1. Cấy ion
Lê Tuấn
Đại học Bách khoa Hà Nội

2. Cấy ion
Những ưu điểm của phương pháp cấy ion
Điều khiển chính xác liều lượng và phân bố theo chiều sâu của tạp
chất
Có một phổ rộng để lựa chọn các vật liệu làm mặt nạ như ô xyt, chất
cảm quang, poly-Si, Si3H4, kim loại, v.v..
Không bị ảnh 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.
Quá trình cấy ion (và ủ mẫu sau đó) thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn, thời
gian ngắn hơn so với công đoạn khuếch tán. Do đó, cấy ion ít làm sai
lệch phân bố tạp chất trong phiến bán dẫn được tạo ra trong các công
đoạn trước đó, nếu so sánh với công đoạn khuếch tán. Để tránh khuếch
tán, có thể ủ nhanh bằng tia laser hay bức xạ hồng ngoại.
Nhược điểm:
Gây sai hỏng lớn tại bề mặt mẫu do sự bắn phá của chùm ion.
Thiết bị đắt tiền, cồng kềnh, đòi hỏi các phục vụ phụ trợ phức tạp.
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 2

3. Cấy ion (tiếp)
Thiết bị cấy ion
Phân tách các ion và hướng ion tạp cần thiết tới đích bằng từ trường và khối lượng ion.
Một số thông số đặc trưng:
• Giá thành: ~ (3 ÷ 4) triệu USD • Điện thế tăng tốc: 0 ÷ 200 kV
• Công suất: khoảng 60 phiến/giờ • Liều lượng: ~ 1011 ÷ 1016 cm-2
• Độ chính xác điều chỉnh liều lượng: < 0,5 % • Độ đồng đều: ~ 1 % trên phiến 8 ” (20,32 cm)
• Kích thước phiến lớn nhất hiện nay: 300 mm
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 3

4. Cấy ion (tiếp)
Nguồn ion kiểu Freeman
Các nguồn rắn được bốc hơi nhờ phần tử nhiệt cảm ứng, nguồn khí được
trích thẳng tới buồng đánh lửa cao áp để bị ion hóa.
Hiệu suất ion hóa tăng lên nhờ đặt thêm từ trường, tạo quỹ đạo xoắn cho các
ion trong buồng ion hóa.
Các ion dương được hướng bằng điện trường tới cửa ra có kích thước vài
mm tới 1 – 2 cm.
Áp suất hơi riêng phần của chất tạo ion cỡ 10-5 – 10-7 torr, tạo sự ổn định
trong buồng.
Dòng ion cực đại ra khỏi nguồn cỡ vài mA.
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 4

5. Cấy ion (tiếp)
Mâm giữ các phiến bán dẫn quay, lần lượt đưa các phiến vào vùng chiếu của chùm
ion. Nồng độ tạp chất C (x) được xác định là số nguyên tử tạp chất trong 1 đơn vị thể
tích. Liều lượng cấy ion Φ là số ion (nguyên tử) tạp chất được đưa tới 1 đơn vị diện tích
bề mặt phiến.
Φ = {[Dòng ion (A) / Điện tích ion (C)] x Thời gian chiếu (s)} / Diện tích phiến (cm2)
Thông thường,
chùm ion phải
lớn hơn đường
kính của phiến
bán dẫn.
ΔRp
Rp
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 5

6. Cấy ion (tiếp)
Mô hình
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 6

7. Cấy ion (tiếp)
Thực hiện bước cấy ion trong
quy trình sản xuất mạch tổ
hợp.
Hình ảnh phân bố các lớp pha
tạp theo chiều sâu dưới cửa sổ
cấy ion.
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 7

8. Cấy ion (tiếp)
Ví dụ:
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 8

9. Cấy ion (tiếp)
Mô phỏng Monte Carlo phân bố tạp chất cấy ion
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 9

10. Cấy ion (tiếp)
Phân bố tạp chất trong cấy ion:
Ở gần đúng bậc nhất – phân bố Gauss là nồng độ C(x) các ion
tạp chất N(x) được đưa vào độ sâu x trong đế bán dẫn. Cp là giá trị
số ion tạp cực đại, tập trung tại độ sâu Rp.
Rp được gọi là khoảng thâm nhập của các ion tạp chất, là độ sâu trung bình mà các ion tạp đi vào
bên trong phiến bán dẫn.
ΔRp là độ lệch chuẩn cấy ion, được xác định như sai lệch chuẩn của Cp tại Rp.
∞ tI
I
Liều lượng ion được tính theo biểu thức: Φ = ∫ C ( x)dx = 2π C p ∆R p và Φ = ∫ dt
0 0 nqA
(I – dòng ion, nq – điện tích mỗi ion, A – diện tích mẫu)
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 10

