Разработка технологии формирования тонких ионно-легированных слоев

Шауцуков А.Г. fShAG07@yandex.ru), Кизилов И.М. Кабардино-Балкарский государственный университет

Введение

Требования по улучшению качества, надежности, быстродействия интегральных схем, расширение их функциональных возможностей определяет необходимость дальнейшего совершенствования технологий формирования тонких ионно-легированных слоев. Задача формирования тонких ионно-легированных слоев также актуальна и при разработке технологий изготовления лавинно-пролетных диодов (ЛПД), СВЧ транзисторов, детекторов ядерных частиц, силовых диодов с барьером Шоттки.

Имплантация мышьяка в какой-то мере может решить проблему создания тонкого сильнолегированного слоя n-типа проводимости. Однако, возможности использования мышьяка при формировании тонких n++ слоев ограничены из-за отсутствия установок ионного легирования, позволяющих создавать ионные пучки с высокой плотностью тока при низкой энергии.

При формировании тонких легированных р примесью слоев проблема частично решается путем имплантации молекул BF2. В работе [1] показано, что имплантация через пленки позволяет формировать в подложке тонкие, легированные ионами, слои различной толщины и с различными уровнями легирования.

Так как в процессе ионного легирования структура приповерхностного слоя подложки нарушается, а также не все внедренные атомы энергетически активны, технология формирования тонких ионно-легированных слоев подразумевает проведение процесса отжига дефектов и активации примеси. В настоящее время разработан ряд методов быстрого отжига. Из них выгодно отличается своими достоинствами фотонный отжиг.

На основании вышеизложенного в данной работе разрабатывалась технология создания тонких ионно-легированных слоев на основе процессов имплантации через пленки и фотонного отжига.

Моделирование процесса ионного легирования тонких слоев

В данной работе ионное легирование тонких слоев осуществлялось путем имплантации легирующей примеси через пленки. Для моделирования такого процесса теория ЛШШ не приемлема. В работе моделирование этого процесса проводилось на основе методики расчета профилей распределения ионов в подложке при бомбардировке структур пленка-подложка, предложенной в работе [1]. Эта методика основана на определении спектра энергий

ионов на границе пленка-подложка и последующего построения и суммирования профилей распределения ионов для каждой выбранной энергии из спектра. При этом, считается, что распределение ионов по глубине подложки может быть оценено с помощью симметричной функции распределения Гаусса.

В свою очередь, распределение ионов по глубине подложки определяется проективным пробегом ионов Rp и среднеквадратичным разбросом проективных пробегов ARp. Расчет этих величин в теории ЛТТТТТТ достаточно сложен. Поэтому для инженерных расчетов целесообразно воспользоваться имеющимися таблицами параметров пространственного распределения ион-но-имплантированной примеси.

С учетом сказанного выше, были разработаны алгоритмы моделирования процесса ионного легирования тонких слоев с заданными параметрами. Разработанная программа позволяет рассчитывать режимы бомбардировки структур пленка-подложка, обеспечивающих формирование в подложке слоя с заданным профилем легирования. Алгоритмы программы предусматривают построение профилей распределения бомбардирующих ионов в подложке для ряда доз и энергий, и сравнение каждого профиля легирования с заданным. Сравнение концентраций внедренной примеси на поверхности и на глубине, равной толщине слоя. На глубине, равной толщине слоя, она должна быть равна исходной концентрации примеси в подложке. При этом при построении профилей легирования параметры распределения внедренной примеси Rp и ARp рассчитываются на основе коэффициентов dRp/dE и

d(ARp)dE, предварительно рассчитанных из табличных значений Rp и ARp

работы [2].

Исходными данными для работы алгоритмов программы для каждого рассматриваемого случая явились: тип бомбардирующих ионов, тип и исходный уровень легирования подложки, тип и толщина пленки, параметры создаваемого легированного слоя (толщина слоя, концентрация внедренной примеси на поверхности подложки), диапазон и шаг изменения энергии и дозы бомбардирующих ионов, коэффициенты dRpjdE и d(ARp )jdE .

Моделирование процесса фотонного отжига ионно-легированных слоев

Разработка процесса фотонного отжига ионно-легированных слоев предполагает разработку оптимальных режимов отжига, обеспечивающих максимальный отжиг радиационных дефектов и максимальную активацию внедренной примеси, а также, оценку степени перераспределения внедренной примеси в процессе отжига.

