CN106098543B - 一种在室温环境下向硅材料中引入固态杂质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在室温环境下向硅材料中引入固态杂质的方法，是在室温环境下利用惰性气体产生的等离子体处理固态杂质源，使固态杂质源中的原子或离子进入等离子体，这些原子或离子通过与等离子体中正离子和电子碰撞获得动能，进而进入硅材料中。本方法由于不需高温，不仅可以用于硅晶片的掺杂，还可以用于硅器件的掺杂，相比传统的杂质引入手段，既便捷又经济。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种在室温环境的条件下向硅材料中引进固态杂质的方法。
背景技术
硅中杂质对硅的性质有十分重要的影响，可以说，离开了杂质，硅很少有什么应用，向硅材料中引入杂质在半导体工业中具有重要的意义。向高纯硅中引入磷、砷等杂质可以得到n型硅，而向高纯硅中引入硼等杂质可以得到p型硅。在n型硅表面引入受主杂质，或在p型硅表面引入施主杂质，都可以得到硅p-n结，它是许多硅器件的基础。此外，如将过渡金属杂质金或铂引入硅中，可大大提高硅开关器件的开关速度。
目前，向硅中引入杂质主要有两种方法：热扩散和离子注入。热扩散通常需要七、八百甚至上千摄氏度的高温和很长时间，不仅程序复杂、成本高昂、能耗巨大、污染环境，而且高温加热过程中硅材料很容易受到来自周围环境中杂质的玷污。离子注入设备非常昂贵，难于广泛应用于工业生产中；并且，离子注入会在硅材料中产生大量缺陷，离子注入后，必须进行高温退火来消除这些缺陷。但是，其中有些缺陷虽经高温退火，也无法完全消除，影响硅材料的性能。因此，寻找一种简单便捷、成本低廉、在室温就可进行的掺杂方法有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单便捷、成本低廉、可在室温环境下向硅材料中引入固态杂质(包括金属和非金属杂质)的方法。
本发明的技术方案如下：
一种向硅材料中引入固态杂质的方法，在室温环境下利用惰性气体产生的等离子体处理固态杂质源，使固态杂质源中的原子或离子进入等离子体，这些原子或离子通过与等离子体中正离子和电子碰撞获得动能，进而进入硅材料中。
具体的，本发明的方法在等离子体发生器的腔体中进行，将固态杂质源放置在等离子体发生器腔体中等离子体密度最大的位置，而待掺入固态杂质的硅材料放置在等离子体密度较小的位置，以惰性气体作为工作气体，在1～5000W功率下进行等离子体处理1～60min。
本发明中待掺入杂质的硅材料可以是硅晶片，也可以是已部分完成的硅器件。优选的，在放置硅晶片或硅器件时，使其待掺杂的那一面面向固态杂质源。
所述固体杂质源例如金片、铝丝、锌锭等等，可以是金属材料，也可以是非金属材料。本发明的方法可以在室温环境下将Au、Ag、Al、Ga、Sn、Zn、Fe、Cr、In、Mo、Mn、Cu、Ni、W、Li、Na、Mg、K、Ca等金属元素，以及B、O、C、H、N、S、F等非金属元素引入硅材料中。
上述方法中，作为工作气体的惰性气体常用的有氦气、氩气，进行等离子体处理时工作气体的流量1～100sccm，优选为10～40sccm。
上述方法等离子体处理的功率优选为50～1000W，更优选为100～750W；处理时间优选为2～10min。
上述方法可利用电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，简称ICP)发生器进行，也可以利用电容耦合等离子体发生器进行。在利用ICP发生器时，仅使用激励等离子体产生的射频激励电源，而不使用射频偏置电源。此外，由于工作气体使用惰性气体，而不使用SF6等刻蚀气体，因此，掺杂时等离子体对硅材料的表面几乎没有刻蚀作用。
进一步的，所述等离子体发生器选用纯度高的石英作为腔体内壁材料，以避免等离子体处理过程中除石英以外腔体材料的原子进入硅材料。
本发明的等离子体室温掺杂方法的可能原理如下：
在等离子体处理过程中，射频激励电源将能量耦合到腔体内，使腔体内的惰性气体电离，形成等离子体，并产生辉光。在等离子体中电子温度很高，可达2000-10000K。高速运动的等离子体一方面可将固态杂质源表层的原子剥离下来，这些杂质离子进入等离子体并通过碰撞迅速获得动能；另一方面等离子体中工作气体(如He)的正离子和电子撞击硅材料，在其表面附近产生空位型缺陷，等离子体处理过程中这些空位型缺陷能够不断释放出空位。文献指出：即便在很低的温度下，空位也能在硅中扩散(TAN,T.Y.and GOSELE,U.Appl.Phys.A37,l(1985))。
下面讨论室温下等离子体向硅中掺杂可能的物理机制。
在等离子体处理过程中，根据等离子体中的杂质原子或离子体型大小，其进入硅中的方式可分为两种：一种是体型较小的杂质原子或离子可以直接从晶格间隙进入硅中并在间隙中运动；另一种是体型较大的杂质原子或离子首先吸附在硅片表面，当体内空位移动到吸附杂质原子或离子旁边时，杂质原子或离子就可以跳入空位，并通过后续的空位向体内运动。
硅中杂质可以分为两大类：主要以间隙形态存在的杂质和主要以代位形态存在的杂质。杂质究竟处于哪个形态，取决于何种状态的自由能最低。例如，铁、铬、铜等在硅中处于间隙的自由能较代位为低，故主要以间隙形式存在，而金、硼、磷等在硅中处于代位的自由能较间隙为低，故主要以代位存在。
