Đang tải... (xem toàn văn)
Phương pháp cấy ion
C C ấ ấ y ion y ion Lê Tuấn Đại học Bách khoa Hà Nội 2 2 1/8/2006 1/8/2006 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i C C ấ ấ y ion y ion Nh Nh ữ ữ ng ưu đi ng ưu đi ể ể m c m c ủ ủ a phương ph a phương ph á á p c p c ấ ấ y ion y ion Đi Đi ề ề u khi u khi ể ể n ch n ch í í nh x nh x á á c c li li ề ề u lư u lư ợ ợ ng ng v v à à phân b phân b ố ố theo chi theo chi ề ề u sâu u sâu c c ủ ủ a t a t ạ ạ p p ch ch ấ ấ t t Có một phổ rộng để lựa chọn các vật liệu làm mặt nạ như ô xyt, chất cảm quang, poly-Si, Si 3 H 4 , kim loại, v.v Không bịảnh hưởng nhiều từ các công đoạn làm sạch bề mặt phiến. Có độ đồng đều rất lý tưởng liều chiếu xạ theo chiều ngang – ví dụ, liều chiếu xạ, hay lượng tạp chất, chỉ thay đổi cỡ 1 % trên suốt đường kính của phiến Si 8” (20,32 cm). Có thể cấy ion qua lớp oxit hay các mặt nạ mỏng khác. Qu Qu á á tr tr ì ì nh c nh c ấ ấ y ion (v y ion (v à à ủ ủ m m ẫ ẫ u sau đ u sau đ ó ó ) th ) th ự ự c hi c hi ệ ệ n n ở ở nhi nhi ệ ệ t đ t đ ộ ộ th th ấ ấ p hơn p hơn , , th th ờ ờ i i gian ng gian ng ắ ắ n n hơn so v hơn so v ớ ớ i công đo i công đo ạ ạ n khu n khu ế ế ch t ch t á á n. n. Do đ Do đ ó ó , c , c ấ ấ y ion y ion í í t l t l à à m sai m sai l l ệ ệ ch phân b ch phân b ố ố t t ạ ạ p ch p ch ấ ấ t trong phi t trong phi ế ế n b n b á á n d n d ẫ ẫ n đư n đư ợ ợ c t c t ạ ạ o ra trong c o ra trong c á á c công c công đo đo ạ ạ n trư n trư ớ ớ c đ c đ ó ó , n , n ế ế u so s u so s á á nh v nh v ớ ớ i công đo i công đo ạ ạ n khu n khu ế ế ch t ch t á á n. n. Đ Đ ể ể tr tr á á nh khu nh khu ế ế ch ch t t á á n, c n, c ó ó th th ể ể ủ ủ nhanh b nhanh b ằ ằ ng tia laser hay b ng tia laser hay b ứ ứ c x c x ạ ạ h h ồ ồ ng ngo ng ngo ạ ạ i. i. Như Như ợ ợ c đi c đi ể ể m: m: Gây sai h Gây sai h ỏ ỏ ng l ng l ớ ớ n t n t ạ ạ i b i b ề ề m m ặ ặ t m t m ẫ ẫ u do s u do s ự ự b b ắ ắ n ph n ph á á c c ủ ủ a ch a ch ù ù m ion. m ion. Thi Thi ế ế t b t b ị ị đ đ ắ ắ t ti t ti ề ề n, c n, c ồ ồ ng k ng k ề ề nh, nh, đòi h đòi h ỏ ỏ i c i c á á c ph c ph ụ ụ c v c v ụ ụ ph ph ụ ụ tr tr ợ ợ ph ph ứ ứ c t c t ạ ạ p. p. 3 3 1/8/2006 1/8/2006 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i C C ấ ấ y ion y ion (ti (ti ế ế p) p) Thi Thi ế ế t b t b ị ị c c ấ ấ y ion y ion Phân t Phân t á á ch c ch c á á c ion v c ion v à à hư hư ớ ớ ng ion t ng ion t ạ ạ p c p c ầ ầ n thi n thi ế ế t t t t ớ ớ i đ i đ í í ch b ch b ằ ằ ng t ng t ừ ừ trư trư ờ ờ ng v ng v à à kh kh ố ố i lư i lư ợ ợ ng ion. ng ion. Một số thông số đặc trưng: • Giá thành: ~ (3 ÷ 4) triệu USD • Công suất: khoảng 60 phiến/giờ • Độ chính xác điều chỉnh liều