電子氣體的發展及其應用

  進入20世紀90年代，世界半導體制造加工中心已由西方逐漸向中國大陸轉移，中國已成為世界晶圓的生產基地，中國IC制造業可謂異軍突起然而。

  我國IC產業的發展極不平衡，與之相關的源性材料仍然依賴進口，因此，盡管我國IC生產加工數量多，但利潤卻較低。

  電子氣號稱IC制造的糧食，它的質量好壞直接決定半導體器件的性能。有資料表明，電子氣質量哪怕有絲毫的變化，都將嚴重影響器件的成品率，因此，發達國家為了發展IC業，首先優先開展電子氣的研究與生產。由于電子器件發展永無止境，不斷升級換代，所以，電子氣的研究也必將是隨之不斷發展，甚至超前發展，以適應下游制造業的發展。

  在電子氣家族中，硅烷、磷烷、硼烷、砷烷應用量較大，是IC制造極為重要的原料。

  電子氣的分類

  電子工業服務的電子氣品種繁多，用途五花八門，它的分類方法亦較為復雜。一般可按電子氣組分的性質來分類，也可以按電子氣的用途分舉類。

  A.按電子氣組分的性質分類

  按組分的性質分類，大致可分為三大類，即單質類氣體、化合物類氣體和混合物類氣體。

  表1列出了上述三類電子氣的典型例子。其中化合物類應用較多，又可細分為三種，即氫化物(如SiH4)、PH3、B2H6等)、氟化物(如NF3、 BF3、SiF4等)和碳氟化合物(如CF4、C2F6、C5F12等)。 

不同成分電子氣的分類

  B.按電子氣用途分類

  根據電子氣的不同用途，電子氣可分為十多類，例如外延晶體生長氣、熱氧化氣、外延氣、摻雜氣、擴散氣、化學氣相沉積氣、噴射氣、離子注人氣、等離子蝕刻氣、載氣/吹洗氣、光刻氣、退火氣、焊接氣、燒結氣和平衡氣等。表2列出了電子工業、半導體器件制備工藝中所用電子氣的范例。

  常用電子混合氣

  在大規模集成電路(( LSI) ,超大規模集成電路(VLSI)、半導體和電子器件生產與加工過程中，電子氣主要用于氣相外延生長、化學氣相沉積、摻雜(雜質擴散)、蝕刻、離子注人、濺射、退火、系統加壓、潔凈吹掃、吸氣覆蓋、氧化和還原等工藝。其中部分氣體可直接作為半導體源，如硅源、硼源、磷源和化學氣相沉積(CVD)源等。

  A.外延生長混合氣

  外延生長是一種單晶材料沉積并生長在襯底表面上的過程，在半導體工業中，在仔細選擇的襯底上選用化學氣相沉積的方法，生長一層或多層材料所用的氣體叫做外延氣體。常用的硅外延氣體有二氯氫硅、四氯化硅和硅烷等。主要用于外延硅沉積、多晶硅沉積、氧化硅膜沉積、氮化硅膜沉積、太陽能電池和其他光感器的非晶硅膜沉積等。常見外延混合氣體組成列于表3中。

  表-3 外延生長混合氣組成

  B.蝕刻混合氣

  蝕刻就是將基片上無光刻膠掩蔽的加工表面(如金屬膜、氧化硅膜等)蝕刻掉，而使有光刻膠掩蔽的區域保存下來，以便在基片表面上獲得所需要的成像圖形。蝕刻方式有濕法化學蝕刻和干法化學蝕刻。干法化學蝕刻所用氣體稱為蝕刻氣體。蝕刻氣體通常多為氟化物氣體(鹵化物類），例如四氟甲烷、三氟化氮、硯氟甲烷、六氟乙烷、全氟丙烷等。常見蝕刻氣列于表4中。

  表-4 常用刻蝕混合氣

  C.摻雜混合氣

  在半導體器件和集成電路制造中，將某些雜質摻人半導體材料內，使材料具有所需要的導電類型和一定的電阻率，以制造電阻、PN結、埋層等。摻雜工藝所用的氣體稱為摻雜氣。主要包括砷化氫、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。通常將摻雜源與運載氣體(如氦氣和氮氣)在源柜中混合，混合后氣流連續注人擴散爐內并環繞在晶片四周，在晶片表面沉積上摻雜劑，進而與硅反應生成摻雜金屬而徙動進人硅。常用摻雜混合氣列于表5中。 

  D.化學氣相沉積混合氣

  化學氣相沉積(CVD)混合氣是利用揮發性化合物，通過氣相化學反應沉積某種單質或化合物的一種方法，即應用氣相化學反應的一種成膜方法。依據成膜種類，使用的化學氣相沉積(CVD)氣體也不相同。表6列出了幾類化學沉積混合氣的組成。
表-6 化學氣相沉積混合氣

  E.離子注入氣 

  在半導體器件和集成電路制造中，離子注人工藝所用的氣體統稱為離子注人氣，它是把離子化的雜質(如硼、磷、砷等離子)加速到高能級狀態，然后注入到預定的襯底上。離子注入技術在控制閥值電壓方面應用得最為廣泛。注入的雜質量可以通過測量離子束電流而求得。離子注入氣體通常指磷系、砷系和硼系氣體。表7列出了英國BOC公司生產的部分離子注入用氣體的例子。

  表-7 英國BOC公司部分離子注入氣體