一种多功能半导体掺杂的装置

摘要

本发明公布了一种多功能半导体掺杂装置，兼容等离子体激励非高温扩散掺杂和等离子体浸没离子注入掺杂两种功能。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，窗口下为由上下板构成的平行板等离子体腔，其间设可移动的中板；三板的暴露表面沉积掺杂杂质层；真空腔室内表面和支架表面覆盖双层内衬材料，内层为绝缘层，外层为防沾污层，且防沾污层连接提供正偏压的直流低电压源；中板连接提供负偏压的直流高电压源，下板为地电位。进行扩散掺杂时，移出中板，待掺杂半导体置于下板上，而进行离子注入掺杂时，移入中板，待掺杂半导体置于中板上。该装置不仅最大限度降低了非掺杂杂质的沾污，还能灵活实现两种掺杂功能的互换。

权利要求

1.一种多功能半导体掺杂装置，兼容等离子体激励非高温扩散掺杂和等离子体浸没离子注入掺杂功能，包括真空腔室、等离子体发生单元、支撑台、提供正偏压的直流低电压源和提供负偏压的直流高电压源，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等离子体腔，该平行板等离子体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，下板位于支撑台上；在上板和下板之间设有可移动的中板，所述中板的面积小于上、下板，由一个可移动的绝缘体支撑在下板上方；上板、中板和下板暴露于真空腔室中的表面均沉积有掺杂杂质层，且中板连接提供负偏压的直流高电压源；所述支撑台包括可升降支架及其上方的中空盒，所述中空盒与可升降支架之间电绝缘，下板放置在中空盒上，下板与中空盒均为地电位；所述中空盒内部充满由液体循环恒温控制器控制温度的循环液体；真空腔室的内表面以及可升降支架暴露在真空腔室中的表面均覆盖有双层内衬材料，其外层为防沾污层，内层为绝缘层；真空腔室内表面和可升降支架表面的防沾污层与提供正偏压的直流低电压源连接，而与真空腔室的腔壁绝缘；中空盒裸露的表面覆盖有防沾污层，但与可升降支架之间由绝缘层隔开；所述防沾污层的材料是在等离子体作用下难以扩散掺杂到半导体材料或器件中的金属或导电非金属。

2.如权利要求1所述的多功能半导体掺杂装置，其特征在于，所述平行板等离子体腔的上下板间距在3mm～80mm范围内可调。

3.如权利要求1所述的多功能半导体掺杂装置，其特征在于，上板和中板表面沉积的掺杂杂质层的厚度为30～100nm，下板表面沉积的掺杂杂质层的厚度为50～500nm。

4.如权利要求1所述的多功能半导体掺杂装置，其特征在于，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。

5.如权利要求1所述的多功能半导体掺杂装置，其特征在于，该装置还设有监测平行板等离子体腔下板温度的温度传感器。

6.如权利要求1所述的多功能半导体掺杂装置，其特征在于，所述直流低电压源为真空腔室内表面和可升降支架表面的防沾污层提供10～100V的正偏压；所述直流高电压源为中板提供10～3000V的负偏压。

7.如权利要求1所述的多功能半导体掺杂装置，其特征在于，所述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；中板和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.如权利要求1所述的多功能半导体掺杂装置，其特征在于，所述防沾污层的材料为钽。

9.利用权利要求1～8任一所述的多功能半导体掺杂装置对半导体材料或器件进行等离子体激励非高温扩散掺杂的方法，包括：移出中板及支持它的绝缘体，将待掺杂的半导体材料或器件置于平行板等离子体腔的下板上；通过可升降支架调节下板高度，设定合适的上下板间距；通过液体循环恒温控制器控制中空盒内的循环液体温度，使下板的温度在0-

300℃间某一设定温度；通过直流低电压源对真空腔室内表面和可升降支架表面的防沾污层施加正偏压；对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形成等离子体，在等离子体激励下实现对待掺杂半导体材料或器件的非高温扩散掺杂。

