POCL多晶掺杂工艺的应用研究基础科研总结.docx

1、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5HF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

2、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

3、三氯氧磷预淀积（Centrotherm 12-1# 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

4、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9001200，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

5、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

6、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9501100，试片方块电阻范围为1.612/,而多晶注入的方块电阻在10/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

7、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：121#淀积时间试片号原始Tpoly(A)POCl3方阻（/）16m6p1201708014。316p12027085.215。866p12037084。41614m6p12047086.215。436p12057092。217。716p1206710518。0212m6p12077122。620。836p12087149.417.146p12097145。221。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

8、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10/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：121#退火工艺条件：PLANN120，设备:294/264预淀积退火时间舟位片号Ps（/)均匀性Ps均匀性25mE016P121212.221。199.520.92%E036P121112。433.17%9。812.10%E066P121012.272.539。611

9、.4922mA016P121812.814。54%9.692。68E016P122612。943。72%9。923.11H516P122712。843.499.82.5120mE016P122813.154.31%10.293。16E036P122913。452。31%10。544。60E066P121913。092。3110。333.16 （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

10、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10/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10/左右，POCl3预淀积参考时间可控制在2022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16m1

11、4。3166441271.47163。515秒SF6+Cl215.866680.4714。85965.61秒SF6 +Cl21666771388.97050。815秒SF6+Cl214m15.436660。81191.8729215秒SF6+Cl217。716702。21013。87584.318。0267172411.25741。11秒SF6 +Cl212m20。836758.4847。459111秒SF6 +Cl217。146728。6657。26071.421。496779。49245855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

12、）。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

13、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36P1232、334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、351小时4小时6P1236、371小时4月13日13：5920:208小时4月14日9:30无白雾6P1226、274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9：3015：451小时16:50无白雾6P1228、298小时4

14、月11日12：4619：204小时21：30无白雾6P1230、318小时4月13日13:5920:208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、100HF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,5HF 1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

15、条件，后处理方式可选用5%HF 5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：POCL950 2022min后处理工艺条件：5HF 5min左右方块电阻参考规范：132（淀积后)、 101。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MCS5A6012ADL15046M，试验方案及成品率

16、如下：片号方案中测良率VTHIDSSISGS1POCL3作业50min009.680.62#62.59%014.319.83#0052。323.34POCL3作业20min83.3308.37。1576。87%011.210.1665.31%0922。57POCL3作业15min83.6705。29.7875。34%013.29.3983.330.25.89。912#多晶注磷为1E1681。97010.36.413#85.8807.15。814#82.9906。49.315#多晶注磷为5E1583。1605.99.516#80.27%0810。210#多晶注磷为1。5E1677。38%09。8

17、111183.84%07。37.417#81.4607101880.6108。49。419#71.26%016。1102078.23%012.97.121#68。37021。27。52266。84%0237.22382。99%09.65。92476。19%08。613。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：Test ConditionCS16BD2CS16BD3CS16BD4CS16BD5CS16BD6CS16BD7CapacitancePOCl3作业50minPOCl3作业20minPOCl3作业15min多晶注磷为1。5E16多晶注磷为1.0

18、E16多晶注磷为0。5E16Ciss， nFVDS=25Volts1。93 2.03 2.03 2。06 2。06 2.07 Crss, pFVGS=0Volts15。72 18.35 19。39 18.30 18.99 18。83 Coss, pFF=1MHZ186.27 189。59 190.02 190。03 190.30 190.40 Rg, ohms2.29 2.42 2。49 2.64 3.07 6。06 Gate ChargeQgs， nCVDS=300Volts8.42 9.06 9。14 9.229。349.36Qgd， nCID=12Amps17。04 18。44 18。9

19、6 18.618.7818.66Qg， nCVGS=10Volts43。08 45.66 46。36 45。846.5246。68UISIas, ampsVDD=50VoltsL， mHL=10 mHEas， mJ1012 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0.13(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1824片采用P

20、OCL3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VTHBVDSSIDSSRDSONISGS2MCS5A6012ADL14110MDL14110M00176。02%006016。2MCS5A6012ADL14110MDL14110M00288。44%002。608。3MCS5A6012ADL14110MDL14110M#00392.18%001.805.7MCS5A6012ADL14110MDL14110M#00490。650020。26。8MCS5A6012ADL14110MDL1411

21、0M#00592。010。200。307。2MCS5A6012ADL14110MDL14110M00691.50002.206MCS5A6012ADL14110MDL14110M00790。65001。407。5MCS5A6012ADL14110MDL14110M00891。33%0.201。806.3MCS5A6012ADL14110MDL14110M#00986。73%005。806。6MCS5A6012ADL14110MDL14110M01091。84000.906.9MCS5A6012ADL14110MDL14110M01187。93%0。203。108。2MCS5A6012ADL14

22、110MDL14110M#01290.31%002.606。6MCS5A6012ADL14110MDL14110M01388。10%003.707.5MCS5A6012ADL14110MDL14110M#01482.65%005。8010。3MCS5A6012ADL14110MDL14110M#01587.7600605。5MCS5A6012ADL14110MDL14110M#01694。56%001.404MCS5A6012ADL14110MDL14110M#01788.27%002.308。8MCS5A6012ADL14110MDL14110M#01888。61%004.306。5MCS5

23、A6012ADL14110MDL14110M#01993。03001。804.9MCS5A6012ADL14110MDL14110M#02088。95002.308。2MCS5A6012ADL14110MDL14110M#02191。33%002.306MCS5A6012ADL14110MDL14110M02291。16%002.106。3MCS5A6012ADL14110MDL14110M02391.50002.505。7MCS5A6012ADL14110MDL14110M02463.100020013。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(

24、产品规范：2。553.45V）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Test Condition1 2 345678910平均Ciss, nFVDS=25V2.01 2。00 2.02 2。03 2。01 2.05 2。01 2。01 2。02 2。01 2.0171Crss， pFVGS=017.47 14。35 19。02 19.78

25、 18.82 18。92 12。84 16。88 17.78 17.59 17。345Coss, pFF=1MHZ188.84 185。31 189.77 192。01 188。76 193.06 188。72 187.09 187。59 188。26 188。94Rg， ohms2。542。542。522。512。522。512.562。532。512.542.528Qgs， nCVDS=300V9。40 9。40 9.50 9。00 9.30 9.30 9。70 9.50 9.40 9。40 9。39Qgd, nCID=12A18.00 16。10 19。00 19.20 18。90 18。70 15。70 17。60 17.80 17。50 17。85Qg, nCVGS=10V44。70 41。70 45.30 46。60 45.30 46.00 40.70 44.00 45。10 44.50 44.39Ias， ampsVDD=50V15.04 14.88 15.12 15.20 15。20 15.12 14.96 15.12 14.96 15.12 2L， mHL=10 Mh10。00 10。00 10。00 10.00 10。00 10。00 10.00 10.00 10.00 10。00 0Eas, mJ1131。01 1107。07