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        淺談擴散工藝在半導體生產(chǎn)中的應用

        2017-08-09 12:27:56作者李如東深圳方正微電子有限公司
        電子制作 2017年15期
        關(guān)鍵詞:硅片阻值雜質(zhì)

        作者/李如東,深圳方正微電子有限公司

        淺談擴散工藝在半導體生產(chǎn)中的應用

        作者/李如東,深圳方正微電子有限公司

        擴散工藝是制作半導體的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)PN結(jié)的一種常用方法。本文在介紹了擴散的定義、擴散工藝在半導體生產(chǎn)過程中的作用原理和應用范圍的基礎(chǔ)上,從擴散工藝的工藝流程,擴散工藝在 PN 結(jié)形成中的作用,在半導體生產(chǎn)中擴散工藝方法以及擴散工藝的發(fā)展四個方面,探究了擴散工藝在半導體生產(chǎn)中的應用。

        半導體;擴散工藝;PN 結(jié);恒定源擴散;限定源擴散;擴散電阻;分凝效應

        前言

        針對國內(nèi)外半導體生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀,確定以半導體生產(chǎn)企業(yè)的擴散/氧化控制系統(tǒng)為研究對象,并根據(jù)以往的基于工業(yè)控制計算機控制系統(tǒng)的特點和基于微機測控網(wǎng)絡或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點,從實際應用角度出發(fā)設(shè)計研制一種經(jīng)濟實惠、安全可靠、高性能的擴散/氧化系統(tǒng)勢在必行。

        1. 擴散工藝與半導體

        1.1 什么是擴散

        擴散是分子運動或渦旋運動所造成的,由一種保守屬性或者物質(zhì)逐漸向四周擴散和蔓延,物質(zhì)的微粒由高濃度向低濃度的方向轉(zhuǎn)移,直至物質(zhì)在氣相、液相、固相或者三種狀態(tài)之間達到均勻的物理現(xiàn)象。

        1.2 擴散在半導體中的作用原理和應用范圍

        電子晶體學認為擴散是物質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點運動的基本方式,當物質(zhì)所處環(huán)境的溫度在絕對零度之上時,所有物質(zhì)內(nèi)部的質(zhì)點都在不斷的做熱運動。當物質(zhì)內(nèi)的某些物理性質(zhì),如濃度、密度、化學位和應力等存在梯度時,因為熱運動的存在,質(zhì)點將出現(xiàn)定點遷移的現(xiàn)象,這個過程就是擴散,在宏觀上我們看到的就是物質(zhì)的定向移動。在半導體中,P型半導體摻有受主雜質(zhì),N型半導體摻有施主雜質(zhì),PN結(jié)即P型和N型半導體交界面附近的過渡區(qū)域。根據(jù)材料的不同,PN結(jié)分為兩種,同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié),其中同質(zhì)結(jié)指由同一種半導體材料做成的PN結(jié),異質(zhì)結(jié)則是由禁帶寬度不同的半導體材料做成的PN結(jié)。制造PN結(jié)的方法很多,包括合金法、擴散法和外延生長法等,其中擴散工藝是國內(nèi)比較通用的工藝。

        2. 擴散工藝在半導體生產(chǎn)中的應用

        2.1 恒定源擴散方法及實驗

        在恒定源擴散過程中,硅片表面與濃度始終不變的雜質(zhì)(氣體或固體)相接觸,即在整個擴散過程中硅片表面濃度不變,但與擴散雜質(zhì)的種類、雜質(zhì)在硅中的固溶度和擴散溫度有關(guān)。硅片內(nèi)部的雜質(zhì)濃度隨時間的增加而增加,隨硅片表面距離的增加而減少。如圖1及表1所示,硼固態(tài)源1055℃擴散,隨時間增加,結(jié)深逐漸變深,擴散單位方阻減??;如圖2及表2所示,磷烷氣態(tài)源900℃擴散,隨時間增加,結(jié)深逐漸變深,擴散單位方阻減小。

        表1 硼固態(tài)源摻雜擴散時間與阻值及結(jié)深關(guān)系

        圖1 硼固態(tài)源摻雜擴散時間與阻值及結(jié)深關(guān)系

        表2 磷擴散時間與阻值及結(jié)深關(guān)系

        圖2 磷擴散時間與阻值及結(jié)深的關(guān)系

        2.2 限定源擴散方法及實驗

        在限定源擴散過程中,硅片內(nèi)的雜質(zhì)總量保持不變,沒有外來雜質(zhì)的補充,只依靠淀積在硅片表面上的那一層數(shù)量有限的雜質(zhì)原子,向硅片體內(nèi)繼續(xù)進行擴散,在擴散溫度恒定時,隨擴散時間的增加,硅片表面的雜質(zhì)濃度將不斷地下降。在半導體制造工藝中,離子注入與后驅(qū)入的結(jié)合等同于限定源擴散過程。