10.利用权利要求1～8任一所述的多功能半导体掺杂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：在平行板等离子体腔中移入中板与支撑中板的绝缘体，将待掺杂的半导体材料或器件置于中板上；通过可升降支架调节下板高度，设定合适的中板与上板的间距；通过液体循环恒温控制器控制中空盒内的循环液体温度，使下板的温度小于300℃；通过直流低电压源对真空腔室内表面和可升降支架表面的防沾污层施加正偏压；通过直流高电源对中板施加负偏压；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。

说明书

一种多功能半导体掺杂的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体掺杂装置，具体涉及一种兼容等离子体激励非高温扩散掺杂和等离子体浸没离子注入掺杂的装置，所谓非高温指0-300℃。

背景技术

[0002] 掺杂工艺是将所需杂质掺入到半导体材料或器件的表面附近特定区域内，到达一定的表面浓度和深度，从而改变半导体材料或器件的物理和化学性能。半导体可以是无机半导体，也可以是有机半导体或有机-无机杂化半导体。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。

[0003] 目前常用的半导体掺杂技术主要有两种，即高温扩散和离子注入。高温扩散是有近八十年历史的掺杂工艺，并沿用至今。而离子注入是20世纪60年代发展起来的一种在很多方面都优于高温扩散的掺杂工艺，是应用最广泛的主流掺杂工艺。但在离子注入后，为了恢复被高能离子损坏的晶格，必须进行高温退火使晶格复原。因此，这两种技术都涉及到高温处理工艺，所须高温达七八百乃至一千多摄氏度，但高温处理对许多半导体材料特别是半导体器件有危害甚至破坏作用，如果半导体材料或器件不能耐受高温，上述掺杂工艺就往往无法应用。

[0004] 进入80年代，一种新的离子注入方法称作等离子体浸没离子注入(Plasma Immersion Ion Implantation)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射频偏置电压，正是利用此高电压，将等离子体中的正离子注入到被掺半导体材料中去。正离子注入会在被掺半导体材料中造成大量缺陷。另外，由于等离子体中的离子密度往往很高，等离子体浸没离子注入常在被掺半导体晶体材料中造成非晶层。若要消除上述缺陷和非晶层，必须使用高温退火。此外，由于被掺半导体材料上加载了高偏置电压，等离子体浸没离子注入的一个缺点是对被掺半导体材料表面有明显的刻蚀作用。

[0005] 近年来涌现出大量纳米半导体材料和二维材料，半导体器件向纳米尺度发展，有机半导体和有机-无机杂化半导体和器件也有了长足进步，高温对这些材料和器件的破坏作用，大大限制了涉及高温处理的掺杂工艺。鉴于上述需求，本发明人此前提出等离子体激活室温扩散掺杂方法，并已经成功对Si、GaN和GaAs三种半导体进行了对于多种待掺杂质的等离子体激活室温扩散实验(专利申请号CN201610412679.4和CN201610420343.2及论文Appl.Phys.A(2017)123:393和Appl.Phys.A(2016)122:1013)并设计了一套适用于这种方法的等离子体激励扩散掺杂装置(专利申请号：CN201710093637.3)。但目前的等离子体装置无法避免等离子体激活的扩散掺杂中非掺杂杂质的污染，也无法兼容等离子体激励非高温扩散掺杂和等离子体浸没离子注入掺杂。本发明是提出一种装置，它能兼容等离子体激励非高温扩散掺杂和等离子体浸没离子注入掺杂，可方便地从等离子体激励非高温扩散掺杂转换到等离子体浸没离子注入掺杂，或反过来。另外，本发明还考虑到，在等离子体浸没离子注入掺杂时，对样品的控温只要求半导体样品的温升不要太高以免损坏样品，温度对掺杂浓度和深度并没有显著影响，而在等离子体激励非高温扩散掺杂对样品的控温要求却很高，因为温度直接影响掺杂杂质的浓度和深度。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种兼容等离子体激励非高温扩散掺杂和等离子体浸没离子注入掺杂功能，能够最大限度降低掺杂设备中非掺杂杂质的污染，并且结构简单、成本低廉的装置，该装置可以方便地实现等离子体激励非高温扩散掺杂和等离子体浸没离子注入掺杂两种功能的相互转换。另外，本发明还考虑到，在进行等离子体浸没离子注入掺杂时，对样品的控温只要求半导体样品的温度不要升太高以免损坏样品，温度对掺杂浓度和深度并没有显著影响，而在等离子体激励非高温扩散掺杂时对样品的控温要求却很高，因为温度直接影响掺杂杂质的浓度和深度。

