Phương pháp cấy ion

Phương pháp cấy ion

C ấ y ion

Lê Tu ấn

ại học Bách khoa Hà Nội

Nh ữ ng ưu đi ể m c ủ a phương pháp c ấ y ion

„ Đi ề u khi ể n chính xác li ề u lư ợ ng và phân b ố theo chi ề u sâu c ủ a t ạ p

ch ấ t

„ Có m ột ph ổ rộng đ ể lựa chọn các v ật liệu làm mặt nạ như ô xyt, ch ất

c ảm quang, poly-Si, Si3H4, kim lo ại, v.v

„ Không b ị ảnh hưởng nhi ều từ các công đoạn làm sạch bề mặt phiến.

„ Có đ ộ đồng đều rất lý tưởng li ều chiếu xạ theo chiều ngang – ví dụ, liều chi ếu xạ, hay lượng tạp chất, chỉ thay đổi cỡ 1 % trên suốt đường kính

c ủa phiến Si 8” (20,32 cm).

„ Có th ể cấy ion qua l ớp oxit hay các m ặt nạ mỏng khác.

„ Quá trình c ấ y ion (và ủ m ẫ u sau đó) th ự c hi ệ n ở nhi ệ t đ ộ th ấ p hơn, th ờ i gian ng ắ n hơn so v ớ i công đo ạ n khu ế ch tán Do đó, c ấ y ion ít làm sai

l ệ ch phân b ố t ạ p ch ấ t trong phi ế n bán d ẫ n đư ợ c t ạ o ra trong các công

đo ạ n trư ớ c đó, n ế u so sánh v ớ i công đo ạ n khu ế ch tán Đ ể tránh khu ế ch tán, có th ể ủ nhanh b ằ ng tia laser hay b ứ c x ạ h ồ ng ngo ạ i.

Như ợ c đi ể m:

„ Gây sai h ỏ ng l ớ n t ạ i b ề m ặ t m ẫ u do s ự b ắ n phá c ủ a chùm ion.

„ Thi ế t b ị đ ắ t ti ề n, c ồ ng k ề nh, đòi h ỏ i các ph ụ c v ụ ph ụ tr ợ ph ứ c t ạ p.

C ấ y ion (ti ế p)

Thi ế t b ị c c ấ y ion

Phân tách các ion và hư ớ ng ion t ạ p c ầ n thi ế t t ớ i đích b ằ ng t ừ trư ờ ng và kh ố i lư ợ ng ion.

M ột số thông số đặc trưng:

• Giá thành: ~ (3 ÷ 4) triệu USD

• Công su ất: khoảng 60 phiến/giờ

• Đ ộ chính xác điều chỉnh liều lượng: < 0,5 %

• Kích thư ớc phiến lớn nhất hiện nay: 300 mm

• Đi ện thế tăng tốc: 0 ÷ 200 kV

• Li ều lượng: ~ 10 11 ÷ 10 16 cm -2

• Đ ộ đồng đều: ~ 1 % trên phiến 8 ” (20,32 cm)

l ớn hơn đường kính c ủa phiến bán d ẫn

ΔR p

R p

C ấ y ion (ti ế p)

Mô hình

C ấ y ion (ti ế p)

Ví d ụ :

C ấ y ion (ti ế p)

Phân b ố t ạ p ch ấ t trong c ấ y ion:

„ Ở g ầ n đúng b ậ c nh ấ t – phân b ố Gauss là n ồ ng đ ộ C(x) các ion

t ạ p ch ấ t N(x) đư ợ c đưa vào đ ộ sâu x trong đ ế bán d ẫ n Cplà giá tr ị

s ố ion t ạ p c ự c đ ạ i, t ậ p trung t ạ i đ ộ sâu Rp

„ Rp đư ợ c g ọ i là kho ả ng thâm nh ậ p c ủ a các ion t ạ p ch ấ t, là đ ộ sâu trung bình mà các ion t ạ p đi vào bên trong phi ế n bán d ẫ n

„ Δ Rplà đ ộ l ệ ch chu ẩ n c ấ y ion, đư ợ c xác đ ị nh như sai l ệ ch chu ẩ n c ủ a Cp t ạ i Rp.

dt nqA

I và

R C dx

x C

I

t p

2 )

Liều lượng ion được tính theo biểu thức:

