Способ ионной имплантации Советский патент 1990 года по МПК H01J37/317 

Изобретение относится к технической физике, в частности к радиационному материаловедению, и предназначено для улучшения электрофизических, химических и механических свойств поверхности изделий из металлов и сплавов j полупроводников, диэлектриков и др.

Целью изобретения является увеличе кие концентрации имплантируемой примеси в образце.

В способе ионной имплантации для компенсации эффекта распыления дополнительно создают поток нейтральных атомов или ненов (частиц) с энергиями частиц эВ. При этом для получения потока частиц используют , один из способов; термический, пучко- во-плазменный, лазерный, электрораз- рядный и дро Выбор уровня энергий частиц эВ связан с тем, что при таких энергиях основным процессом является осаждение (напыление) частии на поверхности материала. При энергии ; частиц эВ адгезионные свойства напыляемой пленкч оказываются очень плохими. При энергиях частиц эВ наряду с осаждением существенным становится распьшение материала, которое становится прЕвалирующим при энергиях частиц Е 10 эВ,

В первом случае первоначально создают плазму, затем из нее извлекают и ускоряют ионы до энергии 30-200 кэВ Затем осуществляют облучение ускоренными ионами поверхности образца. В процессе имплантации происходит накопление концентрации примеси в об- i

разце и одновременное, распыление

поверхностного слоя материала. Толщина распыленного слоя d рассчитывается по значению скорости распьшения

S для дозы ионов D следующим образом:

d«|.D,

где N - атомная плотность вещества

образца.

Чередование процессов имплантации ускоренных ионов и напыления атомов до восстановления первоначальной границы позволяет увеличить концентрацию примеси в образце. Причем эффект увеличения концентрации принеси будет .существенным, если за один цшсп имплантации толщина распыленного уског ренными ионами материала не будет иревышать Rp - среднего проецированного пробе ионов в образце, т.е. когда макс1-шум концектращш еще находится на на поверхности вещества, а на определенной глубине. Чем меньше распьтяёмая за один цикл облучения толщина материала, тем большая концентрация примеси в материале достигается.,

Таким образом, в одном цикле облучения ускоренными ионами доза D выбирается в соответствии с соотношением

„.5 После имплантации осуществляют процесс.осажденил (напьшения) нейтральных атомов или ионов на образец до восстановления первоначальной границы вещества. Учитывая, что за время имплантации ускоренных ионов с

единичной поверхности было распылено D S атом1 в вещества, образец облегчают дозой частиц, равной

D,. D.S.

Поочередные процессы имплантации И напыления осуществляют до получения необходимой концентрации примеси в образце. Максимальная концентрация при этом достигается не на поверхности образца, а на глубине, соответствующей среднему проецированному пробегу конов.

Во втором варианте способа процесс облучения образца ускоренными ионами и частицами осуществляют одновременно. Для того, чтобы 1граничная поверхность образца оставалась неизменной и соответственно ионы накапливались на глубине, соответствующей их среднему пробегу в материале, поток частиц формируют равным потоку распыляемых под действием ускоренных ионов атомов поверхности образца. Процесс внедрения ионов осуществлягл- также до получения необходимой концентрации примеси. При этом максимальная концентрация внедрения npHX-secH оценивается соотношением

N.

D . . .

. Mtc - , : которое получено без учета эффекта распыления материала мишени ускоренными ионами в процессе имппантафш. Из последнего соотношения видно, что при выполнении условий предлагаемого способа имплантации концентрация примеси прямо пропорциональна дозе внедренной примеси и при больших доIt ч9

пах D И) -И) ион/гм существенно преи(.1шлет ирелел концентрации, полу- .чаемый обычными методами.

В случае, если в процессе облу.че- ния образца ускренными ионами и час- тицам 1 не соблюдается равенство потоков или в другом варианту способа не выполняются условия на дозу ионов и дозу частиц, то это приводит к уменьшению максимальной концентрации при- меси.