[0007] 为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

[0008] 一种多功能半导体掺杂装置，兼容等离子体激励非高温扩散掺杂和等离子体浸没离子注入掺杂功能，包括真空腔室、等离子体发生单元、支撑台、提供正偏压的直流低电压源和提供负偏压的直流高电压源，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等离子体腔，该平行板等离子体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，下板位于支撑台上；在上板和下板之间设有可移动的中板，所述中板的面积小于上、下板，由一个可移动的绝缘体支撑在下板上方；上板、中板和下板暴露于真空腔室中的表面均沉积有掺杂杂质层，且中板连接提供负偏压的直流高电压源；所述支撑台包括可升降支架及其上方的中空盒，所述中空盒与可升降支架之间电绝缘，下板放置在中空盒上，下板与中空盒均为地(零)电位；所述中空盒内部充满由液体循环恒温控制器控制温度的循环液体；真空腔室的内表面以及可升降支架暴露在真空腔室中的表面均覆盖有双层内衬材料，其外层为防沾污层，内层为绝缘层；真空腔室内表面和可升降支架表面的防沾污层与提供正偏压的直流低电压源连接，而与真空腔室的腔壁绝缘；中空盒裸露的表面覆盖有防沾污层，但与可升降支架之间由绝缘层隔开；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。

[0009] 本发明的半导体掺杂装置兼容了等离子体激励非高温扩散掺杂和等离子体浸没离子注入掺杂功能，中板和其下方的绝缘体可移动，当进行等离子体浸没离子注入掺杂时，在平行板等离子体腔的上下板之间引入中板和绝缘体，被掺半导体样品置于中板上方，中板由放置在下板上的面积较小的绝缘体支撑，例如，如果中板为圆形板，则绝缘体为直径明显较小的同心圆板。在进行等离子体激励非高温扩散掺杂时，移走中板和绝缘体，将被掺半导体样品置于下板上方。

[0010] 上述半导体掺杂装置中，所述中空盒和可升降支架的材料通常为金属。所述中空盒和可升降支架既起到支撑平行板腔下板的作用，又起到调节平行板腔上下两板间距的作用，还可以起到对放置在平行板腔中的被掺杂半导体材料或器件进行温度控制的作用。优选的，所述平行板等离子体腔上下板的间距可调范围为3mm～80mm。

[0011] 中空盒中的温控循环液体可保证掺杂在非高温(0-300℃间某一特定温度，精度±1℃)下进行。该循环液体由位于真空腔室外的液体循环恒温控制器控制温度，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。同时，该掺杂装置还设有监测平行板腔下板温度的温度传感器。所述温度传感器可以是温差电偶，与平行板腔下板靠近中部的位置连接。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。

[0012] 平行板等离子体腔的上、下板以及中板裸露的表面都沉积了掺杂杂质层，它起到杂质源的作用，同时也防止了上、中、下板的基片原子逸出所造成的沾污。对于上板，沉积的掺杂杂质层的厚度为30～100nm，优选为50～80nm；对于下板，沉积的掺杂杂质层的厚度为50～500nm，优选为80～150nm。对于中板，沉积的掺杂杂质层的厚度为30-100nm，优选为50-
80nm。

[0013] 本发明的多功能半导体掺杂装置中，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。

[0014] 优选的，所述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。所述直流低电压源对真空腔室内表面和可升降支架表面的防沾污层施加10-100V的正偏压。而中空盒表面的防沾污层与前述防沾污层之间由绝缘层实现电绝缘，中空盒和下板相连，都为零偏压。

