CC BY
141
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 537.534:539.422.24
И.В. Перинская, В.Н. Лясников, В.В. Перинский АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ АРГОНА И ПРОТОНОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЯХ
В процессе экспериментальных исследований протонной и аргонной (Ar) имплантации в арсенид галлия (GaAs) и металлы Cr, Cu, Ti, Al изучены спектры ионного источника установки ионного легирования «Везувий-5» при различных вытягивающих напряжениях и токе масс-сепаратора; уточнено, что использование полученных спектров ионного источника позволяет быть уверенным в практически полном исключении возможности попадания ионов отличных масс, кроме заданной, в имплантируемую мишень.
Ионное легирование, спектр источника, имплантация.
I.V. Perinskaya, V.N. Lyasnikov, V.V. Perinsky
HARDWARE REGISTRATION OF AR IONS IMPLANTAITION AND PROTONS IN TECHNOLOGICAL APPLICATIONS
During experimental researches at proton and Ar implantation in GaAr and at the metals Cr, Cu, Ti, Al ions source spectra of ions implanting installation «Vesuvius-5» are researched at various extending voltage and current at weights-separators; is specified, use of the received spectra ions of a source, allows to be sure in practically complete exception of an opportunity of hit of ions of different weights, except for given, in implantable target.
Ionic impurity doping process, spectrum of origin, implantation.
Введение
Использование процессов имплантации ионов электрически неактивных примесей в технологии твердотельных устройств до настоящего времени не соответствует потенциальным возможностям этого метода. Причинами этого расхождения является недостаточное совершенство и ограниченное распространение оборудования для ионнолучевой обработки с необходимой производительностью и технологическими характеристиками; недостаточная изученность явлений наблюдающихся при имплантации электрически неактивных ионов и сопутствующих им побочных эффектов.
Относительно медленное освоение этих методов в производстве объясняется также и тем, что технологически сложные микроэлектронные устройства с высокой степенью интеграции элементов и, в первую очередь, монолитные схемы на арсениде галлия, технология которых требует массированного применения ионно-лучевых методов, в настоящее время находится лишь в ранней стадии разработки и освоения. В связи с этим,
состояние разработок в области имплантации электрически неактивных примесей характеризуется проведением научно-исследовательских работ, подготовкой оборудования и технологической апробации методов.
Полученные результаты, физическая интерпретация
Основным элементом аппаратурного оформления процессов имплантации являлась ионно-лучевая установка «Везувий-5» с максимальной энергией внедряемых ионов 150 кэВ и малыми токами ионного пучка (плотность тока до 0,2 мкА/см2). Одним из важнейших требований в проведении процессов имплантации на этой установке является повышение производительности путем увеличения эффективности работы ионного источника и обеспечения чистоты процесса, в первую очередь исключения возможности попадания ионов электрически активных примесей в имплантируемую мишень. Так как источником осуществляется генерация ионов нескольких типов веществ, реализация этих условий требует тщательного выбора режима имплантации по масс-спектрам источника ионов, в свою очередь зависящим от величины вытягивающего и ускоряющего напряжений. Технологически целесообразным методом, позволяющим исключить операции смены рабочих веществ и стабилизировать работу источника, является использование в качестве рабочего вещества газовой смеси водорода-аргона в соотношении 1:3. Как показали специально проведенные испытания, протонное облучение с использованием указанной смеси обеспечивает более высокую стабильность и плотность тока протонов по сравнению с применением только газообразного водорода. При этом переход к имплантации ионов аргона осуществляется непосредственно в процессе облучения изменением тока масс-сепаратора.
Для изучения спектров ионного источника дополнительно вводили газообразный азот. Спектры ионного источника при различных вытягивающих напряжениях представлены на рис. 1, 2, 3.
Рис. 1. Масс-спектр ионного источника установки «Везувий-5». Ускоряющее напряжение - 75 кВ. Вытягивающее напряжение - 5 кВ. Экспериментальные средние значения 120 экспериментов
Рис. 2. Масс-спектр ионного источника установки «Везувий-5». Ускоряющее напряжение - 75 кВ. Вытягивающее напряжение - 10 кВ. Экспериментальные средние значения 170 экспериментов
Идентификация ионов в спектре осуществлялась по количественному увеличению пиков при напуске соответствующего рабочего вещества. Как следует из представленных данных,
разрешение масс-сепаратора установки увеличивается с повышением вытягивающего напряжения. Зависимость плотности тока протонов при фиксированных значениях тока масс-сепаратора представлена на рис. 4.
При оптимальных режимах имплантации (ивыт= 10 кВ; 1М = 4,25 А для протонов, ивыт. = 10 кВ; 1М = 11,5 А для ионов аргона) плотность тока
ионов составила ін = 0,2 мкА/см и іа = 0,7-0,9 ■2 соответственно для протонов и ионов
мкА/см2
аргона. При этом интенсивность пика, связанного с ионизацией фоновых (остаточных) газов, не превышала 5-10- мкА/см.
