CC BY
26
13. Kutuzov, S. V. Making the Heat-Insulating Charge of Acheson Graphitization Furnaces More Efficient [Text] / S. V. Kutuzov, V. V. Buryak, V. V. Derkach, E. N. Panov, A. Ya. Karvatskii, G. N. Vasil'chenko, S. V. Leleka, T. V. Chirka, T. V. Lazarev // Refractories and Industrial Ceramics. - 2014. - Vol. 55, Issue 1. - P. 15-16.
14. Панов, Е. Н. Комплекс сбора данных для высокотемпературных промышленных агрегатов [Текст] / Е. Н. Панов, С. В. Лелев ка, М. В. Коржик // ПиКАД. - 2005. - № 2. - С. 28-30.
Розроблена технолог'гя виготовлення юн-но-легованих структур GaAs. 1мплантащя ютв кремню, берилю, цинку проводилась в тдкладку iз напiвiзолюючого арсениду галю марки АГЧП-2а. 1мплантащя домшки через капсулююче покриття дозволило отримати досить висок значення рухли-востi носив струму в каналах польового транзистора Шоттк (ПТШ), що дозволяв формувати на них КМОН-структури. Застосування багатозарядног iмnлантацií та iмпульсного фотонного видпалу для активаци п+-областей витоку i стоку забезпечи-ло рiвень ретроградного легування стш-витокових контактiв на рiвнi (2-5).1018 см-3
Ключовi слова: багатозарядна юнна iмnланта-щя, арсетд галю, КМОН технологiя, транзистор
Шоттт, р+-п перехид, варiзонний сонячний елемент □-□
Разработана технология изготовления ион-но-легированных структур GaAs. Имплантация ионов кремния, бериллия, цинка проводилась в подложку с полуизолирующего арсенида галлия марки АГЧП-2а. Имплантация примеси через капсулиру-ющее покрытие позволило получить достаточно высокие значения подвижности носителей тока в каналах полевого транзистора Шоттки (ПТШ), что позволяет формировать на них КМОП-структуры. Применение многозарядной имплантации и импульсного фотонного отжига для активации п + -области истока и стока обеспечило уровень ретроградного легирования сток-истоковых контактов на уровне (2-5).1018 см-3
Ключевые слова: многозаядная ионная имплантация, арсенид галия, КМОП технология, транзистор Шоттки, р+-п переход, варизонный солнечный элемент
УДК 537.5
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.54233|
РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГИ БАГАТОЗАРЯДНО1 ЮННО1 1МПЛАНТАЦП GAAS ДЛЯ СУБМ1КРОННИХ СТРУКТУР ВЕЛИКИХ 1НТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ
С. П. Новосядлий
Доктор техычних наук, професор* E-mail: nsp@mail.pu.if.ua С. I. Бойко Астрант* E-mail: sergiy1300@gmail.com Л. В. Мельник Астрант* E-mail: lj-3d@rambler.ru С. В. Новосядлий* E-mail: nsp@mail.pu.if.ua *Кафедра комп'ютерноТ шженери i електронки Прикарпатський нацюнальний ушверситет iM. В. Стефаника вул. Шевченка, 57, м. 1вано-Франмвськ, УкраТна, 76025
1. Вступ
Постшно зростаючi вимоги до комп'ютерiв та ш-шо1 споживчо! електрошки роблять необхщним тд-вищення швидкоди структур великих штегральних схем. Одним з шляхiв досягнення цього е використан-ня арсешду галж, осюльки вш володiе рядом переваг над кремтем, яю дозволяють формувати структу-ри з високою швидкодiею та надшшстю. Також вш являеться прямим нашвпровщником, що дозволяе ефективно поглинати та видшяти свило. У зв'язку з цим викликае необхщшсть розробки технологи виготовлення юнно-легованих структур GaAs, що вклю-чае в себе виготовлення p+-i-n+-шарiв, p+-n-шарiв та п+-п-ьструктур.
2. Огляд лггературних джерел та постановка проблеми
Високоенергетична багатозарядна iмплантацiя е необхвдним шструментом для формування структур швидюсних В1С/НВ1С на GaAs, осюльки вш володiе фiзичними властивостями, як дроблять його бшьш швидкодтчим та енергоефективним шж кремнш [11]. В лiтературi багато вiдомостей про технологи формування методом юнного легування шарiв п-типу в напiвiзолюючому арсенiдi галiю i, зокрема, дослщжеш електричнi властивостi шарiв i транзисторних структур в залежност ввд вибору вихiдного напiвiзолюючого матерiалу, дози, енерги та виду iмплантованих ютв, вiд умов термiчного вiдпалу [12-14]. Вже вiдомi дослвджен-ня електричних властивостей шарiв р-типу, сформова-
©
них iмплантацieю юшв акцепторних домiшок (цинку, кадмш, магнiю i берилiю) в наmвiзолюючий арсенiд га-лiю [15, 16]. А властивосп p+-n-переходiв в залежносп вiд умов iмплантацii (кратносп заряду iонiв) i вiдпалу, зокрема, фотонного е менш вивченими [1].
Виготовлення схем тдвищено' ступенi штеграци вимагае розробки процесiв iонного легування з висо-кими енергiями, таких як:
- легування малими дозами юшв бора з енергь ею Е=150-210 кеВ та iонiв фосфора з Е=250-300 кеВ для запоб^ання явища змикання коротко-канальних Si-транзисторiв, яке називають глибокою пiдгонкою;
- легування малими дозами юшв бора з енерпею Е=300-600 кеВ для формування областей кишень i охо-ронних областей тсля напилення польового окисла;
- легування великими дозами юшв з енерпею Е=150-250 кеВ для формування ретроградних стж-ви-токових областей [2].
Проте бшьшють iмплантаторiв забезпечують макси-мальну енергiю iонiв до 180-200 кеВ. Використання ба-гатозарядних юшв, що набирають енергiю в п-раз бiльшу (п - кратшсть iонiзацii) в порiвняннi з однозарядними, дозволяе розробити оригшальш процеси iмплантацii iз пiдвищеними енергiями на сучасних iмплантаторах [3].
