一种向硅中引入杂质并将杂质激活的方法技术

本发明专利技术涉及一种向硅中引入杂质并将杂质激活的方法，属于半导体掺杂技术领域。该方法首先将硅样品抛光并清洗；然后在电容耦合等离子体真空发生腔室底部放置连接射频电源的极板，在极板上放置大硅片；将杂质源和硅样品置于大硅片上，杂质源放置在硅样品周围；进行电容耦合等离子体处理；最后将硅样品进行快速热退火处理，得到掺杂硅样品。本发明专利技术的方法能够有效地将杂质激活，等离子体的自偏压能够使氦离子与样品表层晶格发生碰撞，从而局部地破坏硅晶格周期性，而正是由于这一改变，硅样品在快速退火处理中，间隙位的杂质原子在周期性已经被部分破坏的硅中较容易地进入代位位置，从而被有效激活，使空穴浓度上升。

【技术实现步骤摘要】
一种向硅中引入杂质并将杂质激活的方法
本专利技术涉及一种向硅中引入杂质并将杂质激活的方法，属于半导体掺杂

技术介绍
掺杂在半导体工业生产和科技中有着重要作用，有些杂质，只要被引入半导体，就可以起作用；还有一些杂质，例如硅中的浅施主磷或浅受主硼，在掺入以后,必须进入代位位置，才能提供载流子，进入代位的过程是一种激活过程。对硅来说，杂质对其性质有十分重要的影响，可以说，绝大部分硅的应用都离不开杂质，因此，向硅材料中引入杂质并加以激活，在硅产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型硅表面引入高浓度受主杂质，或在p型硅表面引入高浓度施主杂质，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等复合中心引入硅中，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。热扩散通常需要在七、八百甚至上千摄氏度的高温下进行，不仅成本高昂、能耗巨大、污染环境，且长时间的高温会对硅材料有副作用。离子注入工艺中掺杂离子以离子束的形式注入到半导体中，杂质分布主要由注入能量和离子种类决定，但是其设备昂贵，难于广泛应用于科研和工业生产中。本专利技术人此前提出过专利“一种在室温环境下向硅材料中引入固态杂质的方法”(申请号：201610412679.4)；该方法在等离子体激励下对硅进行室温扩散掺杂，但是该方法仅仅完成了如何将杂质原子掺入硅中，而没有考虑杂质激活的问题，实际上，实验证明，大部分情况下，该方法掺入的杂质难以激活。因此，寻找一种简单便捷、成本低廉的向硅中掺杂同时又能够有效激活杂质的方法有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种简单便捷、成本低廉的能够向硅中掺杂同时将杂质激活的方法。本专利技术的上述目的是通过以下技术方案实现的：一种向硅中引入杂质并将杂质激活的方法，其步骤如下：(1)将硅样品抛光并清洗；(2)在电容耦合等离子体(capacitivelycoupledplasma，以下简称CCP)真空发生腔室底部连接射频电源的电容耦合极板上放置大硅片；(3)将杂质源和步骤(1)处理后的硅样品置于步骤(2)中所述大硅片上，杂质源放置在硅样品周围，但不接触硅样品；(4)电容耦合等离子体处理：工作气体为惰性气体，电容耦合等离子体处理的功率为10-2000W，处理的时间为1-120min；(5)退火处理：经过步骤(4)的电容耦合等离子体处理后，将硅样品进行快速退火处理。步骤(1)中所述硅样品为硅晶片或硅器件。步骤(1)中所述清洗的具体步骤如下：依次用丙酮、乙醇和去离子水分别进行超声清洗5-15min。步骤(2)中，所述的大硅片的面积比连接射频电源的CCP极板的面积略大，即大硅片完全覆盖极板的表面。步骤(3)中杂质源和硅样品放置在大硅片的中心附近。步骤(3)中所述硅样品抛光面朝上，硅样品待掺杂的一面面向等离子体。步骤(3)中所述杂质源选自要求掺入硅晶片或硅器件的金属元素或非金属元素。优选地，所述金属元素选自下述中的一种或多种：Au、Ag、Al、Ga、Sn、Zn、Fe、Cr、In、Mo、Mn、Cu、Ni、W、Li、Na、Mg、K或Ca。优选地，所述非金属元素选自下述中的一种或多种：B、O、C、H、N、S或F。步骤(4)中所述惰性气体为氦气或氩气。步骤(4)中所述惰性气体的流量为1-400sccm；更优选为100-300sccm。所述步骤(4)中所述电容耦合等离子体腔的真空度为0.001-0.05Tor；更优选为0.001-0.01Tor。所述步骤(4)中所述电容耦合等离子体处理的功率优选为50-2000W，更优选为200-1000W，再优选为100-600W。所述电容耦合等离子体处理的时间优选为1-30min。步骤(4)中所述的连接射频电源的极板的自偏压为300-3000V；更优选为800-1200V。步骤(4)中所述电容耦合等离子体处理的工作温度为0-150℃，优选为0-100℃。步骤(5)中所述快速退火的条件为温度为600-900℃，时间为10-50s。