приложения к отчету по умк-3_0

ПРИЛОЖЕНИЕ 3
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИЭТ»
«УТВЕРЖДАЮ»
Ректор МИЭТ
чл.-корр. РАН
____________________ Ю.А. Чаплыгин
«_____» _____________________ 2011 г.
ПРОГРАММА ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ
«ИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ. ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ МЕЛКОЗАЛЕГАЮЩИХ
СЛОЕВ»
2011 г.
Рабочая программа профессионального модуля утверждена на заседании учебно-методического
совета образовательных программ опережающей профессиональной подготовки (уровень - магистратура) и переподготовки в области проектирования и производства СБИС с топологическими
нормами 90 нм, протокол от 16 ноября 2011 г. № 2.
Организация-разработчик: Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Автор:
Герасименко Н.Н., д.ф.-м.н., профессор
2
СОДЕРЖАНИЕ
1. ПАСПОРТ ПРОГРАММЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ ................................................. 4
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ .............................................. 6
3. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ ....................................... 7
4 УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ .................... 10
5. КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ
(ВИДА ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ) ...................................................................... 12
3
1. ПАСПОРТ ПРОГРАММЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ
«ИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ. ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ МЕЛКОЗАЛЕГАЮЩИХ
СЛОЕВ»
1.1. Область применения программы
Программа профессионального модуля является частью профессиональной образовательной программы переподготовки специалистов по
профессии 210100 "Электроника и наноэлектроника"
в части освоения вида профессиональной деятельности:
проектно-технологическая деятельность
и соответствующих профессиональных компетенций (ПК):
1.
Знание основ физики современных полупроводниковых приборов и твердотельной электрони-
ки с наноразмерными топологическими нормами.
2.
Способность использовать результаты освоения фундаментальных и прикладных дисциплин
ООП магистратуры.
3.
Способность понимать основные проблемы в своей предметной области, выбирать методы и
средства их решения.
4.
Способность самостоятельно приобретать и использовать в практической деятельности новые
знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой
деятельности.
5.
Способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (в
соответствии с целями ООП магистратуры).
6.
Способность анализировать состояние научно-технической проблемы путем подбора, изуче-
ния и анализа литературных и патентных источников.
7.
Готовность определять цели, осуществлять постановку задач проектирования электронных
приборов, схем и устройств различного функционального назначения, подготавливать технические задания на выполнение проектных работ.
8.
Способность проектировать устройства, приборы и системы электронной техники с учетом
заданных требований.
9.
Способность разрабатывать технические задания на проектирование технологических процес-
сов производства материалов и изделий электронной техники.
10. Готовность формулировать цели и задачи научных исследований в соответствии с тенденциями и перспективами развития электроники и наноэлектроники, а также смежных областей науки и
техники, способностью обоснованно выбирать теоретические и экспериментальные методы и
средства решения сформулированных задач.
4
11. Способность разрабатывать с использованием современных языков программирования и
обеспечивать программную реализацию эффективных алгоритмов решения сформулированных
задач.
1.2. Цели и задачи модуля - требования к результатам освоения модуля
С целью овладения указанным видом профессиональной деятельности и соответствующими профессиональными компетенциями обучающийся в ходе освоения профессионального модуля должен:
иметь практический опыт:
Владеть:
- современными программными средствами (CAD) моделирования процессов ионной имплантации и ионного синтеза;
- методами проектирования электронной компонентной базы и технологических процессов электроники и наноэлектроники;
- методами математического моделирования приборов и технологических процессов с целью оптимизации их параметров.
Уметь:
- предлагать новые области научных исследований и разработок, новые методологические подходы к решению задач применения ионной имплантации и ионного синтеза;
- использовать современные информационные и компьютерные технологии, средства коммуникаций, способствующие повышению эффективности научной и образовательной сфер деятельности;
- разрабатывать физические и математические модели процессов ионной имплантации и ионного
синтеза, а также сопутствующих радиационных эффектов;
- разрабатывать технологические карты процессов ионного легирования.
Знать:
- тенденции и перспективы развития ионной имплантации и ионного синтеза;
- передовой отечественный и зарубежный научный опыт использования ионного легирования как
одного из основных процессов нано- и микроэлекронного производства;
- методы расчета, проектирования, конструирования и модернизации установок ионного легирования с использованием систем автоматизированного проектирования и компьютерных средств.
1.3. Рекомендуемое количество часов на освоение программы профессионального модуля:
всего - 70 часов, в том числе:
максимальной учебной нагрузки обучающегося - 70 часов, включая:
обязательной аудиторной учебной нагрузки обучающегося - 34 часа;
5
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ
Результатом освоения программы профессионального модуля является овладение обучающимися
видом профессиональной деятельности - в области проектно-конструкторской деятельности, в том
числе профессиональными (ПК)
Код
Наименование результата обучения
БКТ-1.
Знание основ физики современных полупроводниковых приборов и твердотельной электроники с наноразмерными топологическими нормами.
ПК-1.
Способность использовать результаты освоения фундаментальных и прикладных дисциплин ООП магистратуры.
ПК-3.
Способность понимать основные проблемы в своей предметной области, выбирать методы и средства их решения.
ПК-4.
Способность самостоятельно приобретать и использовать в практической деятельности
новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности.
ПК-5.
Способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов
(в соответствии с целями ООП магистратуры).
ПК-7.
Способность анализировать состояние научно-технической проблемы путем подбора,
изучения и анализа литературных и патентных источников.
ПК-8.
Готовность определять цели, осуществлять постановку задач проектирования электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения, подготавливать технические задания на выполнение проектных работ.
ПК-9.
Способность проектировать устройства, приборы и системы электронной техники с учетом заданных требований.
ПК-11.
Способность разрабатывать технические задания на проектирование технологических
процессов производства материалов и изделий электронной техники.
ПК-16.
Готовность формулировать цели и задачи научных исследований в соответствии с тенденциями и перспективами развития электроники и наноэлектроники, а также смежных
областей науки и техники, способностью обоснованно выбирать теоретические и экспериментальные методы и средства решения сформулированных задач.
ПК-17.
Способность разрабатывать с использованием современных языков программирования и
обеспечивать программную реализацию эффективных алгоритмов решения сформулированных задач.
6
3. СТРУКТУРА И ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ
3.1. Тематический план профессионального модуля
Коды профессиональных компетенций
1
БКТ-1, ПК-1, ПК-3,
ПК-4, ПК-5, ПК-7,
ПК-8, ПК-9, ПК-11,
ПК-16, ПК-17
Наименования разделов профессионального модуля
Всего часов
(макс. учебная
нагрузка и
практики)
2
Раздел 1.
«Ионное легирование. Особенности создания мелкозалегающих
слоев»
3
70
Всего:
70
Объем времени, отведенный на освоение
междисциплинарного курса (курсов)
Обязательная аудиторная учебная нагрузка
обучающегося
Всего,
в т.ч. лаборачасов торные работы
и практические занятия,
часов
4
5
28
34
34
7
28
Самостоятельная работа обучающегося,
часов
Производственное обучение (в т.ч. производственная практика)
Учебная,
Производчасов
ственная,
часов
(если предусмотрена рассредоточенная
практика)
6
36
7
-
8
-
36
-
-
3.2. Содержание обучения по профессиональному модулю (ПМ)
Наименование разделов
профессионального модуля
(ПМ), междисциплинарных
курсов (МДК) и тем
1
Раздел ПМ 1.
«Ионное легирование. Особенности создания мелкозалегающих слоев»
МДК 1. …………………..
номер и наименование МДК
Тема 1.1
Теоретические аспекты
процессов ионного легирования. Часть 1.
Тема 1.2.
Теоретические аспекты
процессов ионного легирования. Часть 2.
Содержание учебного материала, лабораторные работы и практические занятия, самостоятельная работа обучающихся, курсовая работ (проект) (если предусмотрены)
Объем часов
Уровень
освоения
2
3
*
4
*
Содержание (указывается перечень дидактических единиц)
1. Имплантация ускоренных ионов в твёрдое тело.
2. Энергия и частицы.
3. Распределение пробегов.
4. Классическая теория рассеяния.
5. Кинематика упругих соударений.
Лабораторные работы (при наличии, указываются темы)
1.
Практические занятия (при наличии, указываются темы)
1. Классическая теория рассеяния. Кинематика упругих соударений. Центр масс. Движение
под действием центральных сил. Эффективное сечение рассеяния. Процессы, связанные с
передачей энергии. Аппроксимация таких процессов.
2. Процессы рассеяния энергии. Торможение на ядрах атомов. Электронное торможение. Распределение пробегов. Основные понятия, используемые при вычислениях.
Содержание (указывается перечень дидактических единиц)
1. Пространственное распределение примесей.
2. Ионное легирование полупроводников.
3. Модифицирование физико-химических свойств материалов с помощью ионной имплантации.
Лабораторные работы (при наличии, указываются темы)
1. Знакомство с современными установками ионной имплантации. Основные виды легирующих примесей. Энергия ионов. Флюенс и доза имплантации.
Практические занятия (при наличии, указываются темы)
8
2
**
4
2
**
4
2
Радиационные дефекты и энергия смещения. Смещения возникающие в результате прямого
соударения, энергия смещения. Энергия ионов. Виды дефектов. Механизмы диффузии. Радиационно-ускоренная диффузия. Основные принципы эффекта каналирования. Максимум
пробега. Деканалирование.
Содержание
(при наличии, указываются темы)
Тема 1.3.
Технологические особенно1. Используемые имплантеры.
сти создания имплантиро2. Проблемы ионной имплантации, возникающие при масштабировании устройств.
ванных слоев.
3. Технологические особенности создания мелкозалегающих слоев.
Лабораторные работы (при наличии, указываются темы)
1 Интеграция процессов ионного легирования в технологический маршрут производства нанои микроэлектронных устройств.
2. Технология создания мелкозалегающих примесных слоев. Требования к оборудованию.
Практические занятия (при наличии, указываются темы)
1. Ионное фрезерование. Формирование структуры КНИ. Система кремний-водород. Смарткат. Распыление одноэлементных мишеней. Концентрация имплантированных примесей.
Случай высоких доз.
2. Радиационные эффекты на границах раздела. Баллистическое смешивание. Термодинамические эффекты на границах раздела.
3. Применение методов ионной имплантации при производстве КМОП. Проблемы ионной имплантации, возникающие при масштабировании устройств.
4. Особенности создания мелкозалегающих примесных слоев. Физические ограничения.
5. Современное технологическое оборудование. Основные проблемы создания установок ионной имплантации под требования нанометровых производственных норм.
Самостоятельная работа при изучении раздела ПМ 1. (при наличии, указываются задания)
Всего
1.
Для характеристики уровня освоения учебного материала используются следующие обозначения:
1 - ознакомительный (узнавание ранее изученных объектов, свойств);
2 - репродуктивный (выполнение деятельности по образцу, инструкции или под руководством);
3 - продуктивный (планирование и самостоятельное выполнение деятельности, решение проблемных задач).