Для отримання бажано' продуктивностi при шдивЬ дуальнiй обробщ як Si, та i GaAs-структур iмплантацiю багатозарядних iонiв доцiльно проводити на сильно стру-мових установках, при цьому можливе деяке забруднення пучка юшв з бшьш низькими енерпями за рахунок пере-зарядження частинок в юнному трактi iмплантатора.
Даний ефект залежить ввд умов проведення процесу, конкретноi конструкцii iмплантатора i суттево обмежуе можливють даного методу в субмжроннш технологii [4].
Основна перевага використання iонноi iмплантацii GaAs - оптимiзацiя профiлю легування для активноi дii на параметри польових транзисторiв Шотткi, якi е основою швидкодтчих арсенiд-галiевих КМОН-схем [5]. Однiею iз головних характеристик ПТШ, що визна-чае його пiдсилювальнi властивостi, е звичайно крутизна ВАХ, тдвищення (зростання) якоi досягаеться за рахунок як самосумiщеноi технологii формування структур, так i оптимiзацii концентрацiйного профiлю легування каналу [6].
3. Мета та завдання роботи
Метою даноi роботи була розробка технологи бага-тозарядноi iонноi iмплантацii GaAs, яка необхщна для створення високошвидкiсних структур В1С.
Для досягнення поставленоi мети були поставлен наступнi завдання:
- дослщити особливостi формування юнно^м-плантованих p+-i-n+-шарiв в арсенiдi галiю високое-нергетичною багатозарядною iмплантацiею;
- дослщити використання багатозарядноi iмплан-тацii арсешду галiю для формування КМОН структу-ри високоi швидкодii;
- дослщити багатозарядну iмплантацiю iонiв Н2++, Вц++, 016++ для формування локальних iзольованих шарiв в n+-n-i-структурах на GaAs;
- дослiдити формування iонно-iмплантованих p+-n-шарiв в GaAs з використанням двозарядних юшв Zn++, Ве++ i Mg++ та визначенi областi '¿х застосування.
4. Особливост багатозарядно! iмплантацii кремшю в GaAs для формування п+-пм-структур (ПТШ)
В данiй статтi подан результати розробки технологи багатозарядноi iонноi iмплантацii (дво, три, чо-тиризарядноi) GaAs для виготовлення транзисторних структур з бар'ером Шоттю високо' питомо' крутиз-ни для швидкоджчих структур В1С. Багатозарядна iмплантацiя виконувалась на установцi-iмплантаторi «Везувш 5» через капсулююче покриття SiO2 товщиною маски 0,05 мкм юнами кремнiю. В ролi пiдкладки вико-ристовувався арсешд галiю марки АГЧП-2а, що ввдзна-чаеться високою термостабiльнiстю в умовах фотонно' активаци iмплантованих домiшок. В ролi чисто' сполу-ки для отримання юшв в розряднш камерi використо-вувався тетрахлорид кремнiю квалiфiкацii ОСЧ.
Для збiльшення енергп iмплантацiя виконувалась 4-зарядженими iонами кремшю ^++++). Для активаци домшки застосовувався як традицiйний вiдпал тд капсулюючим покриттям SiO2 у ввдкритш кварцовiй трубi в газовому потощ азоту (N2), так i короткочасовим iмпульсним фотонним вiдпалом галогенними лампами. Температура ввдпалу в печi складала 820 °С триваль стю 30 хв. 1мпульсний фотонний вiдпал виконувався на установi «1мпульс-3», що мала два ряди галогенних ламп КТ-220-1010 розмщених симетрично з обох сторш вiд пiдкладки. Пластина GaAs, яка ввдпалювалась, розмь щувалась на кремшеву пластину-п'едестал дiаметром 76 мм i товщиною 0,8-1,0 мм, планарною стороною вниз, для зменшення втрат миш'яку та термомеханiчних на-пружень. Зверху з пею ж метою розмщувалась друга кремнiева пластина-екран. Вiдпал виконуеться в нейтральному середовишд, контроль температурного режиму здшснювався за допомогою фотодюда. Технологiчний режим обробки пластин задавався опорною напругою. На рис. 1, а, б приведена температурно-часова залежшсть на^ву пластин на установщ «1мпульс-3».
Контроль iонно-iмплантованих структур виконувався методом вимiрювання вольт-фарадних характеристик ртутного бар'ера Шоттк за допомогою електролггичного профiлометра (ртутного чи iндiевого зонда), а також вимiрюванням рухливосп на основi ТС-холлотронiв. Вiдтворюванiсть технологи формування шарiв ощню-валась за результатами вимiрювання струму насичення тестових польових транзисторiв (ТПТ) до формування затвора i опору тестових резисторiв (ТР) згiдно техноло-гiчного маршруту формування структури В1С.
Розробка технологи багатозарядно' iонноi iмплан-тацii проводилась для двох основних конструкцш ПТШ: з використанням активно' структури п+-п-ь типу та з використанням локально' обласп п+-типу, самосумiщеною iз затвором штриду вольфраму (WN).
До форми концентрацшного профiлю типу n+-n-i висувались таю вимоги:
- вш повинен мати достатш для формування якю-них омiчних контактiв (ретроградних) рiвень легування >1018 см-3 i товщину контактного шару >0,15 мкм;
- спадаючий фронт n+-n-областi, що е робочою об-ластю каналу ПТШ, повинен бути досить крутим для того, щоб забезпечити високу крутизну ВАХ ПТШ, i достатньо пологим, щоб здшснювати тдгонку каналу з необхщною точнiстю ±3 %.
Найбiльш повно цi вимоги задовольняються саме шляхом багатостадшно' багатозарядно' iмплантацii
уз
через капсулююче низькотемпературне покриття SiO2. Такий захисний шар дозволяе знизити: рiвень радiа-цiйних дефектiв на поверхш, можливiсть забруднення при iмплантащ! i в процесi наступних обробок, збщ-нення носiями на поверхнi нашвпровщника [7].
