма с отчетом, показанная в приложении.
2. Расчет профилей распределения концентрации внедренных примесей вструктурах с двойной имплантацией. Расчет производится путем использованияданных из предыдущей задачи, а также имеется набор новых данных: энергия акцепторов,доза и все тоже самое для доноров. Конечным результатом является расчет глубинызалегания p-n перехода и построение графическойзависимости на основе рассчитанных данных.
Также,при выборе задачи №2 из меню заставки (см. Рис. 1.2.), появляется окно дляввода необходимых данных (Рис. 2.1.).
/>
Рис. 2.1. Окно ввода данных (задача№2)
Затем выводитсяокно, в котором представлены результаты расчета (Рис. 2.2.).
/>
Рис. 2.2. Результаты расчета задачи№2
3. Расчет ионно-имплантированных структур с покрытием и без покрытия.
Ö Данная задача находится еще в проекте!
3. Математическая модель.
Задача№1:
Глубина проникновения в веществохарактеризуется пробегом. Траектория отдельных ионов в кристалле подобныломанным линиям, каждый прямолинейный участок и полная длина которых отличаютсядруг от друга. Вся совокупность пробегов отдельных ионов группируется по законунормального распределения случайной величины со значением среднего полногопробега R и среднеквадратичнымотклонением пробега DR. Практическую важность имеет среднийнормальный пробег Rp– проекция траекториисреднего полного пробега на направление первоначальной скорости иона и егосреднеквадратичное отклонение DRp. Для расчета среднего полногопробега R (см) иона с энергией Е (эВ)используют формулы, в которых энергия и пробег выражены в безразмерных единицахeи r соответственно:
/>
/>
/>
/>
/>
ЗдесьL-нормирующий множитель пробега, см-1;F-нормирующий множитель энергии, 1/эВ.
Радиусэкранирования заряда ядра атомными электронами (см):
/>
Коэффициентпередачи ионом с массой М1 атому с массой М2 максимальновозможной энергии при лобовом столкновении:
/>
Коэффициенты, учитывающиеторможение, обусловленное ядерным электронным взаимодействием:
/>
/>
Параметры,учитывающие торможение, обусловленные ядерным взаимодействием, с=0.45, d=0.3.
Собственнаяконцентрация атомов в кристалле N2, см-3,заряды ядер иона Z1,атомов мишени Z2.
Профили распределения концентрации внедренныхионов определяются характером распределения средних нормальных пробегов по глубинеоблученного слоя. Пучок ионов, попадая в такие вещества, испытывает случайныестолкновения с атомами, и распределение пробегов описывается закономраспределения случайной величины. Аналогичная ситуация наблюдается и вмонокристаллах, если ионный пучок попадает на произвольную ориентированнуюповерхность пластины относительно кристаллографических направлений с малымииндексами, например вдоль оси (763). Такое внедрение называют неориентированным. В этом случае профиль внедренных атомов описывается, как и дляаморфных веществ, кривой Гаусса:
/>
Максимумконцентрации примеси в отличие от случая введения ее методом диффузии залегаетне на поверхности, а на глубине x=Rp:
/>
Задача№2:
К примеру, для созданиятранзистора типа n-p-nв эпитаксиальныйслой с электропроводностью n-типа производят последовательную имплантацию ионов акцепторной примеси сэнергией Еа и дозой Nа для формирования базовой областии ионов донорной примеси с энергией Ед и дозой Nд для формирования эмиттера,причем Rpa>Rpd, а Cmax a < Cmaxd. Суммарноераспределение примеси описывается выражением:
/>
Глубину залегания коллекторного переходаопределяем из условия:
/>
откуда
/>
где
/>
Глубинузалегания эмиттерного перехода с учетом того, что С(Xjэ) >>Cb, определяемиз условия:
/>
откуда
/>
где
/>
/>
/>
4. Программное обеспечение:
Разработаннаярасчетно-информационная система предназначена для работы в среде Windows. Windows разработана корпорацией Microsoft, датапервого поступления в продажу 1995 год и крупнейшие мировые компанииорганизовали выпуск различных приложений, использующих богатые возможностиновой операционной системы.
Эффективность работы компьютераопределяется не только его аппаратным обеспечением: моделью процессора,размерами жесткого диска, оперативной памяти и т. п., но и установленной на немоперативной системой. Оперативная система это программа, которая осуществляетуправление всеми устройствами компьютера и процессом обработки на нем информации.
Windows 95/98 представляет собойвысокопроизводительную, многозадачную и многопоточную 32-разрядную операционнуюсистему с графическим интерфейсом и расширенными сетевыми возможностями. Онаработает в защищенном режиме и предназначена для настольных и персональныхкомпьютеров. Операционная система Windowsпозволяет более полно использовать потенциал персонального компьютера.
Многозадачность означает, чтоможно работать с несколькими программами одновременно. Многопоточное выполнениеотдельной задачи позволяет при задержке в выполнении одного потока работать соследующим. Под потоком подразумевается последовательность команд, составляющихотдельную частную задачу, решаемую внутри общей задачи (процесса).
Операционная системаразработанная фирмой Microsoft обеспечивает большое количествовозможностей и удобств для пользователей. Широкое распространение Windows сделало ее фактически стандартовдля IBMPC совместимых компьютеров.
Поставщики программногообеспечения для ряда отраслей промышленности переходят на Windows 95, сокращая разработки для MS-DOS.
Кратко перечислю основныепреимущества Windows 95 по сравнению с широкораспространенной операционной системой MS-DOS:
* возможностьпараллельного (независимого) выполнения программ одновременно;
* легкостьпереключения из одной программы в другую;
* автоматизацияобмена информации между различными программами, например, рисунок, полученныйв графической программе, можно легко вставить в текст, созданный сиспользования текстового процессора;
* облегчениедоступа к программам и документам за счет использования раскрывающихся меню;
* нетнеобходимости запоминать имена программ и документов, так как для их обозначенияиспользуются графические символы-значки;
* увеличенияобъема памяти за счет использования свободного пространства на жестком диске;
* защищенностьприкладных программ друг от друга в случае некорректных действий одной из них.
Для разработки приложенийсуществуют три варианта Delphi:
1. Client/Server Suite — средство создания приложений,рассчитанное на использование в организациях, где требуются высокопроизводительные,масштабируемые приложения, которые используют данные хранимые средствамиуправления серверами.
2. Desktop — предназначен для индивидуальныхпрограммистов.
3. Developer — ориентирован на профессиональныхразработчиков.
Для реализации поставленнойзадачи мною был использован продукт фирмы Borland Delphi Developer версии 3.0. Delphi 3.0 представляет собой 32-битовую версиюпопулярного средства разработки приложений для Windows 95/ Windows NT.
Выбор определялся сравнениемхарактеристик вариантов Delphi. Наиболее приемлемые длясоздания расчетно-информационной системы оказались именно у Delphi Developer 3.0.
5. Техническое обеспечение:
Врезультате расчета и компьютерного программирования использовалось руководствопользователя: «Программирование в среде Delphi 4.0”, автор Архангельский.
6. Результаты расчета:
Результаты расчета представлены вПРИЛОЖЕНИИ…
7. Заключение:
В данном программном проекте представлены задачи,которые удовлетворяют всем правилам и параметрам расчетов процесса ионной- имплантации,а также представлены в наглядном виде все процессы расчета данных структур,указанных в дипломном проекте.
8. Литература:
1. Архангельский «Программированиев среде Delphi4.0».
2. А. И. Курносов, В. В. Юдин«Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем».
3. Программирование в среде Turbo Pascal v. 7.0.