硼擴(kuò)散片彎曲度的控制技術(shù)研究

王春梅，佟麗英，史繼祥，王聰

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津 300220)

擴(kuò)散是向半導(dǎo)體中摻雜的重要方法之一，也是半導(dǎo)體器件制造中的關(guān)鍵工藝。它是將一定數(shù)量的某種雜質(zhì)摻入到硅晶體中或其它半導(dǎo)體晶體中，以改變晶體的電學(xué)性質(zhì)，并使摻入的雜質(zhì)數(shù)量、分布形式和深度等都滿足要求。雜質(zhì)在硅中有如下兩種擴(kuò)散機(jī)構(gòu)：間隙式擴(kuò)散機(jī)構(gòu)和替位式擴(kuò)散機(jī)構(gòu)。硼(B)在半導(dǎo)體硅材料中的擴(kuò)散多屬于替位式擴(kuò)散[1,2]?？梢酝ㄟ^對(duì)擴(kuò)散時(shí)間、擴(kuò)散溫度及氣氛的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域內(nèi)雜質(zhì)的類型、擴(kuò)散深度、擴(kuò)散濃度及其分布和pn結(jié)的控制，以滿足不同硅器件的要求。

但是在擴(kuò)散后，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散片的彎曲度較大。為此有必要開展對(duì)擴(kuò)散片彎曲度控制的研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備和條件

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

4514-165高溫?cái)U(kuò)散爐；DAG810單面減薄機(jī)；MS103多功能晶片測(cè)試系統(tǒng)。

1.2 擴(kuò)散條件

預(yù)擴(kuò)散：預(yù)擴(kuò)散溫度為1010℃，預(yù)擴(kuò)散時(shí)間為15 h，氮?dú)饬髁繛?.7～1.0 L/min，在石英管內(nèi)進(jìn)行。再分布：再分布溫度為1200℃，再分布時(shí)間為60 h。在碳化硅管內(nèi)進(jìn)行。

2 結(jié)果和討論

硅單晶片在高溫?cái)U(kuò)散過程中，由于熱應(yīng)力以及硅片正反兩面雜質(zhì)層濃度及結(jié)深不同等原因，會(huì)造成硅片彎曲度增加，尤其在進(jìn)行單面擴(kuò)散時(shí)，硅片的彎曲會(huì)變得非常嚴(yán)重。因此彎曲度的控制顯得尤為重要，下面的討論是基于彎曲度小于15μm的要求。

2.1 單面擴(kuò)散與雙面擴(kuò)散對(duì)擴(kuò)散片彎曲度的影響

研制過程中分別對(duì)70片硅拋光片試驗(yàn)了單面擴(kuò)散和雙面擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，之后再進(jìn)行拋光，結(jié)果見圖1和圖2。結(jié)果表明，對(duì)硅片進(jìn)行單面擴(kuò)散，彎曲度符合要求的硅片僅占總數(shù)的2.9%，彎曲度大于100μm的硅片占總數(shù)的34.3%；而進(jìn)行雙面擴(kuò)散，彎曲度符合要求的占總數(shù)的55.7%。彎曲度大于100μm的硅片占總數(shù)的2.9%。結(jié)果表明，雙面擴(kuò)散硅片的彎曲度明顯優(yōu)于單面擴(kuò)散硅片的彎曲度。

圖1 單面擴(kuò)散再拋光后硅片的彎曲度分布

圖2 雙面擴(kuò)散再拋光后硅片的彎曲度分布

之所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象，是因?yàn)樵跓崽幚韱蚊鏀U(kuò)硼中，大量硼原子進(jìn)入硅片的一側(cè)，使硅片產(chǎn)生較大的應(yīng)力變化，導(dǎo)致在單面擴(kuò)散后的大部分硅片表面發(fā)生彎曲。如果采用雙面擴(kuò)散，硼原子同時(shí)進(jìn)入硅片兩側(cè)，硅片的應(yīng)力變化小，因而硅片的彎曲度變化要比單面擴(kuò)散小得多。因此，確定了雙面擴(kuò)散的工藝路線。

2.2 單晶錠熱處理對(duì)硅片彎曲度的影響

在研制過程中，雖然采用了雙面擴(kuò)散的工藝路線，但是硅片經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散后仍有30%～50%的硅片彎曲度超標(biāo)，而且每批的成批率不穩(wěn)定。經(jīng)分析后認(rèn)為，這種現(xiàn)象與硅片本身的應(yīng)力分布有關(guān)，在硅片加工過程中沒有消除掉的單晶應(yīng)力在經(jīng)過高溫?cái)U(kuò)散過程后被釋放出來，造成了不同程度的硅片彎曲。

在研制過程中，試驗(yàn)了在硅片加工前先對(duì)單晶錠進(jìn)行1050℃高溫?zé)崽幚淼墓に嚪桨浮＿@種熱處理不同于標(biāo)準(zhǔn)硅片加工工藝中的消除氧施主退火工藝，其目的主要是為消除硅單晶應(yīng)力，要求溫度高、時(shí)間長、緩慢升溫和緩慢降溫。單晶熱處理按照?qǐng)D3操作程序操作。

圖3 單晶熱處理過程

單晶錠熱處理工藝取得了較好的效果，經(jīng)過熱處理的單晶錠加工的硅片，彎曲度有了很大的改善，彎曲度合格率達(dá)到80%以上，詳見圖4。

圖4 雙面擴(kuò)散硅片的彎曲度分布

2.3 單面減薄后硅片的堿處理工藝

雙面擴(kuò)散后的硅片需要對(duì)背面進(jìn)行單面減薄以去除背面的擴(kuò)散層，硅片背面被去除30～40μm的厚度以后，在一定程度上造成了硅片正面和背面的應(yīng)力變化，大部分硅片發(fā)生彎曲現(xiàn)象。

為了消除硅片單面減薄后形成的彎曲，采用熱的氫氧化鉀溶液處理減薄后的硅片來釋放硅片應(yīng)力，從而達(dá)到減小擴(kuò)散片彎曲度的目的。腐蝕液的濃度為10%～15%，腐蝕溫度80℃，腐蝕時(shí)間為3～5 min。經(jīng)過處理后硅片彎曲度的合格率達(dá)到95%。

3 結(jié)論

(1)單面擴(kuò)散比雙面擴(kuò)散的彎曲度大；

(2)晶錠熱處理工藝有助于彎曲度的改善；

(3)單面減薄后硅片的堿處理工藝，進(jìn)一步改善了擴(kuò)散片的彎曲度。

[1]電子工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)編委會(huì).電子工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)(第七冊(cè))［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1991：221～312.

[2]關(guān)旭東.硅集成電路工藝基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003：62～85.