Ионное легирование (ионная имплантация) – это внедрение ионов примеси внутрь твердого тела мишени. Он позволяет вводить в различные мишени (металлические, полупроводниковые, диэлектрические) ионы различных элементов, и получать требуемые значения и заданные распределения концентрации примеси. Сравнительно низкая температура обработки мишени, достаточно точный контроль глубины и профиля распределения примеси, гибкость и универсальность, возможность автоматизации процесса способствуют расширению применения технологии ионной имплантации в различных областях современного производства.
Преимущества ионного легирования
1) универсальность метода, возможность вводить атомы любого элемента в любое твердое тело, когда обычные способы легирования непригодны или затруднены.
2) Низкая температура, при которой осуществляется процесс: мишень находится практически при 200С, а отжиг, необходимый для устранения возникающих при облучении радиационных эффектов, может проводиться при относительно низких (600-9000С) температурах, когда диффузионные процессы в кристаллах замедлены и электрические параметры исходного материала благодаря этому остаются практически неизменными.
3) Гибкость технологии, позволяющая управлять распределением примеси сразу в трех измерениях, проводя локальное легирование через диэлектрическую или металлургическую маску. При этом профиль распределения примеси регулируется энергией ионов, а дозировка концентрации обеспечивается точным контролем плотности ионного тока и временем облучения.
4) Высокая экологическая чистота процесса, поскольку он проводится в высоком вакууме при строгом контроле за всеми параметрами в течение нужного времени, которое варьируется от нескольких секунд до нескольких минут. Все это обеспечивает возможность полной автоматизации процесса внедрения, достижения высокой производительности и воспроизводимости характеристик легированных слоев, близких к 100%.
НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Ионная имплантация в микроэлектронике получила широкое применение. При производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем она позволила не только снизить себестоимость, повысить эффективность изделий микроэлектроники, но и создать новые приборы. Основным технологическим процессом полупроводниковой электроники долгое время являлась контролируемая диффузия легирующих элементов в полупроводниковых кристаллах. Атомы легирующих примесей при этом обычно располагаются в узлах кристаллической решетки и этим определяют электрические свойства прибора. Их концентрация не может повышать равновесной растворимости при температуре 900-1100*С, а распределение по глубине можно вычислить , зная коэффициент диффузии и время процесса . Важным преимуществом ионной имплантации перед диффузией при высокой температуре является то, что содержание введенных атомов примеси в основном определяется не физическими свойствами подложки, а внешней системой, обеспечивающей соответствующие параметры пучка ионов. Например, легирующую примесь можно вводить при пониженной температуре, при которой обычная диффузия невозможна. Концентрация вводимой примеси может существенно превышать предельную растворимость при данной температуре, что невозможно при диффузии. Выбор легирующих элементов также значительно шире. Главные факторы, от которых зависит эффективность практического применения ионной имплантации, - распределение пробегов внедренных атомов, степень и характер разупорядочения решетки, создаваемого при внедрении, локализация внедренных атомов в кристаллической решетке и (в конечном счете) электрические характеристики областей, сформированных в результате ионного внедрения и последующего отжига. В микроэлектронике подавляющее большинство полупроводниковых приборов и ИС создается на основе кремния. Другим материалом, получающим все большее применение, является арсенид галлия. Первым промышленным применением ионного легирования была разработка транзистора со структурой металл — диэлектрик - полупроводник (МДП). И до настоящего времени ИС на МДП - транзисторах, в том числе на комплементарных (дополняющих) транзисторах ( КМДП), являются изделиями, в производстве которых ионная имплантация остается основным процессом. С увеличением степени интеграции рабочей частоты полупроводниковых приборов и схем уменьшаются как горизонтальные, так и вертикальные размеры отдельных элементов, из которых состоит схема. Например, толщины базы и эмиттера в активной области биполярного транзистора могут быть порядка 0,1 мкм. Получить столь тонкие слои в заданном количестве и нужным распределением примеси можно сейчас только с помощью ионной имплантации. При этом следует точно выдерживать геометрические размеры легируемой области, которые не превышают 1—2 мкм. Для формирования с высокой точностью различных областей биполярных и МДП-транзисторов к процессу легирования предъявляются высокие требования, которые может удовлетворить только ионное внедрение. Технологические приемы полупроводникового производства, основанные на использовании ионной имплантации, можно разделить на три основные группы: синтез материалов, получение легированных областей и контролируемое введение радиационных дефектов.
