Способ ионной имплантации

 

Изобретение относится к технической физике, в частности к радиацирииому материаловедению, и предназначено для улучшения электрофизических, химических и механических свойств поверхности изделий из металлов и сплавов, полупроводников, диэлектриков и др. методом ионной имплантации. Целью изобретения является увеличение концентрации имплантируемой примеси в любом материале, которая в этом случае определяется дозой tmm лантированных ионов. Для этого в предлагаемом способе наряду с процвс сом . имплантагщи ускоренных яоиов (УИ) в материал образца создают notok Нейтральных атомов или ионов (частиц ) (Ч) с энергией 1-100 эВ яоблуча - ют поверхность образца Ч двумл потеками. Облучают либо одновременно, с процессом имплантации, при этом поток 4 формируют равным потоку распыш емш под действием УИ атомов поверхности образца, или многократно И поочередйо с процессом имплантации, йри этом в одном цикле доза облучения 3 должна быть меньше значения, когда толщина распыленного слоя сравнипассо средним проецированным пробегом УИ в образце, а доза Ч равна числу распыленных dto MOB образца с единичной поверхностя 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСИИХ

РЕСПУБЛИН

ПЮ (И) г ( (51)5 Н О1 J 37/317

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

eiL

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (46) 07 . 09. 90. Бюл. 9 33 (21) .4043300/31-25 (22) 26.03.86 (71) Научно-исследовательский институт.ядерной физики при Томском политехническом институте им. С.И.Кирова (72) Н.И.Арзубов, В.А.Ваулин, Г.П.Исаев, О.С.Кузьмин . и А.И.Рябчиков (53) 533.9 (088.8) (56) Дороднов А.И. Проиышленные цлазменные установки. Учебное пособие, Изд-во МВТУ им.Баумана. - М.: 1976.

Патент СЕА 9 4267014, кла Н 01 L 21/265 у 1981 °

° (54) СПОСОБ ИОЙНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ (57) Изобретение относится к технической физике, в частности к радиационному иатериаловедению, н предназначено для улучшения электрофиэических, химических и механических свойств поверхности иэделий из металлов и сплавов, полупроводников, диэлектриков и др, методом ионной имплантации.

Целью изобретения является увеличение концентрации имплантируемой примеси в любом материале, которая в этом случае определяется дозой нищ" . лантированных ионов. Для этого в предлагаемом способе наряду с процес» сом .имплантации ускоренных ионов (УИ} в материал образца создают поток нейтральных атомов нли ионов (час" тиц) (Ч) с энергией 1-100 эВ « облучка» ют поверхность образца.Ч двумя пото- ками. Облучают либо одновременно, с процессом имплантации, при этом поток

4 формируют равныи потоку распыляем к под действием УИ атомов поверхностй образца, или многократно.й поочередно Я с процессом имплантации, при этом в одном цикле доза облучения УИ. долина быть меньше значения, когда толщина распыленного слоя сравнимая.со средним проецированным пробегои УИ в образца, а доза Ч равна числу рас1аатенных йто» мов Образца с единичной поверхностй °

s ° ï ° ф лыу 2 ил °

1412517

Изобретение относится к технической физике, в частности к радиационному материаловедению, и предназначено для улучшения электрофизических, химических и механических свойств поверхности изделий из металлов и сплавов, полупроводников, диэлектриков и др °

Целью изобретения является увеличе 10 ние концентрации имплантируемой примеси в образце.

В способе ионной имплантации для компенсации эффекта распыления дополнительно создают поток нейтральных 15 атомов min ионов (частиц) с энергиями частиц 104 -10 эВ. При этом для получения потока частиц используют, один из способов: термический, пучково-плазменный, лазерный, злектрораэ- 20 рядный и др. Выбор уровня энергий частиц 10 -il0 эВ связан с тем, что при таких энергиях основным процессом является осаждение (напыление) частиц на поверхноети материала. При энергии25 частиц Е <10 эВ адгезионные свойства напыляемой пленки оказываются. очень плохими. При энергиях частиц K710 . эВ наряду с осаждением существенным становится распыление материала, которое 30 становится превалирующим при энергиях частиц Е > 10 эВ.

В первом случае первоначально создеот плазму, затем из нее извлекают и ускоряют ионы до энергии 30-200 кэВ З5

Затем осуществляют облучение ускоренными ионами поверхности образца. В процессе имплантации происходит накопление концентрации примеси в об" 1 разце и одновременное, распыление поверхностного слоя материала. Толщина распыленного слоя Й рассчитывается о значению скорости распыления

S для дозы ионов 0 следующим образом:

45 ж ° Q

9 где И вЂ” атомная плотность вещества образца..