(I – dòng ion, nq – điện tích mỗi ion, A – diện tích mẫu)

C ấ y ion (ti ế p)

Nguyên t ắ c l ọ c các ion t ạ p nh ờ t ừ trư ờ ng và phân bi ệ t kh ố i lư ợ ng

„ Trong bu ồ ng chân không, t ừ ngu ồ n ion, dư ớ i tác d ụ ng c ủ a

đi ệ n trư ờ ng tăng t ố c, lu ồ ng ion các lo ạ i khác nhau đ ề u chuy ể n

đ ộ ng v ề phía đích C ầ n l ọ c ra các ion t ạ p ch ấ t thích h ợ p, có

kh ố i lư ợ ng M, đi ệ n tích (+ q).

„ T ừ trư ờ ng B đ ặ t vuông góc v ớ i v ậ n t ố c các ion T ừ l ự c đóng vai

trò l ự c hư ớ ng tâm, và b ẻ cong qu ỹ đ ạ o c ủ a các ion thành m ộ t

ph ầ n qu ỹ đ ạ o tròn bán kính r :

, v ớ i v ậ n t ố c v c ủ a các ion đư ợ c xác đ ị nh b ở i đi ệ n th ế

l ọ c V ext (E – cư ờ ng đ ộ đi ệ n trư ờ ng l ọ c):

„ Rút ra Gi ả s ử r ằ ng t ừ trư ờ ng phân tích B khi ế n ion t ạ p ch ấ t c ầ n thi ế t đi theo đúng qu ỹ đ ạ o tròn bán kính R (đ ộ cong c ủ a bu ồ ng d ẫ n lu ồ ng ion).

„ N ế u m ộ t ion khác có kh ố i lư ợ ng (M + δM) đi vào b ộ l ọ c thì sau khi ra kh ỏ i c ử a ra c ủ a b ộ l ọ c

m ộ t kho ả ng L, ion đó s ẽ đi theo qu ỹ đ ạ o ch ệ ch t ạ i đích m ộ t kho ả ng D so v ớ i ion (M) Hai lo ạ i ion (M) và (M + δM) đư ợ c coi là đã tách đư ợ c v ớ i đ ộ phân gi ả i t ố t, n ế u D l ớ n hơn t ổ ng b ề r ộ ng chùm ion và m ộ t n ử a b ề r ộ ng c ử a ra c ủ a b ộ l ọ c.

M R D

Tán x ạ c ủ a ion t ạ p ch ấ t trên ion bán d ẫ n

Do cơ chế hãm bởi hạt nhân nguyên tử liên

quan trực tiếp giữa ion tạp chất và phần lõi

nguyên tử bán dẫn trên nút mạng tinh thể, nên

vai trò của tán xạ các ion tạp chất lên các ion

bán dẫn tại các nút mạng tinh thể quyết định tới

mức độ sai hỏng của lớp bán dẫn gần bề mặt

Tán xạ Coulomb giữa các ion được xem như

tán xạ đàn hồi Áp dụng các định luật bảo toàn

động lượng, năng lượng và moment động lượng

(trong cơ học cổ điển), tìm được phần năng

lượng được truyền cho ion bán dẫn – nói cách

khác, phần năng lượng hao hụt của ion tạp chất sau mỗi sự kiện tán xạ (E o – năng lượng ban đầu của ion tạp chất, θ và φ – lần lượt là các góc tán xạ của ion tạp chất

θ

φ

sin cos sin

cos

sin 1

2

o

E E

C ấ y ion (ti ế p)

S ự hao h ụ t năng lư ợ ng c ủ a ion t ạ p ch ấ t do cơ ch ế hãm b ở i l ớ p v ỏ

đi ệ n t ử nguyên t ử bán d ẫ n

„ G ọ i Z i , Z t– l ầ n lư ợ t là nguyên t ử s ố c ủ a các nguyên t ử t ạ p ch ấ t và nguyên t ử bán d ẫ n, M i và

M t– kh ố i lư ợ ng tương ứ ng c ủ a các nguyên t ử trên, E – năng lư ợ ng ban đ ầ u c ủ a ion t ạ p ch ấ t khi đi vào kh ố i ch ấ t bán d ẫ n.

