硅中摻雜磷工藝的探討

錢清友，沈怡東，潘建英

捷捷半導體有限公司，江蘇南通，226200

0 引言

半導體器件的N型摻雜源主要以元素周期表第Ⅴ軸元素為主，如磷、砷、銻。而實際制程工藝過程中，磷由于其原子半徑與硅更相近，故在半導體器件制備過程中，通過磷的摻雜而實現半導體N型摻雜起著主導作用[1]。磷的摻雜工藝又分為離子注入摻雜、磷紙源擴散及攜帶三氯氧磷蒸汽進行擴散這三種方式，由于離子注入設備較昂貴且不易形成較濃摻雜劑量，以及磷紙源擴散工藝較復雜且不易操作，故攜帶三氯氧磷蒸汽進行磷擴散的方式在摻雜劑量較大的工藝過程中，起著舉足輕重的作用[2]。攜帶三氯氧磷蒸汽進行磷擴散，與實現摻雜的雜質總量與擴散的溫度、攜帶源的源溫、氣體流量以及工藝時間均有密切關系，因此本文通過這四個維度，對攜帶三氯氧磷蒸汽進行磷擴散的工藝制程進行探討[3]。

1 實驗原理

POCl3在高溫下（＞600℃）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5），其反應式如下：

反應生成的P2O5在擴散溫度下與硅反應，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其反應式如下：

由前面反應式可以看出，POCl3熱分解時，如果沒有外來的氧（O2）參與其分解是不充分的，生成的PCl5是不易分解的，并且對硅有腐蝕作用，破壞硅片的表面狀態。但在有外來O2存在的情況下，PCl5會進一步分解成P2O5并放出氯氣（Cl2），其反應式如下：

在有氧氣的存在時，POCl3熱分解的反應式為：

POCl3分解產生的P2O5淀積在硅片表面，P2O5與硅反應生成SiO2和磷原子，并在硅片表面形成一層磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中進行擴散。這樣在晶體內部就形成了PN結，達到了擴散的目的。在工藝過程中，若O2太多，則硅片表面氧化層過厚，擴散表面濃度上不去；O2太少，POCl3自分解后產生的PCl5對硅表面形成腐蝕，如圖1所示。

圖1 邊緣被嚴重腐蝕的硅片

由于通過攜帶三氯氧磷擴散過程中，其爐管內的氛圍保持不變，即硅片與爐管內接觸的氛圍保持不變，故其擴散屬于恒定表面源擴散，擴散機理如圖2所示。

圖2 恒定表面擴散機理

2 實驗過程

2.1 實驗設計及參數結果

影響磷予擴R口的主要有擴散溫度、源溫、擴散時間、擴散氣氛，分別對其進行相應實驗，具體實驗設計如下。

2.1.1 設備選型

采用臥式擴散爐體系，通過微機控制的方式，自動進出爐，并運行相應的擴散程序。每次實驗裝載的測試硅片，其裝片位置相同，同時其兩端各裝載5片擋片，片與片間隔相同，以提高擴散測試片數值的準確性。

2.1.2 工藝曲線設計

工藝曲線設計見表1。

表1 工藝步驟及條件

2.1.3 實驗設計及參數結果

實驗設計及參數結果見表2。

表2 溫度、時間、氣流量與R口關系表

2.2 數據分析

2.2.1 源溫與磷予擴R口之間的相關性

源溫與磷予擴R口之間的相關性見圖3。從數據結果來看，擴散過程中，三氯氧磷溫度越高，其擴散速度越快，所體現的R口數值越小，其R口的數值在一定程度上體現出線性關系。

圖3 源溫與R口的相關性

2.2.2 擴散時間與磷予擴R口之間的相關性

擴散時間與磷予擴R口之間的相關性見圖4。從數據結果來看，擴散過程中，擴散時間越長，其擴散速度越快，所體現的R口數值越小，其R口的數值在一定程度上體現出線性關系。

圖4 擴散時間與R口的相關性

2.2.3 擴散溫度與磷予擴R口之間的相關性

擴散溫度與磷予擴R口之間的相關性見圖5。從數據結果來看，擴散過程中，擴散爐管溫度越高，其擴散速度越快，所體現的R口數值越小，其R口的數值在一定程度上體現指數分布關系。

圖5 擴散溫度與R口的相關性

2.2.4 擴散氧氣流量與磷予擴R口之間的相關性

擴散氧氣流量與磷予擴R口之間的相關性見圖6。從數據結果來看，擴散過程中，氧氣流量越低，其擴散速度越快，所體現的R口數值越小，其R口的數值在一定程度上體現出線性關系[4-5]。

圖6 擴散氧氣流量與R口的相關性

3 結語

從實驗的結果來看，通過攜帶三氯氧磷，并在一定的擴散溫度、時間、氣體流量及源溫條件下，能有效地實現對硅片的N型摻雜，構造出恒定表面源量的擴散。其中，隨著擴散溫度的升高、時間的加長及三氯氧磷源溫升高，其擴散雜質量增加，所測試的R口數值減小，而隨著擴散氧氣流量的增加，擴散后所測試的R口值變大，對應擴散雜質總量變小。