前述通过间隙或空位进入硅中的杂质原子或离子，在初期，其能量远较室温下的热平衡动能为大，经过与晶格原子的多次碰撞，逐渐进入室温下的热平衡状态。如果杂质原子或离子以间隙状态进入硅，而其热平衡状态是代位，这种杂质原子或离子最终会从间隙进入代位，其后续扩散借助空位来进行；反之，如果借助空位进入硅的杂质原子或离子，其热平衡状态是间隙，这种杂质将从代位进入间隙，其后续扩散将在间隙中进行。另外，在热平衡的条件下，一种杂质在硅中的溶解度是一定的，浓度超过溶解度的那部分杂质将会沉淀出来。
不排除还存在其它的机制，进一步的机理研究还在进行中。
本发明在室温环境下利用等离子体将固态杂质引入硅材料体内，达到硅材料掺杂的目的，掺杂的表面浓度可以做到很高，并且本发明可以同时引入多种杂质。由于不需高温，本方法不仅可用于硅晶片的掺杂，还可以用于硅器件的掺杂。相比传统的杂质引入手段，本方法既便捷又经济。
附图说明
图1.实施例1等离子体处理前后硅片中Au杂质浓度随深度变化的分布图，其中虚线表示硅片经750W等离子体处理2分钟后Au杂质浓度随深度的分布，实线表示未经等离子体处理的硅片中Au杂质浓度随深度的分布。
图2.实施例2等离子体处理前后硅片中Zn杂质浓度随深度变化的分布图，虚线表示实施例2中硅片经750W等离子体处理2分钟后Zn杂质浓度随深度的分布，实线表示未经等离子体处理的硅片中Zn杂质浓度随深度的分布。
具体实施方式
下面结合两个实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：
选用P型太阳能级直拉硅单晶圆片，单面抛光，电阻率1.9Ω·cm，厚度625μm。首先将硅片用丙酮、乙醇、去离子水分别进行超声清洗10min，然后浸入2％的HF溶液去除硅片表面的自然氧化层。接着将金箔置于等离子体反应室底部中央，硅片面向金箔，置于距等离子体反应室底部中央一定距离的区域。工作气体为氦气，流量22sccm，真空度5E-3Pa左右。激励电源的功率为750W，处理时间2min。最后利用SIMS手段得到经等离子体处理后的样品中Au杂质浓度随深度的分布，结果如图1所示。经750W等离子体处理后，Au表面浓度最高能接近1E19atoms/cm3，Au在硅中最远能运动到300nm，从而验证等离子体能在室温环境下将Au引入硅中。
实施例2：
选用P型太阳能级直拉硅单晶圆片，单面抛光，电阻率1.9Ω·cm，厚度625μm。首先将硅片用丙酮、乙醇、去离子水分别进行超声清洗10min，然后浸入2％的HF溶液去除硅片表面的自然氧化层。接着将锌锭置于等离子体反应室底部中央，硅片面向锌锭，置于距等离子体反应室底部中央一定距离的区域。工作气体为氦气，流量22sccm，真空度5E-3Pa左右。激励电源的功率为750W，处理时间2min。最后利用SIMS手段得到经等离子体处理后的样品中Zn杂质浓度随深度的分布，结果如图2所示。经750W等离子体处理后，Zn表面浓度最高能接近1E21atoms/cm3，Zn在硅中最远能运动将近15nm，从而验证等离子体能在室温环境下将Zn引入硅中。
Claims (10)
1.一种向硅材料中引入固态杂质的方法，在室温环境下，不对硅材料施加偏置电压的情况下，仅利用惰性气体产生的等离子体处理固态杂质源，使固态杂质源中的原子或离子进入等离子体，这些原子或离子通过与等离子体中正离子和电子碰撞获得动能，进而进入硅材料中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在等离子体发生器的腔体中进行，将固态杂质源放置在等离子体发生器腔体中等离子体密度最大的位置，而待掺入固态杂质的硅材料放置在等离子体密度较小的位置，以惰性气体作为工作气体，在1～5000W功率下进行等离子体处理1～60min。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述硅材料是硅晶片或硅器件。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在等离子体处理时，所述硅材料待引入固体杂质的那一面面向固态杂质源。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述固态杂质源是金属材料或非金属材料。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，向硅材料中引入的固态杂质选自下列金属元素中的一种或多种：Au、Ag、Al、Ga、Sn、Zn、Fe、Cr、In、Mo、Mn、Cu、Ni、W、Li、Na、Mg、K和Ca；和/或，选自下列非金属元素中的一种或多种：B、O、C、H、N、S和F。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述惰性气体是氦气和/或氩气，进行等离子体处理时惰性气体的流量为1～100sccm。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，等离子处理的功率为50～1000W，时间为2～10min。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述等离子体发生器是电感耦合等离子体发生器或电容耦合等离子体发生器。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，对于电感耦合等离子体发生器，仅使用其射频激励电源产生等离子体，而不使用射频偏置电源。
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