Способ ионной имплантации

Изобретение может быть использовано в электронике, в частности в технологии изготовления полупроводниковых приборов на карбиде кремния, а также в области модифицирования поверхности ионной имплантацией для получения износо- и коррозионно-стойких материалов. Способ ионной имплантации включает создание плазмы внутри рабочей камеры и подачу импульсного ускоряющего напряжения, согласно изобретению имплантацию проводят из импульсной лазерной плазмы, содержащей многозарядные ионы, импульсное ускоряющее напряжение подают либо на подложку, либо на мишень, при этом задержку между лазерным импульсом и импульсом ускоряющего напряжения определяют по расчетной формуле, связывающей расстояние от мишени до подложки, скорость центра масс компоненты с максимальным зарядом, температуру ионной компоненты с максимальным зарядом, массу и постоянную Больцмана. Предлагаемое изобретение обеспечивает увеличение круга имплантируемых веществ, а также осуществление селективной имплантации многозарядных ионов. 3 з.п. ф-лы. 6 ил.

 

Изобретение может быть использовано в электронике, в частности в технологии изготовления полупроводниковых приборов на карбиде кремния, а также в области модифицирования поверхности ионной имплантацией для получения износо- и коррозионно-стойких материалов.

Известно изобретение «Устройство и способ для формирования пучков многозарядных ионов» (№2191441, МПК 7: H01J 27/02, H01H 1/00, опубл. 10.10.2002). Способ формирования пучков многозарядных ионов включает получение плазмы путем облучения мишени импульсным лазерным излучением и подачу на высоковольтные электроды профилированного во времени импульсного напряжения с длительностью не более t=L2/V_min и с задержкой δt=L1/V_min относительно лазерного импульса, где L1 - длина дрейфа, L2 - длина основного электрода, V_min - минимальная скорость плазмы на входе в основной электрод, при этом необходимо выполнение условия (L1+L2)/V_max=L1/V_min, V_max - максимальная скорость разлета плазмы.

Недостатками данного изобретения являются невысокая интенсивность облучения и невозможность селективного ускорения многозарядных ионов.

Известно изобретение «Метод и устройство для ионной имплантации из плазменного источника» (US №4764394, МПК: С23С 14/48; С30В 31/22; H01J 37/32; С23С 14/48, опубл. 16.08.1988), в котором ионная имплантация трехмерной мишени достигается созданием ионизованной плазмы вокруг мишени внутри замкнутой камеры и приложением импульса высокого напряжения между мишенью и проводящими стенками камеры. Плазма формируется ионизацией нейтрального газа, вводимого в камеру. Ионы попадают на поверхность мишени со всех сторон одновременно. Характерная величина напряжения составляет 20 кВ или выше. Характерная длительность высоковольтных импульсов - несколько десятков микросекунд.

Недостатками данного изобретения являются ограниченный круг имплантируемых элементов (только газообразные), невозможность селективной имплантации многозарядных ионов, неоднородность энергетического распределения ионов.

Известно изобретение «Система и способ имплантации» (№ WO 0115200 (A1), H05H 1/46; H01J 37/32; H01L 21/265; H05H 1/46, опубл. 01.03.2001), в котором на подложку подается импульс напряжения, притягивающий ионы из плазмы, заполняющей рабочую камеру. Плазма формируется ионизацией нейтрального газа, вводимого в камеру. Устройство имеет два переключателя и контроллер последовательности их действий. Первый расположен между источником напряжения и подложкой и служит для мгновенного электрического соединения их. Второй, находящийся между подложкой и заземлением, предназначен для мгновенного стекания остаточного заряда. При заземлении подложки после действия ускоряющего импульса уменьшается количество ионов с энергией, меньшей, чем подаваемое напряжение. За счет этого достигается лучшая однородность энергетического распределения ионов. Положительный заряд, накапливаемый на подложке, при имплантации положительных ионов нейтрализуется в течение времени между импульсами за счет электронов из плазмы. После снятия заземления с образца он будет находиться под плавающим потенциалом, соответствующим потенциалу плазмы.

Недостатками данного изобретения являются ограниченный круг имплантируемых элементов (только газообразные), невозможность селективной имплантации многозарядных ионов.

Данное изобретение является наиболее близким аналогом, т.е. прототипом.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение круга имплантируемых веществ, а также осуществление селективной имплантации многозарядных ионов.

