POCL多晶掺杂工艺的应用研究基础科研总结.docx
《POCL多晶掺杂工艺的应用研究基础科研总结.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《POCL多晶掺杂工艺的应用研究基础科研总结.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
POCL多晶掺杂工艺的应用研究基础科研总结
POCL多晶掺杂工艺的应用研究基础科研总结
————————————————————————————————作者：
————————————————————————————————日期：
POCL3多晶掺杂工艺的应用研究
一、课题来源
1、由于多晶采用注磷掺杂剂量特别大，注入时间比较长，严重占用了注入的产能，使得注入成为VDMOS不断上量的瓶颈工序;POCL3掺杂的引入能够缓解注入机的压力，同时释放注入的产能用于其他工序注入，提升VDMOS月产能；
2、按照原多晶掺杂流程，需要在多晶注入后再增加一道多晶去胶，而改为POCL3掺杂后只需用5％HF作业简单的后处理，可以减少多晶表面因去胶的颗粒沾污.同时，原工艺多晶注磷加多晶去胶的单片成本是10。
31元,新工艺POCL3多晶掺杂的单片成本是5。
91元，POCL3工艺节省的成本近一倍，更能起到将本的作用。
3、多晶注入掺杂到一定程度后很难再提升掺杂浓度，且即使提升成本却更大；但POLCL3通过工艺时间的改变能比较方便的实现此功能；对后续产品可靠性的提升与改善余地更大。
二、科研目标
1、POCl3多晶掺杂工艺的应用研究;
2、对POCL3掺杂工艺进行优化,保证产品一致性和稳定性;
3、固化POCL3掺杂工艺的作业流程及作业方法。
技术措施:
更改多晶掺杂流程，变更前VDMOS产品多晶掺杂均采用GSD离子注入机多晶注磷的方式进行,流程为：
●多晶淀积
↓
●多晶注磷（GSD离子注入机）
↓
●多晶去胶
变更后VDMOS多晶掺杂采用POCL3多晶掺杂，流程为：
●多晶淀积
↓
●三氯氧磷预淀积（Centrotherm12-1#炉管）
其中，三氯氧磷预淀积整个工序包含了掺杂预淀积和预淀积的后处理过程。
三、成本预算
1、主材费用：
24片*300元=7200元；
2、加工流片费用：
18片＊（9。
9+9+5.91+4.32）元+6片*（9.9+9+5。
91）元=673元
3、成本合计：
7873元
四、研究过程与措施
根据公司产能扩充的要求，多晶掺杂由于使用注入机注入的方式做片，因此成为制约产能提升的关键因素。
多晶掺杂工艺采用注入方式，不仅极大占用注入机产能，增加一步去胶工序,且流程长、单片成本较高.因此研究其它掺杂方式是否能替代现有注入方式掺杂成为必然。
根据生产线上的实际情况，我们选择用POCL3掺杂替代注入掺杂，具体的研究方案及进度如下:
1、一季度:
POCl3多晶掺杂工艺的理论研究及可行性分析。
2、二季度：
POCL3多晶掺杂单项工艺验证。
3、三季度:
产品验证
4、四季度:
项目总结
（一）POCL3理论研究
早期栅氧后所长多晶采用磷扩散掺杂，随集成电路集成度的提高,关键尺寸（CD）越来越小，此种方法已逐渐淘汰，但在一些功率器件及太阳能器件生产中，扩散掺杂仍占有一定比例。
实际生产中扩散温度一般为900—1200℃，在此范围内常用杂质如硼、磷、砷等在硅中的固溶度变化不大，因此只采用恒定表面源扩散难以得到低表面浓度与深结深的杂质分布.为此，通常分两步进行:
第一步:
预扩散或预淀积，恒定表面源扩散,余误差分布；
第二步：
主扩散或再分布，有限表面源，高斯分布。
三氯氧磷预淀积是半导体制造过程中常用的掺杂工艺，其工艺原理主要是通高纯氮气携带POCL3进入炉管，在高温下POCL3分解：
同时通一定量的氧气，与分解产物PCl5起反应,改善硅片的表面质量,防止侵蚀:
。
