научная статья по теме РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИОНОВ GA+ В КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ ДЛЯ НАНОРАЗМЕРНОГО МАСКИРОВАНИЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИОНОВ GA+ В КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ ДЛЯ НАНОРАЗМЕРНОГО МАСКИРОВАНИЯ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 1, с. 23-28

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 004.942/539.219.1

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИОНОВ Ga+ В КРЕМНИЕВОМ ПОДЛОЖКЕ ДЛЯ НАНОРАЗМЕРНОГО МАСКИРОВАНИЯ © 2014 г. И. И. Бобринецкий, В. К. Неволин, К. А. Царик, А. А. Чудинов

Национальный исследовательский университет "МИЭТ" E-mail: vkn@miee.ru Поступила в редакцию 25.06.2013 г.

Метод наноразмерного легирования приповерхностного слоя кремния с помощью фокусированного ионного пучка был исследован программными средствами, использующими математические методы расчета пробега ионов в кристалле. Рассчитаны размеры областей локального легирования и концентрации примесных атомов в зависимости от реальных технологических параметров наноразмерного воздействия ионного пучка галлия. Выявлены теоретические границы технологических параметров легирования с учетом распыления кремния.

DOI: 10.7868/S0544126913060045

ВВЕДЕНИЕ

Фокусированная ионно-пучковая (ФИП) литография является одним из основных методов создания наноразмерных рисунков с разрешением до 10 нм, что нашло применение в создании различного рода устройств и элементов. Производительность данного метода низка, что ограничивает массовое использование данной технологии: в основном ФИП применяется для восстановления фотошаблонов для БиУ-литографии и создания мастер штампов для наноимпринт-ли-тографии (НИЛ).

Один из новых методов литографии — использование галлия для создания масок непосредственно на кремнии [1]. С использованием ФИП возможно создание наноразмерных легированных галлием областей в приповерхностном слое кремниевой подложки, формируя заданный рисунок необходимого элемента. Преимущества наноразмерного ионного легирования позволяют получать прецизионное формирование профиля полупроводниковых приборных структур благодаря возможности прецизионного контроля дозы за счет изменения времени экспонирования и ускоряющего напряжения. Подобная точность в управлении обеспечивает высокое разрешение формируемой маски (~40 нм) без необходимости использования полимера для переноса рисунка [2]. Высокая эффективность систем с фокусированными ионными пучками позволяет обеспечить высокую производительность процесса на-нолитографии в электронике. Совмещение процесса легирования с другими технологическими процессами поверхностной обработки кристалла, а также способность создавать практически лю-

бые профили распределения за счет ступенчатого легирования открывает широкие перспективы данной технологии, например, при создании 3Э рисунков за счет объемного маскирования. Удаление данных масок является трудоемкой задачей, так как атомы галлия внедряются в кремний и разрушения и изменения вызываемые имплантируемыми ионами в кремнии не были достаточно изучены.

Большое число регулирующих параметров процесса ионного легирования (доза, тип, энергия ионов и др.) позволяют в широких пределах изменять свойства легированных слоев, но наряду с этим требуют глубокого физического понимания процессов внедрения ионов, их поведения в кристаллической решетке, кинетики образования и устранения радиационных дефектов, что необходимо для высококачественного технологического моделирования в конечном итоге эффективной реализации приборных структур и схем в интегральном исполнении.

В данной работе проводилось теоретическое исследование характеристик внедрения ионов галлия в кремний с целью создания наноразмерного топологического рисунка. Параметры внедрения ионов необходимы для оценки скоростей травления и для определения размеров наноструктур.

МОДЕЛЬ ЛЕГИРОВАНИЯ ИОНАМИ Оа+ КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКИ

Стандартная микроэлектронная технология подразумевает легирование полупроводника примесями с целью создания различных приборных структур за счет изменения его электрофизиче-

Ионное легирование

После ПХТ

т

подложка

ГП—

| 81 подложка

Рис. 1. Схема формирования штампа с помощью плазмохимического травления легированной ионами галлия области кремния.

ских свойств: типа электропроводности, удельного сопротивления и других характеристик. Однако, используя локальное ионное легирование, открывается возможность создания трехмерного рисунка наноразмерного диапазона за счет совмещения технологий ФИП и плазмохимического травления (ПХТ). Благодаря различию скоростей травления легированных и нелегированных областей кремния при ПХТ формируется трехмерный объект на кремнии.

Использование сформированного трехмерного наноразмерного рисунка возможно, например, в качестве штампа для наноимпринт-литогра-фии. Последовательность создания наноразмер-ной структуры с помощью маскирования ФИП следующая: с помощью ФИП создается рисунок на поверхности кремния, состоящий из локально легированных областей, которые в дальнейшем используются в качестве маски для плазмохими-ческого травления (рис. 1).

Возможной причиной, почему плазмохимиче-ское травление легированных ионами Оа+ областей кремния происходит значительно медленнее, чем "чистых" областей, являются образуемые соединения ионов Оа+ с атомами кислорода и фтора при ПХТ в плазме SF6/O2 [1].

