CN107523798B - 一种等离子体浸没离子注入掺杂装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体浸没离子注入掺杂装置及其应用。该装置在真空腔室顶部设置等离子体发生单元和等离子体耦合窗口，在紧挨等离子体耦合窗口下设置平行板腔，平行板腔的上下板暴露于真空腔室中的表面均沉积有掺杂杂质层，下板连接提供负偏压的直流电压源；真空腔室的暴露内表面覆盖双层内衬材料，外层为防沾污层，内层为绝缘层，防沾污层连接提供正偏压的直流电压源；待掺杂半导体材料或器件置于平行板腔内。本发明装置结构简单、成本低廉，最大限度降低了非掺杂杂质对待掺半导体材料或器件造成的沾污，大大提高了离子注入掺杂的纯净度。

Description

一种等离子体浸没离子注入掺杂装置及其应用

技术领域

本发明涉及半导体材料或器件的掺杂技术，具体涉及一种平行板腔等离子体浸没离子注入对半导体掺杂的装置及其应用。

背景技术

掺杂工艺是将所需杂质掺入到半导体、金属等固体材料或器件的表面附近特定区域内，达到一定的表面浓度和深度，从而改变材料或器件的物理和化学性能。对半导体而言，利用掺杂工艺，可以制作PN结、场效应晶体管的源漏区，也可以大幅度地改善金属/半导体间欧姆接触。掺入半导体的杂质主要有三类：第一类是能决定导电类型并提供载流子的浅受主杂质或施主杂质(如Si中的B、P、As等)；第二类是起复合中心和补偿作用的深能级杂质(如Si中的Au、Pt、Cr等)；第三类是改变其特殊物理性质的杂质，例如使其出现铁电性或铁磁性。对金属而言，利用掺杂工艺，可以明显提高金属材料的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。

1986年后，一种被称作等离子体浸没离子注入(Plasma Immersion IonImplantation)的新的离子注入方法被发展出来，在金属、半导体方面得到应用。等离子体浸没离子注入方法使用时，除被掺样品要置于等离子体中，还要在被掺样品上施加几百伏特或更高的偏置电压，正是利用该偏置电压，将等离子体中的正离子注入到被掺半导体、金属等固体材料或器件中去。常用的等离子体源主要有以下几种：电子回旋共振等离子体源、氦等离子体源、电容耦合等离子体源、电感耦合等离子体源、直流辉光放电等离子体源以及金属蒸汽弧等离子体源。对于难以形成气态单质或化合物的大多数金属和个别非金属(以下统称为金属)元素来说，一般采用金属蒸汽弧产生金属杂质离子。以掺杂源为金属的情况为例，在此方法中，作为阴极的金属的局部微区域(阴极斑点)受弧放电电流和/或其他加热方式(比如电子束)形成大量的金属原子和金属微粒，它们电离并进入电极间的弧区域，最终被注入到待掺半导体、金属等固体材料或器件中。在真空弧放电过程中，通常会有金属大颗粒产生，故需用磁过滤器将大颗粒滤去。然而，现有的等离子体浸没离子注入装置结构比较复杂，造价比较昂贵，更重要的是，在掺杂过程中除要求掺入的杂质外，还有大量不需要的来自设备各种构件的杂质，也同时被掺入待掺材料中。这些杂质对材料很可能造成不良后果，特别对半导体来讲，几乎不能容忍。微量有害杂质可以使半导体材料和器件失效。

发明内容

现有掺杂设备的腔壁、支撑台、等离子体耦合窗口材料中存在各种杂质，都会对被掺半导体造成污染，本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低廉，特别是能最大限度降低掺杂设备中非掺杂杂质沾污的等离子体浸没离子注入掺杂装置。

本发明的技术方案如下：

一种等离子体浸没离子注入掺杂装置，包括真空腔室、等离子体发生单元、支撑台、第一直流电压源和第二直流电压源，其特征在于，在真空腔室的顶部设有等离子体耦合窗口，所述等离子体发生单元位于等离子体耦合窗口上方；在真空腔室内，等离子体耦合窗口和支撑台之间设有平行板腔，该平行板腔由相互平行的上板和下板构成，其中：上板紧贴等离子体耦合窗口，下板通过一个位于支撑台上的绝缘体支撑，上板和下板暴露于真空腔室中的表面均沉积有掺杂杂质层，且下板连接提供负偏压的第二直流电压源；真空腔室的内表面以及支撑台暴露在真空腔室中的表面均覆盖有双层内衬材料，外层为防沾污层，内层为绝缘层；所述防沾污层与提供正偏压的第一直流电压源连接，而与真空腔室的腔壁绝缘；所述防沾污层的材料是金属(例如钽)或导电非金属，在等离子体作用下难以扩散掺杂到半导体材料或器件中。

