CN109671620B - 半导体器件制备过程中的杂质扩散工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体器件制备过程中的杂质扩散工艺，属于半导体器件制备技术领域。该工艺先进行杂质预淀积过程，然后将扩散炉在氮气和氧气的混合气氛下以5℃/min的速率升温至再扩散温度T2；进行杂质再扩散，最后将扩散炉在5slm氮气气氛下以3℃/min的速率降温至600℃以下，取出硅片后自然降温。本发明将杂质预淀积和扩散工艺在炉内一次完成，避免重复升降温对产品参数及性能的影响，同时缩短大量的工艺时间。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制备技术领域，具体涉及一种半导体器件制备过程中的杂质扩散工艺。
背景技术
扩散工艺是将一定数量的某种杂质掺入到半导体材料(如硅晶体)中，以改变其电学性质，并使掺入的杂质数量、分布形式和深度等都满足要求，从而形成器件功能。目前常用的是采用预淀积加再扩散的工艺制备方法，也是目前在半导体扩散工艺中应用最广的制备方法。预淀积是在高温下，将含有所需杂质的气体通过硅片表面，使杂质从化合物中分解出来，这些杂质集中在硅面表面较薄的一层中，具体工艺曲线如图1所示。第二步是再扩散，也称推进扩散，其目的是使预淀积所获得的杂质在扩散作用下推向硅片体内，通过调整温度、时间、气氛等条件变化来控制其杂质的浓度分布及深度(结深)，以满足器件的需要，具体工艺曲线如图2所示。由于其工艺较简单，且很容易对扩散参数(如杂质浓度、结深等)进行计算和控制，预淀积加再扩散的扩散工艺在半导体芯片制备中得到了大量的应用。但这方法也存在一些不足，主要有三点：一是工艺时间较长，以基区扩散工艺为例，方阻达到5Ω/□,结深在10μm左右，整体工艺时间会达到十小时以上，时间较长影响产能和进度，其带来的工艺偏差也较大；其次是升降温较多，频繁的升降温会造成杂质扩散尖峰的增多，造成结特性的变差，甚至器件失效；另外分成若干步骤后，在外部停留时间较长，易引进沾污问题，即使进行清洗操作，也会带来表面漏电等问题，影响芯片的参数和性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体器件制备过程中的杂质扩散工艺，其为现有预淀积和再扩散的优化工艺，将扩散工艺一次完成，避免重复升降温对产品参数及性能的影响，同时缩短大量的工艺时间。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种半导体器件制备过程中的杂质扩散工艺，该工艺是在扩散炉内将P或B杂质掺入硅片中，P杂质的掺杂源为三氯氧磷(POCl3)，B杂质的掺杂源为掺有B的乳胶源；该工艺包括如下步骤：
(1)入炉前准备：
扩散炉加热到850℃，待用；硅片进行清洗，如掺入的为B杂质，则将掺有B的乳胶源旋涂在清洗后的硅片上；
(2)一次升温：
将经步骤(1)处理后的硅片摆入石英舟中，并一同置于扩散炉炉管中；炉内通入流量为5slm氮气，并以5℃/min的速率将扩散炉升温至预淀积温度T1；
(3)杂质预淀积：
进行P杂质预淀积时：在流量为0.5slm的氧气气氛下进行；进行P杂质预淀积时：先通入流量5slm的氧气并保持5min，然后在流量5slm氮气条件下通入POCl3和氧气的混合气体，混合气体中POCl3的流量为0.5slm、氧气的流量为0.5slm；达到P杂质或B杂质预淀积的设定时间后，炉内通入5slm流量的氧气并保持一段时间；
(4)二次升温：
将扩散炉在氮气和氧气的混合气氛下以5℃/min的速率升温至再扩散温度T2；该步骤混合气氛中的氮气流量为5slm，氧气流量为0.5slm；
(5)杂质再扩散：
在氧气或者氧气与氢气的混合气氛下进行杂质再扩散过程；单一气氛时氧气流量为5slm；混合气氛时氧气流量为5slm，氢气流量为6slm；
(6)降温：
将扩散炉在5slm氮气气氛下以3℃/min的速率降温至600℃以下，取出硅片后自然降温。
上述步骤(1)中，硅片进行清洗的过程中依次采用清洗液1、清洗液2和清洗液3；清洗液1为H2SO4和H2O2混合液，清洗液2为NH3.H2O、H2O2和水的混合液，清洗液3为氢氟酸(10：1)。
本发明的优点和有益效果如下：
1、本发发明的杂质扩散工艺包括每阶段的温度设置、升温的速率控制、气氛的变化等，同时在降温过程中采用特定工艺也可以起到退火的效果，应用在功率器件的杂质扩散过程中，缩短大量的工艺时间，减少工艺偏差，避免频繁的升降温会造成结特性的变差问题，同时极大的改善了器件沾污问题。
2、本发明在扩散炉内进行杂质预淀积后直接升温进行杂质再扩散过程，通过控制二次升温过程的升温速率和气氛，能够减少氧化层的可动电荷，减少对氧化层厚度影响，并能避免硅片表面生成氮化硅等杂质。
3、本发明在硅片完成杂质再扩散后，以低的降温速率降温，降温的过程起到退火的作用，低的降温速率能够减少硅片内缺陷的产生及改变表面状态。
4、本发明工艺过程节约成本消耗，节省清洗漂酸工步2次。升降温室温-850℃4次，节约大量电能及用水消耗。
5、本发明工艺能够减少外部沾污(如颗粒、可动离子等)对器件性能的影响。