Данная задача решается тем, что в известном способе, включающем получение плазмы внутри рабочей камеры и подачу импульсного ускоряющего напряжения, имплантация проводится из импульсной лазерной плазмы, содержащей многозарядные ионы, импульсное ускоряющее напряжение подают либо на подложку, либо на мишень, при этом задержку между лазерным импульсом и импульсом ускоряющего напряжения (τ) определяют по формуле:

где L - расстояние от мишени до подложки, u_max и T_max - скорость центра масс и температура ионной компоненты с максимальным зарядом, m - масса, k - постоянная Больцмана. В соответствии с этим условием ускоряющий импульс должен включиться в тот момент, когда передний фронт плазмы подлетит к подложке. При меньших задержках внешнее электрическое поле не оказывает влияния на процессы в плазме из-за ее высокой плотности. При больших задержках плазма расширяется естественным образом.

Кроме того, согласно п.2, для получения глубоко залегающего ионно-легированного слоя длительность импульса ускоряющего напряжения (t) определяют по формуле:

При таком выборе длительности импульса из плазмы будут вытягиваться только ионы с максимальной зарядностью, поскольку они находятся на переднем фронте плазменного облака. Максимальное значение ускоряющего напряжения будет соответствовать наибольшей плотности ускоряемых ионов. В результате будет осуществляться селективное ускорение ионов с максимальной зарядностью. При таких условиях образуется глубоко залегающий («захороненный») слой имплантированных атомов.

Кроме того, согласно п.3 для наиболее эффективного ускорения ионов длительность импульса ускоряющего напряжения (t) определяют по формуле:

где u₁, T₁ - скорость центра масс и температура однозарядной ионной компоненты. В этом случае будет происходить ускорение и имплантация ионов всех зарядностей. При таких условиях максимум в распределении имплантированных атомов будет находиться близко к поверхности подложки.

Кроме того, согласно п.4, импульсное ускоряющее напряжение подают на подложку, повернутую относительно мишени на угол 90° для того, чтобы минимизировать осаждение на поверхности нейтральных атомов.

Изобретение поясняется схемами и графиками.

На фиг.1 представлена схема установки для имплантации высокоэнергетических ионов из импульсной лазерной плазмы с подачей ускоряющего импульса на мишень, где 1 - вакуумная камера, 2 - лазер, 3 - система сканирования и фокусировки, 4 - мишень, 5 - подложка, 6 - высоковольтный генератор, 7 - генератор импульсов.

На фиг.2 представлены ускоряющий (1) и ионный (2) импульсы, полученные при имплантации платины с задержкой 3,0 мкс.

На фиг.3 представлено измеренное методом обратного резерфордовского рассеяния глубинное распределение платины, имплантированной из лазерной плазмы в карбид кремния.

На фиг.4 представлены рассчитанные по программе SRIM глубинные распределения ионов платины с заданной энергией (в единицах кэВ) в карбиде кремния.

На фиг.5 представлены ускоряющий (1) и ионный (2) импульсы, полученные при имплантации титана с задержками 1,0 мкс (а) и 2,1 мкс (б).

На фиг.6 представлено сравнение экспериментальных (1, 2) и модельных (3, 4) глубинных профилей ионов титана, имплантированных из лазерной плазмы в карбид кремния с задержкой 1,0 мкс (1, 3) и 2,1 мкс (2, 4).

Способ осуществляют следующим образом.

Излучение лазера (2) фокусируется на мишени (4). Плотность энергии излучения должна быть достаточной для образования плазмы, содержащей многозарядные ионы. Подложка (5) помещена на расстоянии 5-10 сантиметров от мишени и либо параллельна мишени, либо повернута относительно нее на угол 90°. Мишень и подложка располагаются в вакуумной камере (1). Импульс ускоряющего высоковольтного напряжения подается либо на подложку (отрицательной полярности), либо на мишень (положительной полярности) в зависимости от требований эксперимента. Например, если подложку нужно нагревать во время имплантации, то ускоряющее напряжение удобнее подавать на мишень. Если мишень необходимо сканировать во время имплантации, то ускоряющее напряжение удобнее подавать на подложку. Внешнее поле вызывает перераспределение электронов и ионов на фронте плазмы, что обуславливает формирование ионного потока к подложке. Время нарастания ускоряющего импульса не должно превышать 1 мкс.

Импульс ускоряющего напряжения подается с некоторой задержкой относительно лазерного импульса. Задержка и длительность импульса ускоряющего напряжения рассчитываются по формулам (1-3). Эти формулы получены из предположения, что скоростные распределения для каждой ионной компоненты, соответствующей определенной зарядности, описываются «смещенными» максвелловскими функциями:

где N_i - плотность ионов, m_i, u_i, T_i - масса, скорость центра масс и температура ионной компоненты с зарядом +i, k - постоянная Больцмана.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Имплантация ионов Pt⁺ в карбид кремния. Селективное ускорение двухзарядных ионов.

