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电子混合气

文字:[大][中][小] 2015-11-11    浏览次数:2287    

电子混合气

发布人:shaoys 发布时间:2008-5-6 下午 01:18:22

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  II.6.1 电子混合气

电子气体

� 前言

电子工业用气体统称为电子气。在大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)、半导体和电子器件生产与加工过程中,电子气主要用于气相外延生长、化学气相淀积、掺杂(杂质扩散)、蚀刻、离子注入、溅射、退火、系统加压、洁净吹扫、吸气覆盖、氧化和还原等工艺。其中部分气体直接作为半导体源,如硅源、硼源、磷源和CVD 源等等。

众所周知,电子气体是半导体工业、微电子工业重要的且必不可少的基础材料,随着半导体工业和微电子工业的迅猛发展,对电子气体的品种、数量、质量及纯度提出了较高的要求[1]。目前,我国电子气体的品种、数量和质量与发达国家相比,尚有较大差距,因此尽快发展和振兴我国的电子气体,它具有十分重要而深远的战略意义。

������������������ 电子气体的分类[234]

为电子工业服务的电子气体品种繁多,用途五花八门,它的分类方法亦较为复杂。一般可按电子气的组成来分类,也可以按电子气的用途分类。

1、电子气分类方法之一

按电子气的组成分类,电子气体大致可分为三大类,即单质类气体、化合物类气体和混合物类气体。

II .6.1-1 列出上述三类电子气体的典型例子。其中化合物类应用较多,又可细分为三种,即氢化物(如SiH4PH3B2H等)、氟化物(如NF3BF3SiF4….)和碳氟化合物(如CF4C2F6C5F12 等)。


2、电子气体分类方法之二

根据电子气体的不同用途,电子气体可分为十多类,例如晶体生长气、热氧化气、外延气、掺杂气、扩散气、化学气相淀积气、喷射气、离子注入气、等离子蚀刻气、载气/吹洗气、光刻气、退火气、焊接气、烧结气和平衡气等。表II 6.1-2 列出了电子工业、半导体器件制备工艺中所用电子气体的范例。

������������常用电子混合气

(一)、几种常见电子混合气体[5][6]

电子混合气体广泛用于大规模集成电路(L.S.I)超大规模集成电路(V.L.S.I)和半导体器件生产中,主要用于气相外延(生成)、化学气相淀积、掺杂(杂质扩散)、各类蚀刻和离子注入等工艺中。下面介绍几种常见的电子混合气体。

1、外延生长混合气体

外延生长是一种单晶材料淀积并生产在衬底表面上的过程,在半导体工业中,在仔细选择的衬底上选用化学气相淀积的方法,生长一层或多层材料所用的气体叫作外延气体。常用的硅外延气体有二氯二氢硅、四氯化硅和硅烷等。主要用于外延硅淀积,多晶硅淀积,氧化硅膜淀积,氮化硅膜淀积,太阳能电池和其他光感器的非晶硅膜淀积等。常见外延混合气体组成列于表II .6.1-3 中。

2、蚀刻混合气体

蚀刻就是将基片上无光刻胶掩蔽的加工表面(如金属膜、氧化硅膜等)蚀刻掉,而使有光刻胶掩蔽的区域保存下来,以便在基片表面上获得所需要的成像图形。蚀刻方式有湿法化学蚀刻和干法化学蚀刻。

干法化学蚀刻所用气体称为蚀刻气体。蚀刻气体通常多为氟化物气体(卤化物类),例如四氟化碳、三氟化氮、三氟甲烷、六氟乙烷、全氟丙烷等。常见蚀刻气体列于表II .6.1-4

 




3、掺杂混合气体

在半导体器件和集成电路制造中,将某些杂质掺入半导体材料内,使材料具有所需要的导电类型和一定的电阻率,以制造电阻、PN 结、埋层等。掺杂工艺所用的气体称为掺杂气。主要包括砷烷、磷烷、三氟化磷、五氟化磷、三氟化砷、五氟化砷、三氟化硼和乙硼烷等。通常将掺杂源与运载气体(如氩气和氮气)在源柜中混合,混合后气流连续注入扩散炉内并环绕晶片四周,在晶片表面沉积上掺杂剂,进而与硅反应生成掺杂金属而徙动进入硅。常用掺杂混合气列于表II .6.1-5


4、化学气相淀积混合气体

化学气相淀积混合气体(CVD)是利用挥发性化合物,通过气相化学反应淀积某种单质或化合物的一种方法,即应用气相化学反应的一种成膜方法。依据成膜种类,使用的化学气相淀积(CVD)气体也不相同。表II .6.1-6 列出几类化学淀积混合气的组成。


5、 离子注入气体

在半导体器件和集成电路制造中,离子注入工艺所用的气体统称为离子注入气,它是把离子化的杂质(如硼、磷、砷等离子)加速到高能级状态,然后注入到预定的衬底上。离子注入技术在控制阀值电压方面应用得最为广泛。注入的杂质量可以通过测量离子束电流而求得。离子注入气体通常指磷系、砷系和硼系气体。表II .6.1-7 列出美国BOC 公司生产的部分离子注入用气体的例子[7]

