При ионной имплантации атомы легирующей примеси ионизируют в сильном электрическом поле и облучают потоком ионов поверхность пластины с подготовленной заранее оксидной маской (рис. 11). Имея при подлёте к поверхности одинаковую энергию, ионы при вхождении в кремний испытывают многократные столкновения с ядрами и кулоновское взаимодействие с электронами атомов кремния.Это приводит к постепенному торможению ионов вплоть до полной остановки. Путь, пройденный отдельным ионом в кристалле кремния (длина пробега), является величиной случайной и для совокупности ионов, внедрённых в кристалл, оценивается средним значением пробегов l_ср.

Рис 11. Принцип легирования ионной имплантацией.

Разброс отдельных пробегов относительно среднего значения оценивается средним квадратическим отклонением s.

Параметры распределения пробегов l_ср и s зависят от энергии ионов Е, а также от эффективного диаметра атома примеси (иначе говоря от порядкового номера z в периодической системе элементов). Чем выше Е и меньше z, тем больше l_ср и s (таблица 2).

В материале оксидной маски (SiO₂), имеющей более плотную структуру по сравнению с кремнием, имеет место более сильное торможение ионов, благодаря чему лишь незначительное количество ионов пронизывает маску и внедряются в кремний. За счёт этого достигается избирательность легирования. При энергиях десятки и сотни килоэлектронвольт ион способен при столкновении с ядрами кремния вызывать массовые смещения атомов в междоузлия решётки. В результате нарушения структуры монокристалла большое количество внедрённой примеси оказывается пассивной, неспособной создавать подвижные носители заряда, а активная часть примеси создаёт носители с низкой подвижностью. Для восстановления нарушенного слоя и перевода всей внедрённой примеси в активное состояние прибегают к отжигу поверхностного слоя путём облучения коротким (порядка 1 мс) и мощным импульсом инфракрасного излучения.

Преимущества ионной имплантации по сравнению с термической диффузией примеси сводятся к следующему:

1. Процесс не требует нагрева пластин и, следовательно, не приводит к изменению параметров ранее сформированных слоёв (за счёт диффузионной разгонки).
2. Так как ионный пучок перпендикулярен к пластине, размеры легированной области точно соответствуют размерам окна в оксидной маске.
3. Количество введённой примеси точно дозируется (контролируется в процессе облучения).

Недостатком процесса ионной имплантации является то, что при постоянной энергии ионов невозможно получить глубоко залегающий переход с одновременным присутствием примеси на поверхности. В связи с этим на практике прибегают к одному из двух вариантов (рис. 12):

Рис. 12. Формирование глубоких профилей: а - ступенчатый процесс;
б - комбинирование имплантационной загонки с диффузионной разгонкой

1. Ступенчатый процесс. Непрерывное и глубокое распределение примеси от поверхности до перехода обеспечивается несколькими ступенями легирования при различных энергиях, причём первый (глубокий) профиль обеспечивает заданную глубину залегания p-n-перехода Х_n, а последний (у поверхности) - необходимую поверхностную концентрацию N₀ (рис. 12,а).
2. 2. Комбинированный процесс. Имплантационная загонка примеси при низкой энергии обеспечивает необходимую дозу легирования Q и присутствие примеси на поверхности, а диффузионная разгонка - заданную глубину залегания p-n-перехода Х_n (рис. 6.12,б).

Если направление ионного потока не совпадает с главными кристаллографическими направлениями в монокристалле кремния, то распределение примеси по глубине подчиняется гауссову закону:

(9)

Из выражения (9) нетрудно получить формулы для N₀ (при Х=0), N_max (при Х=l_ср) и N_исх (при Х=Х_п):

	(10)
	(11)
	(12)
Из (11) и (12) можно получить
	(13)
а из (10) - условие, при котором поверхностная концентрация будет не менее заданной величины N0
	(14)

Знаки "±" в формуле (13) отражают тот факт, что если профиль распределения лежит достаточно глубоко, то образуются два перехода (скрытый слой).

Выражения (11), (13), (14) используются при расчёте режимов имплантации. К ним относят: кратность ионизации атомов примеси n (иначе говоря, число единичных зарядов, которые несёт ион), ускоряющее напряжение U_уск [кВ] и доза легирования Q [см^-2].

Первые два параметра связаны с энергией Е [кэВ] простым соотношением:

	(15)
Доза легирования:
	(16)

где J - плотность ионного тока [A/см²], t - время облучения [c], q - заряд электрона (1,6×10¹⁹ Кл).

Из выражений (15) и (16) следует, что повышение кратности ионизации до 2 или 3 уменьшает необходимое ускоряющее напряжение для достижения необходимой энергии, но в то же время увеличивает длительность облучения (или плотность ионного тока) для достижения необходимой дозы легирования. Кроме того, получение потока 2^х- или 3^х -зарядных ионов требует повышения мощности, подводимой к разрядной камере установки. Таким образом, повышение кратности ионизации оправдано лишь в том случае, если рассчитанное при n=1 ускоряющее напряжение превышает возможности установки.

