Распределения ионно-имплантированных примесей в многослойных структурах: Практикум к спецкурсу ''Моделирование в микроэлектронике''

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т

Р аспр е де л е н и я и он н о-и м пл ан ти р ован н ы х пр и м е се й в м н огосл ойн ы х стр у кту р ах Практику м к спецку рсу “М оделирование в микроэлектронике” по специаль ности 014100 "М икроэлектроника и полу проводниковы еприборы "

В оронеж 2003

2

У тверж ден нау чно-методическим ф аку ль тетаот 19 января 2003 г.

советом

ф изического

Составители: Бы кадороваГ.В . Голь дф арб В .А . К ож евниковВ .А . Н ау ч. ред. А сессоровВ .В .

Практику м подготовлен на каф едре ф изики полу проводников и микроэлектроники В оронеж ского госу дарственного у ниверситета. Рекоменду ется для сту дентов4 и 5 ку рсовф изического ф аку ль тета специаль ности 014100 "М икроэлектроника и полу проводниковы е приборы ", а такж е сту дентов6 ку рса, обу чаю щ ихся вмагистрату ре по направлению "Ф изика" (программа "Ф изика полу проводников. М икроэлектроника").

3

СО Д Е РЖ А Н И Е

1. Построениепроф илей ионно-имплантированны х примесей в многослой ны х стру кту рах методом подборадоз… … … … … … … ...…

4

2. Построениепроф илей ионно-имплантированны х примесей в двухслой ны х стру кту рах методом составны х проф илей … … … … …

13

3. Построениепроф илей ионно-имплантированны х примесей в трехслой ны х стру кту рах методом составны х проф илей … .… … … … . 18 4. Построениепроф илей ионно-имплантированны х примесей в многослой ны х стру кту рах методом энергетических потерь … … … . 20 Л итерату ра … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … … … … .

30

4 1. П остр ое н и е и он н о-и м пл ан ти р ован н ы х пр оф и л е й в м н огосл ойн ы х стр у кту р ах м е тодом подбор а доз В процессе ионного легирования пассивиру ю щ ие пленки SiO2 позволяю т предохранить поверхность подлож ек от загрязнения и повреж дений , а такж е аморф изировать поверхностны й слой с цель ю у странения эф ф екта каналирования. К роме того, пассивиру ю щ ие пленки предотвращ аю т обратну ю диф ф у зию и испарение имплантированны х ионов, обладаю щ их вы сокой лету честь ю . М етод подбора доз обладает вы сокой эф ф ективность ю при моделировании ионно-имплантированны х проф илей в многослой ны х стру кту рах. С помощ ь ю этого метода мож но полу чить приемлему ю адекватность проф иля распределения примеси с минималь ны ми вы числитель ны ми затратами. М етод подбора доз основан на статистических распределениях примесей и численном интегрировании доз в каж дом слое. М етод подбора доз реализу ется по следу ю щ ему алгоритму . Пу сть заданамногослой ная стру кту ра, содерж ащ ая N слоев (рис.1) с глу бинами залегания границ раздела di (i=1,2,...N). Распределение ионноимплантированны х примесей вкаж дом i-ом слое описы вается ф у нкцией fi(x) с соответствую щ им нормиру ю щ им множ ителем Nmi, в качестве которой мож етбы ть вы браналю бая из известны х ф у нкций распределения (гау ссовские, Пирсон-4 и т.д.). Распределениевнедренной примеси n1(x) впервом слоеесть n1 ( x ) = N m1 f1 ( x) .

(1)

Д озаQ1, т. е. количество остановившихся ионоввпервом слое, равна d1

Q1 = ∫ N m1 f 1 ( x )dx . 0

Д алее, полагая, что вся стру кту ра вы полнена из материала слоя 2, определим глу бину d1', на которой остановилось число ионовQ1', равное дозеQ1, из у словия d1/

Q = Q1 = ∫ N m2 f 2 ( x )dx . / 1

0

Т аким образом, для определения проф иля во втором слое необходимо сдвину ть исходны й проф иль второй среды на ∆d1=d1′-d1 к границеразделанаглу бинеd1: (2) n2 ( x) = N m 2 f 2 ( x + ∆d1 ) . Перей дя к треть ему слою , определим количество ионов, внедренны х впервы едваслоя, ′

d2

Q2 = Q1 + ∫ N m 2 f 2 ( x + ∆d1 )dx . d1

5 В предполож ении, что вся стру кту ра вы полнена из вещ ества слоя 3, определим глу бину d2′, на которой остановилось то ж е число ионовQ2′, что и впреды ду щ их слоях: d 2/

Q = / 2

∫N

f ( x )dx .

m3 3

0

И з у словия Q2 = Q2' находим d2' и, соответственно, величину сдвига ∆d2 = d2' - d2, на котору ю следу ет сместить исходны й проф иль треть ей среды Nm3f3(x) к границе d2. Т огда распределение примеси втреть ем слое бу дет n3 ( x ) = N m3 f 3 ( x + ∆d 2 ) .