6、本发明能够提高产品质量一致性，氧化层及杂质分布，提高产品合格率。
附图说明
图1为常规杂质预淀积(磷预淀积)工艺曲线图。
图2为常规杂质扩散工艺曲线图。
图3为预淀积扩散优化工艺曲线图。
图1-3中：温度T、T1、T2，时间X、Y、Z、R的具体数值取决于实际工艺要求；***表示该时间段通这种气体，空白则无。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
以下实施例和对比例中扩散优化工艺采用中国电子科技集团公司第四十七研究所四英寸1μm/2μm硅栅CMOS科研生产线，主要采用的设备是VIRIAN的TEL 3100扩散炉，利用该设备对预淀积再扩散优化工艺进行试验验证。设备指标包括：
a)设备极限温度范围：0～1200℃；
b)工作温度范围：800～1200℃；
c)控温精度：±2℃；
d)恒温区长度：1000mm。
利用POCl3(三氯氧磷)或掺有B的乳胶源作为掺杂源进行杂质预淀积，通过TEL3100扩散炉设备进行工艺验证，达到产品的工艺如杂质浓度分布、结深等参数要求。以下以某产品的POCl3磷扩散为例。
对比例1：
本例为现有工艺进行的某产品的POCl3为掺杂源的杂质磷扩散，过程如下：
1、清洗硅片1.5小时；
2、磷预扩：装片操作后按照工艺曲线图(图1)升温至1050℃，恒温40分钟，此恒温过程通入5slm N2、0.5slm O2和0.5slm POCl3，停止通O2和POCl3后在5slm N2气氛下降温至600℃，冷却至室温后卸片操作，整个过程约2.5小时。
3、清洗(10:1的HF酸)约2分钟，整个过程包括冲水甩干等约0.5小时。
4、再扩散：装片操作后按照工艺曲线图(图2)升温至1150℃，恒温过程中先通60分钟5slm的O2，再通10分钟H2，然后停H2，再通5分钟O2，然后停O2通5slm N2后降温至600℃，冷却至室温后卸片操作，整个过程约4.5小时。
上述工艺整个过程在9小时左右。
实施例1：
本实施例为采用本发明工艺进行的某产品的POCl3为掺杂源的杂质磷扩散，过程如下：
1、清洗硅片1.5小时；
2、按照工艺曲线(图3)进行，其中T1＝1050℃，X＝40分钟，Y＝0，T2＝1140℃，Z＝10分钟，R＝40分钟，整个过程约5小时，整个优化工艺过程在6.5小时左右。
参数对比情况，主要参数包括RS(表面电阻)、XJ结深、TOX氧化层厚度。在工艺过程中在恒温区范围内共放置前中后三个位置测量片，分别标注1#、2#和3#，以确定参数分布，同时在进行RS表面电阻和TOX参数测试时测试硅片上中下左右五个位置的参数值，如下表1。
表1
本实施例优化后的工艺与对比例1中原工艺相比，片内均匀性相差不大，但片间均匀性要明显优于原工艺。
表2
每种工艺各测试3片，XJ参数相差不大，两种工艺都可以达到产品工艺要求(如表2)。
表3
如表3所示，本实施例优化后的工艺无论是片内均匀性还是片间均匀性都要明显优于对比例1中的原工艺，可以更好地保证产品的质量及可靠性。
表4
如表4所示，同对比例1中原工艺相比，通过测试数据可以看出，本发明工艺中固定电荷相差不大，但可动电荷数量减少了近一倍，说明本发明优化后的工艺可以起到减少氧化层内可动离子及改善表面状态的作用。
Claims (4)
1.一种半导体器件制备过程中的杂质扩散工艺，其特征在于：该工艺是在扩散炉内将P掺入硅片中，P杂质的掺杂源为三氯氧磷，该工艺包括如下步骤：
(1)入炉前准备：
扩散炉加热到850℃，待用；硅片进行清洗；
(2)一次升温：
将经步骤(1)处理后的硅片摆入石英舟中，并一同置于扩散炉炉管中；炉内通入流量为5slm氮气，并以5℃/min的速率将扩散炉升温至预淀积温度T1；
(3)杂质预淀积：
进行P杂质预淀积时，先通入流量5slm的氧气并保持5min，然后在流量5slm氮气条件下通入POCl3和氧气的混合气体，混合气体中POCl3的流量为0.5slm、氧气的流量为0.5slm；
(4)二次升温：
将扩散炉在氮气和氧气的混合气氛下以5℃/min的速率升温至再扩散温度T2；
(5)杂质再扩散：
在氧气或者氧气与氢气的混合气氛下进行杂质再扩散过程；单一气氛时氧气流量为5slm；混合气氛时氧气流量为5slm，氢气流量为6slm；
(6)降温：
将扩散炉在5slm氮气气氛下以3℃/min的速率降温至600℃以下，取出硅片后自然降温。
2.根据权利要求1所述的半导体器件制备过程中的杂质扩散工艺，其特征在于：步骤(1)中，硅片进行清洗的过程中依次采用清洗液1、清洗液2和清洗液3；清洗液1为H2SO4和H2O2混合液，清洗液2为NH3·H2O、H2O2和水的混合液，清洗液3为氢氟酸。
3.根据权利要求1所述的半导体器件制备过程中的杂质扩散工艺，其特征在于：步骤(3)中，当达到P杂质预淀积的设定时间后，炉内通入5slm流量的氧气并保持一段时间后，再进行步骤(4)。
4.根据权利要求1所述的半导体器件制备过程中的杂质扩散工艺，其特征在于：步骤(4)中，所述混合气氛中的氮气流量为5slm，氧气流量为0.5slm。
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