Согласно экспериментальных данных ряда работ максимальная активация имплантированной примеси и максимальный отжиг дефектов осуществляется при температуре фотонного отжига, равной 1100°С. Таким образом в работе считается, что фотонный отжиг ионно-легированных слоев при тем-

пературе 1100°С позволяет максимально отжигать дефекты и активировать внедренную примесь.

Численный эксперимент

На основе вышеизложенного были разработаны алгоритмы моделирования процесса формирования тонких ионно-легированных слоев. Согласно разработанным алгоритмам на первом этапе моделируется процесс ионного легирования заданных слоев. Затем моделируется процесс фотонного отжига ионно-легированных слоев. Алгоритмы моделирования этого процесса предусматривают [3]: определение плотности потока мощности излучения галогенных ламп, обеспечивающей стационарную температуру пластин кремния 1100°С; расчет средней температуры пластин кремния, соответствующей заданному режиму фотонного отжига и остывания; моделирование коэффициента радиационно-ускоренной диффузии согласно методике, описанной в работе [4]; расчет степени перераспределения внедренной примеси в процессе фотонного отжига (для определения степени перераспределения внедренной примеси рассчитывается профиль ее распределения после отжига, и проводится сравнение его с исходным).

Согласно разработанным алгоритмам был проведен численный эксперимент по моделированию процессов формирования эмиттерных слоев быстродействующих биполярных СБИС, подлегирования приповерхностного слоя канала МДП транзисторов с целью корректировки порогового напряжения.

Исходными данными для проведения численного эксперимента являлись: параметры создаваемых легированных слоев; тип и исходный уровень легирования подложки; тип и толщина пленки; тип бомбардирующих ионов; диапазон и шаг изменения энергии и дозы бомбардирующих ионов; коэффициенты dRvjdE и d(ARp)/dE; стационарная температура подложки, равная

1100°С; время отжига; коэффициент отношения площадей излучения и поглощения, равный двум; приведенная излучательная способность кремниевой пластины и стенок рабочей камеры установки фотонного отжига ИТО-18М , равная 0,65; коэффициенты Rd/Rp и ARd/ARp ; диффузионная длина

дефектов, равная 0,5 мкм; постоянная времени спада для фотонного отжига, равная 4,4 сек.; шаг по пространству и времени.

Результаты численного эксперимента представлены в таблице 1, и на рисунках 1, 2.

Согласно данным, представленным на рисунках, в канале МДП транзисторов атомы бора перераспределяются практически равномерно по всем точкам профиля. Величина перераспределения по порядку величины равна 0,01 мкм. Внедренные в эмиттерный слой атомы фосфора перераспределяются по точкам профиля неравномерно. Так, величина перераспределения на поверхности, в максимуме распределения, и на глубине 0,18 мкм составляет по порядку величины 0,001; 0,005; и 0,01 мкм соответственно.

Таблица 1. Режимы формирования эмиттера и подлегирования канала МДП транзистора.

1. Разработана технология формирования тонких ионно-легированных слоев, включающая имплантацию легирующей примеси через пленки и последующий фотонный отжиг.

2. Разработаны алгоритмы моделирования процесса формирования тонких ионно-легированных слоев путем имплантации легирующей примеси через пленки и фотонного отжига внедренной примеси. Согласно разработанным программам проведен численный эксперимент по моделированию процессов формирования эмиттерных слоев СБИС и под-легирования канала МДП транзисторов.

3. Получены режимы проведения процессов имплантации и отжига, обеспечивающие заданные параметры создаваемых слоев. При этом показано, что в процессе фотонного отжига степень перераспределения внедренной примеси не превышает 0,01 мкм.

Литература

1. Расчет профилей распределения ионов в подложке при бомбардировке многослойных структур. Шауцуков А.Г., Бетуганов М.А. - Физика и химия обработки материалов, Москва АНСССР, 1978, №4, с. 151-153.

2. Буренков А.Ф., Комаров М.А. и др. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. - Минск,

1980.

3. Моделирование процесса фотонного отжига ионно-легированных слоев. Шауцуков А.Г., Кузнецов Г.Д. Электронный журнал Исследовано в России . 2005 г.

4. Моделирование процессов радиационно-стимулированной диффузии в ионно-легированных слоях. Шауцуков А.Г., Загидулин Ю.С. Микросистемная техника, №4, 2004. с. 7-12.