Чередование процессов имплантации ускоренных ионов и напыления атомов до восстановления первоначальной границы позволяет увеличить кондентрацню примеси в образце. Причем эффект увеличения концентрацИи примеси будет .существенным, если за один цикл имплантации толщина распыленного уско-ренными ионами материала не будет превышать Кр - среднего проецированного пробега ионов в образце, т.е. когда максимум концентрации еще находится ие на поверхности вещества, а на определенной глубине. Чем меньше распыляемая за один цикл облучения толщина материала, тем большая концентрация примеси в материале достигается.

Таким образом, в одном цикле облучения ускоренными ионами доза Й выбирается в соответствии с соотношением

R9 Й

DсS

После имплантации осуществляют процесс, осаядения (напыления) кейтральных атомов или ионов на образец до восстановлечия первоначальной границы вещества. Учитывая, что sa вре- . мя имплантации ускоренных ионов с единичной поверхности было распыл но

D.S атомов вещества, образец облучают дозой частиц, равной т

Поочередные процессы имплантации и напыления осуществляют до получения необходимой концентрации примеси в образце. Максимальная концентрация прн этом достигается не на поверхности образца, а на глубине, соответствующей среднему проецированному пробегу ионов.Во втором варианте способа процесс облучения образца ускоренными ионами и частицами осуществляют одновременно. Для того, чтобы граничиая поверхность образца оставалась неизменной и cooTBGTcTBpHHo ионы накапливались на глубине, соответствующей их среднему пробегу в материале, поток частиц формируют равным потоку распыляемых под действием ускоренных ионов атомов поверхности образца, Процесс внедрения ионов осуществля:;т также до получения необходимой концеитра« ции примеси. При этом максимальная концентрация внедрения примеси оценивается соотношением

"we e "Д р, ° которое получено без учета эффекта распыления материала мишени ускоренными ионами в процессе . имплантации.

Из последнего соотношения видно, что при выполнении условий предла аемого способа имплантации концентрация примеси прямо пропорциональна дозе внедренной примеси и при больших доПри подаче от блока синхронизации

7 запускающего импульса на источники питания 6 и 8 импульсных трансформаторов 5 и 9 последние формируют импульсы напряжений, подаваемые к источнику. Под действием импульсного напряпробой промежутка катод 10 " поджигающий электрод 12 по поверхности дйэлектрического кольца 11. В результате дугового пробоя формируется плазма, которая, расширяясь, обеспечивает возникновение дугового разряда между анодом 4 и катодом 10. Питание дуги обеспечинает импульсный трансосновного дугового разряда плазма поступает в ускоряющий зазор между ускоряющим электродом 1 и анодом 4. возможчость реализации предлагаемого способа за счет,многократного и поочередного проведения облучения оби соответственно на образец 2 подают ускоряющее напряжение. В процессе облучения, например, образца GaAs.íà бирают дозу Р ионов внедряемой примеси, определяемую в данном случае как

D=6 25 10 I- i f 4 - -iр R N ф 8 Ф где I — - ток пучка ионов; — длительность импульса тока;

f — частота следования импульсов.

Из литературных данных или дополнительнога эксперимента определяют коэффициент распыления материала выбранного образца GaAs ионами данного сорта (например, Bi). При ускоряющем напряжении 0=60 кВ в выбранном случае

8=3. После набора определенной дозы, например D=10 ион/см (- -) а

S °

e5 ° 10 см- ), отключается ускоряющее напряжение и заменяется материал ка тода на GaAs ° Затеи источник с катодом иэ СаАз включается без ускоряющего напряжения. При этом на поверх3 1412517 4

19 s9 зах 0 1!1 — 1() ион!ем существенно электрод 12, источник 13 ионов и преньпиает предел концентрации, полу- источник 14 нейтральных частиц. чаемый обычными методами. Устройство работает следующим об"

В случае, если н процессе облуче- 5 разом. ния образца ускренными ионами и частицами не соблюдается равенство пата ков или н другом варианте способа не выполняются условия на дозу ионов и дозу частиц, та это приводит к умень- 10 шению максимальной концентрации примеси. жения трансформатора 9 происходит

Так, например,,если поток частиц в случае одновременного облучения будет меньше потока распыляемых под действием ускоренных ионов атомов вещества, то будет происходить постепенное (хотя и с меньшей скоростью) распыление материала и граничная поверхность вещества будет приближаться 20 в глубине соответствующей R, . этом форматор 5. Формируемая н результате случае максимальная концентрация будет превышать N, достигаемую обычным способом имплантации, но ее значение ограничивается величиной поверх.25 Ускоряющее напряжение задается источностной концентрации, когда толщина ником 3. Ускоряемые из плазмы ионы распыленного слоя достигнет R1 ° после прохождения диода попадают на

Если поток частиц превышает по- образец 2. Устройство обеспечивает ток распыляемых атомов вещества, то будет наблюдаться движение границы облучаемого вещества в другую сторону (превалирует напыление). Это при" разца ускоренными ионами и потоком ведет к тому, что из-эа постоянства частиц. Первоначально на электрод

R область максимальной концентрации будет постепенно перемещаться со скоростью, соответствующей скорости

35 роста напыляемой пленки, и хотя об щее количество внедренных ускоренных ионов будет возрастать пропорционально дозе, уровень максимальной концентрации будет ограничен скоростью перемещения поверхности.