Расчет параметров внедряемых ионов проводился при помощи моделирования методом Монте-Карло. Этот метод хорошо описан в [3]. Данный метод использует приближение парных соударений, т.е. полагается, что вероятность одновременного столкновения трех частиц в одной точке пространства пренебрежимо мала.

В данной работе проводился расчет большого числа траекторий внедряемых частиц. Расчет каждой частицы начинался с генерации случайного положения в пределах области легирования, задания направления движения и энергии Е0. В расчетах считаем, что частица движется прямолинейно и меняет свое направление движения в результате столкновений. Проникая в кристаллическую решетку, ионизированный атом постепенно теряет приобретенную ускорением в ионной колонне кинетическую энергию за счет взаимодействия с электронами и упругих столкновений с атомами полупроводника и примеси, т.е. в ре-

зультате электронного и ядерного торможения. Расчет движения частицы прекращался, если ее энергия становилась менее определенного значения Ет1п или если частица покидала пределы области моделирования.

Для расчета параметров пробега ионов галлия в кремнии введем следующую систему координат: ось х направим перпендикулярно поверхности мишени, оси у и г вдоль поверхности перпендикулярно друг другу. Траектория внедряемого иона до полной остановки представляет собой ломаную линию и характеризует его пробег. Одними из основных параметров пробега иона являются проекции пробега в направлении первоначальной траектории движения — проективный пробег (Яр), проекция на ось у — латеральный пробег (Яш).

Имплантация ионов галлия при операциях ФИП в подложку кремния без присутствия эффекта распыления материала возможна только при малой дозе воздействия, которая определяется из таких параметров, как ток ионного пучка и время воздействия в точке. Соответственно, выражение для дозы записывается следующим образом:

Я = ^ л,

пй

(1)

где I — ток пучка, ? — время воздействия, d — диаметр пучка, п — число проходов.

Основным показателем ионной имплантации является средний пробег, т.е. расстояние, которое проходит внедренный ион в твердом теле до полной остановки. Этот показатель по большей части зависит от энергии иона.

Для определения среднего пробега применена теория Линдхарда—Шарфа—Шиотта (ЛШШ). Она помогла описать глубину проникновения и пространственное распределение ионов в аморфных телах. В связи с этим, предположим, что ион, проникший в твердое тело, до полной его остановки обязательно испытает соударения со связанными электронами и ядрами атомов подложки. Если учитывать потерю энергии на единицу длины, то можно записать следующее выражение для потери энергии:

йЕ = (йЕ) + (йЕ)

йх \йх, ядерные электронные

Это выражение также записывается в виде:

- ^ = N [ (Е) + ^ (Е)], ах

(2)

(3)

где N — количество рассеивающих центров в единице объема, т.е. атомная плотность (атомов/см3), 5п(Е) и ^(Е — ядерная и электронная тормозные способности.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИОНОВ Ga+ В КРЕМНИЕВОИ ПОДЛОЖКЕ 25

Тогда средний пробег запишется как

R Eo

R=!*=!rife - N !ш+ш <4>

\ dx

РАСЧЕТ ПРОБЕГА ИОНОВ Ga+ В ПОДЛОЖКЕ

Для расчета среднего пробега использовались программные средства, а именно программа SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter). Данное программное средство для расчетов использует теорию ЛШШ и метод Монте-Карло. В исходных параметрах задавалась кремниевая подложка. Исследовалась ограниченная область по глубине в 990 А и естественный окисел на поверхности толщиной в 10 А. Рассматривалась имплантация ионов галлия с энергией до 30 кэВ.

Результат моделирования распространение ионов галлия в теле кремния в плоскости XY (ось Y соответствует уровню поверхности) изображен на рис. 2. Наличие естественного окисла кремния оказывает незначительное влияние на пробег ионов, так как толщина его достаточно мала, а высокий вакуум системы с ионным пучком препятствует его дальнейшему росту. Как видно из рисунка, тормозной путь иона галлия может достигать 80 нм в глубину подложки, но основная часть ионов все же задерживается в области от 5 до 60 нм по глубине.

Для оценки проектированного и латерального пробега была построена зависимость от энергии иона галлия. Результаты моделирования показывают практически линейную зависимость среднего проективного пробега ионов от энергии в диапазоне энергий до 30 кэВ. Таким образом, среднее значение толщины легированного слоя (продольная составляющая пробега) определяется ускорением ионов и при 30 кэВ достигает 27 нм. Значение глубины, где находится пик концентрации внедренных ионов, совпадает со значением среднего проективного пробега ионов. Ширина легированной области при точечном воздействии (латеральная составляющая пробега) при увеличении ускорения ионов изменяется слабо. Однако, как видно из графика на рис. 3б, при 30 кэВ вклад в боковое смещение дает латеральный пробег 5 нм.

В реальном случае не достаточно оценивать среднее значение. Необходимо определить отклонение от среднего значения. Будем считать отклонением от среднего значения

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»