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电子气体的发展、应用、分类及常用电子混合气体

文章出处:责任编辑:作者:人气:-发表时间:2014-07-17 09:34:00【

  电子气体的发展及其应用

   

  进入20世纪90年代,世界半导体制造加工中心已由西方逐渐向中国大陆转移,中国已成为世界晶圆的生产基地,中国IC制造业可谓异军突起然而。

   

  我国IC产业的发展极不平衡,与之相关的源性材料仍然依赖进口,因此,尽管我国IC生产加工数量多,但利润却较低。

 

  电子气体(高纯气体) 

 

  电子气号称IC制造的粮食,它的质量好坏直接决定半导体器件的性能。有资料表明,电子气质量哪怕有丝毫的变化,都将严重影响器件的成品率,因此,发达国家为了发展IC业,首先优先开展电子气的研究与生产。由于电子器件发展永无止境,不断升级换代,所以,电子气的研究也必将是随之不断发展,甚至超前发展,以适应下游制造业的发展。

   

  在电子气家族中,硅烷、磷烷、硼烷、砷烷应用量较大,是IC制造极为重要的原料。

   

  电子气的分类

   

  电子工业服务的电子气品种繁多,用途五花八门,它的分类方法亦较为复杂。一般可按电子气组分的性质来分类,也可以按电子气的用途分举类。

   

  A.按电子气组分的性质分类

 

  按组分的性质分类,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。

 

  表1列出了上述三类电子气的典型例子。其中化合物类应用较多,又可细分为三种,即氢化物(如SiH4)、PH3、B2H6等)、氟化物(如NF3、 BF3、SiF4等)和碳氟化合物(如CF4、C2F6、C5F12等)。 

 

不同成分电子气的分类

 

分类  气体名称 
单质气体  Ar、H2、O2、He、N2、Cl2 
化合物气体 SiH4、PH3、AsH3、B2H6、SiF4、SF6、HCl、H2S、NH3、GeH4、CF4、C2F6、C3F8、C5H12 
混合物气体 ①SiH4+稀释气(Ar、He、H2、N2)  ②PH3+稀释气(Ar、He、H2、N2) 
  ③AsH3+稀释气(Ar、He、H2、N2)  ④B2H6+稀释气(Ar、He、H2、N2) 
⑤HCl +稀释气(Ar、He、O2、N2)  ⑥H2S +稀释气(Ar、He、H2、N2) 
⑦NH3+稀释气(Ar、He、H2、N2)  ⑧Cl2  + 稀释气(Ar、He、N2) 
⑨CO+SF6  ⑩H2Se +稀释气(Ar、He、H2、N2) 

   

  B.按电子气用途分类

   

  根据电子气的不同用途,电子气可分为十多类,例如外延晶体生长气、热氧化气、外延气、掺杂气、扩散气、化学气相沉积气、喷射气、离子注人气、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2列出了电子工业、半导体器件制备工艺中所用电子气的范例。

   

 

分类  
掺杂气 AsH3、PH3、GeH4、B2H6、AsCl3、AsF3、H2S、BF3、BCl3、H2Se、SbH3、(CH3)2Te、(CH3)2Cd、(C2H5)2Cd、PCl3、(C2H5)2Te 
晶体生长气 SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、B2H6、BBr3、BCl3、AsH3、PH3、GeH4、TeH2、(CH3)3Al、(CH3)3As、(C2H5)3As、(CH3)2Hg、(CH3)3P、(C2H5)3P、SnCl4、GeCl4、SbCl5、AlCl3、Ar、He、H2
气相蚀刻气 Cl2、HCl、HF、HBr、SF6 
等离子蚀刻气 SiF4、CF4、C3F8、CHF3、C2F6、CClF3、O2、C2ClF5、NF3、SF6、BCl3、CHFCl2、N2、Ar、He 
离子束蚀刻气 C3F8、CHF3、CClF3、CF4 
离子注入气 AsF3、PF3、PH3、BF3、BCl3、SiF4、SF6、N2、H2 
化学气相沉积气 SiH4、SiH2Cl2、SiCl4、NH3、NO、O2
平衡气〔稀释气)  N2、Ar、He、H2、CO2、N2O、O2
外延气 SiH4、SiH2Cl2、SiCl4、Si2H6、HCl、PH3、AsH3、B2H6、N2、Ar、He、H2 

 

  常用电子混合气

 