9
2
**
8
10
36
70
(должно соответствовать
указанному количеству часов
в пункте 1.3
паспорта программы)
4. УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ
4.1. Требования к минимальному материально-техническому обеспечению
Комплект учебно-методической документации (учебники и учебные пособия, лабораторный практикум, комплекты тестовых заданий).
Оборудование и технологическое оснащение рабочих мест:
Научно-производственная и технологическая база предприятия ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон».
4.2. Информационное обеспечение обучения
Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы
Основные источники:
1. Комаров Ф.Ф., Комаров А.Ф. Физические процессы при ионной имплантации в твердые тела. Минск: УП «Технопринт», 2001.
2. Нанотехнологии в электронике/Под ред. Ю.А. Чаплыгина. М.: Техносфера, 2005.- 448 с.
Дополнительные источники
1. Герасименко Н.Н., Пархоменко Ю.Н. Кремний - материал наноэлектроники. М.: Техносфера,
2007. - 352 с.
2. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники. - Новосибирск: Издво НГТУ, 2004. - 496 с.
3. Селищев П.А. Самоорганизация в радиационной физике: Монография. - Киев: ООО «Видавництво «Аспект-Полiграф», 2004. - 240 с.
4. Трушин Ю.В. Физическое материаловедение. - СПб.: Наука, 2000. - 286 с.
4.3. Общие требования к организации образовательного процесса
- компьютерные симуляции обсуждаемых моделей процессов ионной имплантации,
- разбор конкретных производственных ситуаций,
- встречи с представителями российских и зарубежных компаний, государственных организаций,
мастер-классы экспертов и специалистов.
Дисциплины, предшествующие освоению данного модуля
Процессы и материалы электронной техники; физика твердого тела; физика полупроводников.
10
4.4. Кадровое обеспечение образовательного процесса
Требования к квалификации педагогических кадров, обеспечивающих обучение по междисциплинарному курсу (курсам):
Наличие опыта преподавательской работы в области профессиональной специализации не менее
2-х лет
Профессорско-преподавательский состав: наличие ученой степени в соответствующей научной
области.
11
5. КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
МОДУЛЯ (ВИДА ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ)
Образовательное учреждение, реализующее подготовку по программе профессионального модуля,
обеспечивает организацию и проведение текущего и итогового контроля демонстрируемых обучающимися знаний, умений и навыков. Текущий контроль проводится преподавателем в процессе
обучения. Итоговый контроль проводится экзаменационной комиссией после обучения по междисциплинарному курсу.
Формы и методы текущего и итогового контроля по профессиональному модулю разрабатываются
образовательным учреждением и доводятся до сведения обучающихся в начале обучения.
Для текущего и итогового контроля образовательными учреждениями создаются фонды оценочных средств (ФОС).
ФОС включают в себя педагогические контрольно-измерительные материалы, предназначенные
для определения соответствия (или несоответствия) индивидуальных образовательных достижений основным показателям результатов подготовки (таблицы).
Раздел (тема) междисциплинарного
курса
Результаты
(освоенные профессиональные компетенции)
№ 1.1
«Теоретические
аспекты процессов
ионного легирования. Часть 1»
БКТ-1. Знание основ физики современных полупроводниковых приборов и
твердотельной электроники с наноразмерными топологическими нормами.
ПК-1. Способность использовать результаты освоения фундаментальных и прикладных дисциплин ООП магистратуры.
ПК-3. Способность понимать основные
проблемы в своей предметной области,
выбирать методы и средства их решения.
БКТ-1. Знание основ физики современных полупроводниковых приборов и
твердотельной электроники с наноразмерными топологическими нормами.
ПК-1. Способность использовать результаты освоения фундаментальных и прикладных дисциплин ООП магистратуры.
ПК-3. Способность понимать основные
проблемы в своей предметной области,
выбирать методы и средства их решения.
ПК-4. Способность самостоятельно приобретать и использовать в практической
деятельности новые знания и умения, в
том числе в новых областях знаний,
непосредственно не связанных со сферой
деятельности.
№ 1.2
«Теоретические
аспекты процессов
ионного легирования. Часть 2»
12
Основные показатели результатов подготовки
Определение базовых понятий по теме «Ионная имплантация».
Формулирование основных
принципов по теме легирования полупроводников.
Изложение теоретических
основ по разделу радиационного дефектобразоования.
Определение круга базовых
понятий по теме ионной
имплантации и ионного
синтеза.
Формулирование основных
принципов по теме кинетических процессов ионного
легирования.
Изложение теоретических
основ по теме ионного легирования твердых тел и
радиационного дефектообразования.
Выполнение лабораторного
задания по ознакомлению с
возможностями современных
установок ионной имплантации.
Формы
и методы контроля
Тест
Тест
Раздел (тема) междисциплинарного
курса
Результаты
(освоенные профессиональные компетенции)
№ 1.3
«Технологические
особенности создания имплантированных слоев»
ПК-5. Способность к профессиональной
эксплуатации современного оборудования и приборов (в соответствии с целями
ООП магистратуры).
ПК-7. Способность анализировать состояние научно-технической проблемы путем подбора, изучения и анализа литературных и патентных источников.
ПК-8. Готовность определять цели, осуществлять постановку задач проектирования электронных приборов, схем и
устройств различного функционального
назначения, подготавливать технические
задания на выполнение проектных работ.
ПК-9. Способность проектировать устройства, приборы и системы электронной техники с учетом заданных требований.
ПК-11. Способность разрабатывать технические задания на проектирование
технологических процессов производства материалов и изделий электронной
техники.
ПК-16. Готовность формулировать цели
и задачи научных исследований в соответствии с тенденциями и перспективами
развития электроники и наноэлектроники, а также смежных областей науки и
техники, способностью обоснованно выбирать теоретические и экспериментальные методы и средства решения сформулированных задач.
ПК-17. Способность разрабатывать с использованием современных языков программирования и обеспечивать программную реализацию эффективных алгоритмов
решения сформулированных задач.
Раздел (тема)
междисциплинарного курса
№ 1.1
«Теоретические
аспекты процессов ионного легирования. Часть 1»
Результаты
(освоенные общие компетенции)
ОК-1. Способность совершенствовать и
развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень.
ОК-2. Способность к самостоятельному
обучению новым методам исследования,
к изменению научного и научнопроизводственного профиля своей профессиональной деятельности.
ОК-3. Способность свободно пользоваться русским и иностранным языками, как
средством делового общения.
13
Основные показатели результатов подготовки
Формулирование основных
принципов по теме создания мелкозалегающих p-n
переходов ионной имплантацией.
Изложение теоретических
основ по разделу ионного
легирования малыми энергиями твердых тел
Решение конкретных практических задач по формированию заданных примесных профилей
Выполнение лабораторных
заданий на знание режимов
работы ионных имплантеров.
Основные показатели результатов подготовки
Формулирования проблемы
и предмета исследования
читаемого курса.
Определение основного
круга задач, характерных
для данного курса.
Демонстрация владения основными определениями
изучаемой дисциплины.
Формы
и методы контроля
Зачет
Формы
и методы контроля
Тест
№ 1.2
«Теоретические
аспекты процессов ионного легирования. Часть 2»
ОК-4. Способность использовать на
практике умения и навыки в организации
исследовательских и проектных работ, в
управлении коллективом.
ОК-5. Способность проявлять инициативу, в том числе в ситуациях риска, брать
на себя всю полноту ответственности.
ОК-6. Готовность к активному общению
с коллегами в научной, производственной и социально-общественной сферах
деятельности.
ОК-7. Способность адаптироваться к изменяющимся условиям, переоценивать
накопленный опыт, анализировать свои
возможности.
ОК-8. Способность позитивно воздействовать на окружающих с точки зрения
соблюдения норм и рекомендаций здорового образа жизни.
ОК-9. Готовность использовать знания
правовых и этических норм при оценке
последствий своей профессиональной
деятельности, при разработке и осуществлении социально значимых проектов.
-"-
№ 1.3
«Технологические
особенности создания имплантированных слоев»
-"-
Изложение базовых понятий читаемого курса.
Освоение совокупности
подходов к решению задач
практической части читаемого курса.
Формулирование личного
круга задач, для решения
которых необходимо привлечение методов и приемов, излагаемых в читаемом курсе.
Демонстрация навыков работы с новым материалом по
тематике читаемого курса.
Изложение личного круга
задач по специальности,
решаемых в рамках читаемого курса.
Обоснование подхода к
решению профессиональной задачи в рамках читаемого курса.
Реферат
Зачет
Оценка знаний, умений и навыков по результатам текущего и итогового контроля производится в соответствии с универсальной шкалой (таблица).
Процент результативности (правильных ответов)
90 ÷ 100
80 ÷ 89
70 ÷ 79
Менее 70
Качественная оценка индивидуальных образовательных достижений
балл (отметка)
вербальный аналог
5
Отлично
4
Хорошо
3
Удовлетворительно
2
Не удовлетворительно
14
МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ
Учебный модуль:
«Ионное легирование. Особенности создания мелкозалегающих слоев»
В рамках данного модуля образовательный процесс направлен на развитие следующих компетенций:
- знание основ физики современных полупроводниковых приборов и твердотельной электроники с наноразмерными топологическими нормами;
- способность к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению
научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности;
- способность свободно пользоваться русским и иностранным языками как средством делового общения;
- способность использовать результаты освоения фундаментальных и прикладных дисциплин ООП магистратуры;
- способность понимать основные проблемы в своей предметной области, выбирать методы
и средства их решения;
- способность самостоятельно приобретать и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности;
- способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (в
соответствии с целями ООП магистратуры);
- способность анализировать состояние научно-технической проблемы путем подбора, изучения и анализа литературных и патентных источников;
- готовность определять цели, осуществлять постановку задач проектирования электронных
приборов, схем и устройств различного функционального назначения, подготавливать технические задания на выполнение проектных работ;
- способность проектировать устройства, приборы и системы электронной техники с учетом
заданных требований;
- способность разрабатывать технические задания на проектирование технологических процессов производства материалов и изделий электронной техники;
- готовность формулировать цели и задачи научных исследований в соответствии с тенденциями и перспективами развития электроники и наноэлектроники, а также смежных областей
науки и техники, способностью обоснованно выбирать теоретические и экспериментальные методы и средства решения сформулированных задач;
- способность разрабатывать с использованием современных языков программирования и
обеспечивать программную реализацию эффективных алгоритмов решения сформулированных
задач.
1
В результате изучения модуля слушатель должен:
Знать:
- тенденции и перспективы развития ионной имплантации и ионного синтеза;
- передовой отечественный и зарубежный научный опыт использования ионного легирования как одного из основных процессов нано- и микроэлекронного призводства;
- методы расчета, проектирования, конструирования и модернизации установок ионного легирования с использованием систем автоматизированного проектирования и компьютерных
средств.
Уметь:
- предлагать новые области научных исследований и разработок, новые методологические
подходы к решению задач применения ионной имплантации и ионного синтеза;