[0015] 利用本发明的装置对各种半导体材料或器件进行等离子体激励的非高温扩散掺杂时，具体方法如下：将待掺杂的半导体材料或器件置于平行板等离子体腔的下板上，通常位于中央位置；通过可升降支架调节下板高度，设定合适的平行板等离子体腔上下板间距；通过液体循环恒温控制器控制中空盒内的循环液体温度，使待掺半导体正下方的下板部位的温度在0-300℃间某一设定温度；通过直流低电压源对真空腔室内表面和可升降支架表面的防沾污层施加正偏压；对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形成等离子体，在等离子体激励下实现对待掺杂半导体材料或器件的非高温扩散掺杂。

[0016] 利用本发明的装置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时，具体方法如下：在平行板等离子体腔中移入中板与支撑中板的绝缘体，将待掺杂的半导体材料或器件置于中板上，通常位于中央位置；通过可升降支架调节下板高度，设定合适的中板与上板的间距；通过液体循环恒温控制器控制中空盒内的循环液体温度，使下板的温度小于300℃；通过直流低电压源对真空腔室内表面和可升降支架表面的防沾污层施加正偏压；通过直流高电源对中板施加负偏压；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。优选的，所述直流高电压源对中板施加10～3000V的负偏压。

[0017] 本发明的多功能半导体掺杂装置具有如下几个特点：

[0018] 1、平行板等离子体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，其线度明显大于实际掺杂时两板的间距。

[0019] 2、为进行等离子体浸没离子注入掺杂，在上下两板之间引入中板，中板的面积小于上板或下板，中板下方紧接面积明显较小的绝缘体。中板-绝缘体可移动，在等离子体浸没离子注入掺杂时，将中板和绝缘体放在平行板等离子体腔中央，待掺杂半导体样品置于中板之上，中板与直流高电压源相连。在进行等离子体激励的非高温扩散掺杂时，移走中板和绝缘体，待掺杂半导体样品置于下板之上。

[0020] 3、构成平行板等离子体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，而下板和中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。上、中、下三板表面沉积的杂质层，不仅可以充当杂质源，还可以阻挡其中原子的逸出而引起沾污。

[0021] 4、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。

[0022] 5、构成三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等离子体腔中形成密度和温度都适合的等离子体；而在平行板等离子体腔的下方，由于板的存在，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。

[0023] 6、下板的下方紧贴中空盒。为了更好地控温，通常中空盒的上表面面积仅比下板略小。中空盒与液体循环通道相连，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。为提高样品台的温度响应速度，还可以增加辅助加热和/或制冷单元对样品台进行加热和/或制冷。

[0024] 7、中空盒与其下方的可升降支架之间用绝缘层隔开。

[0025] 8、在真空腔室中暴露在外，与真空接触的表面都覆盖防沾污层(平行板等离子体腔的上、中、下板以及支撑中板的绝缘体和电隔离中空盒与可升降支架的绝缘层除外)。在等离子体作用下，防沾污层的离子很少能进入等离子体；且在真空腔室内表面和可升降支架表面的防沾污层上施加10-100V的正偏压，进一步降低了等离子体中正离子对它们的轰击。

[0026] 9、因紧贴射频输入窗口，平行板等离子体腔中，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等离子体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。

[0027] 10、在进行等离子体激励非高温扩散掺杂时，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。等离子体中的正离子的撞击又在待掺半导体表面引入缺陷，激励等离子体中杂质原子非高温下就能扩散进入待掺半导体。调节等离子体输入功率，平行板等离子体腔上下板间距和工作气体的种类和压力等都可以改变掺杂的表面浓度和深度。为了保证掺杂达到要求的浓度和深度，在非高温(小于300℃)的温区中选择合适的恒定温度下进行。

