摻磷多晶硅工藝及其腐蝕速率的研究

李洪海，孔 明

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引 言

微加工工藝技術主要分為表面加工和體加工兩大類，其中表面加工是指在襯底表面進行薄膜的生長和刻蝕的一種工藝手段[1]。多晶薄膜淀積即是半導體制造工藝過程中常用的表面加工工藝，以其進行磷雜質摻雜的多晶硅薄膜可作為MOS 器件中至關重要的結構——柵極的材料。摻磷多晶硅在腐蝕過程中有時會出現嚴重的過腐蝕現象，削弱了用于注入掩蔽的氧化層的阻擋效果，從而造成嚴重的工藝控制問題[2]。因此，準確控制摻磷多晶硅工藝及其腐蝕速率對MOS 器件具有極重要意義。

2 擴散理論及摻磷多晶硅工藝實驗

2.1 擴散原理

擴散工藝的基本物理過程是在高溫下將雜質離子導入襯底點陣，以形成一定分布[3]，從而改變半導體的導電性質，它是半導體制造中最基本的摻雜手段。離子擴散分為間隙擴散和替代擴散兩種[4-5]。

(1) 間隙擴散

發生間隙擴散的雜質是元素周期表中的第I、VIII 主族元素，包括Na、K、H、He 等，其存在于晶格間隙之間并隨著擴散移動位置，基本原理如圖1所示。

圖1 間隙擴散原理示意圖

(2) 替代擴散

發生替代擴散的雜質則來自第III、IV 主族，包括Al、B、As、Sb、P 等，它會占據因高溫下晶格振動而產生的空位，并向相鄰的空位逐級跳躍，基本原理如圖2。

圖2 替代擴散原理示意圖

2.2 擴散的工藝實現

擴散工藝雜質導入方式分為以下幾種：

1. 從氣態或液態化學源中擴散，即氣相摻雜[6]；

2. 從摻雜氧化物或乳膠源中擴散，即固－固擴散[7]；

3. 離子注入，然后退火，擴散。

研究以三氯氧磷作為磷源進行多晶硅摻雜，屬于氣相摻雜擴散，主要應用在高濃度磷擴散工藝中。

2.3 POCL3擴散原理

POCL3擴散是半導體制造過程中常用的摻雜工藝，其工藝原理主要是通高純氮氣攜帶POCL3進入爐管[8]，過程如下：

在高溫下POCL3分解：

同時通一定量的氧氣，與分解產物PCl5起反應，改善硅片的表面質量，防止侵蝕：

P2O5與硅片表面接觸并與硅原子發生還原反應，生成P 原子和SiO2，P 原子在高溫下擴散進入硅片內部：

淀積后到降溫的過程有一定的再擴散推進結深的作用。

2.4 多晶硅摻磷方阻實驗

多晶硅實驗使用P＜100＞晶向單晶硅片，熱生長氧化層厚度130nm，使用TMX9002 設備進行約700nm 的多晶薄膜淀積，以TL3100 高溫擴散爐進行POCl3摻雜。

以950℃的擴散條件進行三氯氧磷預淀積方塊電阻拉偏試驗，做4 個擴散時間的拉偏，每個時間條件包含3 枚樣片。該組試驗利用寬片舟裝片，嚴格按要求裝載。具體裝片方式為：

寬片舟裝片；

石英舟槽距4.76mm；

定位邊朝上；

正面朝爐口。

實驗結束后，實際測試參數如表1 所示。

表1 多晶摻磷后測試結果

從表1 可以得出如下結論：

a. 隨著工藝時間的增加，多晶硅摻磷方塊電阻逐漸下降，且因數值已趨近于飽和值，下降幅度也在減緩；

b. 因磷源是由石英管道尾部進入，造成實驗片方塊電阻由前向后有逐漸減小趨勢。

3 多晶摻磷后的處理

多晶摻磷后，一般要在干法刻蝕摻磷多晶硅之前使用氫氟酸對多晶硅上的氧化層進行去除處理。為減少其他前道工序對實驗的影響，將前步多晶硅摻磷實驗中的1 號片切割成若干小片，進行如表2所示的實驗。

表2 多晶摻磷后處理實驗結果

從表2 可以得出如下結論：

a. 100%純HF，可較好去除試片表面氧化層，但處理時間過長會對多晶層造成一定程度的損壞，導致表面有變“花”的現象；

b. 40：1HF，無法在短時間內完全去除磷擴散工藝產生的氧化層；

c. 10：1HF，5 分鐘即能完全去除表面氧化層，且方阻無明顯差異。

4 腐蝕速率與方阻的關系

以LAM-490 干法刻蝕機作為刻蝕設備，使用He/Cl2作為工藝氣體，1min 工藝時間進行摻磷多晶硅腐蝕速率實驗（1 號片在HF 酸后處理實驗中已遭破壞）。實驗結果如表3 所示。

表3 摻磷多晶硅腐蝕速率

從表3 可以得出腐蝕速率與方塊電阻之間存在著的規律：

摻雜多晶硅方阻值越小，刻蝕速率越快；

當方塊電阻值超過一定值后，多晶硅刻蝕速率不隨方塊電阻的變化而變化。

5 結束語

在簡要闡述多晶硅磷擴散原理的基礎上，設計了多晶硅摻磷方阻、摻磷后處理、腐蝕速率與方塊電阻關系等實驗并實施完成，得出一組嚴格基于真實實驗的數據。通過對這些數據觀察分析，可從中確定摻磷多晶硅腐蝕的最佳工藝時間。利用本研究得出的結論，可比較準確地控制摻磷多晶硅腐蝕時間，減少過腐對氧化層膜厚的影響，從而得到膜厚一致性良好的注入犧牲層，提高產品的一致性和成品率。