(3)

А налогично рассчиты ваю тся проф или во всех последу ю щ их слоях. Рассмотрим построение проф илей ионно-имплантированны х примесей в многослой ны х стру кту рах методом подбора доз с неу сеченны ми гау ссовскими распределениями. В этом слу чае проф или в каж дом i-ом слое описы ваю тся неу сеченны ми гау ссианами ni ( x ) =

 (x − R pi )2  Q exp  − . 2∆R pi2  2π ∆R pi 

(4)

Согласно методу подбора доз, количество ионов, остановившихся в первом слое, равно Q1 =

d1

∫ n ( x)dx = 1

−∞

d1  ( x − R p1 ) 2  d1 − R p1  Q Q dx erf exp 1 − = +  .   2∆R p21  2  2π ∆R p1 −∫∞ 2∆R p1  

слой N f2(x)

fN(x)

f3(x)

Nmn

nN(x)

dN

Рис. 1. Распределениеионно-имплантированной примеси вмногослой ной стру кту ре

6 И з предполож ения, что вся стру кту ра вы полнена из материала второго слоя, определим глу бину d1', накоторой остановилось число ионов Q1', равноеQ1: Q1' =

d1'

∫ n2 ( x )dx =

−∞

Q 2π ∆R p 2

d1'

∫e

−

( x − R p 2 )2 2 ∆R p2 2

dx =

−∞

d1' − R p 2  Q 1 erf + .  2  2 ∆R p 2 

Т огдаиз у словия Q1′=Q1, полу чим d 1' = R p 2 + (d 1 − R p1 )

∆R p 2 ∆R p1

(5)

.

Следователь но, сдвиг ∆d1 бу детравен ∆d1=d1'-d1= R p 2 − d1 + (d1 − R p1 )

∆R p 2 ∆R p1

,

араспределениево втором слоезапишется как ( x − d1 + ( d1 − R p1 )

n 2 ( x) =

−

Q 2π ∆R p 2

∆R p 2 ∆R p1

)2

2 ∆R 2p 2

e

,

d1 ≤ x ≤ d2.

(6)

При переходе к треть ему слою , обозначив d1 − (d1 − R p1 )

∆R p 2 ∆R p1

≡ R p' 2 ,

определим количество ионов, остановившихся впервы х двух слоях,  ∆R p 2  x − d1 + d1 − R p 1  ∆R p 1  − 2 ∆R p2 2

(

d2

Q2 = Q1 + ∫ n2 ( x)dx = Q1 + d1

d

2 Q e 2π ∆R p 2 d∫1

)

   

2

dx.

Сделавзамену переменной z = ( x − R p' 2 ) /( 2∆R p 2 , полу чим d 2 − R p' 2

Q 2 = Q1 +

Q π

d 2 − R 'p 2

2 ∆R p 2

∫

e − z dz = Q1 + 2

d1 − R 'p 2

Q π

2∆R p 2 −z2

∫e 0

d1 − R p' 2

dz −

Q π

2 ∆R p 2 −z2

∫e

dz =

0

2 ∆R p 2

d 2 − R p' 2 d 1 − R p' 2  Q = Q1 + erf − erf . 2  2 ∆R p 2 2 ∆R p 2 

И з предполож ения, что вся стру кту равы полненаиз материалатреть его слоя, определим глу бину d2′, на которой остановилось число ионовQ2′, равноеQ2: Q = ' 2

d 2'

∫ n3 ( x )dx =

−∞

d 2' − R p 3  Q 1 + erf . 2  2 ∆R p 3 

7 И з у словия Q2′=Q2, полу чим

или

d 2' − R p 3  d 2 − R 'p 2 d1 − R p' 2  Q Q − erf ,  = Q1 + erf 1 + erf 2  2  2∆R p 3  2∆R p 2 2∆R p 2 

erf

d 2' − R p 3 2 ∆R p 3

=

d 2 − R p' 2 d 1 − R p' 2   Q 2  Q + erf − erf    − 1.  1 Q 2  ∆ R ∆ R 2 2 p2 p2    

Глу бина d2′ находится из решения данного трансцендентного у равнения. Распределение втреть ем слое с у четом ∆d2=d2′-d2 запишется в виде n3 ( x) =

Q 2π ∆R p 3

 (x − ∆d 2 − R p 3 )2  exp  − , d 2 < x < d 3 . 2 ∆R p2 3  

(7)

О бобщ ая приведенны е вы ше рассу ж дения на слу чай i-го слоя, полу чим Qi −1

d i −1 − R 'p (i −1) d i − 2 − R 'p (i −1)  Q = Qi − 2 + erf − erf ; 2  2∆R p (i −1) 2∆R p (i −1) 