Таблиця 1
Результати активацп домiшки
/ О / О о а о о о
О О о о о о о о
Рис. 1. Структура установки «1мпульс-3» та
температурно-часовi залежностi нагрiву пiдкладки: а — структура нагрiвача на основi лампи КТ-220-1000 (1 — лампи КТ-220-1000, 2 — пластина GaAs розмщена на кремневому п'едестал^ 3 — кремнieва пластина-екран); б — температурно-часовi залежностi для рiзних режимiв фотонного вiдпалу
Проведений комп'ютерний розрахунок концентрацш-ного профшю носив в GaAs для юшв кремнiю (Si++, Si++++), що поданий на рис. 2, iмплантованих в таких режимах:
1. Е=4х80=320 кеВ при D=0,4 мкКл/см2 для Si++++.
2. Е=4х40=160 кеВ при D=7,5 мкКл/см2.
Експериментальнi результати по формуванню
п+-п-^структури (табл. 1) показують, що спостерта-еться бiльш високий коефщент активацп домiшки i менший питомий ошр шару. Використання фотонного вщпалу дозволило отримати зменшений розкид елек-трофiзичних параметрiв: рухливостi з 400 до 300 см2/В-с, а питомого опору з 60 до 30 Ом/квадрат.
Експериментально також дослщжувався розподы струму насичення ПТШ до травлення каналу i опiр тестового резистора. Дослщжувався також традицш-ний вщпал в печi, що входить в базовий технолопчний маршрут ПТШ.
Середнiй струм насичення транзистора з шириною канала W=75 мкм для партп пластин в 20 шт скла-дав 50,4 мА. Середне квадратичне вiдхилення складае <10 % i включае розкид електрофiзичних параметрiв вихщно! активно! структури, яккть омiчного контакту та уход параметрiв шару в результатi рiзних обробок на маршрутi формування ПТШ. Середня величина опору резистора (И), що мав розмiри 10х18 мкм складав 1055 Ом, с (И )=102 Ом (9,6 %).
№ п/п Спойб активацп Максимальна кон-центращя домшки (см-3) Глибина шару на р1вт 51016 см-3, мкм Рухли-в1сть см2/Вх Питомий поверхне-вий ошр Ом/квадрат
1 Терм1чний вщпал в печ1 (0,7-1,0)1018 0,28 2800-3200 360-420
2 Фотонний вщпал на установщ «1мпульс-3» (2-5)4018 0,27 2300-2600 130-170
Ы, см3
~1-1-1-г
0 0,1 0,2 0,3 0,4 Рис. 2. Концентрацмш проф^ юшв Si++++: 1 — розрахунковий комп'ютерний без вщпалу; 2 — розрахунковий комп'ютерний при Тв|дп=825 °С; 3 — експериментальний
Висока вщтворювашсть параметрiв тестових елемен-тiв дозволяе провести якiсну шдгонку канала Х для за-безпечення напруги вщачки в межах (-1,5 -^-3,5 В). Величина пробивно! напруги затвор-стiк складала 25-35 В i визначаеться глибиною травлення захованого затвору. Середне значення питомо! крутизни ВАХ ПТШ, сфор-мованих на юнно-легованих n+-n-i структурах складае 124±10 мА/В^мм для 130 взiрцiв, а максимальна величина крутизни досягала 150 мА/В-мм. На еш-структурах GaAs отриманi ПТШ по такому технолопчному методу з крутизною S<110 мА/В-мм.
Подальше збыьшення крутизни ПТШ на юнно-легованих багатозарядною iмплантацiею кремнш досягаеться шляхом застосування локально! п+^мп-лантацi!, самосумiщеною з положенням затвора, що дозволяе проводити вже незалежну оптимiзацiю п+-стш-витокових контактiв i n-каналiв.
Контактнi стiк-витоковi п+ областi повинш мати мШ-мальний опiр шару, який досягаеться вже багатократною юнною iмплантацiею iонiв Si++ iз змшними параметрами:
1. Е=2х90=180 мВ, D=13 мкКл/см2.
2. Е=2х60=120 мВ, D=3 мкКл/см2.
3. Е=1х80=80 мВ, D=2,5 мкКл/см2.
Режим формування каналу повинен забезпечити напругу вщсшання ПТШ без шдгонки каналу в дiапа-зош (1 -^3 В). Вiн може бути отриманий рiзним набором параметрiв заряд-енергiя-доза.
а
Для реал1зацп такого вар1анту використався так званий комбшацшний спос1б вщпалу: слабо легова-ний п-шар калька вщпалювався шд капсулюючою пл1вкою SiO2 в печ1, а високолеговаш п+-стж-витоков1 (ретроградш) област1 контакт1в вщпалювались фо-тонним вщпалом (t=6-10 с).
Середне значения рухливост1 носив заряду (струму) в канал1 складае 3850 см2/В^с при середнш концентрацп носив (електрошв) в п-шар1 складае 24017 см-3. Отрима-ний питомий ошр стж-витокових п+-областей складае 110±10 Ом/квадрат. При р1вш легування (1-5)4016см-3, що е достатшм для формування яюсних ретроградних контакт1в на основ1 сплаву AuGe-12-Au з питомим кон-тактним опором рк=(1-2)-10-6 Ом^см2.
Зв'язок напруги в1дс1чки ПТШ вщ дози легування каналу п-типу подано на рис. 3.
Рис. 3. Залежшсть напруги вiдсiчки ПЕШ вiд дози двозарядноУ iмплантацN при легуванш п-каналу: 1 - Е=2х160=320 кеВ; 2 - Е=2х120=320 кеВ
Звщси можна зробити висновок: розроблена тех-нолопя багатозарядно'' 1мплантацп кремнш при фор-муванш п 1 п+-областей для самосум1щених ПТШ доз-воляе отримати питому крутизну ВАХ ПТШ на р1вш 150-200 мА/В-мм, а це шлях до побудови КМОН-струк-тур на GaAs з використанням збагачених 1 збщнених ПТШ для швидюсних структур В1С 1 дозволяе форму-вати концентрацшш профт з високою точшстю.