上述等离子体浸没离子注入掺杂装置中，所述支撑台包括可升降支架及其上的中空盒，所述中空盒和支架的材料通常为金属。上部的中空盒通过其上方的绝缘体起支撑下板的作用，通过可升降支架可以调节平行板腔上下两板的间距。优选的，所述平行板腔上下板的间距可调范围为3mm～50mm。

平行板腔的上下板裸露的表面都沉积了掺杂杂质层，厚度一般为30～200nm，优选为40～100nm，它起到杂质源的作用。

上述等离子体浸没离子注入掺杂装置中，所述等离子体耦合窗口优选采用高纯石英制作而成。所述真空腔室还设有工作气体进气口和真空抽气口。

所述第一直流电压源对防沾污层施加≤100V的正偏压，优选为50-100V的正偏压。

所述第二直流电压源对平行板腔下板施加10-3000V的负偏压。

优选的，双层内衬材料中的绝缘层的厚度为1-2mm，防沾污层的厚度为300～600nm。

进一步的，所述等离子体浸没离子注入掺杂装置中还设有温度控制系统。所述温度控制系统包括监测下板温度的温度传感器和对下板温度进行调控的液体循环恒温系统，例如在本发明的实施例中，所述支撑台上部为中空金属盒，内部充满由液体循环恒温控制器控制温度的循环液体，循环液体选用在温控范围(0-300℃)内稳定性和流动性都好的液体，例如硅油；所述温度传感器为温差电偶，与平行板腔下板靠近中部的位置连接。

所述液体循环恒温控制器控制平行板腔下板的温度为0℃-300℃。为提高下板的温度响应速度，还可以增加辅助加热和/或制冷单元对其进行加热和/或制冷。

利用本发明的装置可以对各种半导体材料或器件进行等离子体浸没离子注入掺杂，最大限度地降低非掺杂杂质对被掺半导体材料或器件造成的沾污。具体方法如下：将待掺杂的半导体材料或器件置于平行板腔的下板上，通常位于中央位置；通过支撑台调节下板高度，设定合适的平行板腔上下板间距；通过第一直流电压源对双层内衬材料的防沾污层施加正偏压；通过第二直流电源对下板施加负偏压；真空腔室抽真空后通入惰性气体，通过等离子体发生单元和等离子体耦合窗口在真空腔室中形成等离子体，实现对待掺杂半导体材料或器件的等离子体浸没离子注入掺杂。

利用本发明的装置进行等离子体浸没离子注入掺杂的条件及参数的典型设置是：

1、真空腔室通入1-100sccm的He、Ar等惰性气体，控制腔室压强为0.01-10Pa范围内的指定值；

2、等离子体发生单元的13.56MHz射频波经激励线圈在真空腔室中形成等离子体，激励功率通常设定在5W-1000W之间；

3、平行板腔上下板间距可调范围为3mm-50mm；

4、双层内衬材料的防沾污层上加正偏压50-100V；

5、平行板腔上下板上掺杂杂质层厚度为30-200nm，优选为40-100nm。

6、平行板腔上下板的电阻率：10^-2–10⁴Ω·cm；

7、平行板腔下板的温度控制在0℃-300℃之间一个设定值；

8、双层内衬材料的绝缘层的厚度为1-2mm，防沾污层的厚度为300-600nm；

9、下板上施加的负偏压范围：10-3000V；

10、掺杂时间≤60min。

本发明的等离子体浸没离子注入掺杂装置具有如下几个特点：

1、平行板腔由互相平行的上下两板构成。两板间距可调，两板通常为圆形或方形，其线度比实际掺杂时两板的间距大一个量级以上。

2、构成平行板腔的上板是在平坦基片的向下一面(包括边缘)上沉积掺杂杂质层而成，而下板是在平坦基片的两面及边缘都沉积掺杂杂质层。基片是平整的半导体片，例如硅片。要求沉积的掺杂杂质层致密，基片不能暴露出来。