        如表3及圖3所示,As 80Kev 劑量5.0E15ion/cm2注入, 950℃后驅(qū)入,在一段時間內(nèi),隨注入離子的激活,阻值隨時間增加而降低,超過60分鐘左右后,隨擴散時間的增加,硅片表面的雜質(zhì)濃度將不斷地下降,阻值不斷變大。

        表3 80Kev5.0E15As+注入后驅(qū)入時間與阻值及結(jié)深關(guān)系

        圖3 80Kev 5.0E15 As+注入后驅(qū)入時間與阻值及結(jié)深關(guān)系

        同樣結(jié)果,如表4及圖4所示,BF2 80Kev 劑量4.5E15ion/cm2注入,950℃后驅(qū)入,在一段時間內(nèi),隨注入離子的激活,阻值隨時間增加而降低,超過61分鐘左右后,隨擴散時間的增加,硅片表面的雜質(zhì)濃度將不斷地下降,阻值不斷變大。

        表四80Kev4.5E15BF2+注入后驅(qū)入時間與阻值及結(jié)深關(guān)系

        圖4 80Kev 4.5E15 BF2+注入后驅(qū)入時間與阻值及結(jié)深關(guān)系

        2.3 改善擴散阻值均勻性的工藝方法

        在半導體集成電路制造中,使用RC振蕩電路時,一般會直接選擇P井擴散電阻作為振蕩電路中的電阻,因產(chǎn)品頻率的要求,對P井擴散電阻的均勻性要求很高。

        傳統(tǒng)后驅(qū)入擴散工藝,在井區(qū)注入后,井區(qū)后驅(qū)入與氧化同時做,這樣雖然工藝相對簡單,但由于高溫氧化產(chǎn)生雜質(zhì)分凝效應,引起雜質(zhì)分布不均勻,造成片內(nèi)擴散電阻不均勻;

        優(yōu)化后驅(qū)入擴散工藝,在井區(qū)注入后,使用LPCVD,利用TEOS熱分解淀積5000埃SiO2,井區(qū)后驅(qū)入采用N2和小O2(流量300ml/min—500ml/min)高溫驅(qū)入,由于在高溫驅(qū)入中不做氧化,故不產(chǎn)生雜質(zhì)的分凝效應,提高了雜質(zhì)分布的均勻性。

        優(yōu)化后驅(qū)入擴散工藝由于不存在高溫氧化分凝效應,在P井方阻要求相同的條件下,注入劑量要比傳統(tǒng)工藝要求的注入劑量小。傳統(tǒng)與優(yōu)化后驅(qū)入擴散工藝,擴散電阻對比,優(yōu)化工藝方阻均勻性提高了4.51%~4.85%。

        2.4 半導體生產(chǎn)中擴散工藝的發(fā)展

        當然,擴散工藝也存在一些缺陷,如高溫擴散時間長、生產(chǎn)周期長、所需溫度高等,而且在這些缺陷的影響下,導致半導體的成品率低,質(zhì)量和產(chǎn)量都不高。因此,相關(guān)人員也在積極的探究可行的解決方案,其中微波和離子注入其中的兩個發(fā)展方向。

        3. 結(jié)論

        擴散工藝是生產(chǎn)半導體的一種常用方法,本文主要探討了擴散工藝的工藝流程、擴散工藝在 PN 結(jié)形成中的應用、在半導體生產(chǎn)中擴散工藝方法及實驗、改善擴散電阻的方法和擴散工藝的發(fā)展方向。半導體的導電特性使其在消費類電子產(chǎn)品、工業(yè)儀表控制等很多領(lǐng)域占據(jù)著重要的應用地位,在未來的很長時間內(nèi)還會發(fā)揮不可替代的作用,在半導體的生產(chǎn)過程中,雖然擴散工藝存在著一些問題和不足,但是隨著制造工藝的發(fā)展,擴散工藝的缺陷將逐漸被克服,在不斷的完善過程中繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。

        * [1] 陳麗琴.PN 結(jié)形成的物理過程分析[J].包頭職業(yè)技術(shù)學院學報,20015(4).

        * [2]凌筱清.淺析雜質(zhì)擴散原理[J].讀與寫,2014(12).

        * [3]周麗紅.張開.基于 Modbus的半導體擴散/氧化工藝控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015.

        * [4] Michael Quirk,Julian Serda著,韓鄭生等譯.半導體制造技術(shù)[M]

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