Диффузия имплантированных примесей

Диффузия имплантированных примесей в процессе высокотемпературного отжига несколько отличается от диффузии в ненарушенных слоях материала подложки. Большое значение при этом имеют разнообразные дефекты, которые могут играть роль стоков для атомов примеси или, наоборот, ускорять процесс диффузии.

Рис. 1. Зависимость концентрации атомов бора от температуры изохорного процесса (35 мин) при энергии ионов бора 70 кэВ и дозе Д=10¹⁵ ион*см^-2

Так при температуре 900° С диффузия имплантированного бора в кремнии протекает со скоростью, соответствующей ускоренному коэффициенту диффузии, определенному для монокристаллического кремния. При температурах более 1000° С «размытие» имплантированного слоя описывается в рамках обычной теории диффузии. Отступление от классической теории диффузии происходит в основном в области температур 700—800° С, когда основную роль играет не температура процесса, а наличие сильнодефектных областей. При первоначальном распределении введенных методом ионной имплантации атомов примеси, согласно функции Гаусса, решение уравнения диффузии при граничных условиях, соответствующих случаю ограниченного источника примеси, имеет следующий вид:

n(x,t) = D_n / [√(2π)√(ΔR_p² + 2Dt)] exp [- (x-R_p)² / 2 (ΔR_p² + 2Dt)]

В качестве примера на рис. 1 показаны профили распределения имплантированной примеси после отжига, в температурном диапазоне 700-1100° С.

Рассеяние ионов примеси на атомах мишени приводит к возникновению определенной концентрации примесных атомов под маскирующей пленкой. Если боковая диффузия по степени проникновения атомов примеси под маску имеет сравнимое значение с диффузией в перпендикулярном поверхности пластины направлении, то боковое рассеяние имплантированных ионов значительно меньше глубины их пробегов в прямом направлении. Тем не менее этот эффект необходимо принимать во внимание при конструировании ИС с мелкими р—n-переходами (менее или равными 0,5 мкм).

Технология маскирования при ионной имплантации

Маскирование или защита участков кристаллических пластин от действия ионного пучка при создании элементов ИС производится пленками окиси кремния SiO; или Si₃N₄, фото-резистами или пленками металлов. Большие дозы имплантации в ряде случаев приводят к изменению физико-химических свойств маскирующих пленок. Так имплантация ионов алюминия в пленку окиси кремния приводит к образованию смешанных оксидов SiO₂—Аl₂O₃, обладающих повышенной химической стойкостью к действию растворителей по сравнению, с чистой окисью кремния.

Применение фоторезистов ограничивает температуру проведения ионной имплантации (не более 100° С). Фоторезист под действием доз более 10¹⁴ ион*см^-2 вследствие частичной полимеризации также становится труднорастворимым. Маскирование пленками металлов требует соблюдения особой осторожности, так как при имплантации возможно занесение атомов маски в полупроводниковые слои. В ряде случаев между слоями полупроводника и металлической маскирующей пленки создают тонкий слой диэлектрика, например окиси кремния.

Во всех перечисленных выше случаях к маскирующим пленкам предъявлен ряд одинаковых требований: они должны быть достаточно толстыми для полного торможения бомбардирующих ионов, иметь низкий коэффициент распыления ионным пучком и хорошо растворяться после облучения.

Гетерирование

Гетерированием называется удаление нежелательных примесей и дефектов из области р—n-перехода. Процесс гетерирования состоит в следующем: высвобождение примесей из химических соединений или разложение протяженных дефектов на составные части, диффузия примесей или составных частей дислокаций к зонам захвата (стокам), поглощение примесей или междоузельных атомов стоком. Под стоками понимают области полупроводника, куда попадают примесные или собственные атомы, которые затем перестают влиять на физические свойства этого полупроводника. Сток обычно связан с нарушением кристаллической решетки, например наличием плоскости сшивания двух монокристаллических блоков.

Диффузия фосфора в ряде случаев является эффективным методом гетерирования меди. Атомы меди в кремнии в основном находятся в междоузлиях, забирая электроны у атомов фосфора они переходят в трижды ионизированное состояние Сu^3- и образуют пары Р⁺Сu^3-. При больших дозах имплантированных ионов (более 10¹⁶ ион*см^-2) последующая термообработка приводит к появлению дислокаций и поликристаллических зон с образованием границ, зерен. Например, внедрение в кремниевую пластину ионов инертных газов приводит к формированию при отжиге пузырьков газа, ограниченных кристаллографическими поверхностями. На этих поверхностях происходит эпитаксиальное наращивание новых слоев, таким образом во время отжига формируется поликристаллическая структура. На границах зерен при этом происходит аффективное гетерирование примесей.

Комментарии запрещены.