Быстродействующие биполярные структуры, выполненные с применением ионного легирования

Существенного улучшения параметров интегральных структур и их воспроизводимости удается достичь применением ионного легирования. Ионное легирование позволяет формировать как базовые, так и эмиттерные слои (для быстродействующих транзисторов целесообразно использование эмиттера из мышьяка). Ионное легирование эмиттера мышьяком обеспечивает приемлемую воспроизводимость концентрации примеси и профиля легирования. Ионное легирование бора в область базы позволяет получить необходимый профиль легирования базы, при котором предотвращается инверсия на поверхности, снижается боковая инжекция из эмиттера и уменьшается сопротивление базы.

Применение ионного легирования для формирования базовых и эмиттерных областей дает возможность повысить быстродействие основного ЭСЛ-элемента более чем на 25%.

Применение ионно-легированных сверхбыстродействующих транзисторов с комбинированной изоляцией обеспечивает возможность создания ИС с временем выборки менее 15 не при рассеиваемой мощности около 400 мВт (рис. 7.1).

Рисунок 7.1 Структура транзистора с ионно-легированными базой и эмиттером и комбинированной изоляцией

Ионная имплантация

Использование лонных пучков в микроэлектронике стремительно возросло за последние 15 лет. До этого в течение многих лет пучки ионов использовались во многих научных экспериментах. Позднее они начали применяться для практических целей и даже в производственных процессах, таких как ионное осаждение и травление при изготовлении полупроводниковых приборов, высококачественная полировка поверхности и ионное легирование полупроводниковых материалов.

Масса иона в 10³-10⁵ раз больше массы электрона, поэтому при данной энергии ион имеет импульс, в 10²-10⁴ раз превышающий импульс электрона. В результате этого при взаимодействии ионов с кристаллической решеткой получаются количественно иные результаты.

Ион сохраняет большинство химических свойств исходного атома. После внедрения в решетку он мотет нейтрализоваться или сохранить заряд, но его химические свойства останутся такими же, как и у атома, введенного в решетку диффузией, вплавлением или эпитаксиальным наращиванием. Таким образом, ионная имплантация может использоваться для легирования полупроводников. Кроме того, т.к. ион имеет электрический заряд, то пучок ионов может быть ускорен до любой требуемой скорости, сфокусирован и отклонен приложенным напряжением, что позволяет легировать чрезвычайно малые объемы материала в строго определенном месте.

Ионная имплантация имеет ряд преимуществ по сравнению с диффузией, наиболее важными из которых являются следующие:

1. Уровень легирования может контролироваться с большой точностью, т.к. измерение падающего потока ионов выполняется с такой же погрешностью, как и измерение тока.

2. Равномерность легирования по поверхности может контролироваться очень тщательно.

3. Профиль распределения примесей по глубине может регулироваться выбором энергии падающих ионов.

4. Имплантация - низкотемпературный процесс. Эта характеристика не является принципиально важной для кремния, но некоторые сложные полупроводниковые соединения нестабильны при высокой температуре.

5. Экстремальная чистота легирующей примеси может быть гарантирована путем анализа по массам частиц в ионном пучке.

6. Частицы влетают в твердое тело по направлению движения пучка, и вследствие его малого бокового расширения возможно изготовление быстродействующих приборов с очень малыми размерами.

7. Возможно, внедрение легирующей примеси, которая не растворяется и не может диффундировать в данном материале.

Все эти преимущества позволяют изготавливать схемы с идентичными характеристиками на пластинах больших размеров. Кроме того, точный контроль уровня легирования делает возможным создание приборов, изготовление которых другими способами затруднено или вообще невозможно. Наиболее широкое применение имплантации началось с изготовления МОП-приборов с пороговым напряжением менее 1,5 В. Использование для этих целей традиционного процесса диффузии затруднено, т.к. допустимый уровень легирования в приборах с пороговым напряжением 1,5 В настолько мал, что выходит за рамки возможностей диффузионной технологии. Ионная имплантация существенно упросила технологический процесс и позволила начать широкое производство настольных калькуляторов и ручных часов, работающих от стандартных батареек с напряжением 1,5 В. Недостатки ионной имплантации по сравнению с диффузией заключаются в необходимости использования более дорогого и сложного оборудования,появлении структурных нарушений кристалла.

