專利名稱:一種重摻雜硼硅片的再分布方法
技術領域:
本發明涉及一種重摻雜硼硅片,尤其是涉及一種在微機電系統(MEMS)中利用射頻感應加熱擴散法對硅片重摻雜硼后進行再分布的方法。
背景技術:
在微機電系統加工技術中,重摻雜工藝與可控性好的自停止腐蝕工藝相結合,可精確制備出幾微米至幾十微米厚的硼硅膜,作為微器件的結構層(如壓力膜、懸臂梁等)。由于結構層尺寸要求,通常需要采用熱擴散的方法進行高濃度深摻雜。在熱擴散工藝中,為獲得較深的重摻雜層,通常需要進行兩步擴散——預擴散和再分布。對于再分布,熱擴散的通常方法是:取出源片后,將預擴散后的硅片置于擴散爐內,然后施以等于或略高于預擴散溫度的高溫,在高溫的作用下使摻雜原子利用濃度梯度繼續向前“推進”,從而獲得高濃度、深結深的重摻雜層。天津大學的王春梅等人(王春梅,硼擴散片制備技術研究,天津大學碩士學位論文.2008年)對硼擴散片的制備進行了系統研究,最后確定了再分布的最佳工藝條件:采用碳化娃管,電熱絲加熱,擴散溫度為1240°C,擴散時間為50h。唐海林等人(唐海林等,高濃度硼深擴散自停止腐蝕層硅片工藝研究,電子元件與材料,2007.9)確定再分布在氧氣氛圍中進行,流量為600mL/min,電熱絲加熱,溫度為1180°C,當再分布時間與預淀積時間比為1.5倍時(實驗數據是37.5h/25h)可得到較深的擴散層。但這些方法,熱量來源于外部設備,且升溫慢、耗時長、能耗大。在整個重摻雜的高濃度擴散過程中,硼原子以間隙式擴散和替位式擴散并存的擴散形式進入硅基底。由于硼原子半徑小于硅原子半徑,因此會引起晶格失配,導致重摻雜層內存在殘余應力。殘余應力的大小主要和摻雜硼原子的濃度有關,但也和濃度梯度的分布有關。摻雜原子濃度越高,梯度越大,殘余應力就越大,降低濃度或減小濃度梯度可以減小殘余應力的產生。由于隨后自停止腐蝕工藝的要求,摻雜濃度必須在5 X IO1Vcm3以上,這就使得摻雜濃度不能夠降低,要減小殘余應力就只能通過減小濃度梯度這一途徑來實現。然而對于傳統的再分布方法主要靠硅片中雜質硼的濃度梯度來“驅動”,限制了擴散均勻性的提高,使得濃度梯度難以降低,殘余應力較大。同時,在MEMS運用領域中,摻雜成分的擴散深度至少要達到幾十微米,傳統方法依靠濃度梯度的驅動在擴散的有效結深上往往不能保證,且擴散速率慢,耗時長。在再分布過程中,擴散溫度越高,擴散系數越大。對于硼而言,溫度每提高10°C,其擴散系數就會增加一倍左右,因此更高的再分布溫度會獲得更深的重摻雜層。傳統方法的擴散爐加熱方式通常是電阻絲加熱,在其主加熱段,電熱絲均勻環繞在石英管上。由于石英管的使用溫度限制,很難施以1200°C以上的長時間高溫。因此在需要更高再分布溫度時,只能選用昂貴的碳化硅爐管,制備成本大大增加。
發明內容
本發明的目的在于提供再分布過程升溫快,節約時間、能源和成本,同時可以減小制備中產生殘余應力,并增加制備結深,縮短整個過程時長的一種重摻雜硼硅片的再分布方法。本發明包括以下步驟:I)將重摻雜硼硅片放在托盤上,然后置于石英腔體中,關閉屏蔽箱門,旋轉壓緊密封機構;2)將石英腔體抽真空,再通過氣體進口和氣體出口,對石英腔體內通入再分布所需氣體;3)開啟電源,通過電極片在空間中施加電場,然后開通射頻電源,通過自動匹配器實現負載匹配,讓感應線圈產生高頻變化的磁場;4)打開溫度傳感器,利用溫度傳感器的溫度指示,調節輸入功率達到要求的溫度,對重摻雜硼硅片進行加熱,開始再分布過程;5)為確保操作人員安全,電磁感應線圈外裝有電磁屏蔽外殼,在整個再分布過程中要保持干擾場強儀的開啟,以實時監測場強大小,使其在相關規定的范圍內。在步驟2)中,所述氣體可采用為增強氧化而需要的氧氣或是為了保護而需要的氬氣或氮氣等氣體。在步驟3)中,所述施加電場可施加106V/cm左右的電場。在步驟4)中,所述調節輸入功率達到要求的溫度可根據需要的再分布溫度調節輸入功率達到要求的溫度,所述再分布溫度可為1200°C左右;所述再分布過程的時間長短可根據實驗要獲得的有效結深大小而定。本發明不用外部直接加熱的熱源,將預擴散硅片平放在石英腔體中,對電磁線圈通以交變電流產生交變磁場,利用預擴散硅片上預擴散層的低電阻率,并結合感應加熱的原理加熱硅片到規定的溫度。