Ионная и фотонная обработка материалов

УДК 621.9.048.7(075.8)
ББК 34.55я73
 
К63

Р е ц е н з е н т ы: кафедра микро- и наноэлектроники учреждения образова
ния «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (заведующий кафедрой доктор физико-математических наук, профессор 
В.Е. Борисенко); главный специалист отдела организации исследований и 
исполь зования результатов Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (куратор секции технических наук) кандидат физикоматематических наук Т.В. Шёлковая

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее 

части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

ISBN 978-985-06-3395-8 
© Комаров Ф.Ф., Константинов С.В., 2022 

 
©  Оформление. УП «Издательство “Вышэй
шая школа”», 2022

Глава 1

ОСОБЕННОСТИ И ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДА 

ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ

Метод ионной имплантации основан на внедрении (импланта
ции) в твердое тело ускоренных в электростатическом поле ионизированных атомов и молекул. При этом возможны любые комбинации «ион – мишень». Энергия ионов может изменяться от нескольких сотен электронвольт до гигаэлектронвольт (т.е. миллиардов 
электронвольт). Глубина внедрения ионов зависит от энергии, массы 
ионов и атомов твердого тела, а также от плотности материала мишени. Так, средний пробег ионов фосфора с энергией 10 кэВ в кремнии составляет примерно 14 нм, а ионов бора с энергией 1 МэВ – 
около 1756 нм. Ионная бомбардировка позволяет изменять практически все свойства приповерхностной области твердого тела: электрофизические, механические (прочность, твердость, коэффициент 
трения, износостойкость), коррозионные, каталитические, оптические, эмиссионные.

В настоящее время ионная имплантация стала одним из основ
ных методов введения примесей в полупроводниковые кристаллы. 
Ранее самыми распространенными способами были эпитаксия (введение примесей в процессе выращивания кристалла), диффузия и 
сплавление. Эпитаксия позволяет наращивать на исходный кристалл слои с заданной концентрацией примесей. Диффузионный 
метод основан на диффузии примесных атомов с поверхностного 
слоя в полупроводник. Наконец, при сплавлении прилегающий к 
поверхности слой полупроводника расплавляют и в процессе последующей рекристаллизации (затвердевания) обога щают примесными атомами.

В отличие от этих способов введения примеси в кристаллы метод 

ионной имплантации не зависит прежде всего от пределов химической растворимости, а также от температуры в процессе имплантации и концентрации материала примеси на поверхности полу проводника. Так как имплантация – процесс термодинамически не равновесный, с его помощью можно создавать соединения и сплавы, 
которые принципиально нельзя получать традиционными методами, 

а также достигать концентраций внедренной примеси, существенно 
превышающих предел растворимости данной примеси в веществе 
мишени. Естественно, что при благоприятных условиях внедренные 
атомы также могут вступать в химические связи с атомами твердого 
тела. Это возможно как в процессе облучения, так и при последующей технологической обработке.

Концентрация внедренных атомов примеси имеет некоторое рас
пределение по глубине, которое в общем случае приближенно можно описать гауссовым (нормальным) распределением со средним 
проецированным пробегом Rp и стандартным отклонением ΔRр.

Метод ионной имплантации имеет ряд преимуществ, важных как 

с технологической точки зрения, так и с точки зрения проектирования и создания новых типов электронных приборов и интегральных 
схем (ИС):

y
y сокращение длительности процесса введения примеси в 102–104 раз, 

однородность распределения по поверхности и воспроизводимость 
параметров;

y
y возможность точного контроля количества вводимых атомов 

примеси простым интегрированием тока ионов на мишень, что особенно важно при низких концентрациях (например, сдвиг порогового напряжения в МОП-транзисторах);

y
y высокая чистота процесса, поскольку в ускорителях ионы раз
деляются по массам с помощью масс-сепараторов;

y
y низкая температура процесса;
y
y простота методов маскирования участков на поверхности кри
сталла, которые следует или не следует легировать, путем применения толстых оксидных, нитридных, металлических или фоторезистивных слоев;

y
y возможность легирования через тонкие пассивирующие слои 

(например, SiO2 или Si3N4);

