一种等离子体激励的非高温扩散掺杂装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公布了一种等离子体激励的非高温扩散掺杂装置及方法。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，下板位于可升降支架上的恒温中空盒上；中空盒裸露的表面镀有防沾污层，但与支架通过绝缘层隔开；真空腔室和支架暴露在真空腔室中的表面覆盖双层内衬材料，内层为绝缘层，外层为防沾污层，该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。本发明专利技术装置结构简单、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。

A kind of non high temperature diffusion doped device and method excited by plasma

【技术实现步骤摘要】
一种等离子体激励的非高温扩散掺杂装置及方法
本专利技术涉及半导体掺杂技术，具体涉及一种平行板腔等离子体激励的非高温扩散掺杂的装置及方法。
技术介绍
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。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。进入80年代，一种被称作等离子体浸没离子注入(PlasmaImmersionIonImplantation)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。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，本专利技术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)，但目前现有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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结构简单、成本低廉的等离子体激励的非高温扩散掺杂装置，能够最大限度降低掺杂设备中非掺杂杂质的污染，例如：腔壁、支撑台、等离子体耦合窗口中各种杂质对被掺半导体材料或器件的沾污。本专利技术的技术方案如下：一种等离子体激励的非高温扩散掺杂装置，包括真空腔室、等离子体发生单元、支撑台和直流电压源，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，下板位于支撑台上，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；所述支撑台包括可升降支架及其上的中空盒，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；真空腔室的内表面和可升降支架暴露在真空腔室中的表面覆盖有双层内衬材料，内层为绝缘层，外层为防沾污层，该防沾污层与提供正偏压的直流电压源连接，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；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。。上述等离子体激励的非高温扩散掺杂装置中，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被掺杂半导体材料或器件的作用，又起到调节平行板腔上下两板间距的作用，还起到对被掺杂半导体材料或器件进行温度控制的作用。优选的，所述平行板腔上下板的间距可调范围为3mm～50mm。中空盒中的温控循环液体保证了掺杂在非高温(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。平行板腔的上下板裸露的表面都沉积了掺杂杂质层，它起到杂质源的作用，同时也防止了上下板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100～1000nm，优选为200～400nm。上述等离子体激励的非高温扩散掺杂装置中，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。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。所述直流电压源对防沾污层施加≤100V的正偏压，优选为50-100V的正偏压。而中空盒表面的防沾污层与所述双层内衬材料的防沾污层电绝缘，中空盒和下板相连，都为零偏压。利用本专利技术的装置可以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，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：将被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；通过可升降支架调节下板高度，设定合适的平行板腔上下板间距；通过直流电压源对双层内衬材料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，并通过液体循环恒温控制器控制中空盒内的循环液体温度，使被掺半导体正下方下板部位的温度在0-300℃间某一设定温度，在等离子体激励下实现对被掺杂半导体材料或器件的非高温扩散掺杂。利用本专利技术的装置进行等离子体激励的非高温扩散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加上正偏压50-100V；5、平行板腔上下板表面掺杂杂质沉积厚度：30-200nm，优选为40-80nm；6、平行板腔上下板的电阻率：10-2-103Ω·cm；7、被掺半导体正下方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等离子体激励的非高温扩散掺杂装置，包括真空腔室、等离子体发生单元、支撑台和直流电压源，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，下板位于支撑台上，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；所述支撑台包括可升降支架及其上的中空盒，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；真空腔室的内表面和可升降支架暴露在真空腔室中的表面覆盖有双层内衬材料，内层为绝缘层，外层为防沾污层，该防沾污层与提供正偏压的直流电压源连接，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；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。

【技术特征摘要】
1.一种等离子体激励的非高温扩散掺杂装置，包括真空腔室、等离子体发生单元、支撑台和直流电压源，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，下板位于支撑台上，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；所述支撑台包括可升降支架及其上的中空盒，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；真空腔室的内表面和可升降支架暴露在真空腔室中的表面覆盖有双层内衬材料，内层为绝缘层，外层为防沾污层，该防沾污层与提供正偏压的直流电压源连接，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；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所述的非高温扩散掺杂装置，其特征在于，上下板表面沉积的的掺杂杂质层的厚度为30～200nm。3.如权利要求1所述的非高温扩散掺杂装置，其特征在于，所述平行板腔的上下板间距在3～50mm范围内可调。4.如权利要求1所述的非高温扩散掺杂装置，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所述的非高温扩散掺杂装置，其特征在于，该掺杂装置还设有...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦国刚，宿世臣，臧之昊，徐万劲，侯瑞祥，李磊，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11