Так, например, если поток частиц в случае одновременного облучения. будет меньше потока распыляемых под действием ускоренных ионов атомов вещества, то будет происходить постепенное (хотя I и с меньшей скоростью) распьшение материала и граничная поверхность вещества будет приближаться в глубине соответствующей R.i.B этом случае максимальная концентрация будет превышать N, достигаемую обычным способом имплантации, но ее значение ограничивается величиной поверх ностной концентрации, когда толщина распыленного слоя достигнет Rp.

Если поток частиц превышает поток распыляемых атомов вещества, то будет наблюдаться движение границы облучаемого вещества в другую сторону (превалирует напыление). Это приведет к тому, что из-за постоянства Кь область, максимальной концентрации будет постепенно перемещаться со скоростью, соответствующей скорости роста напыляемой пленки, и хотя об-п щее количество внедренных ускоренных ионов будет возрастать пропорционально дозе, уровень максимальной концентрации будет ограничен скоростью перемещения поверхности.

Пример реализации способа ионной имплантации дан с использованием ва- куумно-дугового частотно-импульсного источника ионов, схематическое изоб ражение которого приведено на чертеже, где на фиг,1 изображена схема yctpoйcтвa, реализующего предлагаемый способ по первому варианту; на фиг.2- то же, по второму варианту.

Устройство содержит ускорякядий электрод 1, образец 2, высоковольтный источник 3 ускоряющего напряжения ,анод А, импульсный трансформатор 5, источник питания 6, блок синхронизации 7, источник питания 8, импульсный трансформатор 9, катод 10, диэлектрическое кольцо 11, поджигающий

1

ях

/4125

10

ts

20

25

30

35

40

45

50

55

174

электрод 12, источник П ионов и

источник 14 нейтральных часттЩс

Устройство работает/следующим образом.

При подаче от блока синхронизации 7 запускающего импульса на источники питания 6 и 8 импульсных трансформаторов 5 и 9 последние формируют импульсы напряжений, подаваемые к источнику. Под действием импульсного напряжения трансформатора 9 происходит пробой промежутка катод 10 - поджигающий электрод 12 по поверхности диэлектрического кольца 11. В результй- те дугового пробоя формируется плазма, которая, расширяясь, обеспечивает возникновение дугового разряда между анодом А и катодом 10. Питание дуги обеспечивает импульсный трансформатор 5. Формируемая в результате основного дугового разряда плазма поступает в ускоряющий зазор между ускоряющим электродом 1 и анодом 4, Ускорякяцее напряжение задается источником 3. Ускоряемые из плазмы ионы после прохождения диода попадак т на образец 2. ycTpoiicTBo обеспечивает возможность реализации предлагаемого, способа за счет .многократного и поочередного проведения облучения образца ускоренными ионаьш и потоком частиц. Первоначально на электрод 1 и соответственно на образец 2 подают ускоряющее напряжение. В процессе облучения, например, образца СаАз-наг. бирают дозу D ионов внедряемой примеси, определяемую в данном случае как

,25.10 -I-r-fi-|, о

где I - ток пучка ионов;

t - длительность импульса тока; f - частота следования импульсов. Из литературных данных или дополнительного эксперимента определяют коэффициент распыления материала выбранного образца GaAs ионами данного сорта (например, Bi). При ускоряющем напряжении кВ в выбранном случае . После набора определенной дозы,

-,

.например ион/см () в .

О

«S5«10 см), отключается ускорякщее напряжение и заменяется материал ка тода на GaAs. Затем источник с катодом из GaAs включается без ускоряющего напряжения. При этом на поверх51/

ность образца осаждаются ноны из плазмы разряда. ЕслЯ не используются дополнительные системы ускорения, то энергия ионов плазмы в этом случае удовлетворяет условию Е,« 1-100 эВ.