5. Високоенергетична багатозарядна iмплантацiя при формуваннi охоронних областей i кишень МОН-структур на Si та GaAs
Автори дано'' статт1 обгрунтували на основ1 про-ведених дослщжень можливють багатозарядно'' 1мп-лантацп при легуванш малими дозами юшв фосфору, бору 1 миш'яку для Si-структур на установш «Лада-30».
Вщомо, що юнний пучок, що витягнутий 1з джерела юшв, представляе собою 1з р1зно1 юлькост1 молекул та 1зотошв легуючого матер1алу. Наприклад, газ BF3 розпадаеться на юни В++, В+, BF+, BF3++ та 1зотопи "В+, "В++. В пучку е присутня деяка юльюсть юшв, яю утворюються вщ юшзацп залишкових газ1в. Вщхилен-ня частинок в магштному анал1затор1 здшснюеться за формулою:
де R - траектор1я юна, см, Н - напружешсть магштно-го поля, Тс, и - витягуюча напруга, В, М - маса юна, вщн. од., п - кратшсть заряду юна.
Для контролю якост1 мас-сепарацп та щентифжа-цп юшв зшмались мас-спектри для певних легуючих сполук. Двозарядш юни з'являються в положенш, яю вщповщають половиш ''х маси, а молекули - при подвоенш мас1 вщповщного юна. Наприклад, для от-римання юшв фосфору нами використовувались дв1 легуюч1 речовини: червоний фосфор 1 газопод1бний п'ятифторидний фосфор PF5 (рис. 4). Пор1вняння спектр1в показало, що використання в якост1 легуючо-го елемента твердо' речовини - червоного фосфору -дозволяе отримувати набагато бшьш чист1 сполуки, тобто в пучку е присутш юни тшьки легуючого еле-мента. При використанш в рол1 легуючо'' сполуки газу PF5 в спектр1 е присутня велика юльюсть дом1шок, кр1м фосфору 1 фтору або ''х сполук, яю досить важко щентифжувати. А для отримання юшв бору (В++) ви-користовуеться газ BF3 (рис. 4).
R =
143,95 /Ми Н
(1)
Рис. 4. Спектр iонiв за масою при використанш червоного фосфору (•), п'ятифторидного фосфору (▲), три фтористого бору (■) при ивит=30 кеВ
Шсля 1мплантацп та 1мпульсного фотонного вщ-палу вим1рювались профы1 роздыу 1мплантовано1 дом1шки за допомогою 1мпульсних СУ-характеристик оберненозм1щеного дюда Шоттю як тестового елемен-та. В рол1 вихщних пластик кремнш використовували шдкладки КЕФ 4,5 (100) для юшв фосфору, миш'яку 1 КДБ-10 (100) - для юшв бору.
При отриманш багатозарядних юшв використовувались таю сшввщношення:
- енерпя 1мплантацп багатозарядним юном Е= =(ивит+иприск)п де ивит - витягаюча напруга джерела, иприск - прискорюючи напруга, п - кратшсть заряду юна;
- доза на задатчику Dn=D•n, де D - необхщна доза легування, юн/см2, п - кратшсть заряду юна;
- струм мас-сепаратора при легуванш багатозаряд-ними юнами 1п=11/п, де 11 - струм сепаратора при легуванш однозарядними юнами, п - кратшсть заряду юна.
В процес1 роботи з двозарядними юнами ми вста-новили, що для отримання пучюв без перезарядки в юнному тракт1 дуже важливе значення мають умови яюсноУ вщкачки вакуумних об'ем1в з використанням турбомолекулярних чи крюгенних насос1в.
Результати наших дослщжень по легуванню дво-зарядженими юнами Р++ 1 В++ приведено на рис. 5. Умови вщкачки в цих дослщах вщповщають вимогам
ТУ: тиск в джерелi юшв - не прше 110-3 Па, тиск в приймальнш та прискорювальнiй камерi - 110-4 Па. Застосування в дифузшних насосах вакуумного ор-гашчного масла ФШ-1 дозволило проводити вщкачку iз об'eмiв до наступних значень тиску: тиск в юнному джерелi 110-4 Па, а тиск в приймальнш та прискорю-вальнiй камерах - 6-10-5 Па.
Таким чином, технолопя отримання дво- чи три зарядових юшв бору, фосфору i миш'яку дозволяе шд-вищити енергш iмплантацii вiдповiдно в 2 i 3 рази, а дозу зменшити в стiльки ж разiв без конструкторськоi модернiзацii iмплантаторiв. А це суттево понижуе ра-дiацiйну дефектившсть.
Високоенергетична багатозарядна iмплантацiя iонiв бору може бути використана для створення р+-охоронних областей через польовий оксид i для шдгонки порогових напруг ключових транзисторiв пiсля формування затвора iз полiкремнiю для крем-шевих структур В1С. Вiдсутнiсть тривалоi термоо-бробки при вирощуваннi польового оксиду на 1Л-ша-рах дозволяе тдвищити вiдтворюванiсть параметрiв p+-шарiв за рахунок зменшення сегрегацii бора, а також зменшити так звану тддифузш домшки в стiк-витокових областях.
Рис. 5. Концентрацшш профiлi домiшки Р++ при рiзних режимах iмплантацN: 1 — Р++ Е=160 кеВ, D=0,2 мкКл/см2, Рн=М0-2 Па; 2 - Р++ Е=160 кеВ, D=0,2 мкКл/см2, Рн=М0-3 Па; 3 - Р++ Е=160 кеВ, D=0,1 мкКл/см2, Рн=1,5^10-3 Па; 4 - Р++ Е=260 кеВ, D=0,1 мкКл/см2, Рн=6^10-3 Па; 5 - Р++ Е=300 кеВ, D=0,1 мкКл/см2, Рн=3^10-3 Па
Таким чином, споиб формування р+-охоронних областей за рахунок багатозарядноi iмплантацii iонiв бору тсля формування польового оксиду дозволяе тдвищити стетнь iнтеграцii В1С, зменшити площу кристалу та пiдвищити вихщ придатних.