lượng: < 0,5 % •Kích thước phiến lớn nhất hiện nay: 300 mm • Điện thế tăng tốc: 0 ÷ 200 kV •Liều lượng: ~ 10 11 ÷ 10 16 cm -2 • Độ đồng đều: ~ 1 % trên phiến 8 ” (20,32 cm) 4 4 1/8/2006 1/8/2006 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i C C ấ ấ y ion y ion (ti (ti ế ế p) p) Mâm gi Mâm gi ữ ữ c c á á c phi c phi ế ế n b n b á á n d n d ẫ ẫ n quay, l n quay, l ầ ầ n lư n lư ợ ợ t đưa c t đưa c á á c phi c phi ế ế n v n v à à o v o v ù ù ng chi ng chi ế ế u c u c ủ ủ a ch a ch ù ù m m ion. N ion. N ồ ồ ng đ ng đ ộ ộ t t ạ ạ p ch p ch ấ ấ t C ( t C ( x) x) đư đư ợ ợ c x c x á á c đ c đ ị ị nh l nh l à à s s ố ố nguyên t nguyên t ử ử t t ạ ạ p ch p ch ấ ấ t trong 1 t trong 1 đơn v đơn v ị ị th th ể ể t t í í ch. Li ch. Li ề ề u lư u lư ợ ợ ng c ng c ấ ấ y ion y ion Φ Φ l l à à s s ố ố ion (nguyên t ion (nguyên t ử ử ) t ) t ạ ạ p ch p ch ấ ấ t đư t đư ợ ợ c đưa t c đưa t ớ ớ i 1 i 1 đơn v đơn v ị ị di di ệ ệ n t n t í í ch ch b b ề ề m m ặ ặ t phi t phi ế ế n. n. Φ Φ = = {[Dòng {[Dòng ion (A) ion (A) / / Đi Đi ệ ệ n t n t í í ch ion (C)] x Th ch ion (C)] x Th ờ ờ i gian chi i gian chi ế ế u (s)} / Di u (s)} / Di ệ ệ n t n t í í ch phi ch phi ế ế n (cm n (cm 2 2 ) ) Thông thường, chùm ion phải lớn hơn đường kính của phiến bán dẫn. ΔR p R p 5 5 1/8/2006 1/8/2006 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i C C ấ ấ y ion y ion (ti (ti ế ế p) p) Mô h Mô h ì ì nh nh 6 6 1/8/2006 1/8/2006 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i C C ấ ấ y ion y ion (ti (ti ế ế p) p) Th Th ự ự c hi c hi ệ ệ n bư n bư ớ ớ c c c c ấ ấ y ion trong y ion trong quy tr quy tr ì ì nh s nh s ả ả n xu n xu ấ ấ t m t m ạ ạ ch t ch t ổ ổ h h ợ ợ p. p. H H ì ì nh nh ả ả nh phân b nh phân b ố ố c c á á c l c l ớ ớ p pha p pha t t ạ ạ p theo chi p theo chi ề ề u sâu dư u sâu dư ớ ớ i c i c ử ử a s a s ổ ổ c c ấ ấ y ion. y ion. 7 7 1/8/2006 1/8/2006 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i C C ấ ấ y ion y ion (ti (ti ế ế p) p) V V í í d d ụ ụ : : 8 8 1/8/2006 1/8/2006 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i C C ấ ấ y ion y ion (ti (ti ế ế p) p) Mô ph Mô ph ỏ ỏ ng Monte Carlo phân b ng Monte Carlo phân b ố ố t t ạ ạ p ch p ch ấ ấ t c t c ấ ấ y ion y ion 9 9 1/8/2006 1/8/2006 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i C C ấ ấ y ion y ion (ti (ti ế ế p) p) Phân b Phân b ố ố t t ạ ạ p ch p ch ấ ấ t trong c t trong c ấ ấ y ion: y ion: Ở Ở g g ầ ầ n đ n đ ú ú ng b ng b ậ ậ c nh c nh ấ ấ t t – – phân b phân b ố ố Gauss Gauss l l à à n n ồ ồ ng đ ng đ ộ ộ C(x) c C(x) c á á c ion c ion t t ạ ạ p ch p ch ấ ấ t N( t N( x) x) đư đư ợ ợ c đưa v c đưa v à à o đ o