  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、化学气相沉积、掺杂(杂质扩散)、蚀刻、离子注人、溅射、退火、系统加压、洁净吹扫、吸气覆盖、氧化和还原等工艺。其中部分气体可直接作为半导体源,如硅源、硼源、磷源和化学气相沉积(CVD)源等。

 

  A.外延生长混合气

 

  外延生长是一种单晶材料沉积并生长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沉积的方法,生长一层或多层材料所用的气体叫做外延气体。常用的硅外延气体有二氯氢硅、四氯化硅和硅烷等。主要用于外延硅沉积、多晶硅沉积、氧化硅膜沉积、氮化硅膜沉积、太阳能电池和其他光感器的非晶硅膜沉积等。常见外延混合气体组成列于表3中。

 

  表-3 外延生长混合气组成

 

 

序号 组分气 平衡气
1 硅烷(SiH4)  氦、氮、氢、氮
2 四氯化硅(SiCl4)  氦、氮、氢、氮
3 二氯氢硅(SiH2Cl2)  氦、氮、氢、氮
4 乙硅烷(Si2H6)  氦、氮、氢、氮

 

  B.蚀刻混合气

 

  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),例如四氟甲烷、三氟化氮、砚氟甲烷、六氟乙烷、全氟丙烷等。常见蚀刻气列于表4中。

 

  表-4 常用刻蚀混合气

   

 

 材质 蚀刻组分气 平衡气
铝(Al)  四氯化硅(SiCl4)、四氯化碳(CC14)  氩、氦
铬(Cr)  四氯化碳(CCl4)  氧、空气
钼(Mo)  二氟二氯化碳(CCl2F2)、四氟甲烷(CF4) 
铂(Pt)  三氟三氯乙烷(C2Cl3F3)、四氟甲烷(CF4) 
聚硅 四氟甲烷(CF4)、乙烷(C2H6)  氧、氯
硅(Si)  四氟甲烷(CF4) 
钨(W)  四氟甲烷(CF4) 

 

  C.掺杂混合气

 

  在半导体器件和集成电路制造中,将某些杂质掺人半导体材料内,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。主要包括砷化氢、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(如氦气和氮气)在源柜中混合,混合后气流连续注人扩散炉内并环绕在晶片四周,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人硅。常用掺杂混合气列于表5中。 

 

   类型

  组分气

  稀释气

   备注

  硼化合物

  乙硼烷(B2H6)、三氯化翻(BCl3)、三溴化硼(BBr3)

  氦、氩、氢

  具有P型性质

  磷化合物

  磷烷(PH3)、三氧化磷(PCl3)、三溴化磷(PBr3)

  氦、氩、氢

  具有N型性质

  砷化合物

  砷化氢(AsH3)、三氯化砷(AsCl3)

  氦、氩、氢

 
 

  硒化合物

  硒化氢(H2Se)

  氦、氩、氢、氮

 
 

  

  D.化学气相沉积混合气

 

  化学气相沉积(CVD)混合气是利用挥发性化合物,通过气相化学反应沉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,使用的化学气相沉积(CVD)气体也不相同。表6列出了几类化学沉积混合气的组成。
表-6 化学气相沉积混合气

 

膜的种类 混合气组成 生成方法
半导体膜 硅烷(SiH4)+氢(H2)  CVD 
二氧氢硅(SiH2Cl2)+氢(H2)  CVD 
四氯化硅(SiCl4)+氢(H2)  CVD 
硅烷(SiH4)+甲烷(CH4)  离子注入CVD 
绝缘膜 硅烷(SiH4)+氧(O2)  CVD 
硅烷(SiH4)+氧(O2)+磷烷(PH3)  CVD 
硅烷(SiH4)+氧(O2)+磷烷(PH3) +乙硼烷(B2H6)  CVD 
硅烷SiH4)+氧化亚氮(N2O)+磷烷(PH3)  离子注CVD 
导电膜 六氟化钨(WF6)+氢(H2)  CVD 
六氯化钼(MoCl6)+氢(H2)  CVD 

 

  E.离子注入气 

 

  在半导体器件和集成电路制造中,离子注人工艺所用的气体统称为离子注人气,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7列出了英国BOC公司生产的部分离子注入用气体的例子。

 

  表-7 英国BOC公司部分离子注入气体

 

气体种类 组分气含量/%  稀释气 压力/kPa 
磷烷(PH3) 5 氢气(H2)  27.7
15 氢气(H2)  27.7
砷化氢(AsH3) 5 氢气(H2)  27.7
15 氢气(H2)  27.7