- использовать современные информационные и компьютерные технологии, средства коммуникаций, способствующие повышению эффективности научной и образовательной сфер деятельности;
- разрабатывать физические и математические модели процессов ионной имплантации и
ионного синтеза, а также сопутствующих радиационных эффектов;
- разрабатывать технологические карты процессов ионного легирования.
Владеть:
- современными программными средствами (CAD) моделирования процессов ионной имплантации и ионного синтеза;
- методами проектирования электронной компонентной базы и технологических процессов
электроники и наноэлектроники;
- методами математического моделирования приборов и технологических процессов с целью
оптимизации их параметров.
Тематическое содержание модуля должно включать следующие дидактические единицы.
1. Теоретические аспекты процессов ионного легирования
2. Технологические особенности создания имплантированных слоев
Рекомендуемые образовательные технологии:
- компьютерные симуляции обсуждаемых моделей процессов ионной имплантации,
- разбор конкретных производственных ситуаций,
- встречи с представителями российских и зарубежных компаний, государственных организаций, мастер-классы экспертов и специалистов.
2
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СЛУШАТЕЛЕЙ
Конспект лекций
1. Техника ионно-лучевого легирования материалов.
В конспекте обсуждаются основы техники ионной имплантации как одного из основных
технологических методов микроэлектроники. Цель - «освежить» полученные в предыдущих курсах по основам ионной имплантации знания и познакомить с возможностями достаточно современной и широко используемой в нашей стране техники для ионной имплантации и ионного синтеза.
1.1. Особенности и возможности метода ионной имплантации.
Метод ионной имплантации основан на внедрении (имплантации) в твердое тело ускоренных
в электростатическом поле ионизированных атомов и молекул. При этом возможны любые комбинации ион-мишень. Энергия ионов может изменяться от нескольких килоэлектронвольт до гигаэлектронвольт (т.е. миллиардов электронвольт). Глубина внедрения ионов зависит не только от
энергии, но и от массы ионов, а также от массы атомов твердого тела. 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 последние годы ионная имплантация стала одним из основных методов введения примесей
в полупроводниковые кристаллы. До этого времени самыми распространенными способами введения примесей были: введение примесей в процессе выращивания кристалла (эпитаксия), 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)
обогащают 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 кристалла. Так как имплантация
- процесс термодинамически неравновесный, то с ее 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
3
также могут вступать в химические связи с атомами твердого тела. Это возможно как в процессе
облучения, так и при последующей термической обработке.
Концентрация внедренных атомов примеси имеет некоторое распределение по глубине, которое в общем случае можно описать гауссовым (нормальным) распределением со средним проецированным пробегом Rp и стандартным отклонением ΔRP.
Метод ионной имплантации имеет ряд преимуществ, важных как с технологической точки
зрения, так и с точки зрения проектирования и создания новых типов электронных и оптоэлектронных приборов и ИС (ИС - интегральные схемы):
1. Сокращение длительности процесса введения примеси в 102-104 раз, однородность распределения по поверхности и воспроизводимость параметров.
2. 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).
3. Высокая чистота процесса, поскольку в ускорителях ионы разделяются по массам с помощью масс-сепараторов.
4. Низкая температура процесса.
5. Простота методов маскирования участков на поверхности кристалла, которые следует или
не следует легировать, путем применения толстых оксидных, нитридных, металлических или фоторезистивных слоев.
6. Возможность легирования через тонкие пассивирующие слои (например SiO2 или Si3N4).
7. Малая глубина внедрения ионов (обычно менее нескольких микрон, а иногда до десятков
нанометров), что дает возможность легирования тонких приповерхностных слоев, с очень крутым
градиентом концентрации примеси (например для СБИС с субмикронными размерами элементов,
лавинно-пролетных диодов и др.).
8. Многоступенчатой имплантацией посредством изменения ускоряющего напряжения (полиэнергетическая имплантация) можно создать профиль распределения имплантированных атомов любой ранее заданной формы.
9. Благодаря незначительному боковому рассеянию становится возможным изготовление
особо миниатюрных приборов (субмикронная технология), обладающих низкими паразитными
емкостями.
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.
4
В практике применения ионных пучков диапазон флюенсов ионов на единицу площади (см-2)
зависит от изменяемого свойства твердого тела и обычно охватывает область от 1011 до 1018 см-2.
Методы регистрации ионного тока на мишень часто дают информацию об интенсивности пучка в
мккул/см2 или ион/см2с. Связь между этими единицами характеризуется соотношением
1 мккул/см2 = 6-1012 ион/см2с Для того чтобы определить интегральную дозу облучения поверхности образца D (часто говорят просто дозу), необходимо интенсивность пучка j умножить на время
облучения t, D=jt.
Наиболее существенным недостатком ионного внедрения является нарушение кристаллической структуры полупроводника или металла (диэлектрика) - появление дефектов в результате
первичных соударений - с атомами мишени или вторичных соударений уже смещенных из кристаллической решетки быстрых атомов с другими атомами матрицы. Эти дефекты структуры вызывают изменение электрофизических свойств полупроводников; кроме того большинство имплантированных ионов занимают нерегулярные положения в решетке и поэтому электрически не
активны. Для устранения образовавшихся нарушений, а также перевода имплантированных атомов в электрически активные положения решетке (активации атомов примеси) необходимо проведение соответствующих термообработок ионно-легированных образцов. Это может быть равновесный отжиг в печах или неравновесный (быстрый) фотонный, электрический, лазерный отжиг.
Отжиг имплантированного кремния производится при низких (400-600°С) или высоких (9001000 °С) температурах. При термической обработке выше 1000°С одновременно с отжигом происходит разгонка внедренных атомов примеси.
При низкотемпературном отжиге кремния сохраняются значительные нарушения, но их миграция невелика. Так как ближе к поверхности подложки находится наибольшее количество дефектов, а не легирующих ионов, их влияние на электрон-дырочный (т.е. р-п) 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 внедренных атомов примеси иногда увеличивается количество дефектов и наблюдается их распространение за пределы имплантированной области в кремнии. Это означает, что даже высокотемпературный отжиг не гарантирует
полное устранение нарушений кристаллической решетки.
При ионной обработке МОП-структур (металл-оксид-полупроводник) на границе раздела
кремний-диоксид кремния образуется фиксированный положительный заряд и возникают быстрые
5
поверхностные состояния. С увеличением дозы облучения эти явления усиливаются, а затем происходит насыщение. Фиксированный положительный заряд устраняется отжигом при 150-500°С
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 отнести небольшую глубину легирования, что критично для создания ряда электронных приборов, например, силовых диодов и
транзисторов. Повышением ускоряющего напряжения до нескольких МэВ или десятков МэВ
можно увеличить глубину проникновения внедряемых атомов, однако такие установки оказываются очень дорогостоящими: 1 МэВ - 1 млн долларов США, 2 МэВ - 2 млн долларов и далее приблизительно пропорционально. 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 такие эффекты, появляющиеся в
процессе или после имплантации, как каналирование ионов и радиационно-ускоренная диффузия
внедренных атомов. Эти эффекты делают почти невозможным теоретическое предсказание профиля. Чаще всего они проявляются в более глубоком проникновении имплантированных атомов и в
более сложном, чем гауссова форма, распределении внедренных атомов по глубине мишени.
Поэтому важнейшими проблемами метода ионной имплантации в полупроводники являются: отжиг радиационных дефектов, повышение электрической активации вводимых атомов, определение формы распределения имплантированных атомов 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 (флюенсы ионов обычно менее 10 16 см-2), но
и применение ее для модификации химических, механических и оптических свойств твердых тел.
При больших флюенсах (D > 1016 см-2), достигающих п∙1018 см-2, 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 направление радиационной физики
твердого тела - ионная металлургия. Ионные пучки в этом случае используются для управления
такими важными для практики свойствами металлов и сплавов, как: механические, коррозионные,
сверхпроводящие, каталитические, магнитные, электрические, например, путем полиэнергетической ионной имплантации азота в подложку из бора созданы слои сверхтвердого материала - кубического нитрида бора (боразона). Твердость приповерхностной области подложки в этом случае
6
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 или арсенид галлия, создание доменных структур на магнитоактивных материалах,
т.е. создание систем с магнитной записью информации и др.
2. 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 в области энергий от 20 до 200 кэВ.
Максимальная энергия высокоэнергетических установок может превышать 1 МэВ.
Установки ионной имплантации обычно состоят из источника ионов, магнитного масссепаратора, систем ускорения и сканирования пучка, приемной камеры и вакуумной системы. Отличаются они в основном потенциалом приемной камеры относительно земли и взаимным расположением приемной камеры, масс-сепаратора и источника ионов (рис.1).
Рис.1. Схематическое изображение ионного имплантора
Источник ионов предназначен для возбуждения атомов рабочего вещества до энергии, как
минимум большей потенциала его ионизации, результате чего получают пучок положительно заряженных ионов. Поскольку для ионизации используется электрический разряд, все источники
ионов имеют одинаковые элементы:
 разрядную или ионизационную камеру (обычно несущая конструкция источника);
 анод для создания электрического поля внутри разрядной камеры;
7
 источник электронов (термокатод или холодный катод), служащий для эмиттирования в
зону разряда необходимого количества ускоренных электронов;
 магнитную систему для повышения эффективности ионизации и плотности плазмы в зоне
экстракции (извлечения) ионов;
 экстрагирующий электрод и электроды первичной фокусировки пучка, предназначенные
для извлечения ионов из зоны плазмы и первичного ускорения пучка ионов;
 системы подачи (испарения) рабочего вещества и источников питания (анода, экстрактора,
катода и электромагнитов).
В качестве рабочего вещества в разрядную камеру источника ионов подают такие газы, как
водород, гелий, аргон, азот или газообразные соединения BF3, РН3 и AsFe3. При использовании
твердых веществ, температура парообразования которых не превышает 1000 °С (олова, галлия,
сурьмы), 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 °С, сначала распыляют в атмосфере аргона или
ксенона пучком ионов этих газов, а затем ионизируют в плазме этого газа.
Масс-сепаратор служит для выделения из общего ионного пучка ионов необходимой массы и
заряда. Сепараторами являются секторные электромагниты, которые кроме того удаляют
нейтральные атомы и молекулы и компенсируют пространственный заряд сильноточного пучка.
Наиболее широко используют секторные электромагниты с углом поворота на 60° и 90° и
неоднородным магнитным полем. Такие электромагниты обладают лучшей дисперсией по массе,
чем электромагниты, имеющие однородное поле, а также позволяют фокусировать пучок ионов в
двух плоскостях и изменять его фокусное расстояние.
Принцип работы масс-сепоратора с секторным магнитом заключается в том, что радиус кривизны траектории движения иона в магнитном поле пропорционален отношению M1/g, где М1 - масса иона, a g - его заряд. Например, в однородном магнитном поле проекция траектории заряженной частицы на плоскость, перпендикулярную направлению магнитного поля, является частью
окружности с радиусом
1
P M 1U
M U  2
r