Качественные характеристики ионной имплантации

Процесс ионной имплантации заключается в ионизации и ускорении до больших скоростей атомов элемента, используемого в качестве имплантируемой примеси. Ускоренные атомы внедряются в решетку подложки под действием своей кинетической энергии. После торможения и установления равновесного состояния атом может занять такое положение в решетке, при котором он изменяет электронные свойства кристалла, т.е. выполняет роль легирующей примеси. На свойства кристалла влияют также дефекты решетки, возникающие при торможении ионов.

Некоторые ионы хорошо коллимированного пучка, попадая на кристалл вдоль каналов (определенных кристаллографических направлений, в которых имеются открытые междоузельные пространства между регулярными атомами решетки), могут до остановки глубоко внедряться (каналировать) в кристалл, где они занимают места в междоузлиях или становятся атомами замещения. Число направлений, в которых возможно каналирование ионов, ограничено. При ориентации кристалла в направлении, не совпадающем с осью канала, атомы решетки в первом приближении ориентированы беспорядочно, как в плотном атомном газе. Однако даже при внедрении ионов в деканалирующем направлении полностью предотвратить эффект каналирования нельзя.

Глубина проникновения и распределения ионов после имплантации зависят от энергии ионов, типа кристалла и примеси, а также от угла влета ионного пучка относительно кристаллографической оси. Все эти параметры слабо зависят от температуры кристалла. Различают два основных механизма взаимодействия ионов с решеткой, в результате которых получаются различные глубины проникновения и распределения плотности ионов по глубине. Мишень, в которую внедряются иона, можно рассматривать как аморфную или кристаллическую. Отклонение траектории иона от любой кристаллографической оси влечет за собой увеличение числа столкновений, что препятствует продвижению иона в глубь кристалла и приводит к тому, что результирующий профиль распределения примеси по глубине описывается функцией Гаусса. Этот случай иллюстрируется на рис. 7.2, где показано «аморфное» распределение вблизи поверхности.

Рисунок 7.2 Эффект каналирования ионов в кремниевом кристалле вдоль главной кристаллографической оси или плоскости

Если при малых дозах траектория ионов точно соответствует направлению каналирования, то ионы могут проникать глубоко в кристалл, останавливаясь на конце длины пробега. Результирующий профиль также показан на рис. 2 кривой «пик каналирования» (часть ионов покидает канал по пути каналирования). Профиль, соответствующий каналированию, не может быть получен при больших уровнях доз, т.к. ускоренные ионы, ударяясь о поверхность, замешают атомы кристалла и тем самым создают почти аморфную структуру в приповерхностной области. Хотя доза ионов, требуемая для образования аморфного слоя, зависит от типа ионов и кристалла, обычно эта величина составляет 10¹⁴ ион/см² или более. Естественно, что при больших уровнях доз распределения имплантированной примеси всегда близко к распределению Гаусса. Типовые характеристики установок для ионной имплантации: легирующая примесь P, As, Sb, B; доза 10¹¹-10¹⁶ см^-2; энергия 10-400 кэВ; глубина проникновения примеси 0,1-0,5 мкм; воспроизводимость и однородность ±3%;температура комнатная; ток ионов 50 мкА.

Вычисление пробега. Теория Линхарда, Шарфа и Шиотта (ЛШШ)

Обычно рассматриваются два механизма потери энергии при прохождении ионом кристалла: взаимодействие иона с электронами и столкновение иона с ядрами решетки твердого тела. Поэтому полная потеря энергии записывается в виде суммы

-(dE/dz)=N[S_n(E)+S_e(E)] (7.15)

где dE/dz - средняя скорость потери энергии на единицу расстояния вдоль траектории (эВ/см), Е - энергия иона в точке z(эВ), S_n(E) -тормозная способность ядер (эВ.см²), S_e(Е) - тормозная способность электронов (эВ.см²), N - плотность атомов мишени, равная 5х10²²см^-3для Si. Полное расстояние, на которое ион проникает в кристалл, называется пробегом (R); проекция этого расстояния на направление первоначальной траектории носит название проекции пробега (R_p). Пространственное распределение ионов в кристалле соответствует распределению пробегов.