同時,在預擴散硅片的外部空間中施加以垂直硅片的電場,電場正極遠離摻雜層一側。根據需要的有效結深值確定工作的時間長短,射頻加熱的功率等參數,實現再分布過程。本發明改變傳統的用外熱源加熱進行再擴散的方法,采用電磁感應原理,通過在摻雜硅片周圍放置線圈,產生高頻感應磁場實現硅片內部的感應加熱,達到再分布需求的1200°C左右的溫度,同時在硅片空間中施加106V/cm左右的電場實現摻雜硼硅片的有效再分布。本發明無需外部加熱源,加熱效率高、加熱速率快、節約能源和成本,并且感應加熱的方式和外加電場可以在內部特性上降低殘余應力,增加制備的有效結深,減少制備的時長。與現有技術相比,本發明的優點是:I)加熱速率快,且節能、成本低。由于預擴散層的硼原子摻雜濃度范圍達到IO19 1021/cm3,方塊電阻在毫歐級別,具有良好的導電性,因此通過感應產生的渦電場,可以首先在硅片重摻雜層內產生渦電流,對重摻雜層直接進行加熱。同時,利用硅優異的導熱性,將熱量通過熱傳導的方式傳遞到重摻雜層的下方,帶動整個硅片加熱。隨著溫度的升高,在本征激發作用下,硅片中本征載流子的濃度會逐漸增加,當加熱到500°C以上后,整個硅片在高的本征載流子濃度下都將產生渦電流。這樣,整個硅片都將因為渦電流而產生熱量,不再依靠熱傳導作用。這種加熱方式不但加熱速度快(可以在30s內加熱至1200°C,最高可加熱至1300°C ),而且比一般的外部加熱方式更節能,效率更高。同時由于不用電熱絲加熱,免去了用碳化硅爐管所帶來的高成本。
2)可以有效減小殘余應力。摻雜硅片中,硼為受主雜質,硼原子離化成負離子,并釋放出空穴。此釋放空穴的擴散系數比硼離子的擴散系數快得多,這就將產生一個內建電場,方向從空穴指向硼離子,并且摻雜濃度越大,此內建電場也就越大。當電磁感應產生的感應電動勢驅使空穴移動的時候,在內建電場力的作用下,硼負離子也將獲得一個驅動力,最終使得硼負離子在渦電流的作用下獲得一個橫向的驅動力,這種驅動力的大小和感應電動勢以及內建電場的大小成正相關。在硅片水平放置的情況下,由于硅片的厚度通常比較薄,在實際空間中穿過硅片各層面的磁感應強度大致相同,由此感應電動勢也大致相同,那么驅動力的大小就只和內建電場也就是和摻雜濃度成正相關。在實際預擴散過程后,不同區域的濃度有所不同,不僅體現在縱向深度方向上,在同一平面也有差別,例如在預擴散使用開式爐的情況下,所通氮氣的流場會對擴散均勻性產生一定影響,濃度通常會沿徑向向內逐漸降低。當采用本發明的再分布方法后,高濃度區域的硼離子受強驅動力的作用有著相對更強的離開該區域的能力,反之,低濃度區域的硼離子則相對地更趨向于留在該區域。高濃度區域摻雜原子進入低濃度區域,以至最后趨于平衡,濃度趨于均勻,濃度梯度相對于傳統的熱擴散法得以大大改善,進而減小重摻雜層內殘余應力的產生。3)增大制備有效結深,加快制備速度。通過在豎直方向上施加電場(電場強度約為 106V/cm(Schjolberg-Henriksen K, Hanneborg A B.Jensen G U.Anodicbonding and the integration with electronics[J].Electrochemical Societyroceedings, 2003, 19:278-288)),使其對硅片中離化的硼雜質產生縱向的驅動力,推動其向下運動,從而加快擴散的速度,提高擴散的最大結深。另外在渦電場作用下,硼原子以間隙式擴散和替位式擴散等擴散形式的運動更加頻繁和迅速,熱運動的擴散作用在這種粒子處于高活躍狀態下也變得更加明顯,有利于增加擴散深度和速度。
圖1為本發明所采用的實驗裝置實施例的結構示意圖。圖2為本發明所采用的實驗裝置實施例的擴散箱立體結構示意圖。圖3為本發明所采用的實驗裝置實施例的擴散箱平面結構示意圖。