Iмплантацiя високоенергетичними (багатозаряд-ними) юнами бору проводилась на iмплантаторi «Ве-зувiй 9М». Тестовi МОН-структури були виготовлеш за типовим маршрутом К-МОН-схем (ВАТ «Родон») за виключенням процесiв формування охоронних областей i пiдгонки порогових напруг ключових транзисто-рiв (рис. 6). Електричш характеристики транзисторiв визначались за допомогою характерографа Л2-56 i цифрового вимiрювача ЦУИП. На ключових i пара-зитних транзисторах вимiрювали порогову напругу Ц i напругу плоских зон при напрузi стiк-витiк
ис-в=5 В i змiщений на тдкладку Ubs=-2,7 В i иЬс=0 В за рiвнем струму стоку 1с=1, 5, 10 мкА.
Вимiрювались також значення струмiв втрат p-n-переходiв ТС, що iмiтували рiзний тип р-п-пе-реходiв, утворених на робочих схемах п+-областями стоку-витоку з однiеi сторони i р+-охоронними областями з другоь Два види п-областей (прямокутна i гре-бiнна) площею 0,2 мм2 вiдрiзнялись тiльки довжиною р-п-переходу. 1з рiзницi струмiв втрат на розв^ленш та прямокутнiй структурах отримували величини струмiв втрат, що характеризували як форму так i спосiб формування р+-охоронних областей. Додат-ково на пластинах-супутниках (ТС) КДБ-10 (100) вивчали концентрацшш профШ при iмплантацii ю-нiв бору (В++) з енерпями в iнтервалi 2х150=300 та 2х250=500 кеВ за допомогою профшометра на основi ртутного чи iндiевого зонда. Пiсля iмплантацii плас-тини-супутники вщпалювали фотонним iмпульсним вiдпалом протягом 10-15 с.
в
Рис. 6. Формування охоронних р+ областей за допомогою високоенергетичноТ багатозарядноТ iмплантацil: а - через польовий оксид (варiант 1); б - через шари полкремню i польового оксиду (варiант 2); в - пiсля формування полкремшевого затвору (варiант 3)
Одшею iз важливих проблем, якi виникають при масштабуваннi структур кристалiв В1С/НВ1С, що фор-муються як на монокремнп, так i на GaAS за К-МОН-тех-нологiею, е тдвищення стiйкостi схем до тиристорного ефекту (затикання). А iмовiрнiсть такого ефекту рiзко зростае при зменшеннi вщсташ мiж п i р канальними транзисторами.
а
Як ми знаемо, для шдвищення стшкосл схем до тиристорного ефекту використовують д1ю юшзуючого опромiиеиия (а чи в) так 1 легування золотом для змен-шення часу життя неосновних носив заряду, охоронш к1льця навколо приладних структур для зменшення коеф1щента пiдсилеиия паразитного бшолярного транзистора або ешшар для пониження опору п1дкладки.
В звичайнш традицшнш К-МОН-технологп роз-гонка кишеш проводиться перед польовим оксидуван-ням. Для В1С/НВ1С 1з великою ступiиию штеграцп даний метод е непридатним. Тривала термообробка до 4-6 годин при розгонщ кишеш викликала необх1д-шсть отримання глибини р-п-шару в 4-8 мкм.
При цьому поверхнева концентращя, оп1р 1 глибина р-п-переходу е тюно зв'язаш м1ж собою. Так, зб1льшен-ня опору кишеш без зб1льшення глибини викликае шд-вищення поверхнево'' концентрацп 1 порогово'' напруги МОН-транзистора. Велика глибина кишеш 1, в1дпов1дно, велика величина б1чно'' п1д дифузп дом1шки приводить до необхвдносл розмщення р- 1 п-канальних транзистор1в на в1дстань Хрп=10-15 мкм один в1д одного. З1 зменшен-ням глибин кишеш 1 зб1льшенням и опору при постшнш поверхневш концентрацп р1зко зростае 1мов1ршсть в1дмов схем через виникнення тиристорного ефекту.
В зв'язку з цим нами запропонований спос1б формування кишеш невелико'' глибини (ретроградно'') з низьким опором за допомогою високоенергетично'' багатозарядно'' ¡мплантаци (рис. 7).
Рис. 7. Формування ретроградних кишень за допомогою
юнноТ 1мплантацп: а — концентрац1йн1 проф1л1 для стандартно! 1 ретроградноТ кишеш р-типу; б — технолог1я формування КМОН структури з ретроградною кишенею та спк-витокових областей МОН транзистор1в
Переваги дано'' технологи полягають в наступному:
а) поверхнева концентращя, ошр 1 глибина кишеш е незалежними один в1д одного;
б) багатозарядна ¡мплантащя кишеш проводиться п1сля вирощування польового оксиду одночасно 1з формуванням р+-охоронних областей;
в) високотемпературна розгонка та в1дпал виклю-чаються. Це знижуе число операц1й до 10, а в1дстань Хрп зменшуеться до 5-6 мкм.
Вс1 ц1 технолог^ можна повторити 1 для GaAs-струк-тур, що в1дкривае велик1 можливост1 вже арсешдгал1-ево'' К-МОН-технологп для формування швидких В1С та субм1кронно'топологи.
6. Технолопя формування юнноммплантованих р+-п-переход!в на GaAs високоенергетичною багатозарядною !мплантащею (ВБ1)
В даному розд1л1 подано результати наших досл1-джень вольт-амперних та вольт-фарадних характеристик переход1в, створених багатозарядною 1мплантац1-ею цинку 1 берил1ю в арсешд гал1ю п-типу.