R 'p (i −1) = R p (i −1) − (d i'− 2 − d i − 2 ); erf

di'−1 − R pi 2∆R pi

=

2 Qi −1 − 1; Q

∆d i −1 = d i' −1 − di −1;

 (x − ∆di −1 − R pi )  Q exp −  , d i −1 < x < d i . 2∆R pi2 2π ∆R pi  

(8)

2

ni ( x) =

Полу ченны е реку ррентны е соотношения (8) позволяю т вы числить концентрационны е проф или ионно-имплантированны х примесей влю бой многослой ной стру кту рес лю бы м числом слоев. Е сли имплантация проводится в кремниевую подлож ку с противополож ны м типом проводимости по отношению к типу легиру ю щ ей примеси, то возмож но возникновение одного или двух p-n переходов. В данной модели аналитическое вы раж ение для глу бин залегания p-n переходов отсу тствует, поэтому величины xj1 и/или xj2 определяю тся как точки, где соответственно Ni≤0 и Ni+1≥0 и/или Ni≥0 и Ni+1≤0. Т огда x j1,2 = (x j + x j+1 ) 2 .

8 Задания 1. М етодом подбора доз с неу сеченны ми гау ссовскими распределениями рассчитать концентрационны й проф иль и глу бину залегания p-n переходов при легировании стру кту ры Si3N4-SiO2-Si ионами бора с энергией 100 к э В и дозой 5 м к Кл/с м 2. И сходная подлож ка кремния марки К Э Ф 7.5, толщ ины слоев нитрида кремния и окисла соответственно равны 0.07 и 0.02 м к м . Построить резу ль тиру ю щ ий граф ик распределения примеси в исследу емой стру кту ре вкоординатах ln(N)-x и глу бину залегания p-n перехода. Решение Подлож ка кремния марки К Э Ф 7.5 имеет исходну ю концентрацию Nи с х, которая оценивается по у дель ному сопротивлению ρ=7.5 О м ⋅с м и подвиж ности основны х носителей зарядаµn=1400 с м 2/(В ⋅с ): N и хс =

1 1 = = 5.95 ⋅ 1014 с м −3 . −19 eρµ n 1.6 ⋅ 10 ⋅ 7.5 ⋅ 1400

Посколь ку толщ ины слоевнитридакремния и окисласоответственно равны 0.07 и 0.02 м к м , то глу бины залегания границ раздела бу ду т d1=0.07 м к м и d2=0.09 м к м . При энергии ионов бора Е =100 к э В параметры распределений в каж дой средезаданной стру кту ры Si3N4-SiO2-Si соответственно равны : Rp1=1.860⋅10-5 с м ; ∆Rp1=4.01⋅10-6 с м ; Rp2=2.467⋅10-5 с м ; ∆Rp2=5.29⋅10-6 с м ; Rp3=2.964⋅10-5 с м ; ∆Rp3=7.33⋅10-6 с м . Д ля решения задачи далеемож етбы ть исполь зованапрограммаPR1, написанная на язы ке Паскаль и реализованная в системе MS-DOS. ПрограммаPR1 винтерактивном реж имепозволяетрассчитать проф иль и глу бины залегания p-n переходоввмногослой ной стру кту ре с лю бы м числом слоевпослеионной имплантации. Program PR1; {М Е Т О Д ПО Д БО РА Д О З} const pi=3.1415926; var n,x:array[0..10,0..20] of double; d,d1,dd,ni,xj1,xj2:array[0..10] of double; rp,rp1,drp1,q:array[0..10] of double; p,doza,h,xmax,u,u1,rpm:double; k,m,i,j:integer; t:text; o,tip:char; function fn1(z:double):double; begin z:=z-dd[i-1]-rp[i]; z:=z/drp[i] *z/drp[i]/2;

9 fn1:=doza*exp(-z)/(sqrt(2*pi) *drp[i]) end; function erf(z:double):double; {вы числениеerf-ф у нкции} var s,sx:double; j:integer; begin sx:=z; s:=z; j1:=1; repeat sx:=-sx*z/(2*j1+1) *z/j1* (2*j1-1); s:=s+sx; j1:=j1+1 until abs(sx)(2*q[i-1]/doza-1) then a:=u else b:=u; f:=abs((c-(2*q[i-1]/doza-1))/c) until frpm then begin rpm:=rp[i]; j:=i end;