Установка ионной имплантации представляет собой вакуумную камеру, состоящую из ряда блоков, последовательно состыкованных с помощью уплотнений из вакуумной резины. Из источника примесь в парообразном или газообразном виде попадает в разрядный блок (ионизатор), из которого отрицательным потенциалом в 20…25 кВ ионы вытягиваются в магнитный сепаратор (масс-анализатор). Здесь в постоянном магнитном поле происходит разделение траекторий ионов с различным электрическим зарядом так, что в следующий блок проходит моноэнергетический поток ионов (с расчётным значением n). В этом блоке с помощью системы электродов ионному пучку придаётся плоская (ленточная) форма и в следующем блоке (ускорителе) ионы разгоняются до необходимой энергии. В рабочую камеру, таким образом, проходит плоский (ленточный) ионный луч, неподвижный в пространстве.

Схема рабочей камеры (последнего блока установки) приведена на рис. 13. Облучаемые пластины 1, несущие оксидную маску, размещаются по периферии держателя (контейнера) 2 в несколько ярусов. В процессе облучения пластин неподвижным ленточным лучом 5 контейнер вращается и совершает возвратно-поступательное движение. Пластины, таким образом, постепенно набирают необходимую дозу легирования. Между пластинами располагаются датчики 4, принимающие ту же дозу заряда, что и пластины. По достижении необходимой дозы () системой контроля вырабатывается сигнал, отключающий ионный луч.

Перед выгрузкой контейнера с обработанными пластинами вакуумный затвор 3 отсекает рабочую камеру от остального объёма установки, камеру открывают и производят замену контейнера с пластинами. После закрытия камеры и открывания затвора вакуумные насосы восстанавливают рабочее давление (примерно 10^-4 Па) в объёме установки и начинается следующий цикл обработки.

Технические характеристики установки ионной имплантации "Везувий-9" следующие:

Наиболее полный набор задач расчёта режимов даёт вариант ступенчатой имплантации. В этом случае расчёт состоит из трёх этапов (см. рис. 12,а):

1. Расчет режимов первой (глубокой) ступени имплантации, имеющей целью сформировать p-n-переход на заданной глубине Х_п при заданных максимальной N_max и исходной N_исх концентрациях.
2. Расчет режимов для последней (приповерхностной) ступени, имеющий целью обеспечить поверхностную концентрацию не ниже заданной N₀ (при тех же значениях N_max и N_исх). Ограничение N₀ снизу связано с необходимостью получения омического контакта к слою. (При низких, порядка 10¹⁷см^-3 , значениях N₀ возникает потенциальный барьер - барьер Шоттки).
3. Расчет режимов для промежуточных ступеней, имеющих целью формирование непрерывного легированного слоя от поверхности до p-n-перехода.

Алгоритм расчёта третьего этапа достаточно сложен, поэтому ограничимся рассмотрением алгоритмов расчета первых двух.

Исходными параметрами слоя являются: глубина залегания p-n-перехода Х_п, поверхностная концентрация N₀ , исходная концентрация N_исх и максимальная концентрация N_max . Следует подчеркнуть, что в отличие от диффузионной области, ограниченной p-n-переходом, имплантированная область имеет плавный переход только в донной части. "Стенки" области представляют ступенчатый p-n-переход, на котором пробивное напряжение минимально на глубине l_ср. Поэтому разработчик структуры ограничивает величину N_max сверху

Для первой (глубокой) ступени расчёт сводится к следующему:

1. Подобрать значения l_ср и s, удовлетворяющие равенству (13).
2. По значениям l_ср и s для выбранного легирующего элемента из табл. 2. определить необходимую энергию Е [кэВ].
3. По выражению (15) при минимально необходимом значении n (1,2 или 3) вычислить ускоряющее напряжение U_уск [кВ].
4. По выражению (11) вычислить необходимую дозу легирования Q [см^-2]

Для последней (приповерхностной) ступени:

1. По выражению (14) вычислить отношение l_ср/s.
2. Из табл. 2 найти значения, l_ср и s, дающие отношение, возможно более близкое к вычисленному.
3. Установить по табл. 2 соответствующее значение энергии Е.
4. По выражению (15) вычислить U_уск.
5. По выражению (11) вычислить Q

Если в структуре ИМС предусмотрены высокоомные имплантированные резисторы, формируемые одновременно с последней ступенью, то для проектирования их топологии необходимо знать глубину залегания Х_п^' p-n-перехода, который образуется последней ступенью (см. рис. 12,а). Эта глубина рассчитывается по выражению (13) с подстановкой l_ср и s для последней ступени.