 4,55 10 4  1  B 1 ,
gB
gB
 k 
(1)
где Р = М1v - импульс частицы, М1 - масса иона в атомных единицах массы (а.е.м.), k - кратность заряда иона заряду электрона, U - разность потенциалов, пройденная ионом до попадания в масссепаратор, кВ; В - индукция магнитного поля, Тл; r - радиус траектории иона, М. Ионы с другими
отношениями М1/g будут двигаться по траектории с другим радиусом. Скорость иона после прохождения разности потенциалов, U на ускоряющем промежутке определяется из равенства энергий
8
1
M 1v  gU .
2
(2)
Например, для однократно ионизованного атома мышьяка (M1(As) = 74,9 а.е.м.), ускоренного
до 100 киловольт (кВ), скорость равна
 2  105 эВ  1,6  1019 
м
v
 5,07  105

 27
с
кг 
 74,9  1,66  10
(3)
где 1 а.е.м. = 1,66·10-27 кг и 1 эВ = 1,6·10-19 Дж.
Для однократно ионизованного атома As, ускоренного в поле U = 10 кВ, в магнитном поле
0,5 Вб/м2 (5000 гаусс), радиус траектории будет равен: r = 0,25 м. Таким образом, при заданных
ускоряющем потенциале и плотности магнитного потока радиус траектории прямо пропорционален квадратному корню от отношения массы к заряду.
Фокусируют пучки независимо от массы ионов электростатическими квадрупольными или
трехэлектродными линзами.
Система ускорения и формирования пучка наиболее часто представляет собой так называемую ускорительную трубку, состоящую из кольцевых стеклянных или керамических изоляторов и
металлических электродов, спаянных, склеенных или стянутых между собой. Эта систем, может
также выполняться в виде двух или трехэлектродных линз для создания одно- или двухзазорного
ускорения. К двухэлектродным линзам прикладывают извлекающее пучок ионов и ускоряющее
его напряжение, а к трехэлектродным подают к третьему электроду изменяющееся напряжение,
способствующее поддержанию постоянного фокусного расстояния при так же изменяющемся конечном напряжении.
Системы сканирования ионного пучка обеспечивают равномерное облучение ионами всей
поверхности мишени в приемной камере. Сканирование может быть электростатическим, электромагнитным, механическим или комбинированным. Для повышения производительности установки необходимо выбрать оптимальную систему сканирования, которая зависит от времени имплантации.
Для уменьшения времени облучения ионами можно увеличить ток пучка, что ограничивается влиянием пространственного заряда и температуры нагрева мишени. Установлено, что при токе
более 500 мкА пучок под действием собственного пространственного заряда в области, свободной
от влияния электростатических полей, начинает расширяться.
В электростатических системах сканирования (рис.2) увеличение сечения пучка ионов требует увеличения напряжения, прикладываемого к пластинам сканирования.
9
Рис.2. Электростатическая система сканирования: 1 - диафрагмы «электронного барьера»; 2 - пластины сканирования по оси y; 3 -пластины отклонения и сканирования по оси x; 4 - заземленная диафрагма; 5 – мишень
Электростатическое сканирование используют в слаботочных установках с индивидуальной
обработкой подложек. Ионный пучок перемещается в плоскостях x и у соответственно с частотой
от 100 до 500 и от 1000 до 4000 Гц, что создает равномерность легирования. Недостаток электростатического сканирования - необходимость увеличения общей длины установки для обеспечения
однородности легирования больших по диаметру пластин.
Различные системы механического и комбинированного сканирования, применяемые в установках для групповой обработки подложек, изображены на рис.3.
Механическая система сканирования, показанная на рис.3,а, представляет собой колесо с закрепленными на нем полупроводниковыми подложками, совершающее возвратно-поступательное
со скоростью v или вращательное с угловой скоростью ω движение относительно пучка ионов 1.
При такой системе получают постоянный угол имплантации. Такая система перемещения колеса
оказывается довольно сложной.
Механическая система сканирования, изображенная на рис. 3, б, перемещает подложки 2,
расположенные на конвейере 4, движущемся по овальной траектории в горизонтальной и вертикальной (вверх-вниз) плоскостях относительно пучка ионов 1. Эта система обеспечивает постоянный угол имплантации и скорость движения подложек. Недостатки ее - низкая скорость сканирования по вертикали, сложность конструкции и необходимость использовать устройство,
работающее в условиях вакуума, что ухудшает вакуум.
10
Рис.3. Системы механического (а-г) и комбинированного (д, е) сканирования: 1 - пучок ионов,
2 - полупроводниковые подложки, 3 - колесо, 4 - конвейер, 5 - основание, 6 - лента, 7 - диск
Механическая система, приведенная на рис.3,в, представляет собой плоское основание 5 с
закрепленными на нем полупроводниковыми подложками и имеет возвратно-поступательное
движение сверху-вниз и справа-налево, что не обеспечивает необходимой скорости перемещения
подложек и снижает производительность установки. В механической системе сканирования, широко применяемой в сильноточных установках (рис.3,г), по периферии быстровращающегося диска, одновременно линейно перемещаемого с небольшой скоростью, по радиусу расположены подложки. Однородность легирования получают, изменяя плотность пучка или скорость линейного
перемещения диска при сохранении его частоты вращения.
Комбинированные системы (рис.3,д, е) имеют электромагнитное сканирование по направлению плоскости х и механическое по направлению плоскости у и создают наиболее благоприятные
условия для равномерности легирования.
Приемная камера служит для размещения, подачи и легирования полупроводниковых подложек. На установках малых доз подложки обрабатываются поштучно. Загружают их в камеру
вручную или автоматически через входной шлюз партиями по 25 штук, в кассете или на диске, а
имплантируют индивидуально. Установки с автоматической подачей кассет имеют среднюю производительность 200-300 подложек в час при времени имплантации 5-10 с.
Установки малых и средних доз, а также сильноточные используют также для групповой обработки подложек (барабанная система, например). В конструкциях приемных устройств установок Scanibal фирмы Balzers и 200-1000 фирмы Varian процесс загрузки-выгрузки полностью автоматизирован. Через вакуумный шлюз проводится замена держателей (плоских кассет) с
закрепленными на них пластинами кремния.
Привод, обеспечивающий вращательное движение контейнера, работает в серворежиме и
совместно с кодирующим устройством позволяет определить для каждого держателя пластин по11
зицию загрузки-выгрузки. Устройство загрузки-выгрузки состоит из вакуумного шлюза с набором
держателей, которые поочередно выталкиваются в шлюз с карусели и обратно. Отличие двух систем (кроме принципа сканирования) состоит еще в том, что в установке Scanibal легируемая лицевая часть пластин обращена к центру карусели, а в установке 200-1000 - традиционно, наружу. В
сильноточных установках возникает проблема отвода тепла от мишени, так как, например, температура 90-120°С является критической для фоторезистов. Проблему отвода тепла можно решить
применением подложкодержателя из гибкого материала с высокой теплопроводностью или теплопроводящих паст.
Системы дозиметрии служат для определения дозы вбитых ионов и равномерности распределения ионов по поверхности подложки в процессе работы установок. В установках с электростатическим сканированием используют цилиндр Фарадея, который служит для измерения дозы
ионов непосредственно с поверхности изолированного подложкодержателя, с размещенной на нем
подложкой. В этом случае доза определяется общим током, проходящим от защитных экранов и
мишени к земле.
В универсальных системах дозиметрии применяют 4 независимых цилиндра Фарадея, расположенных в каждом углу растра, образуемого пучком ионов. Измеренные дозы интегрируются и
сравниваются со средней. Если отклонение превышает допустимые значения, процесс легирования останавливается.
Вакуумные системы установок малых доз должны обеспечивать вакуум не хуже 10 -5 Па, а
сильноточных 10-4 Па. Это обусловлено тем, что при длине пути ионов ≈ 1м в вакуумной системе
при вакуумных условиях, хуже указанных выше, становятся существенными процессы рассеяния
ионов и их перезарядки на атомах остаточных газов в установке. Наиболее распространены вакуумные агрегаты с диффузионными насосами, имеющие серьезный недостаток - большую вероятность оседания на поверхности обрабатываемых подложек пленок углеводородных соединений. В
некоторых установках используют безмасляные средства откачки: криогенные или магниторазрядные насосы, а также турбомолекулярные насосы, практически не откачивающие водород. Часто применяют комбинированные вакуумные системы, состоящие из агрегатов с диффузионными
насосами и ловушкой с жидким азотом для откачки источника ионов и агрегата безмасляной откачки приемной камеры.
К наиболее распространенным промышленным установкам для ионного легирования в странах СНГ относят системы типа «Везувий», «Везувий-3 и 3М», «Везувий-5», «Везувий-7М», «Везувий-8 и 8М», «Везувий-9 и 9М», «Везувий-13», а также системы «Лада-20» и «Лада-30».
В последние годы широко используются сильноточные установки ионной имплантации (фирмы:
Eaton Corp., США, Varian Corp., США Nissin Electric, Япония и др.), созданные для специальных целей
электроники, таких как создание структур кремний-на-изоляторе, гетеропереходов Si/SiC, силицидов
12
переходных металлов и др. Ионный ток в таких системах может достигать 200 мА, когда требуются
специализированные системы охлаждения источника и мишенного блока.
Для ионной металлургии обработки металлов и сплавов используют сильноточные имплантеры непрерывного действия и импульсные имплантационные системы, чаще всего без масссепарации пучка ионов (табл.1).
Таблица 1. Современные системы высокоэнергетической ионной имплантации и сильноточные
установки
Системы, фирмы
Энергия
Ток пучка
Ионы
Примечание
Высокие энергии
Hitachi
0,5-4 МэВ
>1 мА
газ, металл
масс-анализ
IAPP, Минск
0,4-2,5 МэВ
100 мкА
газ
масс-анализ
FOM, Amsterdam
1 МэВ
25 мкА
газ, металл
масс-анализ
CERN, Женева
4 МэВ
100 мкА
газ
масс-анализ
газ, металл
масс-анализ
Danfysik (CHORDIS)
Сильноточные
200 кэВ
5-40 мА
Colorado State Univ.
80кэВ
50 мА
газ
многозарядные ионы
MEVVA
10-300 кэВ
1 A/pulse, av. 20 mA
металл
импульсные многозарядные ионы
Harwell, Англия
100 кэВ
20 мА
газ
40кэВ
0,5 А
100 кэВ
>100мА
Raduga (Tomsk), Россия
Nissin Electric, Япония
импульсные многозарядные ионы
источник с испарением отAl, Si, Сu, Sc
рицательные ионы
газ, металл