10 xmax:=rpm+6*drp[j]; d[0]:=0.0; d[m]:=xmax; for i:=1 to i:=m-1 do d[i]:=d[i-1]+d[i]; dd[0]:=0.0: d1[1]:=rp[2]+(d[1]-rp[1]) *drp[2]/drp[1]; dd[1]:=d1[1]-d[1]; q[1]:=doza/2* (1+erf((d[1]-rp[1])/(sqrt(2) *drp[1]))); for i:=3 to m-1 do begin rp1[i-1]-(d1[i-2]-d[i-2]-d[i-2]); q[i-1]:=erf((d[i-2]-rp1[i-1])/(sqrt(2) *drp[i-1])); q[i-1]:= erf((d[i-1]-rp1[i-1])/(sqrt(2) *drp[i-1]))-q[i-1]; q[i-1]:=q[i-2]+dosa/2*q[i-1]; delen; d1[i-1]:=u; dd[i-1]:=d1[i-1]-d[i-1] end; for i:=1 to m do begin if im then h:=(d[i]-d[i-1])/10 else h:=(xmax-d[i-1])/20; if im then k:=10 else k:=20; for j:=0 to k do begin x[i,j]:=d[i-1]+h*j; n[i,j]:=fn1(x[i,j])-ni[i] end; xj1[i]:=-1; xj2[i]:=-1; p=-1; for j:=1 to k do begin if ((n[i,j-1]=0)) then xj1[i]:=(x[i,j-1]+x[i,j])/2; if ((n[i,j-1]>=0.0) and (n[i,j]=0.0 then begin p:= xj1[i] end end; if (pxj2[i]) then begin if xj2[i]>=0.0 then begin p:= xj2[i] end end; end end; writeln (‘ ’); writeln (‘ таблицараспределения примеси: ’); writeln (‘ ’); writeln (‘ x,мкм N,см-3 lg | N | ’); for i:=1 to m do begin writeln (‘ ’); writeln (‘ B ‘ ,i:2, ‘-ом слое: ’); if i m then k:=10 else k:=20; for j:=0 to k do writeln (x[i,j] *1e4:6:2,’ ‘,n[i,j]:9,’ ‘,ln(abs(n[i,j])):9); if ni[i]0.0 then if (xj1[i])>=0.0) and (xj2[i])>=0.0) then writeln (‘ дваp-n переходанаглу бинах ‘,xj1[i] *1e4:5:2, ‘ мкм и ‘,xj1[i] *1e4:5:2, ‘ мкм) else if xj2[i]:>=0.0 then writeln (‘ один p-n переход наглу бине‘,xj1[i] *1e4:5:2, ‘ мкм); END. В резу ль тате решения поставленной задачи с исполь зованием данного программного обеспечения полу чены следу ю щ ие резу ль таты и построен граф ик (рис.2).

11 Т А БЛ И Ц А РА СПРЕ Д Е Л Е Н И Я ПРИ М Е СИ х, м к м 0.00 0.01 0.01 0.02 0.03 0.04 0.04 0.05 0.06 0.06 0.07 0.07 0.07 0.07 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.09 0.09 0.09 0.09 0.12 0.15 0.19 0.22 0.25 0.28 0.32 0.35 0.38 0.41 0.45 0.48 0.51 0.54 0.57 0.61

N, с м -3 В 1-ом слое: 9.36e+13 2.07e+14 4.45e+14 9.26e+14 1.87e+15 3.66e+15 6.96e+15 1.28e+16 2.30e+16 3.98e+16 6.70e+16 в2-ом слое: 5.08e+16 5.66e+16 6.30e+16 7.00e+16 7.78e+16 8.62e+16 9.54e+16 1.05e+17 1.16e+17 1.28+17 1.41e+17 в3-ем слое: 4.58e+16 1.44e+17 3.73e+17 7.93e+17 1.39e+18 2.00e+18 2.37e+18 2.32e+18 1.86e+18 1.23e+18 6.74e+17 3.03e+17 1.12e+17 3.36e+16 8.00e+15 1.18e+15 -2.92e+14

Lg |N| 3.22e+01 3.30e+01 3.37e+01 3.45e+01 3.52e+01 3.58e+01 3.65e+01 3.71e+01 3.77e+01 3.82e+01 3.87e+01 3.85+01 3.86e+01 3.87e+01 3.88e+01 3.89e+01 3.90e+01 3.91e+01 3.92e+01 3.93e+01 3.94e+01 3.95e+01 3.84e+01 3.95e+01 4.05e+01 4.12e+01 4.18e+01 4.21e+01 4.23e+01 4.23e+01 4.21e+01 4.17e+01 4.11e+01 4.03e+01 3.93e+01 3.81e+01 3.66e+01 3.47e+01 3.33e+01

12 0.64 0.67 0.70 0.74

-5.53e+14 -5.9e+14 -5.95e+14 -5.95e+14

3.39e+01 3.40e+01 3.40e+01 3.40e+01

О дин p-n переход наглу бине0.59 м к м втреть ем слое. N, с м -3 1E+19 1E+18 1E+17 1E+16 1E+15 1E+14 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