В рол1 вихщних для виготовлення р+-п-структур брались шдкладки GaAs леговаш телуром 1 як1 мали концентращю п-носпв N=1017 см-3 з ор1ентац1ею (111) або (100), вирощеш методом Чохральського. П1сля х1м1ко-ди-нам1чного травлення товщина п1дкладок зменшувалась до 250±10 мкм. Перед терм1чним в1дпалом 1мплантоваш пластини покривались з двох стор1н д1електричними (капсулюючими) пл1вками SiO2 1 SiзN4 (сендв1ч) в реак-тор1 РПТ та ВЧ-магнетронним розпиленням Si-мiшеиi в азотнш плазм1 товщиною 0,14-0,25 мкм. Терм1чний фотонний в1дпал проводився при Т=820 °С протягом 10 с в атмосфер! осушеного аргону. Шсля зняття д1електрика, на нижню (тильну) сторону п1дкладок х1м1чно напиляв-ся контакт Au-Ni, а на 1мплантовану п-сторону - Au-по-криття 1з розчину золотохлористоводнево'' кислоти Н^иС^). Температура впаювання контакт1в Т=450 °С в атмосфер1 азоту (аргону). Меза-травленням отримували р+-п-структури д1аметром 200±10 мкм. Вольтамперш характеристики вим1рювались по постшному струму на характерограф1 Л2-56, а вольт емшсш - на частот1 сигналу 465 кГц за допомогою вим1рювача емностей Л2-7.
Досл1дження енергетичного положення 1 концентрацп глибоких р1вшв в зб1дженш област1 р+-п-пе-реходу проводилось на обернено зм1щених переходах методом нестацюнарно' емшсно'' спектроскоп^ (НЕСГР) в шститут1 м1кроприлад1в (м. Ки'в). Структура юнно-легованого шару вивчалась на стоншених до 250 мкм шдкладках GaAs за допомогою електронно-го м1кроскопа ЕМ-200.
Оцшка електричних властивостей 1мплантованих шар1в виконувалась методом вим1рювання рухливост1 на тестових структурах-холлотронах та методом елек-троф1зичного дiагиостуваиия на основ1 кремшево'' технологи САПР.
Прям1 ВАХ 1онно-легованих структур достатньо добре описувались р1внянням 1=10ехр(еи/ ркТ) де в -фактор 1деальност1 р+-п-переходу.
На рис. 8, а, б подаш ВАХ 1 СУ-характеристики р+-п-структур, отриманих багатозарядною 1мплантац1-ею цинку ^п++). У структурах як1 в1дпалеш фотонним в1дпалом при Т=750 °С п1д SiзN4 в=2,05 для всього д1апа-
а
зону прямих змщень 0,2-1,0 В. Значения в вказуе на те, що пряма ВАХ обумовлена рекомбшащею носив на глибоких центрах в шар1 в област1 об'емного просторо-вого заряду.
Перехщ при в1дпал1 до БЮ2 1 зниженню температу-ри вщпалу викликае збшьшення дюдного коефщ1ента в>3. Аналопчна тенденщя мае мкце 1 для р+-п-струк-тур з 1мплантащею берилш Ве++.
Вольтемшсш характеристики 1мплантованих ме-за-д1од1в (ТС) в област1 обернених змщень описуються залежшстю виду (1/С)|~(ик-Ц), де Ц - контактна р1з-ниця потенц1ал1в, Ц - напруга плоских зон. На рис. 8, б в двшному логарифм1чному масштаб1 подаш СУ-характеристики при 1мплантацп Ве++. Коефвдент j тут мае значення 2,7 1 4,4 для температур вщпа-лу 750 1 650 °С вщповщно. Тобто р+-п-переходи при iмплантацii берил1ем е майже плавними (j=3,0) або надплавними 0>3,0) [8].
Тип юна
плавного. Додаткова iмплантацiя iонiв миш'яка (А8++) майже не змiнюе СУ-характеристик. Щльовим в цих дослiдженнях представляють глибокi рiвнi, що визна-чеш методом НЕСГР. В табл. 2 подаш параметри (енер-гетичнi рiвнi, сiчення захоплення а i концентращя N1), глибоких рiвнiв при рiзних режимах iонноi iмплан-тацп. Тут виявлено п'ять видiв ГР. Очевидно, що ва вони зв'язанi з присутшми радiацiйними дефектами в обласи просторового заряду р+-п-структур, так як при Тв1дп>750 °С (10 с) концентращя iх падае i зникае, що говорить про iх антляцш при вiдпалi. 1з цих 5 видiв ГР з лiтературних джерел можуть бути сшввщнесеш тiльки 4 рiвня.
Таблиця 2
Параметри глибоких р1вн1в в 1мплантованих р+-п переходах I фотонним вщпалом Т=550 °С (10 с)
Zn+
Ве+
А8+++ Zn++
А8+++ Ве++
D,
5-1014
5-1015
5-1015
5-1015
Ес-0,32 еВ
10"
10"
Н,
21014
61013
Ес-0,38 еВ
К;,
ирисутн1
6-10-
3-101
Ес-0,61 еВ
2-10-
2-10-
-3
6-101
1014
Ес-0,80 еВ
2-10-
Н,
-3
1015
присутн1
е¥+
+(0,07-0,10) еВ
10-;
10-
Н,
-3
101
101
Рис. 8. ВАХ I ^-характеристики р+-п-структур, отриманих багатозарядною 1мплантац1ею цинку: а - прям1 ВАХ структур р+-п, отриманих двозарядною 1мплантац1ею Zn++ з енерг1ею 60 кеВ I й=5-1015 см-2 при температур! вщпалу 500 °С (1, 2) 750 °С (3, 4) п1д шаром SiO2 (1, 3) I Si3N4 (2, 4); б - ^-характеристики структур р+-п-отриманих 1мплантац1ею Zn++ з енерпею 60 кеВ I 0=5-1014 см-2 покритого SiO2 при температур! вщпалу (фотонного) 600 °С (1) 750 °С (2)
Рiзкi р+-п-переходи (j=2,0) отримуються при iмп-лантацп: Zn++ з дозою Э=54014 см-2 при температурi фотонного вiдпалу Т=750 °С (10 с). Зi збшьшенням дози iонiв та зменшенням температури вщпалу значення 1 збшьшуеться. Перехiд вiд рiзкого переходить до
Рiвень Ес-(0,78 - 0,80) еВ мае в лiтературi позна-чення EL2, для якого прийнято говорити що вш зв'язаний з присутшстю антиструктурного дефекта AsGa i даний дефект е стiйким до вiдпалу при Т<500 °С i його концентрацiя стае пом^ною при додатковому легуваннi As*, що вказуе на його щен-тифжащю як AsGa.