具體實施例方式參見圖1 3,本發明采用的實驗裝置實施例設有擴散箱、自動匹配器6和電源7,所述擴散箱設有屏蔽箱外殼1、屏蔽箱門2、壓緊密封機構3、氣體出口 4、電源接口 5、屏蔽門隔熱層8、石英門9、密封條10、保溫箱體11、感應線圈12、石英腔體13、氣體進口 14、重摻雜硼硅片15、托盤16、電極片17和干擾場強儀(圖中未畫出),所述電源7包括射頻電源和電場電源。其中,屏蔽箱外殼I和屏蔽箱門2按圖示形狀可由銅材制造。氣體出口4和出口14具體在箱體中的擺放位置需要根據通入氣體的種類而定,若氣體的分子質量大于29,應將氣體進口放在箱體較高的位置,將氣體出口放在較低的位置;相反若氣體的相對分子質量小于29,則應該將進口放在箱體較低的位置,出口放在較高的位置。自動匹配器6、射頻電源及電場電源可按情況使用通用型號選配即可。感應線圈12由銅線繞制而成,在箱體的上部和下部呈S形排布。托盤16采用外圓三點,中間一點的四點支撐方式。以下給出具體操作步驟:
1、首先將重摻雜硼硅片15放在托盤16上,然后置于石英腔體13中,關閉屏蔽箱門2,旋轉壓緊密封機構3,使得在石英門9和密封條10的共同作用下,石英腔體13處于密閉狀態,同時屏蔽門隔熱層8和保溫箱體11將重摻雜環境包圍,減小熱量的損失。2、用真空抽氣泵將石英腔體13中的空氣抽走,之后通過氣體進口 14和氣體出口4,按照需要對石英腔體內通入再分布所需氣體。這里的氣體可以是為增強氧化而需要的氧氣或是為了保護而需要的氬氣或氮氣等氣體。3、電源接口 5接上電源,并將電源開啟,通過電極片17在空間中施加106V/cm左右的電場,然后開通射頻電源,通過自動匹配器6實現負載匹配,讓感應線圈12產生高頻變化的磁場。4、打開溫度傳感器,利用溫度傳感器的溫度指示,根據需要的再分布溫度(一般在1200°C左右)調節輸入功率達到要求的溫度,對重摻雜硼硅片15進行加熱,開始再分布過程。再分布過程的時間長短根據實驗要獲得的有效結深大小而定。5、為確保操作人員安全,電磁感應線圈外裝有電磁屏蔽外殼1,并且整個再分布過程中要保持干擾場強儀的開啟,以實時監測場強大小,使其在相關規定的范圍內。
權利要求
1.一種重摻雜硼硅片的再分布方法,其特征在于包括以下步驟: 1)將重摻雜硼硅片放在托盤上,然后置于石英腔體中,關閉屏蔽箱門,旋轉壓緊密封機構; 2)將石英腔體抽真空,再通過氣體進口和氣體出口,對石英腔體內通入再分布所需氣體; 3)開啟電源,通過電極片在空間中施加電場,然后開通射頻電源,通過自動匹配器實現負載匹配,讓感應線圈產生高頻變化的磁場; 4)打開溫度傳感器,利用溫度傳感器的溫度指示,調節輸入功率達到要求的溫度,對重摻雜硼硅片進行加熱,開始再分布過程; 5)為確保操作人員安全,電磁感應線圈外裝有電磁屏蔽外殼,在整個再分布過程中要保持干擾場強儀的開啟,以實時監測場強大小,使其在相關規定的范圍內。
2.如權利要求1所述一種重摻雜硼硅片的再分布方法,其特征在于在步驟2)中,所述氣體采用為增強氧化而需要的氧氣,或為了保護而需要的氬氣或氮氣。
3.如權利要求1所述一種重摻雜硼硅片的再分布方法,其特征在于在步驟3)中,所述施加電場是施加106V/cm的電場。
4.如權利要求1所述一種重摻雜硼硅片的再分布方法,其特征在于在步驟4)中,所述調節輸入功率達到要求的溫度是根據需要的再分布溫度調節輸入功率達到要求的溫度,所述再分布溫度為1200°C。
全文摘要
一種重摻雜硼硅片的再分布方法,涉及一種重摻雜硼硅片。將重摻雜硼硅片放在托盤上,然后置于石英腔體中,關閉屏蔽箱門,旋轉壓緊密封機構;將石英腔體抽真空,通過氣體進口和氣體出口,對石英腔體內通入再分布所需氣體;開啟電源,通過電極片在空間中施加電場,然后開通射頻電源,通過自動匹配器實現負載匹配,讓感應線圈產生高頻變化的磁場;打開溫度傳感器,利用溫度傳感器的溫度指示,調節輸入功率達到要求的溫度,對重摻雜硼硅片進行加熱,開始再分布過程;為確保操作人員安全,電磁感應線圈外裝有電磁屏蔽外殼,在整個再分布過程中要保持干擾場強儀的開啟,以實時監測場強大小,使其在相關規定的范圍內。加熱速率快,成本低,有效減小殘余應力。
文檔編號B81C1/00GK103193195SQ20131007421
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月8日 優先權日2013年3月8日
發明者王凌云, 王申, 張豪爾, 杜曉輝, 蔡建法, 占瞻, 孫道恒 申請人:廈門大學