Для приложений в технологии ультрабольших интегральных схем (ULSI) созданы ионные
установки для низкоэнергетической ионной имплантации (0,2-5 кэВ). В последние годы для создания мелкозалегающих легированных слоев в полупроводниках используют метод ионной имплантации из иммерсионной плазмы (immersion implantation). Широкого пучковые источники
плотной плазмы плазменные иммерсионные ионные имплантеры - универсалы и предназначены в
субмикронном технологии для имплантации ионов в пластины диаметром 200-300 мм с равномерностью 98-99%. Они рассчитаны на большие токи (например, 1 мА/см2), высокие скорости набора
дозы и широкий диапазон энергий ионов (100 эВ - 100 кэВ). Относительно низкоэнергетические
ионные пучки используют также для нанесения тонких слоев материалов (ion beam depоsition)
ионно-ассистируемого осаждения слоев, IBAD, а также ионно-лучевого перемешивания (ion beam
mixing).
2.1. Системы автоматизированного управления установками ионной имплантации.
Установки ионной имплантации являются сложным технологическим оборудованием, требующим в процессе функционирования регулировки и постоянного контроля нескольких десятков
13
взаимосвязанных параметров. Это предъявляет особые требования к профессиональной подготовке обслуживающего персонала. Квалифицированный оператор, работающий на отлаженном оборудовании, может получать свыше 98 % годных имплантированных пластин. Практика показывает, что до 50 % брака при выполнении операции ионной имплантации происходит в результате
ошибочных действий оператора. Единственным выходом из создавшейся ситуации является полная автоматизация процесса имплантации и в перспективе включение автоматически перестраиваемой системы имплантации в структуру гибкого автоматизированного производства изделий электронной техники.
IBAD - Ion Beam Assisted Deposition (ионно-лучевое осаждение); SIB и NSIB — Separated and
non-Separated Ion Beams (сепарированные и несепарированные ионные пучки)
Решение этой задачи в полном объеме предполагает разработку многоуровневой системы
взаимосвязанных управляющих устройств и сложного программного обеспечения, реализующего
функциональные возможности этой системы. В настоящее время в этом направлении концентрируются основные усилия разработчиков оборудования ионной имплантации. Достигнуты определенные успехи в разработке систем контроля и управления параметрами ионных источников и систем, формирующих ионный пучок, полностью автоматизирован процесс загрузки — выгрузки
пластин из кассеты в кассету в установках имплантации малых и средних доз с поштучной обработкой. Ряд зарубежных фирм (Varian, Eaton, Applied, Materials Danfystk и др.) уже выпускают
установки, в которых в той или иной степени автоматизирован процесс легирования. Тем не менее, с точки зрения решения задач, сформулированных выше, все существующие установки ионной имплантации можно считать пока управляемыми вручную; при этом требования к профессиональной подготовке оператора остаются высокими.
Основные трудности, встречающиеся на пути полной автоматизации установок ионной имплантации, связаны со сложностью объекта управления, отсутствием адекватного математического описания процесса, т.е. наличия жесткого алгоритма определения текущего состояния объекта
управления и окончательных характеристик процесса по контролируемому состоянию его входов,
и стохастичностью его поведения, ведущим, вообще говоря, к невоспроизводимости экспериментов. Эффективное решение задачи управления возможно лишь в случае взаимосвязанности и взаимообусловленности структур объекта управления, аппаратных средств системы управления и
программного обеспечения, реализующего все функциональные возможности системы.
Список литературы.
3.
Комаров Ф.Ф., Комаров А.Ф. Физические процессы при ионной имплантации в твердые
тела. - Минск: УП «Технопринт», 2001.
4.
Нанотехнологии в электронике/Под ред. Ю.А. Чаплыгина. М.: Техносфера, 2005.- 448 с.
14
ОПИСАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Ионное легирование. Особенности создания мелкозалегающих слоев»
Введение.
Технология ионной имплантации состоит во внедрении атомов в поверхностные слои в процессе бомбардировки ионами в диапазоне энергий от эВ до МэВ. Физические основы процесса перекрывают широкий диапазон физических свойств, которые чувствительны к присутствию малых
концентраций инородных атомов. Механические, электрические, оптические, магнитные свойства и
даже сверхпроводимость чувствительны к присутствию примеси и могут определяться их присутствием. Использование ускоренных ионов делает возможным внедрение широкого спектра примесных атомов вне зависимости от термодинамических факторов, что создает возможность получения
концентраций и профиля распределения внедренных атомов желаемого профиля внедряемых атомов. Во многих случаях такие распределения другими методами получить невозможно.
В последнее время интересы технологии ионной имплантации сосредоточены на проблемах
ионного внедрения, смешивания с помощью ионных пучков, ионно-стимулированых фазовых
трансформаций и ионного нанесения покрытий. Эти интересы стимулированы возможностями
синтеза новых материалов с перспективой их использования в полупроводниковых, трибологических, коррозионных, оптических и других технологий. Ионно-лучевая технология представляет
широкие возможности неравновесных методов внедрения примесных атомов в кристаллическую
решетку.
1. Ионная имплантация. Основные термины и определения. Профиль залегания примесей. Разупорядочение кристаллической решетки и аморфизация.
В типичных условиях ускоренные ионы внедряются с энергетическим потенциалом 10100 кэВ. Путем применения различных источников ионов можно получать потоки различных
ионов с достаточной интенсивностью для микроэлектронной технологии - 1014-1015 ион/см-2 является наиболее типичным диапазоном доз. Доза ионов определяется как число ионов на единицу
площади имплантируемой поверхности образца. В некоторых случаях вместо понятия доза используется термин флюенс. Плотность ионного пучка выражается в единицах А/см2. Скорость
набора дозы или флакс выражается в единицах ион·с-1·см-2.
1.1. Пространственное распределение примеси.
Одним из наиболее важных параметров процесса - взаимодействия ионов с твердотельной
мишенью - является глубина (range) залегания имплантированных атомов. Большое число экспериментальных и теоретических работ было посвящено изучению процессов диссипации и передачи энергии, которые определяют пространственное распределение внедренных частиц. Таким об15
разом, в настоящее время возможно точно предсказать основные параметры пространственного
распределения примеси в твердотельной подложке. Например, типичное распределение в аморфной мишени моноэнергетических ионов средних энергий представляет собой гауссово распределение и может быть охарактеризовано проекцией среднего пробега Rp и страгглингом ΔRp (Рис.1).
Использованные символы Z и M обозначают атомный номер и атомную массу, соответственно,
индексы Z1, M1 относятся к внедренным ионам, Z2 и M2 - параметры облучаемого образца (мишени). Для удобства энергия бомбардирующего иона записывается как E0 или E.
Рис.1. Профиль распределения имплантированной примеси в аморфную подложку. а - внедряемые ионы
имеют меньшую массу, чем атомы подложки, b - имеют большую массу
1.2. Разупорядочение кристаллической решетки.
Разупорядочение кристаллической решетки и эффекты радиационных нарушений вызываются в подложке бомбардирующим ионом. По мере того как внедряемый ион замедляется и останавливается, он испытывает множество соударений, смещая атомы мишени из положения равновесия.
Эти смещенные атомы могут в свою очередь смещать другие атомы, что в конечном итоге приводит к образованию сильно разупорядоченной области вокруг трека иона, как схематически показано на Рис.2 для типичных значений энергий 10-100 кэВ. При достаточно высоких дозах отдельные разупорядоченные области могут перекрываться, образуя аморфные или метастабильные
кристаллические слои.
16
Рис.2. Схематическое представление разупорядочения кристаллической решетки, вызванное имплантацией
тяжелых ионов энергией 10-100 кэВ
Рис.3 схематически показывает атомное расположение в кристаллических (а) и аморфных (b)
материалах. Кристаллические области имеют дальний порядок атомов; аморфные области обладают ближним порядком.
Рис.3. Расположение атомов в монокристалле (а) и аморфном материале (b)
Монокристаллические образцы содержат атомы, расположенные в определенных плоскостях
и рядах. Рис.3,а показывает картину расположения атомов в монокристалле в плане, где атомные
плоскости представлены параллельными парами линий. Поликристаллические образцы сформированы из мелких монокристаллов, называемых кристаллитами, плоскости и атомные ряды которых
17
могут быть разориентированы по отношению к соседним кристаллитам. Поликристаллический
слой на монокристаллической подложке показан на Рис.4.
Рис.4. Схематическое изображение (а) монокристалла с ориентацией кристаллографических плоскостей
нормально поверхности и (b) поликристаллического слоя на монокристаллической подложке
В системе единиц СИ Джоуль [1 Дж] является единицей измерения энергии, однако внесистемная единица электрон-вольт [1 эВ] традиционно используется для описания процессов взаимодействия частиц с твердым телом. Энергию, равную 1 эВ, имеет электрон, ускоренный разностью потенциалов 1 В.
1 эВ =1.602·10-19 Дж.
На практике обычно используются величины порядков 1 кэВ = 103 эВ и 1 МэВ = 106 эВ.
Каждая частица также характеризуется определенным атомным номером Z и атомной массой
A. Для ясности мы используем символ М, здесь он обозначает массу атома в кинематических
уравнениях. Атомный номер Z - число протонов и, следовательно, число электронов в нейтральном атоме. Атомная масса равна числу нуклонов в атоме (протонов и нейтронов).
Сводные данные по ряду частиц представлены в табл.1. Масса частиц также довольно часто
может быть задана через формулу Эйнштейна: E = Mc2.
Таблица 1. Массы некоторых элементарных частиц.
0.000549
1.007276
Масса
(10-27 кг)
9.1095x10
1.6726
Масса покоя
(МэВ)
0.511
938.3
u
1.00000
1.6606
931.7
n
D или 2H+
α или 4He2+
1.008665
2.01410
4.00260
1.6747
3.3429
6.6435
939.6
1875.6
3727.4
Частица
Обозначение
Атомная масса (u)
Электрон
Протон
Атомная единица
массы
(а.е.м.)
Нейтрон
Дейтерий
Альфачастица
e или ep или H+
Формула Эйнштейна также полезна для вычисления скорости частицы v массы M с энергией E:
1/ 2
 2E 
v