P2O5与硅片表面接触并与硅原子发生还原反应，生成P原子和SiO2，P原子在高温下扩散进入硅片内部：
。
在淀积后到降温过程中有一定的再扩推结作用。
整个工艺过程如下图所示：
由于POCl3是由载气携带从硅片边缘向中心蔓延的，所以掺杂浓度分布呈现出中心淡、边缘浓的特点。
温度、气体、装片方式等都是影响均匀性的主要因素。
目前,薄片电光源产品的发射区掺杂主要采用三氯氧磷预淀积工艺,此外还有磷注入工艺、PDS工艺等等,其中三氯氧磷预淀积在实际应用中占98％以上。
根据产品类型和掺杂浓度的不同，其工艺温度范围为950~1100℃，试片方块电阻范围为1.6~12Ω/□,而多晶注入的方块电阻在10Ω/□左右。
从以上分析看，POCL3多晶掺杂掺杂可代替注入多晶掺杂。
（二）单道工艺验证
为验证多晶掺杂POCL3的工艺条件,利用现有的设备与工艺条件,主要通过作业单道试验、观察间隔时间与表面质量关系来实施验证方案.POCl3预淀积在12-1#作业,利用现有的POCl950工艺条件。
1、方块电阻
1。
1三氯氧磷预淀积方块电阻拉偏条件
用现有的950℃淀积条件进行试验，做3个淀积时间的拉偏,每次3片。
测量参数：
淀积后的方块电阻.
工艺条件:
POCl950；设备：
12—1#
淀积时间
试片号
原始Tpoly（A）
POCl3方阻（Ω/□）
16m
6p1201
7080
14。
31
6p1202
7085.2
15。
86
6p1203
7084。
4
16
14m
6p1204
7086.2
15。
43
6p1205
7092。
2
17。
71
6p1206
7105
18。
02
12m
6p1207
7122。
6
20。
83
6p1208
7149.4
17.14
6p1209
7145。
2
21。
49
（1）三个拉偏试验中试片均放于一个石英舟上，分别位于E01、E03、E05舟位,定位边朝上，试验数据显示片间、片内均匀性均较差。
（2）试验所用试片为P（1，1，1）晶向，GOX2程序栅氧1300A左右，多晶淀积7100A左右,氧化层厚度比正片试片厚300A左右,对测试多晶层厚度有一定影响。
1。
2均匀性调整及方块电阻控制
针对前面拉偏试验均匀性较差，且方块电阻不能控制在10Ω/□左右，通过调整装片方式，预淀积时间等措施来实现工艺要求。
预淀积工艺条件:
POCl950；设备：
12—1#
退火工艺条件：
PLANN120，设备:
29—4＃/26—4＃
预淀积
退火
时间
舟位
片号
Ps（Ω/□）
均匀性
Ps
均匀性
25m
E01
6P1212
12.22
1。
19％
9.52
0.92%
E03
6P1211
12。
43
3.17%
9。
81
2.10%
E06
6P1210
12.27
2.53％
9。
61
1.49％
22m
A01
6P1218
12.81
4。
54%
9.69
2。
68％
E01
6P1226
12。
94
3。
72%
9。
92
3.11％
H51
6P1227
12。
84
3.49％
9.8
2.51％
20m
E01
6P1228
13.15
4.31%
10.29
3。
16％
E03
6P1229
13。
45
2。
31%
10。
54
4。
60％
E06
6P1219
13。
09
2。
31％
10。
33
3.16％
（1）该组试验利用厚片舟装片，严格按如下要求装片.具体装片方式为:
厚片舟装片;假片片距4.76mm，定位边朝上；试片片距4.76mm或7。
14mm（正面朝炉口），定位边朝上，由实验数据可知以上方案均能满足要求.通过多组试验验证,排除装片错误等因素,炉内、同一舟上试片退火后均匀性均能控制在5％以内。
（2）考虑DMOS正片生产过程中，多晶磷注入后会有一P阱推结过程。
多晶掺杂后经过PLANN120退火（120分钟，1150℃）,方阻可控制在10Ω/□左右.且经过退火过程均匀性会有一定程度的改善.