Рiвнi Ес-(0,58-0,61) еВ i Ес-(0,37-0,38) еВ - це, найбшьш iмовiрно, е пастки електронiв EL3 i EL5 вiдповiдно, а дiркова паска Еу+(0,07-0,10) еВ - це антиструктурний дефект GaAs. Електронну пастку Ес-0,32 еВ називають ще А-дефектом, явно зв'язана з додатковим легуванням миш'яком. Отримаш данi доз-воляють зв'язати дефект EL5 з галiевими вакансiями (або iх комплексами) як е присутнi в iмплантованих цинком шарах i щезають при додатковш iмплантацii миш'яком As++, перетворюючись в антиструктурний дефект AsGa (пастка EL2).
Тут слiд вважати, що iмплантованi iонами ак-цепторних домiшок обласи GaAs представляють пiсля вiдпалу при Т<500 °С структуру типу р+-1-п, про що говорять велик значення дiодного коефiцiента в i ] та високi концентрацп ГР. Зi збiльшенням температури Т>500 °С радiацiйнi дефекти перемiщуються, перехо-дячи в неактивний стан [9].
Хорошi характеристики p+-n-переходiв отримуються при малих дозах iмплантованих двозарядних юшв Zn++ i Ве++ i Тв1дпалу>750 °С. Тут важливим е також пiдбiр капсулюючих шарiв-масок до юнного ле-гування, взамiн БЮ2 та Б13К4. Позитивний ефект - це збшьшення кратностi заряду iона та iмпульсного фотонного вiдпалу, що забезпечують ашгшяцш даних дефектiв i можливiсть формування КМОН структур В1С на GaAs.
а
а
а
а
г
см
см
а
7. Електрофiзичнi характеристики шарiв p-типу в GaP i GaAs1-xPx сформованих двозарядною iмплантацieю B++ i Mg++ для варiзонних ФЕП
Для створення нашвпровщникових приладiв (фото-чутливих приладних структур СЕ) на ochobî матерiалiв АШВУ методом багатозарядно! iмплантацiï необхiдно знати, який вплив мають режими iмплантацiï i шсля-iмплантацiйного фотонного вщпалу на електрофiзичнi параметри i характеристики приладних структур. В даному шдроздт стати розглядаються електрофiзич-нi властивост iонно-легованих шарiв пiсля фотонного вщпалу пiд маскуючою плiвкою дiелектрика.
Вихщш данi пiдкладок представляли собою еш-таксiйнi шари n-типу, легованi телуром (Те) з концен-трацieю електрошв 1016-1017 см-3 товщиною 10-16 мкм, яю вирощенi на n+-GaAs або GaP-шдкладщ.
Для iмплантацiï двозарядних юшв B++ i Mg++ ви-користовували iмплантант HVE-350 (НД1 мшроприла-дiв, м. Кшв), що дозволяв достатньо точно контролювати енергiю та дозу легування.
Для запоб^ання випаровування легколетучих компоненпв Ge, As, P при вiдпалi поверхню пiдкладок захищали капсулюючими дiелектриками. Для цього використовувались шролпичш плiвки (вирощенi в реакторi РПТ) SiO2, плазмохiмiчнi плiвки Si3N4, маг-нетроннi плiвки SixOyNz i AlN. Температура шдкладки при формуванш дiелектрика не перевищувала 300 °С.
Фотонний вщпал проводили на установцi «1м-пульс-3» при температурi Т=750-850 °С протягом 8-12 с. Найкращими характеристиками по стшкосп при термофотоннiй обробщ володiли плiвки штри-ду алюмшш, сформованi магнетронним осадженням шляхом розпилення мшеш АКГо-1-1. Пiсля вiдпалу i зняття дiелектричноï плiвки взiрцi розрiзали i на них напиляли контакти InNiZn (Ni - 3 %, Zn - 1 %) через спещальну маску електронним променем.
При легуванш використовувались двозарядш юни Be++ з енерпею 2х40=80 кеВ i Mg++ з енергieю 2х60=120 кеВ з дозами 5-1013-5-1015 см-2.
Виявилось що для формування p-шарiв в GaP не-обхiдно iмплантувати Mg++ з дозами >1017 см-2, а Be++ з дозами >54014 см-2. Використання менших доз не приводить до утворення p-шарiв. В GaAsi-xPx при тих же режимах iмплантацiï i вiдпалу провiднiсть p-типу вже спостер^алась при дозi 5-1013 см-2, тобто ефективнiсть багатозарядно! iмплантацiï при вказаних режимах у фосфщу галiю е нижчою.
На рис. 9, а, б представлен залежност концентра-цiй дiрок в шарах GaP та GaAsi-xPx, iмплантованими юнами Be++ (E=2x40 кеВ) i Mg++ (E=2x60 кеВ) вiд дози легування та температури вщпалу.
Таким чином, iмплантацiя iонiв Be++ в GaAsi-xPx i GaP приводить до утворення певного числа точкових радiацiйних дефектiв, якi сприяють активацiï iонiв Be++, при цьому немае амортизацп нашвпровщнико-вого шару i в той же час iмпульсний фотонний вщпал при Т=820 °С (10 с) повнiстю вщновлюе кристалiчну гратку.
Двозарядний iон Mg++ е менш ефективним легую-чим юном, проте можна вибрати певш режими легування i вщпалу для забезпечення необхщних параме-трiв р-шару в GaAsi-xPx i GaP.
Дана технолопя може бути усшшно використана при конструюванш варiзонних структур сонячних елеменпв [10].
Рис. 9. Залежнють шарово!' концентрацп' дiрок в шарах GaP та GaAs1-xPx iмплантованими iонами Be++ i Mg++ вщ: а — дози легування при TBifln=750 °С; б - температури
вщпалу при дозi D=5^1014 см-2;
1 - GaAs1-xPx Be
2 - GaAs1-xPx Mg++, 3 - GaP Be++, 4 - GaP Mg+
8. Висновки
1. Дослщжеш особливостi формування складних iонно-iмплантованих p+-i-n+-шарiв в арсенiдi галiю високоенергетичною багатозарядною iмплантацiею, яка пiдвищуе точнiсть та вщтворювашсть концентра-цiйних профiлiв та зменшуе дефектнiсть.