在室温下，在电容耦合等离子体(capacitivelycoupledplasma，以下简称CCP)发生腔体中，用氦气或氩气等惰性气体作为工作气体，电容耦合等离子体发生器的腔体接地，它是电容耦合等离子体的一个极板，另一个连接射频电源的极板上会产生负的自偏压；等离子体中各种正离子，包括掺杂杂质和惰性气体的正离子在该自偏压的加速下，注入待掺杂硅样品中，在正离子到达的范围内破坏硅样品中原子排列的周期性，该过程在杂质的激活上发挥了重要作用。实际上，掺杂深度即被掺杂离子进入硅材料的距离明显大于自偏压下正离子在硅中的投影射程，掺杂深度主要取决于等离子体激励下被掺杂离子在硅中的扩散。本专利技术方法在CCP发生器的腔体中进行，为避免与射频电源连接的极板金属的污染，先在该极板上放置一略大于极板的大硅片，之后再将杂质源和待掺杂硅样品放置大硅片上，以氦气或氩气等惰性气体作为工作气体，在10-2000W功率下进行等离子体处理1-120min。在经CCP处理过后，将样品进行快速退火以激活杂质。本专利技术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。在极板上放置硅晶片或硅器件时，使其待掺杂的那一面面向等离子体，有利于掺杂和激活。本专利技术可能的原理如下：以氦气作为工作气体为例来说明，当等离子体稳定后，在CCP腔体中连着射频电源的极板上会产生一个负的自偏压，氦离子在此负偏压下加速运动并轰击杂质源和待掺杂样品，使杂质源表层原子或离子进入等离子体中，并通过碰撞迅速获得动能。另一方面，正离子撞击待掺硅样品表面，在硅中产生空位型缺陷和空位、自间隙原子等点缺陷，与一般离子注入掺杂不同的是，本专利技术中离子注入虽在杂质进入硅片的初始阶段起了作用，但杂质离子在硅中的掺杂深度主要取决于等离子体激励下杂质离子的扩散。例如：在经过SRIM软件计算后，发现硼离子在1000V的加速电压下在硅中的投影射程仅为6nm，远达不到本专利技术实验中用SIMS测定的60nm掺杂深度。说明在自偏置电压下的掺杂离子注入只在硅表面附近起了作用，深入硅片内部的是靠等离子体产生的点缺陷，加速硼离子的扩散，才能使硼离子进入硅样品60nm之远。本专利技术的关键是在硅样品中掺入要求深度和表面浓度的杂质的基础上能够有效地将杂质激活，实现要求的硅样品的导电类型和载流子浓度。电容耦合等离子体的自偏压使氦离子和被掺杂质的正离子与硅样品晶格发生碰撞，从而局部地破坏硅晶格周期性。正是由于这一改变，样品在快速退火处理中，杂质原子在周期性已经被部分破坏的硅样品中较容易进入代位位置，从而被有效激活，使大部分B受主离化，空穴浓度随之上升。如果将硅晶片放置在电容耦合极板的旁边或下方，或悬挂在极板上方，只要不与极板相接触，即硅晶片上没有负偏压，则在掺杂后，激活都很困难；这是指不仅激活所需温度很高(例如高于1000℃)、时间很长(例如大于1min)，而且杂质激活的程度非常低或者几乎没有被激活。在电感耦合等离子体情况下，如果硅晶片上未加上几百伏以上的负偏压，激活同样很困难。而本专利技术提出在电容耦合等离子体激励下，当硅晶片放置在电容耦合极板上，极板和硅晶片上都有近千伏的负本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种向硅中引入杂质并将杂质激活的方法，包括如下步骤：(1)将硅样品抛光并清洗；(2)在电容耦合等离子体真空发生腔室底部连接射频电源的电容耦合极板上放置大硅片；(3)将杂质源和硅样品放置在大硅片上，杂质源放置在硅样品周围；(4)电容耦合等离子体处理：工作气体为惰性气体，电容耦合等离子体处理的功率为10‑2000W，电容耦合等离子体处理的时间为1‑120min；(5)退火处理：将硅样品进行快速热退火处理，得到掺杂硅样品。

【技术特征摘要】
1.一种向硅中引入杂质并将杂质激活的方法，包括如下步骤：(1)将硅样品抛光并清洗；(2)在电容耦合等离子体真空发生腔室底部连接射频电源的电容耦合极板上放置大硅片；(3)将杂质源和硅样品放置在大硅片上，杂质源放置在硅样品周围；(4)电容耦合等离子体处理：工作气体为惰性气体，电容耦合等离子体处理的功率为10-2000W，电容耦合等离子体处理的时间为1-120min；(5)退火处理：将硅样品进行快速热退火处理，得到掺杂硅样品。2.根据权利要求1所述的向硅中引入杂质并将杂质激活的方法，其特征在于：所述的硅样品为硅晶片或硅器件。3.根据权利要求2所述的向硅中引入杂质并将杂质激活的方法，其特征在于：所述硅样品的清洗为：依次用丙酮、乙醇和去离子水分别进行超声清洗5-15min。4.根据权利要求1所述的向硅中引入杂质并将杂质激活的方法，其特征在于：所述的硅样品抛光面朝上，待掺杂的一面面向等离子体。5.根据权利要求1所述的向硅中引入杂质并将杂质激活的方法，其特征在于：所述的杂质源根据须要选自下列金...

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