Оборудование ионной имплантации (лекция 12)

1.

Лекция 12
Оборудование ионной имплантации
1

2.

СОДЕРЖАНИЕ
1. Методы и стадии процесса ионной имплантации
2. Требования к установкам ионной имплантации
3. Основные системы и узлы установки
4. Системы контроля параметров пучка
2

3.

Методы легирования
Легирование – внедрение примесных атомов в материал
Для создания p-n переходов в полупроводнике (Si)
используют доноры (P+, As+ - для n-типа проводимости) и
акцепторы (B+ - для р-типа)
1. Термическая диффузия
2. Ионное легирование
3. Нейтронно-трансмутационное легирование (НТЛ)
НТЛ проводится на АЭС (ленинградская АЭС в 2004 г.)
протоны → 30Si (изотоп) → 31Si (радиоактивный) → (распад) 31Р
Легируются слитки кремния до диаметра 85 мм
3

4.

Методы процесса ионного легирования
Методы легирования полупроводниковых материалов:
Легирование через маску (например, SiO2)
Метод «разгонки» (Ei ≤ 200 кэВ)
Метод «загонки» (легирование, модификация)
Ионы импланта
Ионы аргона
SiO2
Si
а)
б)
Методы легирования:
Рис. 3.1. – Методы легирования: легирование через маску (а),
легирование
через маску (а); метод загонки (б).
метод «загонки» (б).
4

5.

Методы легирования
Основные параметры легирования кремния:
энергия ионов (до 500 эВ)
доза внедрения (1013 – 1015 ион/см2)
плотность ионного тока (от 10 нА/см2 до 10 мА/см2)
Профили распределения бора
от энергии при постоянной дозе
Распределение ионов при
низких (а) и высоких (б) энергиях
5

6.

Стадии процесса ионной имплантации
1.
Ионизация вещества примеси и формирование
потока ионов с требуемой плотностью и
равномерного по сечению
2.
Выделение из ионизированного вещества ионов
заданной массы
3.
Ускорение ионов до энергии, необходимой для
внедрения на заданную глубину
4.
Направление потока ионов на поверхность
подложки или в заданную область поверхности
подложки
6

7.

Требования к установкам ионной имплантации
Обеспечение заданного диапазона доз имплантации с
воспроизводимостью дозы имплантации 98…99 %
Воспроизводимое регулирование интенсивности
ионного пучка в широком диапазоне доз
Малый разброс по энергиям в пучке (до 0,05%)
Возможность плавного регулирования энергии ионов
Высокая степень чистоты ионного пучка за счет
высокой разрешающей способности сепаратора
Высокая производительность установки
Максимально возможная степень автоматизации,
снижение «человеческого фактора»
7

8.

Факторы, влияющие на параметры процесса
Интенсивность
пучка ионов
.
Однородность и
воспроизводимость
дозы имплантации
Однородность
имплантации по
пластине
Плотность плазмы в
ионном источнике
Разрешающая способность сепаратора
Нейтралы
перезарядки
Коэффициент
использования
рабочего вещества
Стабильность
энергии ионов
Флуктуации пучка
.
Давление газа в
ионопроводе
Содержание в пучке
одно- и многозарядных ионов
Нестабильности
ионного пучка
Стабильность
тока ионов
Точность измерения
дозы
Вакуумные условия
Аберрации в ИОС
Нестабильности
источников питания
Угол падения пучка
Наклон пластин
сканирования
Аберрации в системах
формирования и
сканирования пучка
Несимметричность
амплитуды напряжения сканирования
8

9.

Возможности современных
установок ионной имплантации
Точность и воспроизводимость внедрения примеси за счет
контроля ионного тока пучка и времени облучения
Получение высокой точности глубины заполнения перехода
(до 20 нм)
Проведение процесса за несколько минут при групповой
загрузке установки
Создание практически любых профилей распределения
за счет ступенчатого легирования
Формирование скрытых легирующих слоев
9

10.

Структурная схема
установки ионной имплантации
Технологический комплекс, включающий:
ИИ
ВС
ФС
ЮС
С
СУ
ОС
РК
14.2. - Структурная
схема
ионной имплантации.
ИИРис.
– ионный
источник;
ВСустановки
– вытягивающая
система;
ФС – фокусирующая система; ЮС – юстирующая система;
С – сепаратор; СУ – система ускорения; ОС – отклоняющая
система; РК – рабочая камера.
10

11.

Системы формирования ионного пучка
1
2
3
4
U1
U2
U3
Схема формирования
ионного пучка: 1 – ИИ;
2 – вытягивающий электрод;
3 – промежуточный электрод;
4 – ускоряющий электрод
Схемы электростатических линз
с цилиндрическими электродами:
двухэлектродные (а), трехэлектродные (б)
11

12.

