Применение ионного легирования в технологии получения КНИ-структур.

Имплантационный метод (separation by implantation of oxygen – SIMOX) был первым и хорошо отработанным в промышленности методом создания КНИ − структур. Этот метод широко используется рядом фирм США (например, фирмой Ibis Co., US, с использованием ускорителей ионов кислорода O типа NV−200 фирмы Eaton Nova), Японии, Франции. В рамках стандартного SIMOX − метода в настоящее время используются различные варианты процессов имплантации и температурного отжига подложек: separation by implantation of (SIMNI), separation by implantation of oxygen and nitrogen (SIMONI), а также «высокие дозы имплантации» − high dose (HD), «низкодозовая имплантация» − low dose (LD), «высокоинтенсивная ионная имплантация» − high intensive ione implantantation (HIII).

В технологии SIMOX изолирующий барьерный слой формируется при термической обработке пластин кремния, прошедших высокодозную имплантацию ионов кислорода или азота. В процессе последующего высокотемпературного отжига имплантированный кислород (азот) вступает в химическую реакцию с атомами кремния, что приводит к образования скрытого слоя SiO₂ (или Si₃N₄) в обогащенной кислородом (азотом) области на определённой глубине в кремнии. С помощью ионного синтеза реализованы структуры КНИ Si – Si₃N₄ с толщинами слоёв 0,1 и 0,2(0,3) мкм соответственно, плотностью дислокаций в КНИ слое не выше 10⁴ см^-2. Синтезированный диэлектрик выдерживает пробивные поля ≤ 10⁷ В/см.

Для синтеза диэлектрических слоев практически используются только ионы кислорода и азота. Преимущества при использовании имплантации азота в Si состоит в следующем:

1. азот создает гораздо меньше проблем для ионных источников с нагревом катода (нет окисления катода),

2. для формирования Si₃N₄ доза азота может быть меньше, чем кислорода для формирования SiO_2,

3. слои нитрида кремния с резкими границами образуются при относительно низких температурах отжига.

Преимущества при использования кислорода:

1. коэффициент диффузии кислорода в SiO₂ довольно высок, в то время как азот в Si₃N₄ почти не диффундирует. В случае внедрения избыточного кислорода есть возможность диффузии его из максимума распределения в обе стороны к краям захороненного слоя. Внедрение же избыточного азота такую возможность исключает. В результате азот выделяется внутри захороненного слоя в виде газовых микро пузырьков,

2. слой SiO₂ не кристаллизуется и остается аморфным при всех используемых температурах отжига. Нитрид же при термообработке кристаллизуется. Поли-кристаллический захороненный слой диэлектрика потенциально опасен из-за повышенной вероятности утечек и пробоев.

Для формирования окисного слоя в Si на глубине более 0,1 мкм необходимо иметь:

a) энергию ионов кислорода порядка 150…200 кэВ. Уменьшение энергии ионов позволяет снизить дозу имплантации. К настоящему времени имеются сообщения об использовании ионов с энергиями 30…40 кэВ. Толщины слоев кремния и диэлектрика получаются при этом около 50 нм. Достоинством ионов высоких энергий является возможность синтеза глубоко залегающих слоев диэлектрика. Имеются разработки, направленные на реализацию имплантации высокоэнергетических (69 МэВ) ионов кислорода для модификации свойств Si на глубине в несколько десятков мкм, что важно для силовых приборов;

б) дозы имплантации ионов О порядка (1…2) 10¹⁸ см^-2 для формирования слоя SiO₂ и дозы ионов N 7∙10¹⁷ см^-2 для создания изолирующего слоя Si₃N₄. Эти дозы могли быть существенно меньшими, если бы удалось осуществить зарождение и рост диэлектрика в узком слое. Реально же новая фаза зарождается в достаточно широком интервале глубин. При недостаточных дозах возможно образование диэлектрических слоев с включениями кремния, полный сток внедренных атомов (в частности азота) к поверхности при повышении температуры образца;

