Cấy ion doc

C C ấ ấ y ion y ion Lê Tuấn Đại học Bách khoa Hà Nội 2 2 1/15/2006 1/15/2006 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 1/15/2006 1/15/2006 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 1/15/2006 1/15/2006 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) Ngu Ngu ồ ồ n ion ki n ion ki ể ể u Freeman u Freeman   C C á á c ngu c ngu ồ ồ n r n r ắ ắ n đư n đư ợ ợ c b c b ố ố c hơi nh c hơi nh ờ ờ ph ph ầ ầ n t n t ử ử nhi nhi ệ ệ t c t c ả ả m m ứ ứ ng, ngu ng, ngu ồ ồ n kh n kh í í đư đư ợ ợ c c tr tr í í ch th ch th ẳ ẳ ng t ng t ớ ớ i bu i bu ồ ồ ng đ ng đ á á nh l nh l ử ử a cao a cao á á p đ p đ ể ể b b ị ị ion h ion h ó ó a. a.   Hi Hi ệ ệ u su u su ấ ấ t ion h t ion h ó ó a tăng lên nh a tăng lên nh ờ ờ đ đ ặ ặ t thêm t t thêm t ừ ừ trư trư ờ ờ ng, t ng, t ạ ạ o qu o qu ỹ ỹ đ đ ạ ạ o xo o xo ắ ắ n cho c n cho c á á c c ion trong bu ion trong bu ồ ồ ng ion h ng ion h ó ó a. a.   C C á á c ion dương đư c ion dương đư ợ ợ c hư c hư ớ ớ ng b ng b ằ ằ ng đi ng đi ệ ệ n trư n trư ờ ờ ng t ng t ớ ớ i c i c ử ử a ra c a ra c ó ó k k í í ch thư ch thư ớ ớ c v c v à à i i mm t mm t ớ ớ i 1 i 1 – – 2 cm. 2 cm.   Á Á p su p su ấ ấ t hơi riêng ph t hơi riêng ph ầ ầ n c n c ủ ủ a ch a ch ấ ấ t t t t ạ ạ o ion c o ion c ỡ ỡ 10 10 - - 5 5 – – 10 10 - - 7 7 torr, t torr, t ạ ạ o s o s ự ự ổ ổ n đ n đ ị ị nh nh trong bu trong bu ồ ồ ng. ng.   Dòng ion c Dòng ion c ự ự c đ c đ ạ ạ i ra kh i ra kh ỏ ỏ i ngu i ngu ồ ồ n c n c ỡ ỡ v v à à i mA. i mA. 5 5 1/15/2006 1/15/2006 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 6 6 1/15/2006 1/15/2006 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 7 7 1/15/2006 1/15/2006 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. 8 8 1/15/2006 1/15/2006 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 : : 9 9 1/15/2006 1/15/2006 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 10 10 1/15/2006 1/15/2006 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) [...]... các 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 1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 17 Cấy. .. 1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 17 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... 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) 1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 19 Cấy ion (tiếp) Tạo lớp pha tạp đồng đều bằng cấy ion nhiều lần liên tiếp Thực hiện các lần cấy ion liên tiếp, cùng liều lượng, nhưng với các giá trị năng lượng ion tăng dần, ta sẽ có Rp tăng dần và kết quả... khoa Hà Nội họ Bá Hà 24 Cấy ion (tiếp) Bài tập 1 Một linh kiện bán dẫn Si cần có lớp cấy ion tạp chất B nồng độ cực đại 1017 cm-3 ở độ sâu 0,3 µm Tính năng lượng và liều lượng của các ion được cấy vào Nếu coi đế Si loại n có nồng độ đế 1015 cm-3, hãy tính chiều sâu của lớp chuyển tiếp p-n 2 Dòng ion cấy vào mẫu bán dẫn thường có cường độ cỡ 2 mA Hỏi cần thời gian bao lâu để cấy các ion O+ vào mẫu cho đến.. .Cấy ion (tiếp) So sánh: kết quả thực nghiệm (đỏ) và lý thuyết (đen, Monte Carlo) cấy ion B vào Si rất phù hợp và trùng với các số liệu đã có đối với Si 1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 11 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... a) và b) vẫn đúng Hãy giải thích lý do 5 Các ion B11 năng lượng 100 kV được cấy vào phiến Si có đường kính 200 mm với liều lượng 5.1014 cm-2 Tính nồng độ tạp chất cực đại và dòng ion cần có cho thao tác cấy ion kéo dài 1 phút 6 Phiến GaAs đường kính 100 mm được cấy ion Zn năng lượng 100 kV trong 5 phút bằng dòng có cường độ 10 µA Xác định liều lượng cấy ion, nồng độ tạp cực đại và chiều sâu ứng với... 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 (Eo – năng lượng ban đầu của ion tạp chất, θ và φ – lần lượt là các góc tán xạ của ion tạp chất và ion bán dẫn): ⎤ ⎡ sin 2 φ ∆E = Eo ⎢1 − ⎥ ⎣ cosθ sin φ + cos φ sin θ ⎦ 1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 13 Cấy ion (tiếp) Sự hao hụt năng lượng của ion tạp chất do cơ chế hãm... vào mẫu cho đến liều lượng 10-13 cm-2 ? 3 Một MOSFET được điều chỉnh điện áp ngưỡng bằng cách cấy các ion B năng lượng 30 kV Nếu chiều dày lớp SiO2 cực cửa là 150 Å, hãy tính phần trăm các ion B cấy vào lớp ô xit đó trong tổng số các ion được cấy (dùng gần đúng x . 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. do cấy các ion nặng Si hoặc Ge. Cần các máy cấy ion đắt tiền cho ion nặng. 18 18 1/15/2006 1/15/2006 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. 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) T T á á n x n x ạ ạ c c ủ ủ a ion t a ion t ạ ạ p ch p ch ấ ấ t trên ion b t trên ion b á á n d n d ẫ ẫ n n Do cơ ch Do cơ