Если функции S_n(E) и S_e(Е) известны, то полный пробег вычисляется по формуле

(7.16)

где R - средняя величина полного пробега. Очевидно, что полный пробег характеризуется продольным распределением в направлении первоначальной траектории (DR_p) относительно проекции пробега R_p и поперечным распределением (DR_т) относительно поперечного пробега Rт. Вид распределения зависит от соотношения масс иона М₁ и атома мишени М₂.Относительный разброс DR_p/R_p зависит от отношения М₁ и М₂. Для легких ионов, таких как бор, отношение DR_p/R_p, велико, а для тяжелых ионов (As и Sb) мало.

Приближенные вычисления

Выражение для тормозной способности ядер имеет вид

(7.17)

где z₁ - атомный номер иона, М₁ - масса иона, z₂ - атомный номер подложки (14 для Si), М₂ - масса атома подложки (28 для Si)

и

Величина S_n не зависит от энергии иона Е.

Тормозная способность электронов аппроксимируется выражением

S_e(E)=kE^1/2 (7.18)

Коэффициент k зависит от свойств иона и подложки

(7.19)

где

- диэлектрическая проницаемость вакуума, 8,85х10^-14Ф/см;

а - боровский радиус Si, 0,529х10^{-8 см,} q=1,602х10^-19Кл. Для аморфного кремния коэффициент k не зависит от типа ионов, и соотношение (7.19) упрощается:

k=0,2х10^-15, эВ^1/2×см².

Заметим, что S_n в (7.17) не зависит от энергии E, а S_e увеличивается с ростом Е. При некоторой энергии Е_c, называемой критической, тормозные способности электронов и ядер совпадают:

Так как, то

(7.20)

Для аморфного кремния критическая энергия равна

Е_с»10 кэВ для В (z=5, M=10),

Е_с»200 кэВ для P (z=15, M=30),

Е_с>500 кэВ дляAs и Sb.

Ионы бора тормозятся в основном за счет взаимодействия с электронами, а ионы Р, As и Sb - за счет столкновения с ядрами, Если Е<Е_С, то dE/dz=NS_n из выражения (7.16) следует

(7.2I)

Выражение (7.21) справедливо для ионов As и Sb, а иногда и для ионов Р. Если Е>Е_С, то dE/dz=NkЕ^1/2

, нм (7.22)

При отсутствии каналирования соотношение (7.22) применимо к бору. В общем случае, когда используемые выше предельные приближения неприменимы.

Проекция пробега

С точки зрения практического использования наиболее важное значение имеет не полный пробег R, а проекция пробега R_р. Можно показать, что

R/R_p=1+b(M₂/M₁) (7.24)

где b»1/3 для торможения на ядрах, т.е. для As и Sb , когда М₁>М₂.

В случае торможения на электронах (В, иногда Р) коэффициент b меньше, однако множитель 1/3 в первом приближении остается в силе. Рассмотрим, например, As:М=75, поэтому R/R_p=1,12. Для других комбинаций масс и энергий проекцию пробега можно вычислить, используя значения R_p/R приведенные в таблице 7.1.

Таблица 7.1 Отношение проекции пробега к полной величине пробега

Изменение концентрации легирующей примеси в пластине в зависимости от глубины показано на рис. 7.3, где

R_p=R/(1+bM₂/M₁)

Среднеквадратичное отклонение равно

где N_max»N_d/2,5DR_p, N_d - число имплантированных атомов на квадратный сантиметр.

Концентрация ионов N(z) имеет нормальное распределение относительно R_p, поэтому

уменьшаясь на порядок при

z=R_p±2DR_p [N(z)=10^-1N_max]

на два порядка при

z=R_p±3DR_p [N(z)=10^-2N_max]

Рисунок 7.3 Определение основных величин распределения Гаусса для имплантированных ионов.

Таблица 7.2 Проекция пробега и среднее квадратичное отклонение проекции пробега для различных ионов кремния (значения величин в нанометрах)

Дата добавления: 2014-08-09; просмотров: 766; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!