[发明专利]一种基于固态电解质的氧离子源、离子注入机及其在制备SOI晶片中的应用

说明书

本发明公开了一种基于固态电解质的氧离子源、离子注入机及其在制备SOI晶片中的应用，所述固态电解质材料采用三价稀土元素掺杂的氧化锆或者氧化铈粉体通过注塑成型的方式加工而成，基于所述固态电解质的氧离子源在吸出电极处即可获得高纯度的负氧离子束。基于本发明离子源的离子注入机无需磁分析器对引出离子进一步筛选，可以摆脱磁分析器的使用限制，使得整个离子注入机在设计上得到极大地简化，能耗大大地降低。

技术领域

本发明属于离子源技术领域，具体涉及一种基于固态电解质的氧离子源、离子注入机及其在制备SOI晶片中的应用。

技术背景

近年来，绝缘体上形成硅层，具有Silicon on insulator结构的SOI晶片在器件的高速性、低功耗、耐高压特性和环境耐受性方面以其优越的表现在LSI、ULSI制程中越发受到强烈的关注。

制备SOI晶片主要有接合法和SIMOX(separation by ion-implanted oxygen)法，所谓的SIMOX法就是通过离子源产生氧离子束，通过静电加速管将之加速到预置能量后打入硅片表面之下的特定深度，后续进行退火热处理修复表面损伤，获得含有氧化物埋层的SOI晶片。

早期为了获得特定能量需求的氧离子束，会使用冷阴极离子源，这种离子源结构较为简单，与潘宁离子源类似，它使用电子枪发射的电子束与氧气分子碰撞，以剥离掉其外层电子从而形成氧离子。

但是由于电子的半径与氧原子的半径差距非常大，造成碰撞截面非常小，加之外层电子的排斥作用，因此仅仅通过电子与氧原子外层电子之间的碰撞而将之剥离形成氧离子的产率很低，即使极高电子发射密度电子枪材料，如六硼化镧，也很难达到高束流密度氧离子注入的要求。因此寻找具有较大的碰撞截面且不会引入反应性杂质的离子就显得十分必要。惰性气体，尤其是廉价易得氩气等离子体就成了下一代的氧离子源的核心部分。

氩等离子体的引入解决了电子碰撞截面小的问题，但是经过吸出电极引出离子源腔体的是氧离子和氩离子的混合离子束，在将其注入硅衬底形成SOI晶片之前，必须使用磁分析器对混合离子束进行筛选和提纯，使得单一电荷数的纯净氧离子束得以固定的能量注入硅衬底表面下特定的深度。但磁分析器的引入使得整个离子注入机臃肿笨拙且能耗巨大，并且超长的离子传输路径也增加了离子束在沿途的损耗。

因此，需要开发一种全新的氧离子源，能产生纯净的氧离子束，从而无需磁分析器，大大简化离子注入机的结构，降低能耗。

发明内容

本发明的一个目的是针对现有技术的不足，采用固态氧离子传导性电解质材料为核心设计了一种新型的氧离子源。

本发明的另一目的是提供采用这种新型的基于固态电解质的氧离子源的离子注入机。

本发明的再一目的是提供这种新型的基于固态电解质的氧离子源的离子注入机再制备SOI晶片中的应用。

为了实现上述发明的目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于固态电解质的氧离子源，包括氧离子发生器，由石英管及位于所述石英管外侧的加热器和吸出电极构成；所述石英管内设有一端开口、一端椭球形闭合的固态电解质陶瓷管，所述固态电解质陶瓷管的闭合端延伸至所述石英管内；所述吸出电极与所述固态电解质陶瓷管的闭合端相对设置；所述固态电解质陶瓷管与所述石英管通过绝缘/真空塞密封连接并与吸出电极共同形成真空腔室；所述固态电解质陶瓷管的闭合端内壁涂敷有贵金属阴极；所述贵金属阴极与外部电源负极相连，所述吸出电极与外部电源正极相连；所述固态电解质陶瓷管的开口端设有插入式热电偶和进气口。