в) если для синтеза захоронённого слоя диэлектрика используются ионы средних энергий 100…200 кэВ, то достаточно облучаемую пластину подогревать до температуры ≥ 300 °C (обычно 500…550 °С). Для предотвращения амор-физации приборного слоя имплантацию проводят при температуре подложки 400 – 600 °С. В результате создается КНИ − структура, в которой толщина приборного слоя составляет порядка 0,1 мкм, а отделенная слоем изолятора подложка выполняет роль несущей конструкции;

г) плотность ионного тока (j) тесно связана с температурой облучения, поскольку разогрев мишени обеспечивается повышенной плотностью тока ионов О , N . Уменьшение плотности тока нежелательно, так как при этом увеличивается время проведения процесса. Для высоких значений j характерно увеличение температуры облучения (Тоб). Так при плотности ионного тока j = 1,5 мкА/см², Тоб = 550ºС – благоприятно для создания изолирующего слоя SiO₂; при j =3…5 мкА/см², Тоб = 600…900ºС – используется для формирования слоя Si₃ N₄. В целом применение низких j с дополнительным внешним подогревом благоприятно сказывается на формировании структур КНИ как имплан-тированных О , так и N ;

д) после внедрения ионов азота в кремний используются длительные отжиги (6…10 ч) при температурах 1150…1250ºС, а после имплантации кислорода – при 1250…1405ºС (обычно 1300…1350°С) в различных средах: аргоне, азоте, смесях (Ar + O₂), (N₂ + O₂). При этом формируется скрытый слой диэлектрика толщиной 0,2…0, 4 мкм.

Недостатки метода ионной имплантации:

Наиболее важные недостатки и ограничения метода ионного легирования следу-ю щие:

1. весьма жесткие термические и радиационные воздействия на материал, поскольку дозы кислорода, необходимые для формирования скрытого диэлектрика, по меньшей мере в 100 раз больше доз, набираемых в стандартных процессах создания полупроводниковых СБИС. В то же время подогрев подложки в процессе имплантации до температур 400…600°С позволяет отжигать только простые дефекты, но не удаляет много вакансионные комплексы и кластеры, содержащие собственные точечные дефекты и атомы примеси. Так, после традиционных режимов имплантации (Тоб = 400…500ºС) в отсеченном кремнии остаются до 10⁸ …10⁹ см ^-2 дислокаций. Удалось уменьшить количество дислокаций до <10⁴ см ^-2 при использовании Тоб = 600…675ºС и отжига при температуре 1300ºС в течение 6 часов;

2. проблемы реализации трехмерных структур, ограничения по использованию других материалов;

3. для реализации метода требуются дорогостоящие сверхмощные имплантирующие устройства (ток пучка до100 мА), поскольку при использовании стандартных имплантёров с током <100 мкА время набора дозы составляет десятки часов, и специальное термическое оборудование, что служит существенным ограничением метода. Например, компанией Eaton Corp. создан имплантёр NV − 200 (класса 100 мА), стоимостью несколько миллионов долларов США, который позволяет набирать необходимую дозу кислорода при обработке кремниевой платины диаметром 100 мм, примерно за пять минут.

Имплантационный метод находится на пути возможного улучшения и усовер-шенствования, так как процессы радиационного дефектообразования, протекающие при ионном синтезе, и эволюция дефектных систем при последующей термообработке являются вопросами первостепенной важности и оказывают существенное влияние на качество приборного слоя. Например, известно, что пути устранения недостатков метода лежат в правильном подборе j, Тоб и дозы ионов. Перспективным направлением снижения радиационных нагрузок является имплантация кислорода в кремний, поверхность которого защищена пленкой SiO₂. При этом толщина приборного слоя задается как энергией ионов, так и толщиной защитной пленки, что расширяет технические возможности метода. Защитное покрытие также исключает распыление рабочей поверхности, а, значит, позволяет избежать развития микрорельефа в местах выхода дефектов на поверхность.

Для снижения дефектности в приборном слое рекомендовано в процессе набора дозы чередовать имплантацию и отжиг. Так полная доза набирается в 2 или 3 этапа, после каждого из которых следуют длительные отжиги при 1250ºС, что безусловно усложняет технологию.

Дата добавления: 2015-10-24