Пример реализации способа ионной имплантации дан с использованием вакуумно-дугового частотно-импульсного источника ионов, схематическое изоб ражение которого приведено на чертеже, где на фиг.1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый

50 . способ па первому варианту; на фиг.2та же, по второму варианту.

Устройство содержит ускоряющий электрод 1, образец 2, высоковольтный источник 3 ускоряющего напряжения, анод 4, импульсный трансформатор 5, источник питания 6, блок синхронизации 7, источник питания 8, импульсный трансформатор 9, катод 10 диэлектрическое кольцо 1 1, поджигающий

1! 12 1 1 р

5 ность образца осаждаются ионы из плазмы разряда. Если не используются дополнительные системы ускорения, то энергия ионов плазмы в этом случае удовлетворяет условию Е; =1-100 эВ, После измерения концентрации плаз- ° мы, генерируемой в разряде GaAs катодом, процесс осаждения пленки производят до набора дозы 10

О,= 3 0 = 3 ° 10 ион/cM .

После этого процесса имплантации н осаждения ионов многократно повторяют до получения необходимой концентрации В. в GaAs. 15

Зкспрессность метода может быть существенно увеличена при использовании источника, обеспечивающего возможность генерации по оков плазмы различных. Элементов без нарушения ва- 20 куума. Для напыления может использоваться поток частиц как соответствующий стехиометрическому составу образца, так и отличакицийся от него. В случае, когда. поток частиц не соот- 25 ветствует стехиометрическому составу, его величина определяется с учетом коэффициента распыления материала напыляемой пленки ускоренными ионами.

Так, например, при облучении GiAs по- З0 ч:оком нейтральных атомов или ионов

Al коэфф 1иент распыления пленки Al будет меньше чем GaAs 1 и в этОм случае должна использоваться S для Al. пр "-нергии ионов В; — Е 60 кэВ.

Зо втором случае поток ускоренных ионов формируют в источнике 13, а т:.. -Ок нейтральных атомов или ионов в источнике 14. Оба потока направляют

", .;-:бразец 2. В соответствии с выб- . 40 рзчньъ режимом имплантации (эйергия н сорт ускоренных ионов) и коэффициентом распыления материала образца

".тестем регулирования тока пучка ускоренных ионов нли потока частиц доби- 4с ваются выполнения условия равенства отоков частиц и распыляемых атомов .

Так, например, при имплантации ионов

В„ с энергией 60 кэВ в СаАв источник атомов должен обеспечить поток атомов gp или ионов, равный где ) . - плотность тока ускоренных

1 ионов; е — заряд электрона.

Прн j; =10 мкА/см + 1,9 1О атом/

/с см .

Таким образом, использование,изобретения позволит существенно увеличить уровень концентрации примеси в любом материале. Величина концентрации в этом случае определяется дозой нмплантируемых ионов н превышает в

10-1000 раз концентрации, получаемые в настоящее время в различных материалах.

Формула изобретения

1. Способ ионной имплантации вещества путем генерации плазмьi, последу ющего ускорения ионов, облучения ускоренными ионами поверхности Образца и напыления атомов вещества подложки, о т л н ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения концентрации имплантируемой примеси в образце, напыление проводят потоком нейтральных атомов или ионов с энергиями частиц

1-100 ЭВ и многократно и поочередно проводят облучение образца ускоренны-Ку N ми ионами дозой Р< - -- и частицами

S дозой f> --0 S, l где Кр — средний проецированный пробег ускоренного иона в образце;

S — коэФфициент. распыления поверхностного слоя образца;

N — атомная плотность вещества

Образца.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что напыление и процесс облучения осуществляют одновременно, причем поток нейтральных атомов или ионов формируют равным по плотности потоку распыляемых под действием ускоренных ионов атомов odразца.

1412517

Составитель Н. Грабчак

Уеда еар Т..Иванова Техред Л.Сердюкова Корректор; Si Романенко

° ввйвею !

Закан 3319 Тираж 406 Подииснье

ВИИИПИ Государственного комитета СССР но делам иэобретений и открытий !!3035, Москва, Ж"35, Раупская наб., д. 4/5

4ВЙВЮВ В

Ю ЭФФЕКТЕ фЮНВФВЮЮЮа

Производственно-нолигрвфкческое нредлриятие, г; уагород ул.. Вроектная» 4