II .6.1-7 美国BOC 公司部分离子注入用气


(二)、电子混合气体典型含量和技术指标[6][8]

1、电子混合气体的典型组成及含量范围

II .6.1-8 列出国内外几种混合气体的典型组成和平衡气的种类。

2、电子混合气体的技术指标

II .6.1-9 至表II .6.1-21 列出国外Scott 公司部份电子混合气体的主要技术指标[9]

II .6.1-8 电子混合气体典型组成










 


3、电子混合气体配制精度

电子混合气体的制备精度,也是一项重要的技术指标。根据电子混合气体的不同种类、不同的组分

含量范围及其用途,制备精度要求也不相同。表II.6.1-20 和表II.6.1-21 分别列出英国BOC 公司和美国

Scott 公司电子混合气体的制备精度。

II.6.1-20 英国BOC 公司电子混合气体制备精度[7]




三、电子气体产品质量标准

(一)、中国国家标准

中国电子工业用气体氩、氮、氧、氦、氢、硅烷、磷化氢、六氟化硫、氯化氢、氨和高纯氯国家标准质量指标,分别见表II.6.1-22、表II.6.1-23、表II.6.1-24、表II.6.1-25、表II.6.1-26、表II.6.1-27、表II.6.1-28、表II.6.1-29、表II.6.1-30、表II.6.1-31 和表II.6.1-32

II.6.1-22 氩 国家标准质量指标[10]












(二)、SEMI 标准

硅烷、钢瓶装磷烷、钢瓶装砷烷、乙硼烷标准和三氯化硼SEMI 标准见表II.6.1-33、表II.6.1-34、表II.6.1-35、表II.6.1-36 和表II.6.1-37









������������电子气体质量对电子器件的影响

(一)、电子气体纯度的影响

电子气体的纯度对于半导体器件的质量与成品率影响很大。电子器件的生产和研究要求气体纯度很高,杂质含量一般要求控制在10-6 10-9 数量级,对其中有害杂质有严格的规定。表II.6.1-41、表II.6.1-42

II.6.1-43 和表II.6.1-44 分别列出日本、美国和西德林德公司半导体工业用气体的纯度[24]

II.6.1-41 日本半导体工业用气体纯度




由上述四表可以看出不同的国家,对气体纯度的要求也不一样。主要与产品的集成度、品种和工序有一定的关系。总之集成度越高、几何尺寸越小,PN 结越浅,则要求电子气体的纯度也越高。

(二)、气体中有害杂质对器件质量的影响

气体中微量的氧、水分、碳氢化合物和尘埃等杂质皆属于有害杂质,在半导体器件生产过程中都将接与硅片接触,因此对器件的影响极大。常用高纯气体(如氩、氮、氢、氦等)中有害杂质给半导体生产带来的危害是很大的,诸如使半导体器件质量变劣、成品率下降、产生各种各样的缺陷等。

气体中微量氧和水分有害杂质,使半导体产品表面生成氧化膜,它是影响器件寿命的重要因数。气体中含碳化合物(如一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物等)的碳,是造成半导体漏电的原因之一。气体中尘埃粒子和金属微粒子,使半导体产生漏电、耐压不良、表面克密度不变、晶格缺陷和断线的主要原因[25]

在砷化镓液相外延制取激光器件过程中,气体中有害杂质(如氧和水)是造成器件性能退化、影响寿命的重要因数。当氢中微量氧含量降低至3×10-8,露点小于-90℃时,器件寿命可达10小时;当水含量大于10×10-6 时,就容易产生多晶的外延层,因为在高温下微量的氧和水分均产生不完全的点滴的二氧化硅(SiO2),在外延的过程中就将起到杂质聚集中心的作用,在外延层内就形成“暗礁”,从而造成晶格的不完整而形成多晶或缺陷。当氧含量大于75×10-6 时,则易产生多坑外延层;当氢中氮含量大于1000×10-6 时,就要产生针状结构;当氢中含有微量的一氧化碳和二氧化碳等烃类时,就将产生星形缺陷。

从上所述,不难看出,氢中所含的有害杂质在外延的过程中将产生各种各样的缺陷,这些缺陷的形成机理,不仅与所含杂质的种类及数量有关,而且还与硅片的晶片的晶向和表面状态有关[26]

硅外延沉积是高质量IC 生产中一个十分重要的步骤。沉积层的杂质水平、厚度和微结构完整性取决于沉积过程所使用气体的质量。表II.6.1-45 示出750℃低温选择性外延沉积中氢气杂质浓度对硅沉积膜性能的影响。

II .6.1-45 杂质对硅低温选择性外延沉积的影响


从上表看出,氢中水含量大于12×10-6 时,沉积不能进行。氧含量为20×10-9 时,只能生成多晶层;当氧含量小于2×10-9 时,才能生成质量良好的单晶层[24]

(三)、气体中水分、微粒与集成度的关系

电子气体已日益成为发展微电子技术重要的、不可少的新型基础材料之一。电子器件的生产和研究要求气体纯度高,同时对有害杂质(如水分、微粒)有严格规定。表II .6.1-46、表II .6.1-47 分别示出了露点与集成关系和微粒直径与集成度的关系[25]

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