25. Характер распределения примеси в кремнии после ионного легирования

При ионном легировании первичным процессом является проникновение ускоренных ионов в вещество и их торможение до тепловых скоростей. Установившееся в результате этого распределение внедренных атомов примеси по глубине называют профилем торможения. Окончательное распределение примесных атомов, в которое часто вносят вклад диффузионные процессы, а также распределение носителей тока не всегда совпадают с профилем торможения.

Основными характеристиками профиля торможения примесных атомов являются средняя проекция пробега и среднеквадратичный разброс проецированных пробегов или среднее нормальное отклонение проекции пробега . По теории ЛШШ связана с полным пробегом приближенным соотношением

где M₁ - масса иона; M₂ - масса атома мишени.

Среднеквадратичное отклонение (дисперсия) проекции пробега можно вычислить по формуле

При столкновениях с атомами мишени ион отклоняется на углы, зависящие от прицельного расстояния и масс сталкивающихся частиц. Если M₁ >> M₂, то отклонения малы и ион движется почти прямолинейно, поэтому его полный пробег слабо отличается от проекции пробега . Если же M₁  M₂, а энергия иона не слишком велика, то траектория иона извилиста и значительно меньше .

Распределение проекций пробегов считается гауссовым. Поскольку рассматривается проекция пробега на направление движения ионов до их столкновения и остановки в мишени, то это распределение совпадает с распределением внедренных ионов по глубине пластины.

Профиль торможения имеет вид гауссовой кривой и распределение внедренных ионов в единице объема мишени можно записать следующим образом:

, (3.24)

где x - глубина от поверхности мишени; N₀ - количество легирующих ионов на единицу площади, ион/см² (3.19).

Средняя величина проекций пробега и среднее нормальное отклонение проекций пробега для ионов III и V групп таблицы Менделеева с различной энергией в кремниевой мишени приведены в табл.3.6.

Таблица 3.6

Средние величины проекций пробегов и нормальных отклонений
в кремнии, нм

Ион		Энергия иона, кэВ
		20	40	80	100	140	200
11B+	Rp	73 32	161 54	324 84	398 94	537 110	725 126
31P+	Rp	29 9,4	49 16,4	98 30	123 35	175 47	254 61
15As+	Rp	16 3,7	27 6,2	48 10,5	58 12,5	79 16	110 22

Используя данные табл.3.6 для любой примеси в кремнии и зная дозу внедренных ионов, можно расчетным путем найти профиль торможения ионов в кристалле.

На рис.3.18 показаны типичные кривые распределения фосфора и бора при ионном легировании кремния. Как следует из рисунка, максимум концентрации внедренной примеси N_max не соответствует поверхностной концентрации (что было характерно для диффузионных процессов), а наблюдается в глубине полупроводника. С увеличением энергии ионов максимум концентрации ионов перемещается в глубь полупроводника, а поверхностная концентрация уменьшается.

М

Рис.3.18. Распределение фосфора (а) и бора (б) в кремнии при имплантации
с различными энергиями

аксимум концентрации внедренных ионов отстоит от поверхности мишени на расстоянии а его величина, как следует из (3.24), равна

.

Распределение примеси в интегральных структурах

Распределение примеси в двухслойной мишени

В планарной технологии внедрение ионов проводится локально с использованием масок из различных материалов. Чаще всего маской служит слой диоксида или нитрида кремния. Используются также
металлы, например, молибден и вольфрам, пленки фоторезиста. Ясно, что для защиты кремния необходимо знать, какой должна быть толщина маскирующей пленки.

Кроме того, для предотвращения каналирования внедрение ионов часто проводят через тонкий слой аморфного диэлектрика (SiO₂, Si₃N₄), который в этом случае служит рассеивающим слоем, т.е. поток ионов в сам полупроводник внедряется уже под некоторым углом к поверхности, так что кристалл для этих ионов представляет собой как бы аморфное образование. В этом случае необходимо учесть влияние второго слоя на распределение ионов.

Для точного вычисления профилей такого распределения нужно либо пользоваться методом Монте-Карло, либо решать транспортное уравнение Больцмана. Оба метода сложны и требуют неоправданно больших затрат машинного времени. Для практических задач можно использовать простой прием, пригодный для материалов, имеющих близкие атомные номера и массы, как в случае SiO₂ и Si₃N₄ для кремния. Считая распределение гауссовым, предполагается, что пробеги в каждом из этих слоев известны. В маскирующем слое толщиной d₁
будет находиться количество примеси ₁,

В полупроводник попадает примесь, количество которой равно
₂ =  – ₁. Если толщину полупроводника d₂ выбрать так, чтобы в ней содержалось количество примеси ₁, как и в маскирующем слое, то для такой ситуации

Очевидно,

а значит,

Отсюда толщина слоя кремния d₂, эквивалентного по количеству примеси диэлектрику, равна

В результате распределения примеси в маске и в полупроводнике определяются выражениями

С

Рис.3.19. Распределение примеси в двухслойной структуре

ледует отметить, что на границе двух фаз из-за различий в тормозной способности кремния и диэлектрика концентрация примеси должна изменяться скачком (рис.3.19).

Влияние распыления полупроводника

Ионное внедрение сопровожда-ется рядом вторичных явлений, которыми часто пренебрегают при расчете примесных профилей. Одним из таких явлений может быть распыление атомов самого полупро-водника или внедряемых ионов. Попадающий на поверхность мише-ни ион с невысокой энергией в поверхностном слое полупроводника вызывает каскад атомных столкновений. Некоторые из атомов этого каскада вблизи поверхности могут покинуть мишень. Этот эффект весьма ощутим в случае использования больших доз, особенно для тяжелых ионов. Изменение профиля распределения примеси может быть при этом очень заметным, вплоть до насыщения, когда число внедряемых ионов становится равным числу распыленных атомов. Энергия распыленного атома должна превышать поверхностную энергию связи U₀, равную для кремния 7,81 эВ.

Параметром, характеризующим этот процесс, является коэффициент распыления S, который определяется как число атомов, выбитых одним первичным ионом. Он зависит от энергии, массы иона и угла соударения с поверхностью. При малых энергиях ионов существует порог возникновения распыления. При энергиях выше порога коэффициент распыления возрастает до максимального значения, но при высоких энергиях падает, так как в этом случае энергия иона выделяется на значительной глубине, и атом, получивший эту энергию, не может выйти из мишени, но может двигаться в направлении, противоположном внедряемым ионам, внося радиационные повреждения в решетку мишени.

Если считать, что скорости распыления для иона и атомов мишени одинаковы, атомов отдачи нет, а изменение объема из-за распыления пренебрежимо мало, то, в отличие от обычного распределения, максимум концентрации ионов лежит не в глубине, а на поверхности полупроводника и равен

.

Величина N_max не зависит от дозы имплантации и мало зависит от пробегов ионов.

Если распыление наблюдается при относительно небольших энергиях, то неупругие взаимодействия с электронами, напротив, имеют место при значительных величинах энергии ионов. Взаимодействия с электронами не приводят к рассеянию иона или атома из-за малой величины передаваемого импульса, но вызывают возбуждение и ионизацию электронных оболочек как внедряемого иона, так и атома мишени. Если это происходит вблизи поверхности, то приводит к испусканию электронов, фотонов и рентгеновского излучения.