Импульсное ускоряющее напряжение амплитудой 50 кВ подавалось на мишень, а ионный сигнал снимался с подложки. Расстояние между мишенью и подложкой составляло 6 см. Подложка была повернута на угол 90° относительно мишени. Температура подложки составляла 600°С. Плотность энергии лазерного излучения на поверхности платиновой мишени (F) составляла 10 Дж/см². При таком значении F лазерная плазма преимущественно содержит одно- и двухзарядные ионы. При этом концентрация двухзарядных ионов составляет примерно 30%. Предварительно были измерены начальные характеристики ионного потока - распределения по скоростям одно- и двухзарядных ионов. Получены следующие значения параметров распределения:

Для однозарядных ионов u₁=0,7·10⁶ см/с, kT₁=28 эВ.

Для двухзарядных ионов u₂=1,5·10⁶ см/с, kT₂=50 эВ.

По формулам (1) и (2) получаем, что для наиболее эффективного ускорения двухзарядных ионов должно быть τ=3,0 мкс и t=3,0 мкс. На фиг.2 приведены осциллограммы ускоряющего и ионного импульсов, полученных при данных условиях. По ионным сигналам оценивалась доза облучения (коэффициент вторичной электронной эмиссии принимался равным 4). Доза 1·10¹⁶ см^-2 набиралась за 40 минут.

Энергетическое распределение имплантированных ионов определялось по измерению глубинного профиля методом обратного резерфордовского рассеяния. Полученный профиль представлен на фиг.3. Помимо узкого поверхностного пика, вызванного осаждением низкоэнергетичных атомов и ионов, максимум распределения приходится на 40 нм.

На фиг.4 представлены рассчитанные по программе SRIM глубинные распределения ионов с заданной энергией. Из данных распределений видно, что положение максимума в распределении 40 нм соответствует энергии 95-100 кэВ. На этом основании можно заключить, что импульсом с амплитудой 50 кэВ ускорялись двухзарядные ионы Pt⁺².

Пример 2. Имплантация ионов Ti⁺ в кремний. Подбор режима наиболее эффективного ускорения ионов всех зарядностей.

Импульсное ускоряющее напряжение амплитудой 50 кВ подавалось на подложку, а ионный сигнал снимался с мишени. Фиксировался импульс вторичной электронной эмиссии с подложки, вызванный ионной бомбардировкой. Расстояние между мишенью и подложкой составляло 6 см. Подложка располагалась параллельно мишени.

Для ионов получены следующие параметры распределения по скоростям:

Для однозарядных ионов u₁=1,0·10⁶ см/с, kT₁=14 эВ,

Для двухзарядных ионов u₂=2,1·10⁶ см/с, kT₂=25 эВ.

По формулам (1) и (3) получаем, что для наиболее эффективного ускорения одно- и двухзарядных ионов должно быть τ=2,1 мкс и t=10,7 мкс. Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает увеличение круга имплантируемых веществ в отличие от прототипа, имеющего ограниченный круг имплантируемых элементов - только газообразные, а также осуществляет селективную имплантацию многозарядных ионов.

1. Способ ионной имплантации, включающий получение плазмы внутри рабочей камеры и подачу импульсного ускоряющего напряжения, отличающийся тем, что имплантация проводится из импульсной лазерной плазмы, содержащей многозарядные ионы, импульсное ускоряющее напряжение подают либо на подложку, либо на мишень, при этом задержку между лазерным импульсом и импульсом ускоряющего напряжения (τ) определяют по формуле
,
где L - расстояние от мишени до подложки, U_max и T_max - скорость центра масс и температура ионной компоненты с максимальным зарядом, m - масса, k - постоянная Больцмана.

2. Способ ионной имплантации по п.1, отличающийся тем, что длительность импульса ускоряющего напряжения (t) определяют по формуле
,
где L - расстояние от мишени до подложки, U_max и T_max - скорость центра масс и температура ионной компоненты с максимальным зарядом, m - масса, k - постоянная Больцмана, τ - задержка между лазерным импульсом и импульсом ускоряющего напряжения.

3. Способ ионной имплантации по п.1, отличающийся тем, что длительность импульса ускоряющего напряжения (t) определяют по формуле
,
где L - расстояние от мишени до подложки, u₁ и T₁ - скорость центра масс и температура однозарядной ионной компоненты, m - масса, k - постоянная Больцмана, τ - задержка между лазерным импульсом и импульсом ускоряющего напряжения.

4. Способ ионной имплантации по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что импульсное ускоряющее напряжение подают на подложку, повернутую относительно мишени на угол 90°.