（3）预淀积后与退火后方阻相差3左右，为满足退火后方阻控制在10Ω/□左右，POCl3预淀积参考时间可控制在20—22分钟.
附：
1、试片6P1229退火后49点图像
2、
试片6P1219退后后49点图像
1。
3刻蚀速率与方块电阻的关系
在不同的方块电阻下，观察刻蚀速率有无明显的变化并拉偏刻蚀工艺
淀积时间
POCl3方阻
淀积后Tpoly
刻蚀后Tpoly
多晶刻蚀速率
刻蚀工艺
16m
14。
31
6644
1271.4
7163。
5
15秒SF6+Cl2
15.86
6680.4
714。
8
5965.6
1秒SF6+Cl2
16
6677
1388.9
7050。
8
15秒SF6+Cl2
14m
15.43
6660。
8
1191.8
7292
15秒SF6+Cl2
17。
71
6702。
2
1013。
8
7584.3
18。
02
6717
2411.2
5741。
1
1秒SF6+Cl2
12m
20。
83
6758.4
847。
4
5911
1秒SF6+Cl2
17。
14
6728。
6
657。
2
6071.4
21。
49
6779。
4
924
5855
多晶刻蚀均在17#刻蚀机作业，其正常刻蚀不掺杂多晶硅的速率为5000A/M（10秒SF6+Cl2）。
验证刻蚀速率时作业两个刻蚀条件：
1秒SF6+Cl2、15秒SF6+Cl2；由于SF6对多晶硅也有一定的刻蚀作用，所以上表中的刻蚀速率（主刻步速率）有差异。
从表上看出：
对比整体刻蚀速率，表上数据无明显差异，掺杂多晶硅的刻蚀速率快于不掺杂多晶硅的刻蚀速率；当掺杂浓度超过一定量后，多晶刻蚀速率不随方块电阻的变化而变化。
POCL3淀积结束后，随着放置时间的增长,刻蚀速率无明显变化.在放置两小时后的刻蚀速率最慢，平均为6115A/Min;放置12小时后，平均刻蚀速率变为6287A/Min，两者相差172A/Min，说明放置时间的增长并未影响POCL3淀积的质量.
2、间隔时间与表面质量的关系
主要观察多晶淀积到三氯氧磷预淀积、三氯氧磷预淀积到后处理间隔时间和表面质量的关系（表面状态：
主要是小黑点和多晶颗粒的粗糙程度）
试片号
多晶淀积完成时间
表面质量1
时间间隔1
表面质量2
三氯氧磷预淀积开始时间
三氯氧磷预淀积完成时间
时间间隔2
后处理开始时间
表面质量3
6P1232、33
4月12日10：
30
无白雾，多晶颗粒均匀
1小时
无白雾，多晶颗粒均匀
1小时
6P1234、35
1小时
4小时
6P1236、37
1小时
4月13日13：
59
20:
20
8小时
4月14日9:
30
无白雾
6P1226、27
4月9日22：
38
无白雾，多晶颗粒均匀
8小时
无白雾,多晶颗粒均匀
9：
30
15：
45
1小时
16:
50
无白雾
6P1228、29
8小时
4月11日12：
46
19：
20
4小时
21：
30
无白雾
6P1230、31
8小时
4月13日13:
59
20:
20
8小时
4月14日9:
30
无白雾
（1）通过观察多晶淀积后表面，发现多晶淀积后间隔时间对表面质量影响不明显,均未发现白雾,且多晶颗粒显示较均匀。
当然圆片表面无图形会一定程度影响表面质量的判断。
（2）三氯氧磷预淀积后观察表面未发现白雾,后处理方式（HF酸浓度、处理时间）会对圆片表面，方阻有一定影响。
a、100％HF可较好去除试片表面氧化层，但后处理时间过长对多晶有一定程度损坏（导致方阻偏大），且表面有变花现象.
b、经验证,5％HF1分钟与5分钟均能完全去除表面氧化层,且方阻无明显差异,保守考虑工艺条件，后处理方式可选用5%HF5分钟.