y
y малая глубина внедрения ионов (обычно менее нескольких 

микрон, а иногда до десятков и единиц нанометров), что дает возможность легирования тонких приповерхностных слоев с очень крутым градиентом концентрации примеси (например, для СБИС с 
субмикронными или нанометровыми размерами элементов, лавинно-пролетных диодов и др.);

y
y возможность создания профиля распределения имплантиро
ванных атомов любой заданной формы с помощью многоступенчатой имплантации посредством изменения ускоряющего напряжения 
(полиэнергетическая имплантация); 

y
y возможность изготовления особо миниатюрных приборов (суб
микронная и нанометровая технология), обладающих низкими паразитными емкостями, благодаря незначительному боковому рассеянию.

К достоинствам метода следует отнести также универсальность, 

легкость управления ионными пучками с помощью ЭВМ, т.е. возможность полной автоматизации, а также, как отмечалось, возможность создания неравновесных метастабильных систем, совместимость с процессами планарной технологии.

В практике применения ионных пучков диапазон доз ионов на 

единицу площади (ион/см2) зависит от изменяемого свойства твердого тела и обычно охватывает область от 1011 до 1018 ион/см2. Методы регистрации ионного тока на мишень часто дают информацию 
об интенсивности пучка в мкКл/см2 или ион/см2 · с. Связь между 
этими единицами характеризуется соотношением 1 мкКл/см2 = 
= 6 · 1012 ион/см2 · с. Для того чтобы определить интегральный поток 
ионов на поверхность образца D (ион/см2) (часто говорят просто 
«флюенс»), необходимо интенсивность пучка j умножить на время 
облучения t:

 
D = jt. 
(1.1)

Первым и наиболее существенным недостатком ионного внедре
ния является нарушение кристаллической структуры полупроводника, или металла (диэлектрика), – появление дефектов в результате 
первичных соударений ионов с атомами мишени или вторичных соударений уже смещенных из узлов кристаллической решетки быстрых атомов с другими атомами матрицы. Эти дефекты структуры 
вызывают изменение электрофизических свойств полупроводников; 
кроме того, большинство имплантированных атомов занимают нерегулярные положения в решетке и поэтому электрически не активны. Для устранения образовавшихся нарушений, а также перевода 
имплантированных атомов в электрически активные положения в 
решетке (активации атомов примеси) необходимо проведение соответствующих термообработок ионно-легированных образцов. Это 
может быть равновесный отжиг в печах либо неравновесный (быстрый) фотонный, электронный или лазерный отжиг. Отжиг имплантированного кремния производится при низких (400–600 °C) 
или высоких (800–1200 °C) температурах. При термической обработке выше 1000 °С одновременно с отжигом происходит разгонка внедренных атомов примеси.

При низкотемпературном отжиге сохраняются значительные на
рушения, но их миграция невелика. Так как ближе к поверхности 
подложки находится наибольшее количество дефектов, а не легирующих атомов, их влияние на электрон-дырочный (т.е. p-n) переход 
незначительно. Поэтому низкотемпературным отжигом устраняются в основном нарушения вблизи перехода, что обеспечивает его 
высокое качество. Низкотемпературный отжиг применяют в тех случаях, когда слои металлизации, а также элементы полупроводниковых приборов и ИС не выдерживают высоких температур.

При высокотемпературном отжиге большая часть нарушений 

восстанавливается, но остающиеся, как правило, велики и влияние 
их при создании приборов и ИС следует учитывать.

При температуре выше 1000 °С одновременно с разгонкой вне
дренных атомов примеси иногда увеличивается количество дефектов 
и наблюдается их распространение за пределы имплантированной 
области. Это означает, что даже высокотемпературный отжиг не 
гаран тирует полного устранения нарушений кристаллической решетки.

При ионной обработке МОП-структур на границе раздела «крем
ний – диоксид кремния» образуется фиксированный положительный заряд и возникают быстрые поверхностные состояния. С увеличением дозы облучения эти явления усиливаются, а затем происходит насыщение. Фиксированный положительный заряд устраняется отжигом при 150–500 °C или обработкой ультрафиолетовым 
излучением. Быстрые поверхностные состояния снимаются обработкой подложек в атмосфере азота при температуре 400–500 °С.

