Рассмотрим механизм образования дефектов при бомбардировке ионами. Сталкиваясь с атомами мишени, ион передает им кинетическую энергию. Если передаваемая энергия превышает некоторую пороговую энергию Еd, атом мишени выбивается из узла решетки и двигается через кристалл. Сталкиваясь с другими атомами, он может при подходящей энергии в свою очередь смещать их со своих мест и т.д. таким образом, первичный ион вызывает каскад атомных столкновений, в результате которого возникают разнообразные дефекты. Их полное число и взаимное расположение зависят от характера распространения каскада по кристаллу. На распространение каскада влияет структура кристалла. Часть движущихся атомов попадает в каналы решетки, по которым их движение облегчено. В атомных рядах энергия может передаваться от атома к атому путем последовательных столкновений (фокусировки). Вдоль пути движущегося иона образуется сильно разупорядоченная область(рисунок 4). Размеры и форма этой области зависят от массы, энергии бомбардирующего иона, массы атомов мишени, её температуры структуры кристалла. При достаточно высокой температуре первичные дефекты, мигрируя по кристаллу, могут частично аннигилировать путем рекомбинации или выхода на поверхность, а частично объединяться между собой или с уже имевшимися дефектами и примесями в более устойчивые вторичные дефекты. Окончательный состав дефектов, их концентрация и распределение по глубине мишени зависят от числа и распределения первоначально смещенных атомов.
Существующие теории позволяют производить оценки числа смещенных атомов на 1 см2. при не слишком больших дозах это число равно ФNd, где Ф – доза (число ионов на см2), Nd – среднее число смещенных атомов на один ион.
Наиболее простой формулой, по которой легко оценить Nd, является формула Кинчина – Пиза
E >> Ed, (2.3)
где Е – энергия иона; Еd – пороговая энергия смещения атома мишени из узла кристаллической решетки.
Простейшими дефектами являются дефекты Френкеля, т.е. выбитые из узлов в межузлия атомы мишени и образовавшиеся при этом пустые узлы.
Вакансии при своем движении по кристаллу могут объединяться, образуя крупные скопления или вакансионные кластеры, причем для отжига последних требуется более высокие температуры.
Вакансии могут объединяться в пары – дивакансии, или более сложные комплексы тривакансии, тетравакансии и даже гексавакансии. Эти дефекты устойчивы при комнатной температуре. Например дивакансии отжигаются приблизительно при 550 К.
При бомбардировке ионами и последующем отжиге в результате объединения простых дефектов либо под действием механических напряжений, возникающих вокруг радиационных нарушений, часто образуются линейные дефекты – дислокации или дислокационные петли. Линейные дефекты в процессе отжига могут изменять свою длину, форму и местоположение в кристалле.
Вакансии и межузельные атомы могут группироваться в так называемые плоскостные и линейные включения (в виде дисков или стержней). Эти включения способны адсорбировать атомы примесей, отличающихся по размерам от атомов основного вещества, поскольку в этом случае поля механических напряжений вокруг включений понижаются. Отжиг при температурах 500 – 6000 С приводит к переходу плоскостных включений в дислокационные петли. Характер линейных и плоских дефектов зависит от типа ионов, дозы и температуры отжига.
При некоторых критических концентрациях радиационных дефектов кристаллическое состояние становится неустойчивым и происходит переход в аморфное состояние. Аморфизация имеет место не для всех полупроводников, но чем более выражен ковалентный характер связи, тем больше, вообще говоря, склонность вещества к такому переходу. Si и Ge являются примерами типичных ковалентных полупроводников, для которых данное явление изучено наиболее полно. [4]
2.3 Отжиг радиационных дефектов
Исследования процесса отжига имплантированных структур приводит к выводу о том, что влияния отжига на аморфные слои и на точечные и линейные радиационные дефекты различно.
Одной из основных проблем технологии ионного легирования является определение минимальных температуры и времени отжига, необходимых для полной активации доноров и акцепторов при условии полного устранения остаточных дефектов.
При определенной температуре дефекты можно устранить термообработкой. Для устранения дефектов решетки необходима энергия активации, т.е. осуществляется активизация материала, встраивание атома легированной примеси в кристаллическую решетку основного материала и установление химических связей с соседними атомами. Эта энергия определена для каждой структуры дефектов (рисунок 5). Например, для дивакансий требуется энергия активации 1,25 эВ, в то время как для обычных дефектов 0,33 эВ. Вероятно, многократные дефекты решетки, большие, чем дивакансии, имеют более высокую энергию активации. Обычный отжиг не гарантирует полного 100% избавления от дефектов, более совершенным методом является лазерный отжиг.