Блок систем вытягивания,
фокусировки и ускорения ионов
1 - плазма ионного источника; 2 – вытягивающий электрод;
Рис. 14.14. -электрод;
Система вытягивания,
3 – ускоряющий
4 - одиночнаяфокусировки
электростатическая
ускорения ионов.
линза; 5 – система ипослеускорения
12

13.

Требования к ионным источникам
Создание однородного высокоинтенсивного ионного
пучка со стабильными во времени параметрами
Формирование ионного пучка заданной формы и
размеров
Ионизация как газообразных (BF3, BCl3, AsCl3, AsF3,
PCl3, O2, N2 и др.) так и твердых (B, As, Sb, Al и др.)
диффузантов
Значительное время наработки на отказ
13

14.

Конструктивные схемы ИИ
а)
д)
в)
б)
е)
ж)
г)
з)
ИИ Кауфмана с горячим катодом (а), ИИ Пеннинга с горячим катодом
(б), щелевой ИИ Морозова (в), ВЧ ИИ (г), ИИ Пеннинга с холодными
катодами (д), дуаплазмотрон (е), ИИ на базе дуаплазмотрона с
камерой постионизации (ж), ИИ типа «Калютрон» (з)
1 – корпус; 2 – катод; 3 – анод; 4 – вытягивающая система; 5 – магнитная система;
6 – антикатод; 7 – нагреватель катода; 8–индуктор; 9–промежуточный электрод;
10 – нагреватель; 11 –вспомогательная магнитная система; 12 – камера постионизации; 13 – испарительная камера
14

15.

Сепараторы
Сепараторы – устройства для
выделения
ионов нужного вещества:
магнитные
сепараторы
–
используют
отклонение ионов заданной массы сильным
однородным поперечным магнитным полем;
электромагнитные фильтры - используют
скрещенные ортогональные магнитное и
электрическое поля
15

16.

Магнитный сепаратор
1 - магнитопровод
2 - магниты
3 – полюсные наконечники
4 - вакуумная камера
(ионопровод)
Измерительное уравнение:
(m/q) = r02 B2 / 2Uуск
1
ψ
r
0
4
«Лада-30»:
3
Угол сектора 600; r = 400 мм;
Uвыт= 40 кВ; В = 0,8 Т;
Iэм= 2-100 А; диапазон масс
б)
1 - 120 а.е.м.
16
Рис. 14.6. – Магнитная сепарация ионных пучков: схе

17.

Фильтр Вина
Настройка фильтра:
выбор при заданной В величины
Е, соответствующей выделяемому
отношению заданной массы иона к
его заряду m/q
Принцип работы:
На ионы действуют две силы (со
стороны Е и В ), противоположно
направленные. Если эти силы
уравновешиваются, пролетающий
ион продолжает прямолинейное
движение вдоль оси устройства
Измерительное уравнение:
(m/q) = Uуск(B / Е)2
17

18.

Схема формирования пучка
с фильтром Вина
1 – ионный пучок; 2 – коллиматоры; 3 – электромагнитный фильтр; 4 – магнит;
5 – электроды; 6 – отсепарированный пучок ионов; 7 – отклоняющие пластины;
8 – пучок нейтральных частиц; 9 – система сканирования пучка; 10 – подложкодержатель; 11 – пробник для контроля тока пучка
18

19.

Механическое сканирование
n = 500…2000 об/мин
vx = k Ii / lк
а)
k – коэффициент,
пропорциональный
дозе легирования;
Ii – ионный ток;
lк – расстояние
ионного пучка от
центра диска
б)
Дисковый (а) и цилиндрический (б)
сканирующие подложкодержатели
19

20.

Контроль параметров пучка
Измеряемые параметры:
Общий ток пучка (10-8–10-1 А)
Распределения плотности тока по сечению пучка
Диаметр пучка
Полная доза ионов, внедренных в материал (Q = ji t)
(1012-1017 ионов/см2)
Измерительные приборы:
Калориметры
Цилиндры Фарадея
Кулонометры
Измерительная щель известной ширины
20

21.

Схема контроля параметров пучка
Рис. 3.16. – Схема контроля параметров ионного пучка и
1 –процессов,
диафрагма;
2 - отраженные
ионы;
3 - Оже-электроны; 4 - рабочая
измерений.
на точность
влияющих
площадь зонда; 5 - измеритель ионного тока; 6 – зонд; 7 - вторичная
1 – диафрагма; 2 – отраженные ионы; 3 – Оже-электроны; 4 – рабочая
эмиссия
электронов; 8 - распыленные атомы; 9 - задержанный ионный
площадь зонда; 5 – измеритель ионного тока; 6 – зонд; 7 – вторичная
поток; 10 - ионный пучок.
эмиссия электронов; 8 – распыленные атомы; 9 – задержанный ионный
поток; 10 – ионный пучок.
21

22.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
22