[0028] 11、在进行等离子体浸没离子注入掺杂时，上下板和中板表面的掺杂杂质层都起杂质源的作用。在等离子体中的正离子的撞击下，掺杂杂质层中的杂质进入等离子体。由于上板为地(零)电位，而中板为10-3000伏特的负电位，在此上、中两板电位差的作用下，杂质离子被注入到中板上的半导体样品中去。调节等离子体输入功率，中板上的负电位和工作气体的种类和压力等都可以改变掺杂的表面浓度和深度。为保证被掺杂半导体不受高温的损害，控制被掺杂半导体温度低于300℃。

[0029] 本发明提出的多功能半导体掺杂装置，较其他等离子体装置，主要优点在于能够轻松实现等离子体激励非高温扩散掺杂和等离子体浸没离子注入掺杂两种功能的相互转换，而且装置结构简单、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，大大提高了掺杂的纯净度，并保证掺杂能在非高温环境中进行，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掺杂。

附图说明

[0030] 图1为本发明实施例的多功能半导体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-待掺杂半导体材料或器件，4-绝缘体，4’-中空盒与可升降支架之间的绝缘层，5-中空盒(充满温控液体)，6-直流低电压源(提供10-100V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-平行板等离子体腔的上板，11-可移动中板，12-平行板等离子体腔的下板，13-真空腔室，14-接真空系统的管路，15-双层内衬材料(外层为防沾污的钽层，内层为绝缘层)，16-接工作气体的管路，17-直流高电压源(提供10-3000V负偏压)。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图，通过实施例进一步详细说明本发明。

[0032] 如图1所示，该多功能掺杂装置包括：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。平行板等离子体腔的上板10是下表面和边缘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；下板12是表面镀有掺杂杂质沉积层的下基片，放置在中空盒5上。平行板等离子体腔中的中板11是可移入或移出的，由可移动的绝缘体4支撑在下板上方。中空盒5位于可升降支架7上，二者由绝缘层4’电隔离。中空盒5内部充满温控液体，通过液体循环恒温控制器9控制器温度在0℃-300℃。真空腔室13内表面和可升降支架7的暴露表面覆盖双层内衬材料，外层为防沾污的钽层，内层为绝缘层，其中的钽层连接提供正偏压的直流低电压源6。下板12的温度由温差电偶8探测。中板11连接提供负偏压的直流高电压源17。真空腔室13具有管路16接工作气体，管路14接真空系统。

[0033] 在进行等离子体激励非高温扩散掺杂时，将中板11及绝缘体4移出，待掺杂半导体材料或器件3放置在下板12中央；通过可升降支架7使上下板间距调节为3mm-80mm的某一特定值；液体循环恒温控制器9控制中空盒5内的循环液体温度在0℃-300℃之间的一个设定值；直流低电压源6在真空腔室内表面的钽层上施加10-100V正偏压；真空腔室13抽真空后，通过接工作气体的管路16通入1-100sccm的He、Ar等惰性气体中的一种或多种，控制真空腔室13的压强为0.01-10Pa范围内的指定值；13.56MHz射频波经激励线圈(激励功率设定在5W-1000W之间)在真空腔室13中形成等离子体，实现对待掺杂半导体材料或器件3的等离子体激励的非高温扩散掺杂。

[0034] 在进行等离子体浸没离子注入掺杂时，移入中板11及绝缘体4，待掺杂半导体材料或器件3放置在中板11中央；通过可升降支架7调节上板和中板间距为3mm-80mm的某一特定值；液体循环恒温控制器9控制中空盒5内的循环液体温度在0℃-300℃之间的一个设定值；直流低电压源6在真空腔室内表面的钽层上施加10-100V正偏压；真空腔室13抽真空后，通过接工作气体的管路16通入1-100sccm的He、Ar等惰性气体中的一种或多种，控制真空腔室
13的压强为0.01-10Pa范围内的指定值；13.56MHz射频波经激励线圈(激励功率设定在5W-
1000W之间)在真空腔室13中形成等离子体，并通过直流高电压源17对中板11施加10-3000V负偏压，实现对待掺杂半导体材料或器件3的等离子体浸没离子注入掺杂。

[0035] 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。