Так как облучение пластин на установке «Везувий-5» осуществляется широким
коллимированным потоком ионов, локальное воздействие на образец обеспечивалось применением маскирующих покрытий и накладных масок.
Рис. 3. Масс-спектр ионного источника установки «Везувий-5». Ускоряющее напряжение - 75 кВ. Вытягивающее напряжение - 15 кВ. Экспериментальные средние значения 120 экспериментов
Рис. 4. Зависимость плотности тока протонов от вытягивающего напряжения при фиксированных значениях тока масс-сепаратора: • - 4А; Л - 5,5А; Х - 6,5А • , Л, Х - экспериментальные средние значения из 120 экспериментов
Рис. 5. Тестовая ячейка для контроля параметров высокоомных областей арсенида галлия после протонной бомбардировки
При протонной обработке в качестве маскирующих покрытий использовались слои фоторезиста ^-1350Н и АО-383 с вытравленным в них топологическим рисунком. Была установлена возможность применения таких покрытий при дозах протонного облучения до Ф = 100 мкКл/см2. При больших дозах наблюдались невоспроизводимые эффекты «усадки» фоторезиста, повышение его дефектности и закругление края окна, зависящее, по-видимому, от толщины слоя фоторезиста. Накладные металлические маски с размерами элементов до 10 мкм изготавливались методами фотолитографии и жидкостного травления, на основе алюминиевой фольги толщиной 0,3 мм.Контроль параметров изолирующих областей арсенида галлия после протонной бомбардировки осуществлялся в тестовых ячейках, топология которых представлена на рис. 5. Этот контроль дублировался двухзондовыми измерениями параметров свидетеля - имплантированного эпитаксиального
слоя с толщиной d = 0,4 мкм и концентрацией электронов n = 5-1017 см-3 на зондовом устройстве: зонд с характериографом Л2-56.
Технологический процесс имплантации сопровождался периодическим контролем однородности облучения по площади имплантируемых изделий. Грубый контроль однородности и юстировка пучка осуществлялась путем облучения фотопластин марки МР. Контроль однородности протонной изоляции проводился путем измерения пробивного напряжения и токов утечки в различных точках поверхности пластин, а также по измерениям параметров изолирующих областей в матрице СВЧ полевых транзисторов. Установленный таким образом разброс параметров не превышает 10%.
В силу высокой воспроизводимости эффектов ионно-стимулированной пассивации, контроль однородности в области больших доз ионов аргона проводился по разбросу времени травления имплантированных слоев хрома, который по исследованной зависимости U от Ф скорости травления от дозы ионов аргона (рис. 5) легко пересчитывается в неравномерность распределения дозы.
Заключение
В процессе экспериментальных исследований протонной и аргонной имплантации в арсенид галлия и металлы Cr, Cu, Ti, Al соответственно получено следующее:
1) изучены спектры ионного источника установки ионного легирования «Везувий-5» при различных вытягивающих напряжениях и токе масс-сепаратора;
2) выявлены и оптимизированы режимы имплантации не только протонами, но и ионами аргона для заданных параметров установки (ивыт, 1м);
3) уточнено, что использование полученных спектров ионного источника позволяет быть уверенным в практически полном исключении возможности попадания ионов отличных масс, кроме заданной, в имплантируемую мишень.
ЛИТЕРАТУРА
1. Перинская И.В. Ионно-лучевые методы обработки материалов в технологии твердотельных приборов СВЧ / И.В. Перинская, В.В. Перинский, А.М. Панфилов // Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2007. С. 167-169.
Перинская Ирина Владимировна - Perinskaya Irina Vladimirovna -
ассистент кафедры «Материаловедение Assistant of the Department
и высокоэффективные процессы обработки» of «Material engineering and high effective
Саратовского государственного processes of treatment»
технического университета of Saratov State Technical University
Лясников Владимир Николаевич — Lyasnikov Vladimir Nikolayevich -
доктор технических наук, профессор, Doctor of Technical Sciences, Professor,
заведующий кафедрой «Материаловедение Head of the Department и высокоэффективные процессы обработки» of «Material engineering Саратовского государственного and high effective processes of treatment»
технического университета of Saratov State Technical University
Перинский Владимир Владимирович — Perinsky Vladimir Vladimirovich -
доктор технических наук, профессор Doctor of Technical Sciences,
кафедры «Материаловедение Professor of the Department
и высокоэффективные процессы обработки» of «Material engineering and high effective Саратовского государственного processes of treatment»
технического университета of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 02.07.08, принята к опубликованию 05.09.08