M 
1/ 2
 2E 
 c

 Mc 2 
18
.
(1)
Например, скорость иона 4He, обладающего энергией 2 МэВ, равна 9,8·106 м/с.
Задания.
1. Алюминий имеет ГЦК-решетку с плотностью 2,70 г/см3 . Вычислите атомную плотность
алюминия. Что такое атомарный объем?
2. Для канонического значения 1015 атом/см2 в монослое кубического кристалла оцените
объемную плотность и объем, занимаемый элементарной ячейкой.
3. Никель имеет ГЦК-решетку с атомной плотностью 9.14·1022 атом/см3, атомный вес 8,7 и
плотность 8,91 г/см3. Чему равна постоянная кристаллической решетки? Чему равен объем элементарной ячейки?
4. Кремний имеет кубическую решетку типа «алмаз», атомная плотность 5·10 22 атом/см3,
атомный вес 28,09 и плотность 2,33 г/см3. Оцените параметр кристаллической решетки.
2. Классическая теория рассеяния. Кинематика упругих соударений. Центр масс. Движение под действием центральных сил. Процессы, связанные с передачей энергии. Аппроксимация таких процессов.
2.1 Классическая теория рассеяния.
Классическая теория рассеяния ускоренных частиц традиционно использует следующие
приближения:
a) рассматриваются парные соударения;
b) процессы соударений описываются классической динамикой Ньютона;
c) возбуждение и ионизация атомов рассматриваются как источники диссипации кинетической энергии, но не учитываются во время протекания процессов соударений;
d) один из двух взаимодействующих атомов находится в покое.
Приближение (а) используется для описания высокоэнергетичных соударений. Такие соударения возникают в диапазоне энергий кэВ, что обусловливает необходимость нахождения взаимодействующих атомов на очень близком расстоянии друг от друга, поэтому вероятность соударения
трех или более атомов пренебрежимо мала. Слабые взаимодействия возникают в случае большого
расстояния между атомами и таким образом могут вовлекать в процессы рассеяния более чем два
атома одновременно. Кроме того, слабые взаимодействия могут быть описаны при помощи теории
возмущений, в которой нет запрета на соударения, кроме парных. При низких энергиях (< 1кэВ)
коллективные эффекты становятся существенными, и приближение (а) не работает. Однако проблемы, связанные со многочастичными соударениями при низких энергиях, могут быть преодеолены с помощью моделирования методами молекулярной динамики, где выполнения приближения (а) не требуется.
19
В случае приближения (b) применимость классического механизма обычно ограничивается
количественными параметрами, один из которых - дифференциальное сечение рассеяния dσ(θс),
где σс - угол рассеяния в системе центра масс.
Приближение (b) позволяет пренебречь электронным возбуждением в том случае, если энергия, сообщенная электронам, мала по сравнению с кинетической энергией, передаваемой атомами
во время рассеяния (угол рассеяния может быть рассчитан в случае упругих соударений) или если
нет существенного отклонения рассеиваемой частицы от первоначальной траектории. В любом
случае электронные потери энергии рассматриваются через поглощение энергии.
Приближение (d) о том, что одна из взаимодействующих частиц неподвижна, работает во
всех моделях, кроме методов молекулярной динамики. Однако это приближение не является справедливым для очень плотных радиационных каскадов.
2.2 Кинетика упругих соударений.
Задача об упругом соударении двух изолированных частиц может быть полностью решена из
принципов сохранения энергии и импульса. Соударения, в которых кинетическая энергия системы сохраняется, рассматриваются как упругие. При неупругих соударениях кинетическая энергия системы
не сохраняется. Примером таких процессов является переход электронов на более высокие энергетические уровни в процессах, где встречается существенное перекрытие K-оболочек атома. Потери
энергии на возбуждение электронов не происходит после рассеяния взаимодействующих частиц.
Налетающая частица массы М1 имеет скорость v0 и энергию E0 (E0 = 1/2M1v2), в то время как
атомы мишени массы M2 находятся в состоянии покоя. После соударения значение скоростей и
энергий налетающей частицы и мишени определяются углом рассеяния θ и углом отдачи φ. Представление в геометрии лабораторной системе координат даны на рРис.5.
Рис.5. Упругое столкновение двух частиц
Сохранение энергии и импульса в параллельных и тангенциальных направлениях описывается следующими уравнениями. Эти уравнения могут быть решены в различных формах.
20
1
1
1
E0  M 1v02  M 1v12  M 2 v22 ,
2
2
2
(2)
M1v0  M1v1 cos  M 2v2 cos ,
(3)
0  M1v1 cos  M 2v2 cos.
(4)
2.3. Координаты системы центра масс.
Задача столкновения и рассеяния, представленная на Рис.5, в настоящем разделе теперь будет вновь заявлена в терминах координат системы центра масс (С-системы). В С-системе взаимное
взаимодействие двух соударяющихся частиц может быть описано силовым полем V(f), которое зависит только от расстояния между частицами r. Движение обеих материальных точек задается одним уравнением движения. Это уравнение имеет r как независимую переменную и описывает
движение частиц в поле центральной силы V(r).
Координаты С-системы с двумя частицами определены таким образом, что в двухчастичной
системе суммарная сила взаимодействия этих частиц равна нулю. Мы можем определить суммарную силу двух взаимодействующих частиц как
FT  F1  F2 
dpT
,
dt
(5)
где FT - суммарная сила, F1 и F2 - силы взаимодействия частиц 1 и 2, соответственно, и pT - суммарный импульс системы из двух частиц. В данной системе FT = 0 и pT = 0.
В случае, представленном на Рис.6, скорость системы vc входит в следующее выражение:
M1v0  M1  M 2 vc .
(6)
Рис.6. Упругое рассеяние двух частиц разных масс в С-системе
Вводимая в С-системе приведенная масса задается соотношением
1
1
1


.
M c M1 M 2
или
21
(7)
Mc 
M 1M 2
.
M1  M 2
(8)
Скорость центра масс определяется выражением
vc  v0
Mc
M2
 v0
,
M2
M1  M 2
(9)
Из векторной диаграммы сложения скоростей, представленной на Рис.6, и выражения (8)
находим скорости частиц:
v1  vion  v0  vc  v0
v2  vatom  v0  v0
Mc
M2
 v0
,
M1
M1  M 2
Mc
M1
 v0
.
M2
M1  M 2
(10)
(11)
Одним из преимуществ данного представления является тот факт, что мы можем найти кинетическую энергию системы через приведенную массу:
Ec 
1
M c v02 .
2
(12)
2.4. Движение под действием центральных сил.
В наших рассуждениях мы ограничиваемся рассмотрением процессов рассеяния ускоренных
частиц только под действием центральных сил, где энергетический потенциал V есть функция
только от r (V = V(r)). Таким образом, необходимо рассмотреть задачу движения отдельной частицы массы Mc, перемещающейся под действием фиксированной центральной силы, которая будет
взята за начало координат. Задача имеет сферическую симметрию. Предположим, что в лабораторной системе одна из частиц является фактически неподвижной в начале координат O, в то время как в другой двигается со скоростью v. Это приближение работает, когда неподвижная частица
намного тяжелее движущейся.
Для консервативных центральных сил и определенного потенциала взаимодействия V(r) запишем полную механическую энергию для частицы массы М.
E  E r  


Mv r2 Mrv0 2
M 2
vr  v02  V r  

 V r .
2
2
2 Mr 2
(13)
Теперь вычислим диаметр столкновения - то минимальное расстояние, на котором рассеивающаяся частица «чувствует» рассеяние на атоме.
Согласно Рис.7 определим выражение, связывающее rmin и b.
Для rmin будет выполняться следующее выражение:
V rmin  b 2
0  1
 2 .
Ec
rmin
22
Принимая потенциал в виде кулоновского взаимодействия, мы можем записать выражение
для диаметра столкновения dc
d c  rmin
b  0
M1  M 2
Z1 Z 2 e 2
2

Z1 Z 2 e 
M 2 E0
Ec
Рис.7. Рассеяние частицы на атоме под действием центральной силы
Задания.
1. Вывести выражение для энергии атома мишени в лабораторной системе координат.
2. Запишите выражения для E1/E0 и E2/E0 для рассеяния в обратном направлении (θ = 0°) и
для рассеяния под прямым углом угла (θ = 90°) для М1 = M2, M1 > M2 и M1 < M2.
3. Какую максимальную энергию отдадут электроны, атомы кремния и меди, имеющие
энергию 100 эВ, при рассеянии на таком же наборе частиц?
4. В лабораторной системе отсчета ионы мышьяка с энергией 100 кэВ рассеялись на кремниевых атомах под углом θ = 10°. Чему равны v1, v2, φ, E2 в лабораторной системе отсчета? Чему
равны vion, θc и φc в системе центра масс?
5. Рассмотрите ион 4He с энергией 2 МэВ, имплантируемый в золото (кулоновский потенциал). Вычислите диаметр столкновения. Вычислите значение rmin для b = 0,5aL и 5aL.
3. Процессы рассеяния энергии. Торможение на ядрах атомов. Электронное торможение. Распределение пробегов. Основные понятия, используемые при вычислениях
Когда ион проникает в твердое тело, он подвергается ряду столкновений с атомами и электронами в мишени. В этих столкновениях бомбардирующая частица теряет свою энергию со скоростью dE/dx, что немногим менее 100 эВ·нм-1 в зависимости от энергии, массы, и атомного номера иона и материала подложки. Пробег иона R определяется скоростью потери энергии по всей
длине
23
0
R

E0
1
dE,
dE dx
где E0 - начальная энергия бомбардирующего иона. Знак dE/dx отрицателен, поскольку ион теряет
энергию в процессе торможения. В справочниках обычно табличные значения указываются без
знака «минус».
Главные параметры, определяющие длину пробега иона, - это начальная энергия E0, атомный
номер Z1 иона и атомов Z2 мишени. Кроме того, мы исключаем зависимость пробега от ориентации кристаллической решетки. Описываемые процессы являются вероятностными. Следовательно, все ионы данного типа и энергии в пучке не будут иметь одинакового пробега в мишени. Данный разброс пробегов ионов называется страгглингом. Практический интерес представляет не вся
длина пробега ионов, а ее проекция Rp по нормали к поверхности, что определяет глубину залегания примесного профиля.
3.1. Процессы потери энергии.
Скорость потери энергии dE/dx ионом, внедренным в твердое тело, определяется кулоновским взаимодействием с атомами мишени и электронами. Общепринято различать следующие механизмы потери энергии:
1) ядерные столкновения, в которых кинетическая энергия иона передается атому мишени
как целому;
2) электронные столкновения, в которых внедряемая частица возбуждает электроны в атомах.
Для большинства целей такое разделение удобно, хотя и не является строгой истиной.
Скорость энергетических потерь dE/dx может быть выражена как
dE dE
dE