đ ộ ộ sâu x trong đ sâu x trong đ ế ế b b á á n d n d ẫ ẫ n. C n. C p p l l à à gi gi á á tr tr ị ị s s ố ố ion t ion t ạ ạ p c p c ự ự c đ c đ ạ ạ i, t i, t ậ ậ p trung t p trung t ạ ạ i đ i đ ộ ộ sâu R sâu R p p . . R R p p đư đư ợ ợ c g c g ọ ọ i l i l à à kho kho ả ả ng thâm nh ng thâm nh ậ ậ p p c c ủ ủ a c a c á á c ion t c ion t ạ ạ p ch p ch ấ ấ t, l t, l à à đ đ ộ ộ sâu trung b sâu trung b ì ì nh m nh m à à c c á á c ion t c ion t ạ ạ p đi v p đi v à à o o bên trong phi bên trong phi ế ế n b n b á á n d n d ẫ ẫ n. n. Δ Δ R R p p l l à à đ đ ộ ộ l l ệ ệ ch chu ch chu ẩ ẩ n c n c ấ ấ y ion y ion , , đư đư ợ ợ c x c x á á c đ c đ ị ị nh như sai l nh như sai l ệ ệ ch chu ch chu ẩ ẩ n c n c ủ ủ a C a C p p t t ạ ạ i R i R p p . . dt nqA I vàRCdxxC I t pp ∫∫ =Φ∆==Φ ∞ 00 2)( π Liều lượng ion được tính theo biểu thức: (I – dòng ion, nq – điện tích mỗi ion, A – diện tích mẫu) 10 10 1/8/2006 1/8/2006 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i C C ấ ấ y ion y ion (ti (ti ế ế p) p) So s So s á á nh: k nh: k ế ế t qu t qu ả ả th th ự ự c nghi c nghi ệ ệ m m ( ( đ đ ỏ ỏ ) v ) v à à lý thuy lý thuy ế ế t t ( ( đen đen , Monte Carlo) , Monte Carlo) c c ấ ấ y ion B v y ion B v à à o Si r o Si r ấ ấ t ph t ph ù ù h h ợ ợ p v p v à à tr tr ù ù ng v ng v ớ ớ i c i c á á c s c s ố ố li li ệ ệ u đã c u đã c ó ó đ đ ố ố i v i v ớ ớ i Si i Si [...]... ion nhẹ, năng lượng cao Vùng sai hỏng nằm sâu b) Do các ion nặng, năng lượng thấp Vùng sai hỏng nằm nông a) Cấy ion qua lớp ôxit vô định hình b) Định hướng chùm ion sao cho lệch 5 – 7º so với các trục tinh thể chính của đế bán dẫn c) Cấy ion qua lớp sai hỏng nặng tạo từ trước do cấy các ion nặng Si hoặc Ge Cần các máy cấy ion đắt tiền cho ion nặng 1/8/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 16 Cấy ion. .. SiO2 thỏa mãn yêu cầu là: Chiều sâu luyện kim của lớp tạp cấy ion (một phần của chuyển tiếp p-n): (Chú ý: cả hai nghiệm đều đúng, phụ thuộc vào chiều sâu cấy ion) 1/8/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 18 Cấy ion (tiếp) Tạo lớp pha tạp đồng đều bằng cấy ion nhiều lần liên tiếp 1/8/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 19 Cấy ion (tiếp) Cấy ion theo góc nghiêng Để chế tạo các linh kiện cơ bản kích... Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 16 Cấy ion (tiếp) Mặt nạ dùng trong cấy 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): ⎡ ⎛ x − R ⎞2 ⎤ Q p Qd =... Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 21 Cấy ion (tiếp) Ảnh minh họa 1/8/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 22 Cấy ion (tiếp) Điều chỉnh điện áp ngưỡng của 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... 