После измерения концентрации плаз- мы, генерируемой в разряде GaAs катодом, процесс осаждения пленки производят до набора дозы

D, 3-D ЗПО ион/см. После .этого процесса имплантации и осаждения ионов многократно повторяют до получения необходимой концентрации В.« в GaAs..

Экспрессйость метода может быть существенно увеличена при использовании источника, обеспечивающего возможность генерации потоков плазмы различньпс элементов без нарушения ва- куума. Для напыления может использоваться поток частиц как соответствующий стехиометрическому составу образца, так и отличакщийся от него, В случае, когда поток частиц не соот- ветствует стехиометрическому составу, его величина определяется с учетом коэффициента распыления материала напыляемой пленки ускоренными ионами. Так, например, при облучении GaAs по- током нейтральных атомов или ионов А1 коэффкЕ иент распыления пленки А1 будет меньше,, чем GaAs, и в этом слу- ч&а должна использоваться S для А1 прч знергйи ионов В,- - Е 60 кэВ.

Во втором случае поток ускоренных ненов формируют в источнике 13, а li iCix мзйтральных атомов или ионов в источнике 14, Оба потока направляют SvS образах 2. В соответствии с выб- ртнюн „ режимом имплантации (энергия к сорт ускоренных ионов) и коэффициентом распыления материала образца регулирования тока пучка ускоренных ионов или потока частиц доби- даются выполнения условия равенства готоков частиц и распыляемых атомов Так, например, при имплантации ионов В с энергией 60 кэБ в GaAs источник атомов должен обеспечить поток атомов шга ионов, равный

Г/

я . .s,

где .1 . - плотность тока ускоренных

ионов;

е - заряд электрона. При J- 10 мкА/см i- 1,9 И) атом/ /,С см .

Таким образом, использование .изобретения позволит существенно увели- чить уровень концентрации примеси в любом материале. Величина концентрации в этом случае определяется дозой имплантируемых ионов и превышает в 10-1000 раз концентрации, получаемые в настоящее время в различных материалах .

Формула изобретения

1.Способ ионной имплантации вещества путем генерации плазмы, последу ющего ускорения ионов, облучения ускренными ионами поверхности образца и напыления атомов вещества подложки, отличающийся тем, что,

с целью увеличения концентрации имплантируемой примеси в образце, напыление проводят потоком нейтральньк атомов или ионов с энергиями частиц 1-100 эВ и многократно и поочередно проводят облучение образца ускоренными ионами дозой D и частицами

О

дозой S,

где RP - средний проецированный пробег ускоренного иона в образце;

S - коэффициент распьшения по верхностного слоя образца; N - атомная плотность вещества образца.

2.Способ по П.1, отличаю- щ и и с я тем, что напыление и процесс облучения осуществляют одновременно, причем поток нейтральных атомов или ионов формируют равньм по плотности потоку распыляемых под действием ускоренных ионов.атомов образца.

Изобретение относится к технической физике, в частности к радиаци- рииому материаловедению, и предназначено для улучшения электрофизических, химических и механических свойств поверхности изделий из металлов и сплавов, полупроводников, диэлектриков и др. методом ионной имплантации. Целью изобретения является увеличение концентрации имплантируемой примеси в любом материале, которая в этом случае определяется дозой tmm лантированных ионов. Для этого в предлагаемом способе наряду с процвс сом . имплантагщи ускоренных яоиов (УИ) в материал образца создают notok Нейтральных атомов или ионов (частиц) (Ч) с энергией 1-100 эВ яоблуча - ют поверхность образца Ч двумл поте- ками. Облучают либо одновременно, с процессом имплантации, при этом поток 4 формируют равным потоку распыш емш под действием УИ атомов поверхности образца, или многократно И поочередйо с процессом имплантации, йри этом в одном цикле доза облучения 3 должна быть меньше значения, когда толщина распыленного слоя сравнипассо средним проецированным пробегом УИ в образце, а доза Ч равна числу распыленных dto MOB образца с единичной поверхностя 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

.2