2. Використання багатозарядно! iмплантацiï в арсенiдгалiевiй технологiï субмжронних структур дозволяе реалiзувати КМОН структури В1С високо1 швидкодiï, бо дае можливють формувати складнi кон-центрацшш профiлi, зокрема ретрограднi стж-витоко-вi областi, що дозволяе знизити контактш опори.
3. Багатозарядна iмплантацiя юшв H2++, Вц++, Oi6++
забезпечуе формування локальних iзольованих шарiв
в п+-п-ьструктурах на GaAs, що повнiстю виключае
++
iзоляцiю p-n-переходами, в результатi чого в два рази збшьшуеться щiльнiсть компоновки елеменпв.
4. Дослiдження особливостi формування юн-но-iмплантованих p+-n-шарiв в GaAs з використан-
ням двозарядних юшв Zn++, Be++ i Mg++ та внзначеш областi 1х застосування в арсешд галiевiй технологii формування структур В1С та сонячних елементiв з використанням стандартних iмплантаторiв.
Лiтература
1. Риссел, Х. Ионная имплантация : пер. с нем. [Текст] / Х. Риссел, И. Руге; под ред. М. И Гусевой. - М.: Наука, 1983. - 360 с.
2. Van Tuyl, R. L. Manufacturing process for analog and digital gallium arsenide integrated circuits [Text] / R. L. Van Tuyl, V. Kumar, D. C. D'Avanzo, T. W. Taylor, V. E. Peterson, D. P. Hornbuckle, R. A. Fisher, D. B. Estreich // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1982. - Vol. 29, Issue 7. - P. 1031-1038. doi: 10.1109/t-ed.1982.20830
3. Новосядлий, С. П. Суб- i наномшронна технолопя структур В1С [Текст] / С. П. Новосядлий. - 1вано-Франгавськ : Мюто НВ, 2010. - 455 с.
4. Новосядлий, С. П. Багатозарядна юнно^мплантацшна обробка при формуванш кишень i меташзацп субмшронних структур В1С [Текст] / С. П. Новосядлий, В. М. Бережанський // Металоф1зика i нов1тш технологи. - 2004. - Т. 29, № 7. - С. 857-866.
5. Новосядлий, С. П. Модел1 нашв1золюючих шар1в GaAs при i^ формуванш багатозарядною юнною ¡мплантащею [Текст] / С. П. Новосядлий, С. М. Марчук, В. М. Варварук, Л. В. Мельник // Ф1зика i х1м1я твердого тша. - 2014. - Т. 15, № 4. -
C. 872-878.
6. Симонов, В. В. Оборудование ионной имплантации [Текст] / В. В. Симонов, Л. В. Корнилов. - М. : Радио и связь, 1988. -354 с.
7. Болтакс, Б. И. Глубокие центры в GaAs, связаные с собственными структурными дефектами [Текст] / Б. И. Болтакс, М. Н. Колотов, Е. А. Скоретина // Известия вузов. Физика. - 1983. - 10 с.
8. Афанасьев, В. А. Оборудование для импульсной термообработки полупроводниковых материалов [Текст] / В. А. Афанасьев, М. П. Духновский, Г. А. Крысов // Електроника СВЧ. - 1984. - С. 56-58.
9. Окамото, Т. Устройства ионной имплантации [Текст] / Т. Окамото // Саймицу кикай. - 1985. - С. 1322-1325.
10. Черилов, А. В. Исследование електрофизических характеристик ионно-легированих слоев [Текст] / А. В. Черилов // Елек-тронная техника. - 1984. - С. 8-12.
11. Einspruch, N. G. VLSI Electronics: Microstructure Science. Heterostructures and Quantum Devices [Text] / N. G. Einspruch, W. R. Frensley. - San Diego : Academic Press, Inc., 1994. - 452 p.
12. Mishra, S. Strain buildup in GaAs due to 100 MeV Ag ion irradiation [Text] / S. Mishra, S. Bhaumik, J. K. Panda, S. Ojha, A. Dhar,
D. Kabiraj, A. Roy // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B : Beam Interactions with Materials and Atoms. - 2013. - Vol. 316. - P. 192-197. doi: 10.1016/j.nimb.2013.09.010
13. Koumetz, S. D. A computational study of ion-implanted beryllium diffusion in gallium arsenide [Text] / S. D. Koumetz, J.-C. Pesant,
C. Dubois // Computational Materials Science. - 2008. - Vol. 43, Issue 4. - P. 902-908. doi: 10.1016/j.commatsci.2008.02.003
14. Pribat, D. Ion implantation of silicon in gallium arsenide: Damage and annealing characterizations [Text] / D. Pribat,
D. Dieumegard, M. Croset, C. Cohen, R. Nipoti, J. Siejka, G. G. Bentini, L. Correra, M. Servidori // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - 1983. - Vol. 209-210, Part 2. - P. 737-742. doi: 10.1016/0167-5087(83)90876-1
15. Hutchinson, S. Acceptor profile control in GaAs using co-implantation of Zn and P [Text] / S. Hutchinson, R. Gwilliam, M. J. Kelly, B. J. Sealy, A. Chew, J. Stephens // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B : Beam Interactions with Materials and Atoms. - 1999. - Vol. 148, Issue 1-4. - P. 459-462. doi: 10.1016/s0168-583x(98)00674-0
16. Jayavel, P. The effect of nitrogen implantation on structural changes in semi-insulating GaAs [Text] / P. Jayavel, K. Santhakumar, S. Rajagopalan, V. S. Sastry, K. Balamurugan, K. G. M. Nair // Materials Science and Engineering : B. - 2002. - Vol. 94, Issue 1. -P. 66-70. doi: 10.1016/s0921-5107(02)00086-7