Процесс заключается в использовании луча лазера с удельной мощностью равной 500000 Вт/см3. При кратковременном воздействии лазерного луча материал плавиться на очень короткое время затем при перемещении луча зона воздействия лазерного луча кристаллизуется в нормальную кристаллическую решетку. Лазерный отжиг позволяет строго контролировать зону обработки, глубину залегания примеси, а также устранить нарушения кристаллической решетки в объеме пластины. При обработке поверхностей с большой площадью возможна значительная потеря энергии лазерного луча вследствие отражающей способности поверхности. Поэтому стремятся перемещать не луч, а пластину. По этой причине метод лазерного отжига также не совершенен.
Электронно-лучевой отжиг не зависит от оптических характеристик поверхности. Кроме того электронный отжиг позволяет получать пластины с лучшей электронной стабильностью. После электронно-лучевого отжига пластины практически не содержат дефектов. Однако необходимо поддерживать в вакуумной камере давление порядка 0.00001-0.000001мм.рт.ст. Этот тип отжига является самым совершенным из всех.[2]
3. Схема устройства для ионной имплантации
Ионный источник представляет собой вакуумную камеру, в которой поддерживается давление 1,33 10-3 Па. В камере осуществляется ионизация паров легирующей примеси. В качестве ионизируемых используются вещества, содержащие требуемую примесь. Выходящие из источника ионы неоднородны по составу. Для отделения посторонних ионов используется магнитный масс-сепаратор, который отклоняет от основной оси ионы, имеющие другую массу и заряд. Таким образом, ионы с различными массами будут двигаться по различным траекториям. Если в первоначальном пучке кроме ионов основной легирующей примеси присутствовали ионы посторонних примесей, то вследствие сепарирования по массам, происходящего в масс-сепаратор, ионы основной примеси будут собираться в отдельный пучок, в котором присутствие других примесей исключено. Выделенный по массе пучок ионов проходит через диафрагму и направляется в приемную камеру, где располагаются подложки. Сепарирование ионов по массам обеспечивает одно из основных достоинств легирования полупроводников ионным внедрением, а именно исключительно высокую чистоту внедряемой примеси.(рисунок 6) [1]
4. Возможности математического моделирования процесса ионной имплантации
В течении последних лет, прошедших с момента сообщения (конец 70–х годов) о первой высокоэффективной инженерной программе одномерного моделирования технологических процессов изготовления БИС SUPREM II, данный уровень моделирования БИС стремительно развивался. Сегодня уже можно говорить о нескольких поколениях программ технологического моделирования. К первому поколению относятся упоминавшаяся программа SUPREM II, а также большое количество зарубежных и отечественных программ, так или иначе использующих и развивающих основные идеи и модели, заложенные в программе SUPREM II. Основное внимание в этих программах уделялось моделированию процессов ионного легирования, диффузии, окисления и эпитаксии, ответственных за распределение примесей в полупроводниковых структурах, как правило, в одномерном приближении.
Стремительный прогресс в кремниевой технологии в последние 5 – 10 лет инициировал дальнейшее развитие технологического моделирования. Многие из недавно появившихся программ обладают признаками второго поколения.
В ближайшее время можно ожидать появления первых программ с некоторыми признаками третьего поколения, которые будут отражать дальнейшие тенденции в развитии технологии БИС.
4.1 Методы моделирования
Наиболее распространенным методом моделирования процесса ионного легирования является аналитическое приближение реальным, экспериментально определяемым формам распределения внедренных в полупроводник примесей. Суть его заключается в том, что, задавшись априори формой кривой распределения, можно экспериментально определить или рассчитать коэффициенты этого распределения. Преимущество данного метода является простота и наглядность полученного распределения, вычисляемого по аналитической формуле.
Наиболее старым и испытанным описанием профиля внедренной примеси, согласно классической теории ЛШШ (Линхарда – Шарфа – Шиотта), является симметричная гауссиана. Однако уже ранние экспериментальные исследования показали, что данное описание существенно не адекватно экспериментально снятым профилям для большинства ионов как в кремнии, так и в других полупроводниках. Было найдено, что профили большинства внедренных ионов ассиметричны в аморфных и кристаллических мишенях.
Использование результатов классической теории ЛШШ и аналитических аппроксимативных моделей распределения внедренных примесей ранее оказалось в большинстве случаев достаточно удовлетворительным, так как при продолжительном цикле загонки погрешности начального распределения после ионного легирования были незначительными. В современных технологических процессах изготовления нашли применение чрезвычайно короткие циклы термического отжига, а также ионное легирование через один или несколько слоев непосредственно в подложку.