11. 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

12. 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 đều chuyển
động về phía đích. Cần lọc ra các ion tạp chất thích hợp, có
khối lượng M, điện tích (+ q).
Từ trường B đặt vuông góc với vận tốc các ion. Từ lực đóng vai
trò lực hướng tâm, và bẻ cong quỹ đạo của các ion thành một
phần quỹ đạo tròn bán kính r :
, với vận tốc v của các ion được xác định bởi điện thế
lọc Vext (E – cường độ điện trường lọc):
Rút ra . Giả sử rằng từ trường phân tích B khiến ion tạp chất cần thiết đi
theo đúng quỹ đạo tròn bán kính R (độ cong của buồng dẫn luồng ion).
Nếu một ion khác có khối lượng (M + δM) đi vào bộ lọc thì sau khi ra khỏi cửa ra của bộ lọc
một khoảng L, ion đó sẽ đi theo quỹ đạo chệch tại đích một khoảng D so với ion (M). Hai loại
ion (M) và (M + δM) được coi là đã tách được với độ phân giải tốt, nếu D lớn hơn tổng bề rộng
chùm ion và một nửa bề rộng cửa ra của bộ lọc.
1 δM ⎡ L ⎤
D= ⋅ ⎢1 − cosφ + sin φ ⎥
2R M ⎣ R ⎦
Độ phân giải càng tốt, nếu R càng lớn và M càng nhỏ.
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 12

13. Cấy ion (tiếp)
Tán xạ của ion tạp chất trên ion bán dẫn
Do cơ chế hãm bởi hạt nhân nguyên tử liên
quan trực tiếp giữa ion tạp chất và phần lõi
nguyên tử bán dẫn trên nút mạng tinh thể, nên
vai trò của tán xạ các ion tạp chất lên các ion
bán dẫn tại các nút mạng tinh thể quyết định tới
mức độ sai hỏng của lớp bán dẫn gần bề mặt.
Tán xạ Coulomb giữa các ion được xem như
tán xạ đàn hồi. Áp dụng các định luật bảo toàn
động lượng, năng lượng và moment động lượng
(trong cơ học cổ điển), tìm được phần 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

14. Cấy ion (tiếp)
Sự hao hụt năng lượng của ion tạp chất do cơ chế hãm bởi lớp vỏ
điện tử nguyên tử bán dẫn
Gọi Zi, Zt – lần lượt là nguyên tử số của các nguyên tử tạp chất và nguyên tử bán dẫn, Mi và
Mt – khối lượng tương ứng của các nguyên tử trên, E – năng lượng ban đầu của ion tạp chất
khi đi vào khối chất bán dẫn.
Phần năng lượng hao hụt Se của ion tạp trên mỗi đơn vị chiều dài quỹ đạo trong khối bán dẫn
với hệ số tỷ lệ ke:
Z i Z t (M i + M t )
3/ 2
dE
Se = = ke E ke ∝
dx e (
M i3 M t Z i2 / 3 + Z t2 / 3)
Kết quả:
Quãng đường đi tổng cộng của ion tạp chất sau khi được cấy vào bán dẫn:
R E0
dE
R = ∫ dx = ∫S
0 0 n (E) + Se (E)
R
Rp ≅ ⎡ ⎛ x − R ⎞2 ⎤
, nồng độ tạp: C ( x) = C p ⎢− ⎜ ⎟ ⎥
Mt
Khoảng thâm nhập của các ion tạp chất:
p
1+ ⎜ 2 ∆R ⎟ ⎥
3M i ⎢ ⎝ p ⎠
⎣ ⎦
2 ⎡ MiMt ⎤ ∞ t
I
Độ lệch chuẩn: ∆R p ≅ 3 ⎢ M + M ⎥ R p , liều lượng: Φ = ∫ C ( x)dx = 2π C p ∆R p và Φ = ∫
I
dt
⎢ i
⎣ t ⎥
⎦ 0 0 nqA
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 14