x,м км Рис. 2 Распределениевстру кту ре Si3N4-SiO2-Si бора, внедренного с энергией 100 кэВ и дозой 5 мкК л/см2 в кремниевую подлож ку марки К Э Ф 7.5 В опросы 1. С какой цель ю наносятся пассивиру ю щ ие пленки при проведении ионной имплантации? 2. М ож ет ли бы ть полность ю у странен эф ф ект каналирования аморф изацией окисны ми пленками? 3. В чем су ть методаподборадоз? 4. К акие ф у нкции распределений могу т бы ть исполь зованы в методе подборадоз? 5. В каком слу чаевеличинасдвига∆di равнану лю ? 6. М ож етли величинасдвига∆di иметь отрицатель ноезначение? 7. О тчего зависитвеличинаи знак сдвига∆di? 8. В ы вести реку ррентны е соотношения (8) для слу чая построения проф илей ионно-имплантированны х примесей в многослой ны х стру кту рах методом подбора доз с у сеченны ми гау ссовскими распределениями. 9. В ы вести ф орму лу для расчета глу бин залегания p-n переходоввслу чае их ф ормирования вi-ом слое ионно-имплантированной многослой ной стру кту ры , распределение примеси в которой находится методом подборадоз с неу сеченны ми гау ссианами.

13 10. В ы вести ф орму лу для расчетаглу бин залегания p-n переходоввслу чае их ф ормирования вi-ом слое ионно-имплантированной многослой ной стру кту ры , распределение примеси в которой находится методом подборадоз с у сеченны ми гау ссианами. 11. К ак могу тбы ть най дены глу бины залегания p-n переходоввслу чае их ф ормирования в i-ом слое ионно-имплантированной многослой ной стру кту ры , распределение примеси в которой находится методом подборадоз с распределениями Пирсон-4? 12. К ак могу тбы ть най дены глу бины залегания p-n переходоввслу чае их ф ормирования в i-ом слое ионно-имплантированной многослой ной стру кту ры , распределение примеси в которой находится методом подборадоз с сопряж енны ми гау ссианами? 13. Почему награницах разделасред наблю даю тся скачки концентрации? 14. К огда скачок концентрации ионно-имплантированны х примесей на границеразделаслоевполож итель ны й (отрицатель ны й )? 15. В каком слу чае скачок концентрации ионно-имплантированны х примесей награницеразделадвух сред равен ну лю ?

2. П остр ое н и е и он н о-и м пл ан ти р ован н ы х пр оф и л е й в дву хсл ойн ы х стр у кту р ах м е тодом составн ы х пр оф и л е й Д ля теоретического построения проф илей вдвухслой ны х стру кту рах мож етбы ть исполь зован метод составны х проф илей . Пу сть отдель но известны проф или распределения ионоввслоях окиси кремния SiO2 и кремния Si при легировании дозой Q (рис. 3).

N(x)

SiO 2

Si

N(x)

SiO 2

Si

d2-d1

d1

x

d2 a)

x

d1 б)

Рис. 3 Проф или распределения имплантированны х ионоввсредах SiO2 и Si (а) и резу ль тиру ю щ ий проф иль (б)

14 Н а проф иле SiO2 проведем сечение на глу бине d1, равной толщ ине слоя SiO2. Д озы имплантированны х ионовслеваи справаотсечения равны соответственно Q1 и Q2. Н а проф иле вкремнии проведем сечение на глу бине d2 так, чтобы количество ионовслева Q1' бы ло равно Q1, а количество ионовсправа Q2'=Q2. Составив теперь части проф илей Q1' и Q2', полу чим искомы й проф иль (рис.2,б). Посколь ку легированиеобласти кремния ведется через слой SiO2, то имплантация проводится при достаточно вы соких энергиях, при которы х для основны х примесей вы полняется у словие Rp≥3∆ Rp. Следователь но, в приближ ении неу сеченной гау ссианы Q1 =

d1  (x − R p1 )2  d 1 − R p1  Q Q , exp  − dx = 1 + erf 2 ∫ 2 ∆R p1  2 2π ∆R p1 −∞  2 ∆R p1 

d1

∫ N ( x )dx = 1

−∞

Q = ' 1

Q 2π ∆R p 2

 (x − R p 2 )2  d 2 − Rp2  Q  , = + dx erf exp − 1   ∫−∞  2∆R p2 2  2   ∆ π R 2 p2     d2

где Rp1, Rp2 - нормаль ны е пробеги ионов в слоях SiO2 и Si соответственно;•Rp1, •Rp2- страгглинги пробегов в слоях SiO2 и Si соответственно. И з равенстваQ1=Q1' следу ет erf

d 1 − R p1 2 ∆R p1

= erf

d 2 − R p2 2 ∆R p 2

,

отку да d 1 − R p1 2 ∆R p1

=

d2 − Rp2 2 ∆R p 2

, и d 2 = R p 2 + ( d 1 − R p1 )

∆R p 2 ∆R p1

.

В области SiO2 проф иль описы вается гау ссианой N1 ( x) =

 ( x − R p1 ) 2  Q exp  − , 2∆R p21  2π ∆R p1 

0 ≤ x ≤ d1.