Ко второму недостатку метода ионной имплантации следует от
нести небольшую глубину легирования, что критично для создания 
ряда электронных приборов, например силовых диодов и транзисторов. Повышением ускоряющего напряжения до нескольких мегаэлектронвольт или десятков мегаэлектронвольт можно увеличить 
глубину проникновения внедряемых атомов, однако такие установки оказываются очень дорогостоящими. Стоимость их исчисляется 
миллионами долларов США. Следует отметить также, что высокоэнергетической имплантации сопутствует формирование сложных 
дефектов структуры, которые не отжигаются вплоть до температур, 
близких к температуре плавления данного материала.

К третьему ограничению метода имплантации можно отнести та
кие эффекты, появляющиеся в процессе или после имплантации, 

как каналирование ионов и радиационно-ускоренная диффузия 
внедренных атомов. Эти эффекты делают почти невозможным строгое теоретическое предсказание концентрационного профиля. Чаще 
всего они проявляются в более глубоком проникновении имплантированных атомов и в более сложной, чем гауссова, форме распределения внедренных атомов по глубине мишени.

Поэтому важнейшими проблемами метода ионной имплантации 

являются отжиг радиационных дефектов, повышение электрической 
активации вводимых атомов, определение формы распределения 
концентрации имплантированных примесей, а также исследование 
влияния процесса имплантации на такие важные характеристики 
исходного материала, как подвижность и время жизни носителей 
тока (заряда).

Ионная имплантация в настоящее время широко используется не 

только в области технологии полупроводниковых приборов и ИС. 
Благодаря созданию сильноточных имплантеров стало возможным 
не только легирование полупроводников (дозы облучения обычно 
менее 5 · 1016 ион/см2), но и применение ионной имплантации для 
модификации химических, механических и оптических свойств 
твердых тел. При больших дозах внедрения (D ≥ 5 · 1016 ион/см2), 
достигающих n · 1018 ион/см2, становится возможным превращение 
поверхностного слоя в другое химическое соединение, например образование карбида кремния при имплантации углерода в кремний 
или ионов кремния в алмаз.

Широкое развитие в последние годы получило новое направле
ние радиационной физики твердого тела – ионная металлургия. 
Ионные пучки в этом случае используются для управления такими 
важными для практики свойствами, как механические, коррозионные, сверхпроводящие, каталитические. Например, в лаборатории 
НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ путем полиэнергетической ионной имплантации азота в подложку из бора созданы слои сверхтвердого материала – кубического нитрида бора (боразона). Твердость 
приповерхностной области подложки в этом случае изменялась приблизительно в 100 раз и была близкой к твердости алмаза. Другой 
возможной областью применения ионной имплантации является 
изготовление световодов путем внедрения ионов в кварц, кремний 
или арсенид галлия, создание доменных структур на магнитоактивных материалах, т.е. создание систем с магнитной записью информации, и др.

1.1. Оборудование для ионного внедрения

Установки ионной имплантации бывают малых и средних доз, а 

также больших доз с интенсивными ионными пучками, высокоэнергетические. Токи ионного пучка установок малых и средних доз составляют от единиц микроампер до 500–800 мкА, установок больших доз (сильноточных) – от 1 до 200 мА. Оба типа установок работают чаще всего в области энергий от 200 эВ до 200 кэВ. Максимальная энергия высокоэнергетических установок может превышать 
1 МэВ.

Установки ионной имплантации (рис. 1.1) обычно состоят из ис
точника ионов, магнитного масс-сепаратора, систем ускорения и 
сканирования пучка, приемной камеры и вакуумной системы. Отличаются они в основном потенциалом приемной камеры относительно земли и взаимным расположением приемной камеры, масссепаратора и источника ионов.

Установки имплантации малых и средних доз (рис. 1.1, а), энер
гия ионов в которых не превышает 200 кэВ, а приемная камера находится под потенциалом земли, используются наиболее широко. 
Так как магнитная сепарация ионов осуществляется до ускорения, 
их энергия в сепараторе низка, что оказывает существенное влияние 
на габариты установки (малые магниты, маломощные источники 
питания электромагнитного сепаратора и ускорительной системы).