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. . .Cấy ion (tiếp) Nguyên tắc lọc các ion tạp nhờ từ trường và phân biệt khối lượng Trong buồng chân không, từ nguồn ion, dưới tác dụng của điện trường tăng tốc, luồng ion các loại khác nhau đều chuyển động về phía đích Cần lọc ra các ion tạp chất thích hợp, có khối lượng M, điện tích (+ q) Từ trường B đặt vuông góc với vận tốc các ion Từ lực đóng vai trò lực hướng tâm, và bẻ cong quỹ đạo của các ion. .. d = R p + 2u∆R p 1/8/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 17 Cấy ion (tiếp) Tạo chuyển tiếp p-n bằng cấy ion cục bộ Cấy ion cục bộ vào các diện tích được lựa chọn, với tạp chất khác loại dẫn với tạp chất đã có sẵn trong đế, để tạo các chuyển tiếp p-n của các linh kiện trong mạch tổ hợp Yêu cầu đối với vùng được chắn bằng mặt nạ: Các ion tạp lọt qua không được tạo nồng độ quá 1/10 nồng độ tạp CB của... nhiều sai hỏng, phục hồi lại cấu trúc tinh thể bán dẫn Khiến cho các ion tạp tiếp tục khuếch tán và thế chỗ vào các nút khuyết của mạng tinh thể bán dẫn Tăng chiều dày lớp khuếch tán 1/8/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 15 Cấy ion (tiếp) Biện pháp giảm sai hỏng do cấy ion Tinh thể Si lý tưởng nhìn theo hướng Theo trục các ion ít va chạm nhất với các nguyên tử bán dẫn – do đó, cơ chế hãm... các ion được xác định bởi điện thế lọc Vext (E – cường độ điện trường lọc): Rút ra Giả sử rằng từ trường phân tích B khiến ion tạp chất cần thiết đi theo đúng quỹ đạo tròn bán kính R (độ cong của buồng dẫn luồng ion) Nếu một ion khác có khối lượng (M + δM) đi vào bộ lọc thì sau khi ra khỏi cửa ra của bộ lọc một khoảng L, ion đó sẽ đi theo quỹ đạo chệch tại đích một khoảng D so với ion (M) Hai loại ion. .. chùm ion và một nửa bề rộng cửa ra của bộ lọc 1 δM ⎡ L ⎤ ⋅ D= ⎢1 − cosφ + R sin φ ⎥ 2R M ⎣ ⎦ Độ phân giải càng tốt, nếu R càng lớn và M càng nhỏ 1/8/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 11 Cấy ion (tiếp) Tán xạ của ion tạp chất trên ion bán dẫn 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 . H à à N N ộ ộ i i C C ấ ấ y ion y ion (ti (ti ế ế p) p) Thi Thi ế ế t b t b ị ị c c ấ ấ y ion y ion Phân t Phân t á á ch c ch c á á c ion v c ion v à à hư hư ớ ớ ng ion t ng ion t ạ ạ p c p c ầ ầ n. trước do cấy các ion nặng Si hoặc Ge. Cần các máy cấy ion đắt tiền cho ion nặng. 17 17 1/8/2006 1/8/2006 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i C C ấ ấ y ion y ion. H à à N N ộ ộ i i C C ấ ấ y ion y ion (ti (ti ế ế p) p) Ủ Ủ nhi nhi ệ ệ t sau khi c t sau khi c ấ ấ y ion y ion Do va ch Do va ch ạ ạ m m m m ạ ạ nh gi nh gi ữ ữ a c a c á á c ion t c ion t ạ ạ p ch p