,
dx dx n dx e
где индексы n и e обозначают ядерное и электронное торможение, соответственно.
Ядерные столкновения обусловливают большие дискретные энергетические потери и существенно изменяют траекторию движения иона (Рис.8). Эти столкновения ответственны за разупорядочение кристаллической решетки. Электронные столкновения имеют намного более малые
энергетические потери, незначительно изменяют траекторию движения иона. Относительный
вклад в торможение этих двух механизмов быстро изменяется с энергией E и атомным номером
Z1: ядерный механизм преобладает при низких E и больших Z1, тогда как электронное торможение
характерно для больших значений E и малых Z1.
24
Рис.8. Внедрение ионов в твердое тело. Взаимодействие с атомами решетки,
электронами сопровождается потерями энергии
В дополнение к скорости энергетических потерь вводится сечение торможения S, которое
определяется как
S
dE dx
,
N
где N - атомная плотность. Под сечением торможения следует понимать скорость энергетических
потерь на один рассеивающий центр.
Понимание механизмов потерь энергии важно не только для определения параметров залегания примесного профиля, но также и для определения природы разупорядочения кристаллической решетки под воздействием ионизирующего излучения.
3.2. Ядерное торможение.
При рассмотрении ядерного торможения наибольший интерес представляет усреднение скорости энергетических потерь при упругих соударениях ионов с атомами материала мишени на
единицу длины пробега.
Среднее значение потери энергии на отрезке dx можно получить интегрированием теряемой
энергии T по всем возможным значениям.
dPE 
dE   T
dT  N
dT
TM

Tmin
T
d  E 
dTdx,
dT
Сечение торможения определятся выражением
C m E 1 2 m
S n E  
1 m
 4 M 1M 2 

2
 M 1  M 2  
1 m
.
3.3. Электронное торможение.
Сравнение ядерных и электронных сечений торможения показано на Рис.9. Поясним, что параметр ε прямо пропорционален энергии иона, а ε 1/2 - его скорости.
25
Рис.9. Сравнение сечений торможения для ядерного и электронного механизмов рассеяния
Задания.
1. Покажите, что в случае лобового столкновения протона, летящего со скоростью v, с электроном максимальное изменение скорости электрона составит 2v. Как изменится скорости протона
мишени в случае лобового столкновения с бомбардирующим протоном?
2. Вычислите ядерное сечение торможения и dE/dx|n для меди в никеле для энергий ε = 0,1 и 1.
3. Вычислите ядерное сечение торможения ZBL для аргона в меди для энергий ε =0,1 и 1.
4. Вычислите dE/dx|e, для иона аргона с энергией 1 кэВ, внедряемого в медь.
4. Радиационные дефекты и энергия смещения. Смещения, возникающие в результате
прямого соударения, энергия смещения. Энергия ионов. Виды дефектов.
Теория радиационных нарушений базируется на том предположении, что атомы решетки
выбиваются либо энергичными ионами, либо вторичными ионами и должны получить энергию
для выхода из положения равновесия. Энергия, необходимая для выбивания атома из положения в
узле решетки называется пороговой энергией Ed. Если в процессе соударения передаваемая атому
решетки энергия Т меньше, чем Ed, атом решетки испытывает увеличение амплитуды колебания
без смещения из положения равновесия. Энергия колебаний атома решетки быстро распределяется среди ближайших соседей и является источником локального нагрева, однако если энергия Т
больше, чем Ed, выбиваемый атом может сдвигаться из узла решетки и перескакивать внутри решетки в качестве выбитого атома. В простейшем случае выбитый атом оставляет вакансию и занимает междоузельное положение в решетке. Этот дефект вакансия-междоузлие называется парой
Френкеля или френкелевским дефектом. Френкелевский дефект определяется как вакансия, создаваемая вышедшим из узла решетки атомом, который одновременно с этим занимает междоузельное положение. Таким образом, пара Френкеля есть вакансия и междоузлие совместно.
Энергия смещения Ed представляет собой энергию, которая необходима для выбивания атома из
узла решетки мишени и принятия им стабильного междоузельного положения. Эта энергия зависит от
26
направления импульса атома мишени. Таким образом, существует диапазон энергий смещения френкелевской пары. Пороговая энергия атомного смещения может быть косвенно определена из эксперимента путем измерения изменения электрической проводимости материала при облучении быстрыми
электронами при гелиевых температурах. Обычно измерение проводится на монокристаллической
подложке. Снимаются зависимости сопротивления от энергии падающих ускоренных электронов и от
ориентации кристалла по отношению к электронному пучку. Поскольку направление движения смещенного атома определятся динамикой соударения, следует ожидать случайных значений энергий в
реальном эксперименте. Ориентационная зависимость Ed, связанная со случайностью начального
направления движения, означает, что ожидание резкого изменения энергии является слишком упрощенным. В действительности же существует распределение энергий смещения. Усредненная по
направлению энергия движения приводит к усредненному значению Ed. Типичные значения для Ed это 16 эВ для кремния, 29 эВ для меди и 43 эВ для золота.
4.1. Радиационные каскады смещений, производимые первично выбитыми атомами.
В данном параграфе рассматриваются процессы атомных соударений, связанные со смещением других атомов первично выбитым атомом (ПВА) с энергией Е. Как показано на Рис.10, ПВА
возникает, когда выбивающая частица (ион) передает свой импульс одному из атомов кристаллической решетки. Если передаваемая атому энергия E значительно больше, чем Ed, то этот атом
может дополнительно смещать другие атомы. Данные соударения происходят довольно часто в
непосредственной близости друг от друга. Многократное смещение атомов в результате таких соударений обычно рассматривается как радиационный каскад смещений. Среднее число смещенных
атомов в каскаде, вызванных одним ПВА с энергией E будет определяться выражением N d E  ,
которое называется функцией радиационных смещений.
Рис.10. Схематическое представление радиационного каскада смещений,
вызванного первично выбитым атомом
27
Простейший расчет функции радиационных смещений базируется на модели твердых шаров
Кинчина-Пиза (1955 год). Модель Кинчина-Пиза имеет следующие допущения:
1. Столкновения происходят между одинаковыми атомами, то есть M1 = M2.
2. Вероятность переноса энергии определятся сечением взаимодействия между шарами
PE , T dT 
dT dT

, где γ = 1для M1 = M2.
E E
3. Каскад является следствием парных соударений.
4. Все столкновения - упругие, рассматриваются только ядерные процессы торможения частиц, исключая электронные.
5. Энергия, передаваемая смещенному атому, существенно меньше энергии баланса в парном столновении, т.е. кинетическая энергия передается выбиваемому атому.
6. Расположение атомов в твердом теле рассматривается как неупорядоченное, и существование кристаллической структуры не принимается во внимание.
7. Атом, получающий энергию меньшую, чем Ed, не смещается из положения равновесия. Также если выбитый атом остается с энергией, меньшей Ed, то он не принимает дальнейшего участия в
развитии каскада. Атом с энергией Ed < E < 2Ed смещается, но не участвует в дальнейшем процессе.
Из предположения 7 получаем следующие выражения:
N d E   0, E  Ed ,
N d E   1, Ed  E  Ed .
Кинчин и Пиз определили также критическую энергию Ec, теряемую ПВА на электронном
торможении (Рис.11). Значение Ec оценено для M2 и укладывается в порядок кэВ. Например, для
Ec(Cu) = 64 кэВ. Для ПВА с энергией, большей Ec, число смещений можно определить как
N d E  
Ec
, E  Ec 
2 Ed
Рис.11. Число выбитых атомов в радиационном каскаде, приходящихся на ПВА,
согласно модели Кинчина-Пиза
28
Обычно радиационные нарушения измеряются как смещения на атом (displacement per atom dpa). 1dpa означает, что в среднем каждый атом в решетке смещен один раз. Простое приближение
dpa(x) может быть выражено в виде модифицированного выражения Кинчина-Пиза
N d x  
0.8 FD  x 
,
2 Ed
где FD(x) имеет размерность единицы энергии на единицу длины. Зависимость dpa для φ может
быть оценена как
dpa x  
N d  x  0.4 FD  x 

.
N
NE d
Во многих случаях полезно рассчитать число dpa на всем треке иона. Прямой расчет требует
проинтегрировать предыдущее выражение по энергии в пределах от начальной энергии E0 до
энергии покоя частицы Ed.
dpa 
N d v 
0.4v0.8 