15. Cấy ion (tiếp)
Các mô hình phân bố tạp chất (bổ sung):
Mô hình phân bố Gauss đã xét là đơn giản và tỏ ra phù hợp tốt với thực nghiệm ở khu vực gần cực
đại. Có thể áp dụng tốt cho vật liệu vô định hình. Mô hình Gauss hai chiều:
Mô hình Pearson IV dựa trên cơ sở đại số phức tạp với 4 thông số bổ chính. Mô hình này áp dụng
tốt ngay cả đối với các khu vực nồng độ thấp các ion được cấy. Thường được dùng như mô hình
phân bố mặc định trong các chương trình mô phỏng. Thích hợp với đế đơn tinh thể.
⎡ b1 ⎤
⎢ ⎛ 2b2 (x − R p ) + b1 ⎞⎥
{[ ]}
⎛ 1 ⎞
f ( x) = K − bo + b1 (x − R p ) + b2 (x − R p )
⎜ ⎟ b2
⎜ 2 −b ⎟
⋅ exp ⎢− ⋅ a tan ⎜ ⎟⎥
2
⎝ ⎠
⎜ 4b2 b0 − b1 ⎟⎥
2
⎢ 4b2 b0 − b12
⎝
2
⎠
⎢
⎣ ⎥
⎦
Trong thực tế người ta thường hay kết hợp cả hai mô hình Gauss và Pearson IV, xác định độ không
đối xứng của đường phân bố về hai phía giá trị của Rp (kurtosis xác định phần nồng độ thấp –
“đuôi” – của đường phân bố:
∞
∝ ∫ (x - R p ) C ( x))dx
4
Kurtosis :
0
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 15

16. Cấy ion (tiếp)
Ủ nhiệt sau khi cấy ion
Do va chạm mạnh giữa các ion tạp chất với các nguyên tử Si, lớp Si gần bề mặt
(~ RP) bị biến đổi cấu trúc, thậm chí ở trạng thái vô định hình. Đồ thị: mật độ sai hỏng
khi cấy As vào Si ở 100 kV.
Quá trình ủ nhiệt thường
được tiến hành trong 30 phút,
ở nhiệt độ cỡ 600 – 1000 ºC,
trong môi trường khí trơ.
Mục đích:
Tái kết tinh vùng nhiều sai
hỏng, phục hồi lại cấu
trúc tinh thể bán dẫn.
Khiến cho các ion tạp tiếp
tục khuếch tán và thế chỗ
vào các nút khuyết của mạng tinh thể bán dẫn. Tăng chiều dày lớp khuếch tán.
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 16

17. Cấy ion (tiếp)
Biện pháp giảm sai hỏng do cấy ion
Tinh thể Si lý tưởng nhìn theo
hướng <110>. Theo trục <110> các
ion ít va chạm nhất với các nguyên
tử bán dẫn – do đó, cơ chế hãm
chủ yếu do lớp vỏ điện tử.
Mô tả sự tạo thành các sai hỏng:
a) Do 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

18. 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):
Q ∞ ⎡ ⎛ x−R ⎞ 2
⎤
Qd = ∫ ⎢ ⎜ 2∆R ⎟
exp ⎢− ⎜ ⎥dx
p
2π ∆R p d ⎟ ⎥
⎣ ⎝ p ⎠
⎦
Hệ số truyền qua T trong trường hợp chắn hoàn toàn
phải nhỏ hơn 10-4, từ đó tính được chiều dày d tối
thiểu của mặt nạ chắn:
Sd 1 ⎛ d − Rp ⎞ −u 2
T≡ = erfc ⎜ ⎟≈ 1 e ⇒ < 10 −4 ;
2 2 ⎜ 2 ∆R ⎟ 2 π u
⎝ p ⎠
⇒ tìm u ⇒ thay vào tìm d = R p + 2u∆R p
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 18

19. Cấy ion (tiếp)
Tạo chuyển tiếp p-n bằng cấy ion cục bộ
Cấy ion cục bộ vào các diện tích được lựa chọn, với tạp chất khác loại
dẫn với tạp chất đã có sẵn trong đế, để tạo các chuyển tiếp p-n của các linh
kiện trong mạch tổ hợp.
Yêu cầu đối với vùng được chắn bằng mặt nạ: Các ion tạp lọt qua không
được tạo nồng độ quá 1/10 nồng độ tạp CB của đế, để không làm ảnh
hưởng tới đế. Chiều dày tối thiểu của mặt nạ SiO2 thỏa mãn 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

20. 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 là một lớp có nồng độ tạp chất đồng
đều.
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 20

21. Cấy ion (tiếp)
Cấy ion theo góc nghiêng
Để chế tạo các linh kiện cơ bản kích thước nhỏ cần thiết phải khống chế phân bố
tạp theo chiều thẳng góc với bề mặt đế và tạo các lớp pha tạp nông dưới 100 nm.
Tuy nhiên, cần chú ý tới hiện tượng “che bóng” (hình vẽ), tạo nên các điện trở
phụ trong mạch và làm lệch ảnh tô pô các vùng linh kiện. Ví dụ, nếu chùm ion lệch
7 º khỏi phương pháp tuyến, chiều cao mặt nạ 0,5 µm, vùng bóng (shadow area)
có kích thước 61 nm.
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 21