„ Ph ầ n năng lư ợ ng hao h ụ t Se c ủ a ion t ạ p trên m ỗ i đơn v ị chi ề u dài qu ỹ đ ạ o trong kh ố i bán d ẫ n

v ớ i h ệ s ố t ỷ l ệ ke:

K ế t qu ả :

„ Quãng đư ờ ng đi t ổ ng c ộ ng c ủ a ion t ạ p ch ấ t sau khi đư ợ c c ấ y vào bán d ẫ n:

„ Kho ả ng thâm nh ậ p c ủ a các ion t ạ p ch ấ t: , n ồ ng đ ộ t ạ p:

„ Đ ộ l ệ ch chu ẩ n: , li ề u lư ợ ng:

E k dx

t i

t i t i

t i e

Z Z

M M M M

Z Z k

R

E S E S

dE dx

R

i t p

M M

R R

3

1 +

≅

p t i

t i

M M

M M R

I và

R C dx

x C

I

t p

2 )

(

p

p p

R

R x C

x C

Các mô hình phân b ố t ạ p ch ấ t (b ổ sung):

phân b ố m ặ c đ ị nh trong các chương trình mô ph ỏ ng Thích h ợ p v ớ i đ ế đơn tinh th ể

− +

−

2 1 0 2

1 2

2 1 0 2 2 1

2

1 2 2

1

4

2 tan 4

exp )

b b b

b R x b a

b b b b

b R

x b R x b b K x

p p

o

(x - R ) C(x)dx

: Kurtosis

0

4 p

∫

∞

∝

C ấ y ion (ti ế p)

Ủ nhi ệ t sau khi c ấ y ion

Do va chạm mạnh giữa các ion tạp chất với các nguyên tử Si, lớp Si gần bề mặt (~ RP) bị biến đổi cấu trúc, thậm chí ở trạng thái vô định hình Đồ thị: mật độ sai hỏng khi cấy As vào Si ở 100 kV

Quá trình ủ nhiệt thường

được tiến hành trong 30 phút,

ở nhiệt độ cỡ 600 – 1000 ºC,

trong môi trường khí trơ

Mục đích:

„ Tái kết tinh vùng nhiều sai

hỏng, phục hồi lại cấu

tử bán dẫn – do đó, cơ chế hãm chủ yếu do lớp vỏ điện tử

thấp Vùng sai hỏng nằm nông.

hình

C ấ y ion (ti ế p)

M ặ t n ạ dùng trong c ấ y ion

Có thể dùng nhiều loại vật liệu để làm mặt nạ cấy ion

Mặt nạ chia làm hai loại: i) chắn hoàn toàn (≥ 99,99 %)

các ion để cấy ion theo diện tích lựa chọn; ii) chắn

không hoàn toàn - để cấy ion tạo lớp tạp nông hay giảm

thiểu độ sai hỏng tinh thể của mẫu

„ Liều lượng Qd ion được cấy ở độ sâu d, (Q – trên bề

mặt):

„ Hệ số truyền qua T trong trường hợp chắn hoàn toàn

phải nhỏ hơn 10-4, từ đó t nh được chiều dày d tối

thiểu của mặt nạ chắn:

dx R

R x R

Q Q

d p

p p

u p

p d

R u R

d tìm vào thay u

tìm

u

e R

R d erfc

S T

∆ +

1 2

2

1 2

4

2

π

T ạ o chuy ể n ti ế p p-n b ằ ng c ấ y ion c ụ c b ộ

C ấ y ion c ụ c b ộ vào các di ệ n tích đư ợ c l ự a ch ọ n, v ớ i t ạ p ch ấ t khác lo ạ i

d ẫ n v ớ i t ạ p ch ấ t đã có s ẵ n trong đ ế , đ ể t ạ o các chuy ể n ti ế p p-n c ủ a các linh

ki ệ n trong m ạ ch t ổ h ợ p.