(9)

В области кремния вследствие сдвига исходного распределения на отрезок d2 - d1 распределениеимеетвид  ( x + (d 2 − d1 ) − R p 2 ) 2  Q N 2 ( x) = exp  − = 2∆R p2 2 2π ∆R p 2   ∆R p 2 2    ( x − d 1 + ( d 1 − R p1 ) ∆R )  p1 , × exp  − x ≥ d1. 2   2∆R p 2    

Q × 2π ∆R p 2

(10)

15 Погрешность аппроксимации распределения составляетвеличину R p 2 − R p1 η=

во втором слое

∆R p 2 ∆R p1

R p2

.

(11)

Е сли имплантиру ется стру кту ра с кремниевой подлож кой противополож ного типа проводимости по отношению к типу легиру ю щ ей примеси, то возмож но возникновениеодного или двух p-n переходов. Проанализиру ем у словия ф ормирования p-n переходов, глу бины залегания хj1,2 которы х находятся из у словия N 2 ( x j1,2 ) − N ucx = 0 ,

гдеNи с х - концентрация исходной примеси вслоекремния. Т огда x j1, 2 = d 1 − ( d 1 − R P1 )

∆R P 2 Q . ± ∆R P 2 2 ln ∆R P1 2π ∆R P 2 N ucx

(12)

Слу чай ф ормирования двух p-n переходовизображ ен на рис.4 О бщ им у словием ф ормирования p-n переходовявляется неравенство N2(Rm)>Nucx , т. е. концентрация внедренной примеси вточкемаксиму маRm долж набы ть боль шеконцентрации исходной примеси Nucx вслоекремния. Т очкамаксиму маRm определяется из аналитического вы раж ения (10): Rm = d 1 − (d 1 − R P1 )

азначение N 2 ( Rm ) =

Q 2π ∆R p 2

∆R P 2 , ∆R P1

(13)

.

Д алеевозмож ны следу ю щ иеварианты . 1. RmNucx, то ф ормиру ется один p-n переход наглу бинеxj2; б) если N2(d1)≤Nucx, то ф ормиру ю тся два p-n перехода с глу бинами залегания xj1 и xj2.

16

Рис. 4. Распределениепримесей вдвухслой ной стру кту ре SiO2-Si вслу чаеф ормирования двух p-n переходов М етод составны х проф илей позволяет моделировать и скачок концентрации на границе раздела SiO2-Si, которы й возникает вследствие разности тормозны х способностей слоевSiO2 и Si. Задания 1. Рассчитать концентрационны й проф иль при имплантации стру кту ры SiO2-Si с толщ иной окисла 0,05 м к м и подлож кой собственного кремния ионами борас энергией 75 к э В и дозой 5.1012 с м --2. 2. Рассчитать концентрационны й проф иль и глу бину залегания p-n перехода при имплантации стру кту ры SiO2-Si с окислом толщ иной 0.1 м к м и подлож кой кремния марки К Д Б12 ионами ф осф ора с энергией 100 к э В и дозой 0.3 м к Кл/с м 2. Построить граф ики распределения ионно-имплантированного ф осф оравкоординатах ln N(x) - x. 3. Стру кту ра SiO2-Si с окислом толщ иной 0.1 м к м и на кремниевой подлож ке марки К Д Б4.5 имплантиру ется ионами мы шь яка с дозой 1 м к Кл/с м 2. О пределить минималь ну ю энергию , при которой ф ормиру ю тся два p-n перехода. О пределить диапазон энергий , при которы х ф ормиру ется один p-n переход. При каких энергиях не ф ормиру ю тся p-n переходы ? 4. Провести численны й эксперимент по исследованию зависимости коэф ф ициента пропу скания Т при внедрении ионовсу рь мы встру кту ру SiO2-Si: T=

d1 − R p1 Q2 1 = erfc , Q 2 2∆R p1

гдеQ2 – количество ионов, прошедших вслой кремния: а) отэнергии вдиапазоне10÷150 к э В при дозеимплантации 10 м к Кл/с м 2 и толщ инеокисла0.03 м к м ;

17 б) отдозы имплантации вдиапазоне1÷100 м к Кл/с м 2 при энергии 80 к э В и толщ инеокисла0.03 м к м ; в) от толщ ины окисла вдиапазоне 0.01÷0.1 м к м при энергии 80 к э В и дозеимплантации 10 м к Кл/с м 2. 5. И сследовать зависимость модаль ного пробега ионов мы шь яка при имплантации кремниевой подлож ки с термическим окислом: а) от энергии вдиапазоне 10÷120 к э В при толщ инах окисла 0.02, 0.04, 0.06, 0.08 и 0.12 м к м ; в) оттолщ ины окиславдиапазоне0.02÷0.12 м к м при 40, 80, 120 к э В . Построить зависимости: Rm − R p Rp

⋅ 100 = f d (E );

Rm − R p Rp

⋅ 100 = f E (d ).