,
NR
NRE d
где N d v  - модифицированная функция Кинчина-Пиза для радиационного разрушения, вычисленная для значений энергии 0,8ε.
Задания.
1. Вычислите энергию дефектообразования для ПВА Si с энергией 3 кэВ. Чему равно справочное значение?
2. Для случая внедрения ионов B, P, As и Sb с энергией 50 кэВ в кремний найдите приближенное значение dpa для доз имплантации 5·1013 и 5·1015 см-2.
5. Особенности создания мелкозалегающих примесных слоев. Физические ограничения.
В последние годы повышенный интерес проявляется к процессам, происходящим в веществе
при облучении молекулярными и кластерными ионами, поскольку бомбардировка ими открывает
новые возможности для модификации и анализа свойств приповерхностных слоев. В частности,
имплантация кластерных ионов позволяет создавать сверхмелкие p−n-переходы, используя существующие имплантеры, не рассчитанные на создание пучков медленных ионов. Необходимость в
таких переходах диктуется уменьшением размеров интегральных схем, что является основной
тенденцией современной микроэлектроники. Заметим также, что имплантация молекулярных
ионов, получаемых из соединений BF3 и PF5, давно уже используется при легировании кремния.
Бомбардировка полупроводников ионами неизбежно приводит к накоплению радиационных
дефектов, влияющих практически на все электрофизические свойства. Процессы, происходящие в
полупроводниковой матрице при облучении атомарными и кластерными ионами, могут существенно различаться. Действительно, в последнем случае происходит перекрытие каскадов атом29
ных смещений, генерируемых отдельными атомами, составляющими кластерный ион и внедряющимися одновременно на очень близком расстоянии друг от друга. Таким образом, вблизи поверхности твердого тела возможно появление областей, в которых плотность введенной энергии
выше по сравнению со случаем облучения атомарными ионами в эквивалентных условиях. В результате эффективность многих процессов, сопровождающих внедрение ускоренных ионов (образование структурных нарушений, распыление, ионное перемешивание, электронная и ионная
эмиссия и др.), в расчете на один упавший атом может быть различна при облучении в эквивалентных условиях атомарными и кластерными ионами. Данный эффект известен как молекулярный эффект (МЭ), эффективность которого в случае образования структурных нарушений (γ)
обычно выражается как отношение концентраций стабильных дефектов в расчете на один упавший атом, создаваемых кластерным и атомарным ионами.
В данном примере образцы (100) Si, легированного бором, с удельным сопротивлением
ρ ≈ 12 Ом · см облучались атомарными ионами P+ , F+ , а также кластерными ионами PF+n (n = 1 . .
. 4) с энергией E = 2,1 кэВ/а.е.м. Имплантация проводилась под углом 7 ◦ по отношению к направлению [100] для подавления эффекта каналирования. Степень нарушения кристаллической структуры определялась с помощью метода спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния в
сочетании с каналированием (RBS/C). RBS/C-анализ проводился пучком He++ с энергией 0.7 МэВ,
рассеянным в детектор, находящийся под углом 103◦ по отношению к направлению падения анализирующего пучка. Данная геометрия эксперимента с малым углом скольжения к поверхности
образца ионов, рассеянных в детектор (13◦), позволяла существенно увеличить разрешение системы по глубине, что необходимо для исследования повреждения структуры в приповерхностных
слоях. Профили распределения по глубине относительной концентрации дефектов, нормированной на концентрацию атомов в мишени (для кремния n0 = 5·1022 см−3 ), рассчитывались из оригинальных RBS/C-спектров при помощи одного из общепринятых алгоритмов.
На Рис.12 представлены профили распределения дефектов по глубине (x) для облучения
кремния при комнатной температуре ионами F+ (a) и PF+ (b), т. е. самыми легкими и самыми тяжелыми из используемых в эксперименте атомарных и кластерных ионов. Нормированные энергия и
плотность потока ионов составляли Eamu = 2,1 кэВ/а.е.м. и Fdpa = 5,5·10−4 dpa/с. Реальные дозы облучения указаны на рисунке. Из Рис.12,a видно, что в случае облучения кремния одноатомными
ионами F+ наряду с объемным пиком дефектов, положение которого совпадает с максимумом
упругих потерь энергии, наблюдается также и поверхностный максимум дефектов. Подобное бимодальное распределение дефектов по глубине характерно для случая облучения кремния легкими
ионами при комнатной температуре, причем поверхностный пик дефектов обычно соответствует
тонкому поверхностному аморфному слою.
30
Рис.12. Профили распределения по глубине x относительной концентрации дефектов, нормированной на
атомную концентрацию мишени (n0 = 5 · 1022 см−3 ), для облучения кремния при комнатной температуре
ионами F+ с энергией E = 40 кэВ и плотностью потока ионов F = 3.4 · 1011 см−2 · с−1 (a) и PF+ с энергией
E = 225 кэВ и плотностью потока ионов F = 6 · 1010 см−2 · с−1 (b). Дозы облучения указаны
Совершенно другая картина накопления разупорядочения наблюдается при имплантации
кластерных ионов PF+. Из Рис.12,b видно, что в этом случае увеличение повреждения структуры
наблюдается в приповерхностной области до максимума упругих потерь энергии компонентов
кластерного иона. Это приповерхностное увеличение дефектности столь велико, что распределение структурных нарушений по глубине является практически одномодовым и накопление дефектов с ростом дозы облучения внешне выглядит как постепенное увеличение и расширение вглубь
пика структурных нарушений, начинающегося от поверхности. Однако рассматриваемый приповерхностный пик дефектов, образующийся при облучении кремния кластерными ионами PF+, не
является аморфным по всей глубине, как это имеет место при имплантации атомарных легких
ионов. Со стороны объема кремния к аморфному слою примыкает область с повышенной концентрацией нарушений, постепенно спадающей вглубь. Для получения детальной информации о распределении аморфной фазы по глубине необходимы дополнительные исследования методами, которые позволяют напрямую судить об аморфности структуры, например с помощью поперечной
электронной просвечивающей микроскопии (XTEM). Однако возникновение и расширение вглубь
31
по мере роста дозы аморфного слоя, начинающегося от поверхности, достаточно ясно прослеживается и на Рис.12,b.
Следует также отметить, что масса кластерного иона PF+ соизмерима с массой таких тяжелых ионов, как Ag. Однако характер накопления радиационного повреждения в кремнии при облучении кластерными ионами PF+ при комнатной температуре существенно отличается от случаев
облучения кремния такими тяжелыми одноатомными ионами. Действительно, при облучении
кремния тяжелыми ионами средних энергий распределение структурных нарушений по глубине
характеризуется отсутствием поверхностного пика нарушений, в то время как объемный пик располагается в области максимума упругих потерь энергии внедряющегося иона.
С ростом дозы этот единственный максимум устойчивых нарушений увеличивается по модулю и расширяется вплоть до образования сплошного аморфного слоя от поверхности до глубины проникновения ионов.
На Рис.13 представлены распределения дефектов по глубине для облучения кремния при
комнатной температуре атомарными ионами F+ и P+, а также кластерными ионами PF+ и PF+ с
энергией E = 2,1 кэВ/а.е.м. для одинаковых значений числа дефектов в расчете на один атом dpa =
0.29 dpa и скорости генерации дефектов Fdpa = 5,5·10−4 dpa/с. Реальные дозы составляли 1,8·1014,
1·1014, 4,8·1013, 3,1·1013 см−2 для ионов F+ , P+ , PF+ и PF+ соответственно. Из рисунка хорошо видно, что в области, где упругие потери энергии максимальны (50-60 нм), кластерные ионы PF+ производят приблизительно равное, а ионы PF+ даже несколько меньшее разупорядочение, чем атомарные ионы P+ , в то время как в приповерхностной области кластерные ионы создают
значительно большее количество дефектов, чем атомарные. Заметим, что более высокий уровень
разупорядочения в объемном максимуме дефектов при облучении кремния ионами P+ по сравнению со случаем облучения ионами F+ при заданном значении dpa не является неожиданным, поскольку плотность каскадов смещений в последнем случае заметно меньше. По этой же причине
мы наблюдаем (см. Рис.13) небольшое уменьшение уровня разупорядочения, создаваемое в объемном пике дефектов ионами PF+ по сравнению с атомарными ионами P+ .
32
Рис.13. Профили распределения по глубине относительной концентрации дефектов, нормированной на
атомную концентрацию мишени (n0 = 5·1022 см−3 ), для случая облучения кремния при комнатной температуре ионами F+ , P+ , PF+ и PF+ с энергией E = 2,1 кэВ/а.е.м. для одинаковых значений числа смещений в
расчете на один атом dpa = 0,29 dpa и скорости генерации смещений Fdpa = 5,5·10−4 dpa/c
Таким образом, наблюдается МЭ в накоплении радиационных повреждений, эффективность
которого максимальна вблизи поверхности и уменьшается по мере продвижения вглубь кремния.
Подобное поведение эффективности МЭ с глубиной может быть объяснено следующим образом.
МЭ обусловлен нелинейными процессами, возникающими из-за перекрытия каскадов атомных
смещений, формируемых атомами, составляющими кластерный ион. Эффективность подобного
пространственного перекрытия каскадов смещений велика только в приповерхностной области и
уменьшается по мере продвижения вглубь кремния. Оценки, основанные на статистическом анализе большого количества индивидуальных каскадов, полученные с помощью программы TRIM,
показали, что среднее расстояние между атомами, составляющими кластерный ион, увеличивается
по мере продвижения иона вглубь кремния. В области максимума объемного пика дефектов оно
составляет 24 нм, что приблизительно в 3 раза больше поперечного размера среднего индивидуального каскада смещений, формируемого ионом P+ или F+ на этой глубине.
Рассмотрим возможные причины, которые могут приводить к столь сильному приповерхностному увеличению разупорядочения при облучении кластерными ионами по сравнению с одноатомными.
Традиционно возникновение МЭ связывалось с ростом разупорядочения в нелинейных каскадах смещений и (или) термических пиках, создаваемых перекрывающимися областями торможения атомов, составляющих кластерный ион. Критериями такой нелинейности служат либо столь
высокая плотность смещений в каскаде, что соударения нельзя рассматривать как парные, либо
превышение средней энергии, передаваемой каждому атому в объеме каскада, над энергией, необходимой для плавления. Нелинейность каскада смещений также достигается в том случае, когда
33
плотность смещений в каскаде превосходит критическое значение, которое необходимо для катастрофического перехода поврежденного кристалла в аморфное состояние.
Вышеприведенные механизмы по крайней мере качественно объясняют возникновение МЭ
при накоплении структурных нарушений в результате облучения полупроводников тяжелыми не
очень быстрыми кластерными ионами и, возможно, более легкими и более быстрыми ионами, состоящими из большого числа атомов, когда действительно плотность смещений в суммарном каскаде может быть весьма велика согласно существующим представлениям. Что касается бомбардировки кластерными ионами, состоящими из сравнительно небольшого числа легких атомов, то в
целом каскады смещений, образуемые ими, не являются достаточно плотными. Обычно предполагалось, что высокая плотность в этом случае реализуется в отдельных субкаскадах, входящих в состав полного каскада, и перекрытие подобных субкаскадов и приводит к появлению нелинейности
в возникновении нарушений и соответственно к молекулярному эффекту.
Эффективность МЭ при имплантации в кремний атомарных и молекулярных ионов азота зависит от плотности потока ионов, что не должно наблюдаться, если „работают“ вышеприведенные
традиционные механизмы. Действительно, время генерации и (или) термализации энергетических
пиков составляет всего ∼ (1−10) пс, т. е. вероятность попадания другого иона в область локализации подобного пика за время его существования пренебрежимо мала при доступных в настоящее
время плотностях потока ионов. Более того, при самой высокой из использованных плотностях
потока (6,2·1012 атом/см2·с) МЭ вообще пропадал. Все это свидетельствует о том, что для столь
легких ионов при облучении кремния при комнатной температуре МЭ обусловлен новым механизмом, не связанным с нелинейностью образования дефектов на каскадной стадии.
Задания.
1. Описать структурную схему ионного ускорителя. Дать характеристику отдельным элементам по функциональной направленности и предельным техническим возможностям имплантеров, достигнутым к настоящему времени.
2. Какие конструкции источников ионов применяются в настоящее время?
3. Чем определяются предельно допустимые плотности ионного тока?
4. Методы подавления отрицательного влияния радиационных дефектов.
5. Какие типы отжига радиационных дефектов используются в современной технологии?
Заключение.
Общее рассмотрение с позиций требований развивающейся наноэлектроники показало, что
физические принципы построения процессов пучковых технологий нуждаются в привлечении новых подходов для создания, например, сверхмелких p-n переходов.
В данном пособии была сделана попытка описать наиболее существенные моменты физики
ионной имплантации к созданию сверхмелких залегающих примесных слоев. В первую очередь
34
внимание уделялось кинетике радиационных процессов. Процессы диффузии примесных атомов,
явления перемешивания можно опустить ввиду их малого влияния на рассматриваемый случай.
Анализ развития кремниевой наноэлектроники и нанотехнологии позволяет сделать дополнительные выводы о необходимости изучения процессов ионного внедрения и ионного синтеза, а
также контроля за введением радиационных дефектов для создания нового поколения наноразмерной элементной базы электроники, что и является одной из основных целей чтения курса
«Ионное легирование. Особенности создания мелкозалегающих слоев».
Список литературы.
1. Nastasi M., Mayer J.W. Ion Implantation and Synthesis of Materials. Springer Series in Materials Science. - 2006. - 266 p.
2. Комаров Ф.Ф., Комаров А.Ф. Физические процессы при ионной имплантации в твердые
тела. - Минск: УП «Технопринт», 2001.
3. Нанотехнологии в электронике/Под ред. Ю.А. Чаплыгина. М.: Техносфера, 2005.- 448 с.
35