Установку с разделением ионов по массам после ускорения 

(рис. 1.1, б) обычно используют для исследовательских целей. При 
высокой разрешающей способности магнитного сепаратора и минимальном количестве потребляемой электроэнергии высокого напряжения в установке ускоряется весь пучок ионов, возрастает ток нагрузки высоковольтного источника питания, а также увеличивается 
вторичная электронная эмиссия, что повышает опасность облучения 
рентгеновскими лучами.

Сильноточная установка (рис. 1.1, в) имеет простую систему 

управления и питания источника ионов и электромагнита, а также 
небольшое количество устройств, работающих при высоком напряжении. Недостатки ее – трудный доступ к приемной камере, высокий потенциал на ней и сложность автоматизации загрузки-выгрузки обрабатываемых подложек.

Высокоэнергетическая установка (рис. 1.1, г) позволяет, прило
жив высокий потенциал к приемной камере, получить высокую 

энергию ионов (500 кэВ и выше). В этом случае возникает сильное 
рентгеновское излучение. Большую энергию (1–2 МэВ и более) проще получать, используя источник многозарядных ионов.

В установке больших доз (рис. 1.1, д) источник ионов находится 

под высоким напряжением. Полное ускорение происходит в системе 
первичного формирования пучка, что позволяет полностью автоматизировать все режимы работы.

а

в

д

б

г

Рис. 1.1. Компоновки установок ионной имплантации:

а – малых и средних доз; б – с разделением ионов по массам после ускорения; в – сильноточных; г – высокоэнергетических; д – больших доз; 1 – источник ионов; 2 – система 
вытягивания и первичного формирования пучка; 3 – магнитный масс-сепаратор; 4 – высоковольтный модуль; 5 – регулируемая диафрагма; 6 – система ускорения; 7 – фокусирующая линза; 8 – пластины электростатического сканирования; 9 – приемная камера

Источник ионов предназначен для возбуждения атомов рабочего 

вещества до энергии, как минимум большей потенциала его ионизации, в результате чего получают пучок положительно заряженных 
ионов. Поскольку для ионизации используется электрический разряд, все источники ионов имеют одинаковые элементы:

y
y разрядную или ионизационную камеру (обычно несущая кон
струкция источника);

y
y анод для создания электрического поля внутри разрядной камеры;
y
y источник электронов (термокатод или холодный катод), служа
щий для эмиттирования в зону разряда необходимого количества 
ускоренных электронов;

y
y магнитную систему для повышения эффективности ионизации 

и плотности плазмы в зоне экстракции (извлечения) ионов;

y
y экстрагирующий электрод и электроды первичной фокусиров
ки пучка, предназначенные для извлечения ионов из зоны плазмы и 
первичного ускорения пучка ионов;

y
y системы подачи (испарения) рабочего вещества и источников 

питания (анода, экстрактора, катода и электромагнитов).

Наиболее широко используют источники ионов с термокатодами 

прямого или косвенного накала (рис. 1.2, а–в) и меньше – с холодным катодом (рис. 1.2, г).

Источники ионов с термокатодом выполняют в двух вариантах: с 

экстракцией ионов вдоль оси разрядной камеры через отверстие 
круглой формы (рис. 1.2, а, в) и перпендикулярно оси разрядной 
камеры через отверстие прямоугольной формы (радиальная экстракция) (рис. 1.2, б).

Источники с холодным катодом имеют два катода 6 и 8 и распо
ложенный между ними полый анод 3 в виде цилиндра, внутри которого локализуется плазма 9.

В качестве рабочего вещества в разрядную камеру источника 

ионов подают такие газы, как водород, гелий, аргон, азот или газообразные соединения BF3, PH3 и AsFe3. При использовании твердых 
веществ, температура парообразования которых не превышает 
1000 °C (олово, галлий, сурьма), их предварительно нагревают и создают пары, которые подают в источник ионов через натекатель, регулируя скорость испарения изменением температуры. Твердые вещества, температура парообразования которых превышает 1000 °C, 
сначала распыляют в атмосфере аргона или ксенона пучком ионов 
этих газов, а затем ионизируют в плазме этого газа.