22. Cấy ion (tiếp)
Lớp chôn SIMNI và SIMOX
Mục đích: Tạo lớp đệm cách điện chống hiện tượng ký sinh của các transistor n-
pn hay p-n-p với đế theo chiều thẳng đứng.
Lợi ích: Nâng cao mức độ tổ hợp, tăng tốc độ và khả năng dẫn nhiệt của IC.
Người ta dùng các máy cấy ion năng lượng cao để cấy N+ hoặc O+ vào sâu
trong đế bán dẫn, tạo thành lớp điện môi Si3N4 (SIMNI – Separration Implanted
NItride) hoặc SiO2 (SIMOX – Separration Implanted Oxygen) bên dưới vùng tích
cực (vùng chứa các linh kiện) của IC.
Công nghệ SIMOX hiện nay được dùng phổ biến hơn. Các ion O+ được gia tốc
bởi điện thế 150 – 300 kV, được cấy vào phiến Si với liều lượng 2.1018 cm-2, thời
gian cấy rất dài. Điều kiện cần thiết là trong khi cấy mẫu phải được giữ ở nhiệt độ
≥ 400 ºC để sau này lớp Si gần bề mặt dễ tái kết tinh khi ủ nhiệt và vì lớp chôn
SiO2 chỉ hình thành khi có đủ nồng độ O+ ổn định trong một khoảng đáng kể theo
chiều sâu của mẫu.
Quá trình ủ nhiệt sau khi cấy kéo dài 2 – 3 giờ, ở nhiệt độ 1300 – 1400 ºC, với
lớp áo bảo vệ SiO2 hoặc Si3N4 được phủ lên bề mặt mẫu. Trong quá trình này,
lớp chôn SiO2 được tạo thành, đồng thời với quá trình tái kết tinh, giảm thiểu các
sai hỏng tinh thể ở lớp tích cực gần bề mặt, và hạn chế các ảnh hưởng của các
donor nhiệt O2-.
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 22

23. Cấy ion (tiếp)
Ảnh minh họa
Lớp SiO2 chôn phía dưới có tác dụng cách ly về điện
MOSFET khỏi đế Si
Lớp chôn n+ phía dưới tạo thành với đế p-Si các
chuyển tiếp p-n+ thiên áp ngược, cách ly các linh kiện
trong IC với nhau và với đế bán dẫn.
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 23

24. Cấy ion (tiếp)
Điều chỉnh điện áp ngưỡng của MOSFET
Một lượng khống chế chặt chẽ các ion tạp chất được cấy qua lớp ô xit cực cửa.
Các ion đó khó đi qua lớp ô xit dày hơn (hình a) nên chỉ tập trung tại vùng kênh.
Điện áp ngưỡng biến đổi gần tuyến tính với liều lượng ion được cấy.
Tạo lớp poly-Si làm cực cửa, rồi tẩy bỏ lớp ô xit quanh cực cửa, ta được các
vùng nguồn và máng, và cuối cùng là cấu trúc transistor MOS có điện áp
ngưỡng đã được điều chỉnh (hình b).
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 24

25. 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 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 << Rp cho phân bố Gauss).
4. Người ta cấy các ion B11 năng lượng 30 kV vào đế Si sạch. Tính:
a) Chiều sâu từ bề mặt mẫu của đỉnh phân bố tạp chất.
b) Nồng độ tạp chất tại đỉnh phân bố.
c) Nồng độ tạp chất tại chiều sâu 0,3 µm.
d) Nồng độ tạp chất đo được tại chiều sâu 0,3 µm lớn hơn một bậc so với giá trị tính toán, mặc
dụ các số liệu phân bố tạp chất theo các mục 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 giá trị nồng
độ đó
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 25

26. Cám ơn đã theo dõi !!!
Mọi góp ý, bổ sung xin gửi đến:
Dr. Le Tuan
Hanoi University of Technology
Institute of Engineering Physics
Dept. of Electronic Materials
2nd Floor, C9 Building
1 Dai Co Viet Str., Hanoi, Vietnam
Mobile: 0912 560 536
E-mail: le.tuan@vnn.vn
1/15/2006 Đại học Bách khoa Hà Nội
họ Bá Hà 26