电子气体的发展、应用、分类及常用电子混合气体

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

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。

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

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

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。

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

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