„ Yêu c ầ u đ ố i v ớ i vùng đư ợ c ch ắ n b ằ ng m ặ t n ạ : Các ion t ạ p l ọ t qua không

đư ợ c t ạ o n ồ ng đ ộ quá 1/10 n ồ ng đ ộ t ạ p CB c ủ a đ ế , đ ể không làm ả nh

hư ở ng t ớ i đ ế Chi ề u dày t ố i thi ể u c ủ a m ặ t n ạ SiO2 th ỏ a mãn yêu c ầ u là:

„ Chi ề u sâu luy ệ n kim c ủ a l ớ p t ạ p c ấ y ion (m ộ t ph ầ n c ủ a chuy ể n ti ế p p-n):

(Chú ý: c ả hai nghi ệ m đ ề u đúng, ph ụ thu ộ c vào chi ề u sâu c ấ y ion)

C ấ y ion (ti ế p)

T ạ o l ớ p pha t ạ p đ ồ ng đ ề u b ằ ng c ấ y ion nhi ề u l ầ n liên ti ế p

C ấ y ion theo góc nghiêng

Để chế tạo các linh kiện cơ bản kích thước nhỏ cần thiết phải khống chế phân bốtạp theo chiều thẳng góc với bề mặt đế và tạo các lớp pha tạp nông dưới 100 nm

Tuy nhiên, cần chú ý tới hiện tượng “che bóng” (hình vẽ), tạo nên các điện trở

phụ trong mạch và làm lệch ảnh tô pô các vùng linh kiện Ví dụ, nếu chùm ion lệch

7 º khỏi phương pháp tuyến, chiều cao mặt nạ 0,5 µm, vùng bóng (shadow area)

có kích thước 61 nm

C ấ y ion (ti ế p)

L ớ p chôn SIMNI và SIMOX

Mục đích: Tạo lớp đệm cách điện chống hiện tượng ký sinh của các transistor

n-pn hay p-n-p với đế theo chiều thẳng đứng

Lợi ích: Nâng cao mức độ tổ hợp, tăng tốc độ và khả năng dẫn nhiệt của IC

Người ta dùng các máy cấy ion năng lượng cao để cấy N+ hoặc O+ vào sâu trong đế bán dẫn, tạo thành lớp điện môi Si3N4 (SIMNI – Separration Implanted

NItride) hoặc SiO2 (SIMOX – Separration Implanted Oxygen) bên dưới vùng tích

cực (vùng chứa các linh kiện) của IC

Công nghệ SIMOX hiện nay được dùng phổ biến hơn Các ion O+ được gia tốc bởi điện thế 150 – 300 kV, được cấy vào phiến Si với liều lượng 2.1018 cm-2, thời gian cấy rất dài Điều kiện cần thiết là trong khi cấy mẫu phải được giữ ở nhiệt độ

≥ 400 ºC để sau này lớp Si gần bề mặt dễ tái kết tinh khi ủ nhiệt và vì lớp chôn SiO2 chỉ hình thành khi có đủ nồng độ O+ ổn định trong một khoảng đáng kể theo chiều sâu của mẫu

Quá trình ủ nhiệt sau khi cấy kéo dài 2 – 3 giờ, ở nhiệt độ 1300 – 1400 ºC, với lớp áo bảo vệ SiO2 hoặc Si3N4 được phủ lên bề mặt mẫu Trong quá trình này, lớp chôn SiO2 được tạo thành, đồng thời với quá trình tái kết tinh, giảm thiểu các sai hỏng tinh thể ở lớp tích cực gần bề mặt, và hạn chế các ảnh hưởng của các donor nhiệt O2-

Ả nh minh h ọ a

C ấ y ion (ti ế p)

Đi ề u ch ỉ nh đi ệ n áp ngư ỡ ng c ủ a MOSFET

„ Một lượng khống chế chặt chẽ các ion tạp chất được cấy qua lớp ô xit cực cửa Các ion đó khó đi qua lớp ô xit dày hơn (hình a) nên chỉ tập trung tại vùng kênh

Điện áp ngưỡng biến đổi gần tuyến tính với liều lượng ion được cấy

„ Tạo lớp poly-Si làm cực cửa, rồi tẩy bỏ lớp ô xit quanh cực cửa, ta được các

vùng nguồn và máng, và cuối cùng là cấu trúc transistor MOS có điện áp

ngưỡng đã được điều chỉnh (hình b)

(Thêm)

Cám ơn đã theo dõi !!!

M ọi góp ý, bổ sung xin gửi đến:

Dr Le Tuan Hanoi University of Technology Institute of Engineering Physics Dept of Electronic Materials

2 nd Floor, C9 Building

1 Dai Co Viet Str., Hanoi, Vietnam

Mobile: 0912 560 536 E-mail: le.tuan@vnn.vn