3、掺杂杂质可以是金属或非金属。若为非金属，应选用导体或半导体。

4、在真空腔室中暴露在外，与真空接触的表面都覆盖了防沾污层(支撑台上的绝缘体和平行板腔除外)。在等离子体作用下，防沾污层的离子很少能进入等离子体；且在防沾污层上施加50-100V的正偏压，进一步降低了等离子体中正离子对它的轰击。

5、上板上方紧贴射频输入窗口(即等离子体耦合窗口)，下板下方紧贴支撑台上的绝缘体。使用绝缘体的目的是将加在防沾污层上的正偏压与加在下板上的负偏压隔离开来。由于下板和支撑台的中空金属盒之间的电力线垂直于下板基片，故正离子不会对绝缘体进行轰击，从而造成污染。

6、构成两板的基片材料和沉积掺杂杂质层厚度的选择的共同标准是：射频输入能在平行板腔中形成密度和温度都适合的等离子体；而在平行板腔的下方，由于两板的存在，射频被消耗，等离子体的密度和温度都已明显下降，不能或很少能将金属或绝缘体表面的原子撞击出来，从而达到尽量降低沾污的目的。例如，如果掺杂杂质为金属，则上板基片上的掺杂金属杂质层不能太厚，例如<60nm，否则射频会在掺杂金属杂质层中引起大的涡流；另外，基片的电阻率也不能低，例如>50Ωcm，以免影响平行板腔中等离子体的形成。如果掺杂杂质为非金属，基片电阻率应选得较低，例如≤1Ωcm，使两板的存在，对射频有足够的衰减作用。从电阻率和直径可选范围都大以及价格低廉等因素考虑，通常硅片是好的基片材料的候选者。

7、下板基片连接一个提供负偏压的直流电压源。

因紧贴射频输入窗口，平行板腔中，特别是其中间部分，等离子体密度和温度较真空腔室其它地方高得多，将待掺杂半导体材料或器件放置在平行板腔中等离子体密度最高地方，如图1所示，为掺杂及其纯净度提供了重要保证。平行板腔上下两板表面的掺杂杂质层起杂质源的作用。在等离子体中正离子的撞击下，掺杂杂质层中的杂质进入等离子体；由于待掺半导体材料或器件被加上较大的负偏压，在其电场的作用下，等离子体中的正杂质离子被注入待掺半导体材料或器件中。可以看出，这种杂质源比传统的等离子体浸没离子注入方法中的杂质源简单很多。

调节待掺半导体材料或器件上的负偏压值，等离子体输入功率，平行板腔两板间距和工作气体的种类和压力等可以改变离子注入掺杂的表面浓度和深度。为了控制掺杂过程中待掺半导体材料或器件的温度，以免升至对其有害的温度，对放置待掺半导体材料或器件的下板部位进行了温度可控的测温(温度传感器)和恒温设计(液体循环恒温系统)。

本发明提出的平行板腔等离子体浸没离子注入掺杂装置，较其他等离子体浸没离子注入装置，主要优点在于掺杂装置结构简单、成本低廉，特别是最大限度降低了非掺杂杂质对待掺半导体材料或器件造成的沾污，大大提高了离子注入掺杂的纯净度，适用于各种固体材料特别是半导体材料和部分完工的半导体器件的离子注入掺杂。

附图说明

图1为本发明实施例的平行板腔等离子体浸没离子注入掺杂装置的整体结构示意图，其中：1-等离子体发生单元，2-等离子体耦合窗口，3-待掺杂半导体材料，4-绝缘体，5-中空金属盒(充满温控液体)，6-第一直流电压源(加50-100V正偏压)，7-可升降支架，8-温差电偶，9-液体循环恒温控制器，10-平行板腔上板，11-平行板腔下板，12-第二直流电压源(加10-3000V负偏压)，13-真空腔室，14-接真空系统的管路，15-双层内衬材料(外层为防沾污，钽层，内层为绝缘层)，16-接工作气体的管路。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步详细说明本发明。