6. И сследовать зависимость величины скачка концентрации на границе разделастру кту ры SiO2-Si при имплантации ионами ф осф ора: а) от энергии вдиапазоне 20÷150 к э В при дозе 1 м к Кл/с м 2 и толщ ине окисла0.07 м к м ; б) от толщ ины окисла вдиапазоне 0.02÷0.12 м к м при энергии 70 к э В и дозе 1 м к Кл/с м 2. в) отдозы имплантации вдиапазоне0.5÷100 м к Кл/с м 2. 7. Стру кту раSiO2-Si с толщ иной окисла0.01 м к м и кремниевой подлож кой марки К Э Ф 4 имплантиру ется бором с энергией 75 к э В и дозой 10 м к Кл/с м 2. М етодом составны х проф илей рассчитать глу бину залегания p-n перехода. К ак и на сколь ко изменится глу бина залегания сф ормированного p-n перехода, если считать , что параметры распределения ионов бора в окисле совпадаю т с параметрами распределения ионовбора кремнии, т.е. Rp1=Rp2 и ∆Rp1=∆Rp2? 8. О ценить погрешность аппроксимации распределения концентрации внедренного мы шь яка вслое кремния по методу составны х проф илей в диапазонеэнергий от10÷200 к э В при дозеимплантации 10 м к Кл/с м 2. 9. К ремниевая пластина марки К Э Ф 2 с термически вы ращ енны м слоем окислатолщ иной 0.1 м к м облу чается ионами борас дозой 6.25.1014 с м -2. И споль зу я метод энергетических потерь , оценить , при каких энергиях: а) p-n переходы отсу тствую т; б) ф ормиру ется один p-n переход; в) ф ормиру ю тся дваp-n перехода. 10. Провести численны е эксперименты методом энергетических потерь по исследованию

коэф ф ициента пропу скания T=

Q2 Q

(Q2 – количество

ионов, прошедших в слой кремния) при внедрении ионов су рь мы в двухслой ну ю стру кту ру SiO2-Si: а) отэнергии вдиапазоне20÷120 к э В при дозе 20 м к Кл/с м 2; б) от дозы имплантации в диапазоне 1÷100 м к Кл/с м 2 при энергии 100 к э В и толщ инеокисла0.04 м к м ;

18 в) от толщ ины слоя SiO2 в диапазоне 0.005÷0.5 м к м при энергии имплантации 100 к э В и дозе20 м к Кл/с м 2. 11. При описании ионно-имплантированны х проф илей методом энергетических потерь , исследовать зависимости модаль ного пробега ионовборапри легировании двухслой ной стру кту ры Si3N4-Si: а) отэнергии вдиапазоне10÷120 к э В при толщ инеокисла0.1 м к м ; б) оттолщ ины окиславдиапазоне0.01÷0.1 м к м при энергии 60 к э В . В опросы Записать ф у нкцию распределения примеси и нарисовать концентрационны й проф иль при ионной имплантации двухслой ной стру кту ры SiO2-Si для слу чая изотипного легирования. 2. Записать ф у нкцию распределения примеси и нарисовать концентрационны й проф иль при ионной имплантации двухслой ной стру кту ры SiO2-Si в слу чае, когда подлож ка легирована примесь ю противополож ного типас концентрацией Nи с х. 3. К акие у словия необходимы для образования p-n перехода при ионном легировании двухслой ной стру кту ры SiO2-Si? В озмож но ли образование двух p-n переходов? 4. О бъ ясните причину возникновения скачка концентрации внедренной примеси награницеразделадвухслой ной стру кту ры SiO2-Si. 5. Н арису й те распределение примеси встру кту ре SiO2-Si при внедрении бора(ф осф ора). 6. Показать , что слой SiO2 обладаеткоэф ф ициентом пропу скания Т : 1.

T=

Q2 1 d − R P1 = erfc 1 , Q 2 2∆R P1

гдеQ2 - число ионов, прошедших через слой SiO2 вкремний . 7. К ак зависитотдозы имплантации модаль ны й пробег? 3. П остр ое н и е и он н о-и м пл ан ти р ован н ы х пр оф и л е й в тр е хсл ойн ы х стр у кту р ах м е тодом составн ы х пр оф и л е й Д ля построения проф илей распределения ионно-имплантированны х примесей вмногослой ны х стру кту рах мож ет бы ть исполь зован лю бой из методов, но с каж ды м новы м слоем слож ность расчетов значитель но у величивается. Н а практике легирование более чем трехслой ны х стру кту р встречается край не редко. При этом, как правило, практический интерес представляетпроф иль распределения примеси вслоеполу проводника, ане в защ итны х слоях. У читы вая это, рассмотрим ионное легирование трехслой ной стру кту ры типа Si3N4-SiO2-Si, применив метод составны х проф илей , расcмотренны й вп. 2. Пу сть дана стру кту ра (рис.5), состоящ ая из кремниевой подлож ки с нанесенны ми наееповерхность защ итны ми слоями окислаSiO2 толщ иной

