Отжиг легированных структур

Параметры процесса отжига определяются дозой и видом имплантированных ионов.

1. Изохорный отжиг структур, имплантированных бором.

Весь диапазон температур отжига разбит на три области.

Для первой области характерно наличие точечных радиационных дефектов. Повышение температуры отжига от комнатной до 500 C приводит к ликвидации таких точечных дефектов, как дивакансии.

Вторая область. При 500 C<Т< 600 С кремний содержит меньшую концентрацию атомов бора в узлах кристаллической решетки и большую концентрацию межузельных атомов бора с неопределенным положением.

В третьей области T> 600 C за счет увеличения числа кремниевых вакансий и их замощения атомами бора концентрация активных атомов примеси увеличивается. При дозах имплантированных ионов 1012 см-2 полный отжиг происходит при Т= 800 С в течение нескольких минут.

2. Изохорный отжиг структур, имплантированных фосфором.

Отжиг слоев фосфора, имплантированных при комнатной температуре мишени, производится качественно отличным способом. Доза имплантируемого фосфора от 3*1012 до 3*1014 см-2 требует проведения отжига при температурах T> 800 C для устранения более сложных радиационных дефектов по сравнению с отжигом слоев, имплантированных бором.

Когда имплантированный слой фосфора становится аморфным (при дозе выше 3*1014 см-2), начинает действовать другой механизм отжига. Температура отжига при этом несколько меньше, чем для кристаллических слоев и составляет 600 С. Более сложные процессы происходят при отжиге скрытых слоев с аморфной структурой, расположенных на определенной глубине под поверхностью подложки. Эпитаксиальная перекристаллизация начинается на обеих поверхностях раздела аморфных и монокристаллических областей.

3. Изотермический отжиг

Дополнительная информация о характере распределения имплантированных примесей может быть получена при проведении отжига при постоянной температуре, но в течение различного времени. По мере увеличения времени отжига электрическая активность легирующей примеси возрастает относительно медленно; при этом доля электрически активных атомов бора повышается от начального значения до величины, составляющей более 90 % этого значения. Энергия активации соответствует генерации и миграции термически введенных вакансий. Термически генерированные вакансии мигрируют к межузельным образованиям. При этом происходит внедрение атомов бора в узлы кристаллической решетки.

4. Диффузия имплантированных примесей.

Коэффициент диффузии бора может быть повышен за счет уничтожения кремниевых вакансий и межузельных кластеров, при этом вакансии могут увеличить коэффициент диффузии по узлам кристаллической решетки, а межузельные атомы кремния могут вытеснять атомы бора из ее узлов, что приведет к быстрой диффузии комплексов межузельный атом кремния - атом бора.

5. Быстрый отжиг.

Имплантированные слои могут быть подвергнуты лазерному отжигу с плотностью энергии в диапазоне 1-100 Дж/см2. Вследствие короткого времени нагрева имплантированные слои могут быть термообработаны без заметной диффузии примеси. Имплантированные аморфные слои толщиной 100 нм перекристаллизуются в течение нескольких секунд при Т= 800 С по механизму твердофазной эпитаксии.

Процесс быстрого отжига относиться к категориям чистых процессов, и загрязнения от элементов конструкции оборудования не создают серьезной проблемы. Лазерная энергия может быть локализована на отдельной части кристалла ИС, так что некоторые р-n переходы схемы могут размываться во время отжига за счет диффузии в большей степени, тогда как другие не претерпевают изменений.

Значительное преимущество метода то, что после расплавления и кристаллизации аморфных слоев по методу жидкофазной эпитаксии в них отсутствуют линейные дефекты.

С использованием технологии лазерного отжига создают биполярные и МОП-транзисторы, кремниевые солнечные батареи.

6. Отжиг в атмосфере кислорода.

Процессы отжига, в результате которых все имплантированные ионы занимают электрически активные положения в узлах кристаллической решетки, обычно приводят к возникновению микродефектов. Эти дефекты называют вторичными дефектами. Любые внешние микродефекты развиваются в большие дислокации и дефекты упаковки. Эти дефекты, называемые третичными дефектами, имеют достаточно большие размеры.

7. Упрочнение деталей.

Изначально ионная имплантация применялась в микроэлектронике для изготовления больших интегральных схем. С развитием вакуумной техники и появлением сильноточных ионных источников стало возможным проводить модификацию поверхности крупногабаритных изделий. В настоящее время разработанные технологии ионной имплантации позволяют обрабатывать рабочие лопатки паровых турбин максимальным габаритом до 1700 мм.

Достигнуто:

Ø Увеличение предела усталости на 7-25 %;

Ø Повышение долговечности более чем в 20 раз;

Ø Улучшение структуры поверхностного слоя деталей;

Ø Повышение адгезионной прочности последующих покрытий;

Рис. 7. Потеря массы образцов из сплава ЦНК7П в процессе испытания на жаростойкость после различных видов обработки. Длительная прочность образцов из сплава ЦНК7П (нагрузка 350МПа, температура 850 ОС на воздухе.

При нанесении защитных покрытий на турбинные лопатки из жаропрочных сплавов тио ЦНК достигнуто повышение:

Ø жаростойкости в 2,5 раза,

Ø коррозионной стойкости в 1,9 раза

Ø длительной прочности в 1,6 раза

Ø сопротивления усталости в 1,2 раза

Рис. 5. Длительная прочность образцов из сплава ЦНК7П (нагрузка 350МПа, температура 850 ОС на воздухе).