如图1所示，平行板腔等离子体浸没离子注入掺杂装置包括：真空腔室13，位于真空腔室13顶部的等离子体耦合窗口2，位于等离子体耦合窗口2上方的等离子体发生单元1。平行板腔上板10，即镀有掺杂杂质沉积层的上基片，上方紧贴等离子体耦合窗口2；平行板腔下板11，即镀有掺杂杂质沉积层的下基片，下方紧贴中空金属盒5上的绝缘体4。中空金属盒5位于可升降支架7上，腔内充满温控液体，通过液体循环恒温控制器9控制其温度在0℃-300℃。掺杂时，待掺半导体材料3置于下板11上靠近中央的位置，该处背面连有温差电偶8。下板11连接提供负偏压的第二直流电压源12。在真空腔室13中暴露在外，与真空接触的部分表面都覆盖有双层内衬材料(绝缘体4除外)15，外层为防沾污钽层，内层为绝缘层，钽层与腔壁(地电位)绝缘，通过第一直流电压源6对钽层施加≤100V的正电压。真空腔室13具有管路16接工作气体，管路14接真空系统。抽真空后，对真空腔室13通入工作气体，在等离子体发生单元的激励下产生等离子体，实现对待掺杂半导体材料的等离子体浸没离子注入掺杂。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种等离子体浸没离子注入掺杂装置，包括真空腔室、等离子体发生单元、支撑台、第一直流电压源和第二直流电压源，其特征在于，在真空腔室的顶部设有等离子体耦合窗口，所述等离子体发生单元位于等离子体耦合窗口上方；在真空腔室内，等离子体耦合窗口和支撑台之间设有平行板腔，该平行板腔由相互平行的上板和下板构成，其中：上板紧贴等离子体耦合窗口，下板通过一个位于支撑台上的绝缘体支撑，上板和下板暴露于真空腔室中的表面均沉积有掺杂杂质层，且下板连接提供负偏压的第二直流电压源；真空腔室的内表面以及支撑台暴露在真空腔室中的表面均覆盖有双层内衬材料，外层为防沾污层，内层为绝缘层；所述防沾污层与提供正偏压的第一直流电压源连接，而与真空腔室的腔壁绝缘；所述防沾污层的材料是金属或导电非金属，在等离子体作用下难以扩散掺杂到半导体材料或器件中。

2.如权利要求1所述的等离子体浸没离子注入掺杂装置，其特征在于，所述平行板腔的上下板间距在3mm～50mm范围内可调。

3.如权利要求1所述的等离子体浸没离子注入掺杂装置，其特征在于，上下板表面沉积的掺杂杂质层的厚度为30～200nm；所述双层内衬材料中，绝缘层的厚度为1～2mm，防沾污层的厚度为300～600nm。

4.如权利要求1所述的等离子体浸没离子注入掺杂装置，其特征在于，该装置还设有温度控制系统，所述温度控制系统包括监测下板温度的温度传感器和对下板温度进行调控的液体循环恒温系统。

5.如权利要求4所述的等离子体浸没离子注入掺杂装置，其特征在于，所述支撑台包括可升降支架及其上的中空盒，盒内充满由液体循环恒温控制器控制温度的循环液体；所述温度传感器为温差电偶，与平行板腔下板连接。

6.如权利要求1所述的等离子体浸没离子注入掺杂装置，其特征在于，所述第一直流电压源为双层内衬材料的防沾污层提供≤100V的正偏压；所述第二直流电压源对平行板腔下板提供10-3000V的负偏压。

7.如权利要求1所述的等离子体浸没离子注入掺杂装置，其特征在于，所述平行板腔的上板是平整的半导体基片，其向下一面及边缘沉积有掺杂杂质层；下板也是平整的半导体基片，其两面及边缘都沉积有掺杂杂质层。

8.利用权利要求1～7任一所述的装置对半导体材料或器件进行等离子体浸没离子注入掺杂的方法，包括：将待掺杂的半导体材料或器件置于平行板腔的下板上；通过支撑台调节下板高度，设定合适的平行板腔上下板间距；通过第一直流电压源对双层内衬材料的防沾污层施加正偏压；通过第二直流电压源对下板施加负偏压；真空腔室抽真空后通入惰性气体，通过等离子体发生单元和等离子体耦合窗口在真空腔室中形成等离子体，实现对待掺杂半导体材料或器件的等离子体浸没离子注入掺杂。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，调节平行板腔上下板的间距为3～50mm；将平行板腔下板的温度控制在0～300℃范围内的一个设定值；第一直流电压源对防沾污层施加50～100V的正偏压；第二直流电压源对下板施加10～3000V的负偏压。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，向真空腔室通入1～100sccm的惰性气体，控制腔室压强为0.01～10Pa范围内的指定值；等离子体发生单元的13.56MHz射频波经激励线圈在真空腔室中形成等离子体，激励功率设定在5～1000W之间；掺杂时间小于等于60min。