Cấy ion

Bài giảng Cấy ion

Pha tạp bằng phương pháp cấy iôn

TS Trương thị Ngọc Liên

Bộ môn: Vật liệu điên tử ĐHBKHN-Feb2009

1

Mở đầu

 Phương pháp cấy ion là quy trình công nghệ để đưa tạp chất vào đế bán dẫn nhằm tạo các vùng tinh thể có dạng hạt dẫn lựa chọn

 Nồng độ tạp có giá trị cao nhất không phải ở bề mặt mà ở

trong khối bán dẫn

 Ion tạp chất được cấy vào bán dẫn bằng chùm ion có năng lượng cao

 Sự phân bố nồng độ tạp được xác định chủ yếu bằng khối

lượng ion và năng lượng của chùm ion

3

Ưu điểm của phương pháp

 Khống chế chính xác lượng nguyên tử tạp chất và cho phép nhận nồng độ 1014 – 1020 cm-3 với độ chính xác cao

 Có thể cấy ion qua lớp oxít

 Việc cấy ion tạp chất được tiến hành trong chân không cao,

ở nhiệt độ phòng vì vậy không ảnh hưởng tới sự phân bố tạp của các công đoạn trước

 Có thể cấy nhiều nguyên tố khác nhau

 Có thể cấy cục bộ bằng dùng mask oxide hoặc mask polyme

4

 Có độ đồng đều lý tưởng, liều chiếu xạ theo phương nằm ngang (nồng độ tạp chất thay đổi cỡ 1% trên suốt đường kính phiến 8’’ (20,23 cm)

Nhược điểm của phương pháp

 Các ion tới làm hỏng cấu trúc mạng tinh thể

 Các ion tới va chạm với các nguyên tử chất bán dẫn và

 Khó nhận các profile rất nông hoặc rất sâu

 Hiệu suất sử dụng thiết bị thấp trong điều kiện cấy liều

cao

 Sau khi cấy, các mask phải được loại bỏ do vậy nước sẽ

được đưa vào đế ở bước tiếp theo này

5

Phương pháp cấy ion

 Các ion tạp chất được gia

năng lượng của ion tới và nó

không bị chặn lại bởi sự nhiễm

bẩn của bề mặt hay lớp oxide.

7

 Số ion tạp/cm2 được xác định bằng tích số giữa thông

lượng F I của dòng ion tới /cm2.s và thời gian cấy t I:

Phương pháp cấy ion

.

 Thông lượng của dòng ion với điện tích dương q I được thể hiện

qua dòng có thể đo trực tiếp bằng một điện kế nối giữa đất và mẫu cần cấy ion

 Do q I F I thay đổi theo thời gian nên trong thiết bị

cấy ion có bộ phận tích phân sử dụng để tính tổng

điện tích được cấy vào trong mẫu theo thời gian t I 0

I

t

I q F dtI I

  

q I = 1,6.10 -19 C (ions sơ cấp) và q I = 3,2.10 -19 C (ions thứ cấp)

 Liều lượng cấy Q I được xác định thông qua dòng ions

I I

8

Cấy ion vào đế Si

p- epi p+ substrate

Sơ đồ thiết bị cấy ion

20 kV

Gases

Ar AsH3

B 11 F3 *

He

N2

PH3 SiH4 SiF4 GeH4

Focus Neutral beam and

beam path gated

Beam trap and gate plate

Wafer in wafer process chamber

X - axis scanner

Y - axis scanner

Neutral beam trap

and beam gate

Process Conditions

Flow Rate: 5 sccm Pressure: 10 -5 Torr Accelerating Voltage:

5 to 200 keV

Nam châm phân tích:

• Phân tích, chọn lọc một loại ion trong plasma để đưa vào ống gia tốc

Các bộ phận chính của thiết bị

• Phiến đế được đặt ở vị trí hơi lệch tâm để chùm tia trung tính không điều khiển được không đến được đế

• Phiến đế được đặt trong lồng Faraday để có thể dễ dàng đo được

số ion bằng cách đo dòng ion và lấy tổng theo thời gian cấy

Phiến đế:

• Là số lượng ion trên đơn vị diện tích được cấy vào đế Si

• QI (nguyên tử/cm2) được xác định bằng công thức:

I

It Q

Sự phân bố tạp chất

 Khi ion mang năng lượng cao chui vào trong đế sẽ va chạm với nguyên tử và điện tử của đế, bị mất dần năng lượng cho đến khi

dừng hẳn

 Hướng đi của ion cũng bị thay đổi sau mỗi lần va chạm do vậy

đường đi thực tế của ion hoàn toàn ngẫu nhiên > theo tính chất

thống kê của va chạm, các ion sẽ dừng ở các vị trí khác nhau

• Quãng đường trung

13

Sự phân bố tạp chất

 Sự phân tán cuối cùng của phần lớn ion có thể coi như có dạng đường cong Gaussian với cực đại tại Rp và độ lệch chuẩn ΔRp Do vậy có thể biểu diễn profile phân bố tạp chất:

x R Q

I p

p

Q N

14

Rp và ΔRp của một số tạp ion cấy vào Si

Sự phụ thuộc của Rp và ΔRp vào năng lượng của một số ion cấy vào đế Si

15

Cơ chế dừng ion

 Có hai cơ chế:

• Ion truyền năng lượng của nó cho các hạt nhân nguyên tử của đế

• Ion tới tương tác với đám mây điện tử xung quanh nguyên tử của bia

> Ion mất năng lượng khi va chạm với điện tử thông qua tương tác Coulomb > Điện tử nhận năng lượng có thể được kích thích nhảy lên mức năng lượng cao hơn hoặc có thể tách ra khỏi nguyên tử (hiện tượng ion hóa)

> Ion bị lệch đường đi và cũng làm cho nhiều nguyên tử đế lệch khỏi vị trí nút mạng ban đầu.

Tốc độ tổn hao năng lượng trung bình theo quãng đường:

16

Cơ chế dừng ion

Công suất dừng điện tử tỷ lệ với tốc độ ion tới:

(Chỉ số (1) và (2) tương ứng với ion và hạt nhân đế )

Quãng đường đi tổng cộng của ion tạp chất sau khi được cấy vào đế bán dẫn với E0 là năng lượng ban đầu của ion:

0

E R

17

Tổn hao năng lượng

18

Hiệu ứng mất trật tự

 Do va chạm mạnh giữa các ion tạp chất và nguyên tử Si, lớp Si gần bề mặt (~Rp), bị biến đổi cấu trúc, thậm chí có thể tạo thành một lớp vô định hình

Mô hình mất trật tự khi cấy a) liều ion thấp b) vùng ion nhẹ và ion nặng

xâm nhập vào đế Si và c) liều cao

19

Mật độ sai hỏng

 Số nguyên tử bị bật ra khỏi vị trí nút mạng khi va chạm với ion tới, trong đó E0 là năng lượng của ion tới và Ed là năng lượng cần thiết để nguyên tử Si rời khỏi vị trí nút mạng:

E



 Mật độ nguyên tử rời khỏi nút mạng (nguyên tử/cm2):

20

Ủ nhiệt sau khi cấy ion

 Do quá trình cấy ion tạo ra vùng sai hỏng và mất trật tự nên làm giảm các thông số bán dẫn như độ linh động và thời gian sống

 Phần lớn ion mới được cấy không nằm ở vị trí thay thế

Ủ nhiệt được tiến hành trong 30 phút ở nhiệt độ từ 600 ÷ 1000 0C trong môi trường khí trơ

Mục đích:

 Tái kết tinh vùng nhiều sai hỏng, phục hồi lại cấu trúc tinh thể của

bán dẫn

 Làm cho ion tạp tiếp tục khuếch tán và thế vào chỗ các nút khuyết

của mạng tinh thể bán dẫn làm tăng chiều dày lớp khuếch tán

21

Phân bố tạp sau khi ủ nhiệt

 Trong quá trình ủ, phân bố tạp có thể được mở rộng do khuếch tán

• Phân bố tạp sau cấy tuân theo hàm Gaussian:

2 1/2 2

p I

I

x R Q

p p

x R Q

22

 Tuy nhiên, số lượng các ion bật ra khỏi bề mặt có thể ngăn chặn hoặc giảm xuống bở lớp oxide trên bề mặt mẫu

Phân bố tạp sau khi ủ nhiệt

 Với điều kiện này, thông lượng

23

Cấy ion nhiều lần

 Sử dụng trong trường hợp cần có profile tạp khác với phân bố Gaussian đơn giản

 Ví dụ: Cấy khí trơ vào Si để tạo vùng bề mặt vô định hình trong Si

 Do đòi hỏi vùng vô định hình sâu nên cần phải cấy ion nhiều lần với năng lượng và liều khác nhau

cùng liều lượng

cấy nhưng với các

giá năng lượng

25

Mặt nạ dùng cho cấy ion

 Để tạo chuyển tiếp p-n tại các vị trí chọn lọc trên đế bán dẫn cần phải sử dụng mặt nạ

 Vật liệu dùng làm mặt nạ: SiO2 và Si3N4

 Trường hợp ngăn chặn 99,9% các ion tới

thì chiều dày tối thiểu của vật liệu mặt nạ

là:

min p 3,96 p

26

Cấy ion theo góc nghiêng

 Để chế tạo các linh kiện cơ bản có kích thước nhỏ, cần thiết

phải khống chế sự phân bố tạp theo hướng thẳng góc với bề mặt đế

 Tạo lớp pha tạp nông dưới 100 nm

27

Lớp điện môi chôn

28

Bài tập