3、小结
从上述试验的过程和结果来看已经达到预期的要求,制定的产品验证条件如下：
三氯氧磷预淀积装片方式：
正面朝外，定位边朝上，片间距4.76mm
三氯氧磷预淀积工艺条件：
POCL95020～22min
后处理工艺条件：
5％HF5min左右
方块电阻参考规范：
13±2（淀积后）、10±1。
5（退火后）
做完多晶淀积的圆片及时作业三氯氧磷预淀积，控制在2小时以内。
（三）产品验证
（1）POCL3掺杂浓度拉偏
根据以上单道试验结果，为摸清POCL3工艺的宽容度，在多晶掺杂POCL3进行拉偏，同时做好注入的拉偏，试验批批号为MCS5A6012A—DL15046M，试验方案及成品率如下：
片号
方案
中测良率
VTH
IDSS
ISGS
1＃
POCL3作业50min
0
0
9.6
80.6
2#
62.59%
0
14.3
19.8
3#
0
0
52。
3
23.3
4＃
POCL3作业20min
83.33％
0
8.3
7。
1
5＃
76。
87%
0
11.2
10.1
6＃
65.31%
0
9
22。
5
7＃
POCL3作业15min
83.67％
0
5。
2
9.7
8＃
75。
34%
0
13.2
9.3
9＃
83.33％
0.2
5.8
9。
9
12#
多晶注磷为1E16
81。
97％
0
10.3
6.4
13#
85.88％
0
7.1
5。
8
14#
82.99％
0
6。
4
9.3
15#
多晶注磷为5E15
83。
16％
0
5.9
9.5
16#
80.27%
0
8
10。
2
10#
多晶注磷为1。
5E16
77。
38%
0
9。
8
11
11＃
83.84%
0
7。
3
7.4
17#
81.46％
0
7
10
18＃
80.61％
0
8。
4
9。
4
19#
71.26%
0
16。
1
10
20＃
78.23%
0
12.9
7.1
21#
68。
37％
0
21。
2
7。
5
22＃
66。
84%
0
23
7.2
23＃
82。
99%
0
9.6
5。
9
24＃
76。
19%
0
8。
6
13。
1
分三炉作业POCL3预淀积后，成品率相差比较大,怀疑与后处理有关。
成测数据对比如下：
TestCondition
CS16BD2
CS16BD3
CS16BD4
CS16BD5
CS16BD6
CS16BD7
Capacitance
POCl3作业50min
POCl3作业20min
POCl3作业15min
多晶注磷为1。
5E16
多晶注磷为1.0E16
多晶注磷为0。
5E16
Ciss，nF
VDS=
25Volts
1。
93
2.03
2.03
2。
06
2。
06
2.07
Crss,pF
VGS=
0Volts
15。
72
18.35
19。
39
18.30
18.99
18。
83
Coss,pF
F=
1MHZ
186.27
189。
59
190.02
190。
03
190.30
190.40
Rg,ohms
2.29
2.42
2。
49
2.64
3.07
6。
06
GateCharge
Qgs，nC
VDS=
300Volts
8.42
9.06
9。
14
9.22
9。
34
9.36
Qgd，nC
ID=
12Amps
17。
04
18。
44
18。
96
18.6
18.78
18.66
Qg，nC
VGS=
10Volts
43。
08
45.66
46。
36
45。
8
46.52
46。
68
UIS
Ias,amps
VDD=
50Volts
L，mH
L=
10mH
Eas，mJ
1012
1092
1066
1084
1066
1115
以上AC参数中，其中的Rg参数差别最明显,其它电参数差别不悬殊。
从表上看出采用“掺杂作业20min”的方案比较恰当，因为即使把掺杂时间增加为50min，Rg只降低0.13Ω（降低5。
2%）。
（2）半批量对比
根据单道结果及浓度拉偏试验，安排了7片首轮产品验证，试验批号：
MCS5A6012A-DL14110M，其中18~24＃片采用POCL3掺杂，其余采用多晶注磷。
本论试验的评价方法是：
中测成品率一致、参数中心值一致、组装考核通过。
试验数据具体如下：
1）、中测成品率：
品名
批号
片号
中测良率
VTH
BVDSS
IDSS
RDSON
ISGS2
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M＃001
76。
02%
0
0
6
0
16。
2
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M＃002
88。
44%
0
0
2。
6
0
8。
3
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M#003
92.18%
0
0
1.8
0
5.7
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M#004
90。
65％
0
0
2
0。
2
6。
8
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M#005
92。
01％
0。
2
0
0。
3
0
7。
2
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M＃006
91.50％
0
0
2.2
0
6
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M＃007
90。
65％
0
0
1。
4
0
