 |
 |
 |
 |
(x) \ | |
Rp± 1,2 ARp | |
Rp±2 ARp | |
Rp±3 ARp | 0,01 |
Rp ± 3,7 ARp | 0,001 |
Rp ± 4,3 ARp | 0,C001 |
Как видно на графике, гауссова кривая распределения имплантированных ионов усечена в точке х = 0.
Имплантируемые ионы размещаются главным образом в междоузлиях кристаллической решетки кремния, причем поверхностный слой, в который производилась имплантация, оказывается сильно нарушенным в результате воздействия высокоэнергетических ионов. Разупорядочение атомов кремния в поверхностном слое часто достигает такой степени, что этот слой из кристаллического становится практически аморфным. Чтобы восстановить упорядоченную кристаллическую структуру поверхностного слоя и дать возможность имплантированным ионам разместиться в вакансиях кристаллической решетки кремния, пластину следует подвергнуть отжигу. Отжиг обычно проводится при повышенной температуре, зачастую порядка 1000 °С, в течение примерно 30 мин.
Существуют и другие методы отжига, например отжиг лазерным или электронным лучом, при котором разогрев и рекристаллизация происходят только в поверхностном слое пластины. Часто за ионным легированием следует обычная диффузия типа «разгонки», и тогда отжиг происходит непосредственно в ходе диффузии.
где X - расстояние от поверхности, кр - проекция длины про-бега, ARp - разброс пробегов (стандартное отклонение проекций длины), Np - максимальная концентрация имплантированных ионов. Профиль распределения имплантированных ионов показан на рис. 1.21. Концентрация иогюв в .максимуме распределения связана с дозой ималантаиии Q соотношением Np == = (3/[(2я)>/2 А/?р] = 0,4 (Q/A/?p). Доза имплантации Q равна числу имплантированных ионов на единицу площади поверхности и выражается в ион/см. Максимум распределения расположен в точке X = Pp. По мере удаления от этой точки в обоих направлениях концентрация ионов быстро падает, как это наглядно показывает следующая таблица значений функции Гаусса!
Ионное легирование - гораздо более дорогостоящий процесс, чем обычная диффузионная загонка, так как он требует больших затрат на оборудованпе и имеет меньшую производительность. Однако он позволяет гораздо точнее контролировать суммарную плотность введенной в пластину легирующей примеси Q, а следовательно, и поверхностное сопротивление. Кроме того, метод ионного легирования дает возможность вводить очень малые дозы t10h0b Q «10" см~) и, значит, получать очень высокие значения поверхностного сопротивления (>1000 Ом/квадрат). Слои с таким высоким поверхностным сопротивлением служат для создания резисторов больших номиналов (>50 кОм), входящих в состав ИС. Очень малые дозы и низкие энергии ионов используются также для подгонки порогового напряжения МОП-транзисторов и для других целей.
Чтобы имплантация ионов происходила только на определенных участках поверхности пластины кремния, эта поверхность должна быть покрыта маскирующим слоем. При имплантации ионов сравнительно низких энергий (меньше 100 кэВ) в качестве маскирующих материалов обычно используются SiOg, SiNi и фоторезист. Относительная тормозная способность этих материалов по сравнению с кремнием при имплантации бора и фосфора составляет соответственно 1,25, 1,62 и 0,75. При более высоких энергиях ионов можно использовать тонкие пленки тяжелых металлов - золота, платины, вольфрама, тантала, - нанося их поверх слоя SiOj. Относительная тормозная способность указанных материалов при имплантации ионов бора или фосфора с энергией 1000 кэВ лежит в пределах от 2 до 4.
Покажем, как выбирается маскирующее покрытие, на примере имплантации ионов бора с энергией 100 кэВ в пластину кремния. В этом случае проекц[1я длины пробега составляет 0,30 мкм, а разброс Ai?p = 0,062 мкм. Глубина, на которой концентрация имплантированных ионов составляет менее 0,1 % максимальной концентрации, определяется как х = /чр + 3,7A7?jj = 0,30 мкм + -f 3,7 X 0,062 мкм = 0,53 мкм. Чтобы концентрация имплантированных ионов в закрытом маской кремнии ие превышала 0,1 % максимальной концентрации, толщина маскирующего слоя долл<на быть равна 0,53 мкм/(Тормозная способность). Если маской служит слой SiOj, как это часто бывает на практике, его толщина должна составлять 0,53 мкм/1,25 = 0,424 мкм = 424 нм. Оксидный слой такой толщины легко получить методом термического окисления.
1.4. Окисление
Как только чистая поверхность кремния оказывается в воздушной среде, на ней почти мгновенно образуется очень тонкий оксидный слой в результате реакции Si + Oj -> SiOg. Этот тон-
40 Глава 1
КИЙ оксидный слой называют собственным окислом, и толщина его составляет всего 2-3 нм. Чтобы происходил процесс окисления, атомы кремния и кислорода должны реагировать между собой. Формирующийся в результате слой SiOj представляет собой плотную, непрерывную защитную пленку, которая закрывает поверхность кремния и, следовательно, препятствует дальнейшему окислению. Следовательно, окисление представляет собой самоограпичнвающнйся процесс.
Слои диоксида кремния (ЗЮг) используются в основном для двух целей:
1. В качестве маски при диффузии или имплантации, для получения диффузионных или ионно-легирова!П1ых областей определенной конфигурации.
2. В качестве защитного, или пассивирующего, слоя на поверхности полупроводниковых приборов. Слои, предназначенные для таких целей, должны иметь толщину 500-1000 нм. Чтобы получить оксидные слои такой толщины, используется процесс термического окисления.
Кремниевые пластины устанавливаются вертикально в кварцевую лодочку, которая затем помещается в кварцевую трубу, находящуюся внутри трубчатой печи. По своей конструкции эта печь аналогична описанной выше печи для диффузии. Пластины нагреваются до высокой температуры, обычно до 950-1150 С, и одновременно подвергаются воздействию газа, содержащего Oj или НаО или и то и другое. Однако основную часть газового потока в кварцевой трубе образует Nj, который служит газом-носителем.
Скорость диффузии О2 и HjO в Si экспоненциально увеличивается с температурой, так что при столь высоких температурах эти окислители диффундируют через оксидный слой достаточно быстро, позволяя получить требуемую толщину окисла за приемлемый период времени. Об этом свидетельствуют графики, приведенные на рис. 1.22. В процессе окисления у поверхности кремния протекают следующие химические реакции:
для О2: Si + О2 -> SiOj, (1.16)
для Н2О: Si + 2Н2О -> SiOa 4- 2Н2. (1.17)
Этот процесс называется термическим окислением, так как интенсивный рост окисла достигается здесь благодаря высокотемпературному нагреву.
На первой стадии окисления скорость роста окисла ограничивается скоростью протекания химической реакции. Когда толщина окисла достигает 10-30 нм, скорость его дальнейшего роста ограничивается главным образом скоростью диффузии окислителя (О2 или Н2О) через оксидный слой (рис. 1.23). Скорость диф-
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 [ 11 ] 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193