19 d2 и нитрида кремния Si3N4 толщ иной d1. При заданной энергии внедряемы х ионовимеем Rp, Rp1, Rp2 - нормаль ны епробеги соответственно для кремния, Si3N4, SiO2; ∆ Rp, Rp1, ∆ Rp2 - среднеквадратичны е отклонения соответственно для кремния, Si3N4, SiO2. Посколь ку распределение в двухслой ном диэлектрике мож но характеризовать количеством остановившихся в нем ионов, то идея расчета проф иля в кремнии сводится к применению метода составны х проф илей вдвухслой ной стру кту ре Si3N4-Si, вкоторой диэлектрический слой SiO2 заменяется эквивалентны м по своим тормозны м способностям слоем Si3N4 толщ иной d2'. У читы вая, что чем боль шеRp, тем толщ еслой d, необходимы й для реализации заданной тормозной способности, запишем d 2/ R = P1 = g , или d 2/ = d 2 g . d 2 RP2 N(x)

Si 3 N 4

SiO 2

d 2' d1

Si

d 2 -d 2 ' d2

d1

x

d 1 +d 2

Рис. 5. Построениеконцентрационного проф иля втрехслой ной стру кту реSi3N4-SiO2-Si методом составны х проф илей Следователь но, тормозная способность слоя Si3N4 толщ иной ’ d=d1+d2 =d1+d2g равнатормозной способности двухслой ного диэлектрика Si3N4-SiO2 с толщ иной d1+d2. Согласно методу составны х проф илей , распределение ионноимплантированной примеси встру кту реSi3N4-Si бу дет ( x − RP 1 )  − 2 Q  e 2 ∆RP 1 ,  2π ∆RP1 2 N(x/ ) =   / ∆RP   x − d + ( d − RP 1 )  R ∆ P1   Q − 2 ∆RP2  e ,  2π ∆RP /

2

x/ ≤ d,

(14) x/ ≥ d.

20 Преобразованиекоординатпри этом имеетвид x/ = x , x ≤ d1 ; / x = d + ( x − d1 ) g , d1 ≤ x ≤ d1 + d2 ; x / = x − d 2 (1 − g ) , x ≥ d1 + d2 . А нализ у словий возникновения и ф ормирования p-n переходов в данной задачеаналогичен слу чаям, рассмотренны м вп.2. Задание 1. Н а кремниевой подлож ке марки К Э Ф 4 сф ормированы слои окисла толщ иной 0,03 м к м и нитрида кремния толщ иной 0,1 м к м . Рассчитать концентрационны й проф иль и оценить глу бину залегания p-n перехода при внедрении встру кту ру Si3N4-SiO2-Si ионовборас энергией 100 к э В и дозой 5 м к Кл/с м 2. М етодом составны х проф илей построить полу ченны й концентрационны й проф иль в полу логариф мических координатах lgN(x)- x. В опросы Записать ф у нкцию распределения примеси и нарисовать концентрационны й проф иль при ионной имплантации трехслой ной стру кту ры Si3N4-SiO2-Si для слу чая изотипного легирования. 2. Записать ф у нкцию распределения примеси и нарисовать концентрационны й проф иль при ионной имплантации трехслой ной стру кту ры Si3N4-SiO2-Si вслу чае, когда подлож ка легирована примесь ю противополож ного типапо отношению к типу внедряемой примеси. 3. К акие у словия необходимы для образования p-n переходов в рассматриваемой стру кту репри ионном легировании? Н арису й теконцентрационны епроф или: а) для слу чая отсу тствия p-n переходов; б) для слу чаевф ормирования одного p-n перехода; в) для слу чая ф ормирования двух p-n переходов. 4. Запишитеаналитическиевы раж ения для нахож дения точки максиму маи максималь ной концентрации ву словиях данной задачи. 5. В ы ведитеф орму лы для вы числения глу бин залегания p-n переходов. 6. В ы ведите ф орму лу для нахож дения толщ ины "скры того слоя" в у словиях данной задачи. 1.

4. П остр ое н и е и он н о-и м пл ан ти р ован н ы х пр оф и л е й в дву хсл ойн ы х стр у кту р ах м е тодом эн е р ге ти че ски х поте р ь Построение проф илей ионно-имплантированны х примесей в многослой ны х стру кту рах методом энергетических потерь позволяет при

21 незначитель ны х затратах машинного времени достигну ть у довлетворитель ной точности, сравнимой с точность ю моделирования методами М онте-К арло и кинетического у равнения Боль цмана. Рассмотрим метод энергетических потерь на примере двухслой ной стру кту ры типа SiO2-Si. Пу сть на поверхности данной стру кту ры с толщ иной окисла d нормаль но падает моноэнергетический пу чок ионовс энергией E0 и дозой Q. Посколь ку легирование области кремния проводится через слой SiO2, то необходимы достаточно вы сокие энергии, при которы х в боль шинстве слу чаев вы полняется у словие 3∆Rp