7。
5
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M＃008
91。
33%
0.2
0
1。
8
0
6.3
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M#009
86。
73%
0
0
5。
8
0
6。
6
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M＃010
91。
84％
0
0
0.9
0
6.9
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M＃011
87。
93%
0。
2
0
3。
1
0
8。
2
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M#012
90.31%
0
0
2.6
0
6。
6
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M＃013
88。
10%
0
0
3.7
0
7.5
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M#014
82.65%
0
0
5。
8
0
10。
3
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M#015
87.76％
0
0
6
0
5。
5
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M#016
94。
56%
0
0
1.4
0
4
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M#017
88.27%
0
0
2.3
0
8。
8
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M#018
88。
61%
0
0
4.3
0
6。
5
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M#019
93。
03％
0
0
1。
8
0
4.9
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M#020
88。
95％
0
0
2.3
0
8。
2
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M#021
91。
33%
0
0
2.3
0
6
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M＃022
91。
16%
0
0
2.1
0
6。
3
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M＃023
91.50％
0
0
2.5
0
5。
7
MCS5A6012A
DL14110M
DL14110M＃024
63.10％
0
0
20
0
13。
8
去除首尾片影响后,两种工艺作业后的成品率一致,具有可比性.
2）参数分析：
1、VTH（产品规范：
2。
55~3.45V）
2、BVDSS（0.25mA条件下）
3、RDSON（2A条件下）
4、IDSS（650V条件下）
5、ISGS（+30V条件下）
VTH、BVDSS、RDSON、IDSS、ISGS五项参数对比无差异，两种工艺具有可比性。
3）组装考核分析：
1、试验样管和正常量产管子各10只AC测试参数如下：
试验样管
TestCondition
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
平均
Ciss,nF
VDS=25V
2.01
2。
00
2.02
2。
03
2。
01
2.05
2。
01
2。
01
2。
02
2。
01
2.0171
Crss，pF
VGS=0
17.47
14。
35
19。
02
19.78
18.82
18。
92
12。
84
16。
88
17.78
17.59
17。
345
Coss,pF
F=1MHZ
188.84
185。
31
189.77
192。
01
188。
76
193.06
188。
72
187.09
187。
59
188。
26
188。
94
Rg，ohms
2。
54
2。
54
2。
52
2。
51
2。
52
2。
51
2.56
2。
53
2。
51
2.54
2.528
Qgs，nC
VDS=300V
9。
40
9。
40
9.50
9。
00
9.30
9.30
9。
70
9.50
9.40
9。
40
9。
39
Qgd,nC
ID=12A
18.00
16。
10
19。
00
19.20
18。
90
18。
70
15。
70
17。
60
17.80
17。
50
17。
85
Qg,nC
VGS=10V
44。
70
41。
70
45.30
46。
60
45.30
46.00
40.70
44.00
45。
10
44.50
44.39
Ias，amps
VDD=50V
15.04
14.88
15.12
15.20
15。
20
15.12
14.96
15.12
14.96
15.12
2
L，mH
L=10Mh
10。
00
10。
00
10。
00
10.00
10。
00
10。
00
10.00
10.00
10.00
10。
00
0
Eas,mJ
1131。
01
1107。
07
升级会员 