专利名称：一种重掺杂硼硅片的再分布方法
技术领域：
本发明涉及一种重掺杂硼硅片，尤其是涉及一种在微机电系统(MEMS)中利用射频感应加热扩散法对硅片重掺杂硼后进行再分布的方法。
背景技术：
在微机电系统加工技术中，重掺杂工艺与可控性好的自停止腐蚀工艺相结合，可精确制备出几微米至几十微米厚的硼硅膜，作为微器件的结构层(如压力膜、悬臂梁等)。由于结构层尺寸要求，通常需要采用热扩散的方法进行高浓度深掺杂。在热扩散工艺中，为获得较深的重掺杂层，通常需要进行两步扩散——预扩散和再分布。对于再分布，热扩散的通常方法是:取出源片后，将预扩散后的硅片置于扩散炉内，然后施以等于或略高于预扩散温度的高温，在高温的作用下使掺杂原子利用浓度梯度继续向前“推进”，从而获得高浓度、深结深的重掺杂层。天津大学的王春梅等人(王春梅，硼扩散片制备技术研究，天津大学硕士学位论文.2008年)对硼扩散片的制备进行了系统研究，最后确定了再分布的最佳工艺条件:采用碳化娃管，电热丝加热，扩散温度为1240°C,扩散时间为50h。唐海林等人(唐海林等，高浓度硼深扩散自停止腐蚀层硅片工艺研究，电子元件与材料，2007.9)确定再分布在氧气氛围中进行，流量为600mL/min，电热丝加热，温度为1180°C，当再分布时间与预淀积时间比为1.5倍时(实验数据是37.5h/25h)可得到较深的扩散层。但这些方法，热量来源于外部设备，且升温慢、耗时长、能耗大。在整个重掺杂的高浓度扩散过程中，硼原子以间隙式扩散和替位式扩散并存的扩散形式进入硅基底。由于硼原子半径小于硅原子半径，因此会引起晶格失配，导致重掺杂层内存在残余应力。残余应力的大小主要和掺杂硼原子的浓度有关，但也和浓度梯度的分布有关。掺杂原子浓度越高，梯度越大，残余应力就越大，降低浓度或减小浓度梯度可以减小残余应力的产生。由于随后自停止腐蚀工艺的要求，掺杂浓度必须在5 X IO1Vcm3以上，这就使得掺杂浓度不能够降低，要减小残余应力就只能通过减小浓度梯度这一途径来实现。然而对于传统的再分布方法主要靠硅片中杂质硼的浓度梯度来“驱动”，限制了扩散均匀性的提高，使得浓度梯度难以降低，残余应力较大。同时，在MEMS运用领域中，掺杂成分的扩散深度至少要达到几十微米，传统方法依靠浓度梯度的驱动在扩散的有效结深上往往不能保证，且扩散速率慢，耗时长。在再分布过程中，扩散温度越高，扩散系数越大。对于硼而言，温度每提高10°C，其扩散系数就会增加一倍左右，因此更高的再分布温度会获得更深的重掺杂层。传统方法的扩散炉加热方式通常是电阻丝加热，在其主加热段，电热丝均匀环绕在石英管上。由于石英管的使用温度限制，很难施以1200°C以上的长时间高温。因此在需要更高再分布温度时，只能选用昂贵的碳化硅炉管，制备成本大大增加。
发明内容
本发明的目的在于提供再分布过程升温快，节约时间、能源和成本，同时可以减小制备中产生残余应力，并增加制备结深，缩短整个过程时长的一种重掺杂硼硅片的再分布方法。本发明包括以下步骤:I)将重掺杂硼硅片放在托盘上，然后置于石英腔体中，关闭屏蔽箱门，旋转压紧密封机构；2)将石英腔体抽真空，再通过气体进口和气体出口，对石英腔体内通入再分布所需气体；3)开启电源，通过电极片在空间中施加电场，然后开通射频电源，通过自动匹配器实现负载匹配，让感应线圈产生高频变化的磁场；4)打开温度传感器，利用温度传感器的温度指示，调节输入功率达到要求的温度，对重掺杂硼硅片进行加热，开始再分布过程；5)为确保操作人员安全，电磁感应线圈外装有电磁屏蔽外壳，在整个再分布过程中要保持干扰场强仪的开启，以实时监测场强大小，使其在相关规定的范围内。在步骤2)中，所述气体可采用为增强氧化而需要的氧气或是为了保护而需要的氩气或氮气等气体。在步骤3)中，所述施加电场可施加106V/cm左右的电场。在步骤4)中，所述调节输入功率达到要求的温度可根据需要的再分布温度调节输入功率达到要求的温度，所述再分布温度可为1200°C左右；所述再分布过程的时间长短可根据实验要获得的有效结深大小而定。本发明不用外部直接加热的热源，将预扩散硅片平放在石英腔体中，对电磁线圈通以交变电流产生交变磁场，利用预扩散硅片上预扩散层的低电阻率，并结合感应加热的原理加热硅片到规定的温度。同时，在预扩散硅片的外部空间中施加以垂直硅片的电场，电场正极远离掺杂层一侧。根据需要的有效结深值确定工作的时间长短，射频加热的功率等参数，实现再分布过程。本发明改变传统的用外热源加热进行再扩散的方法，采用电磁感应原理，通过在掺杂硅片周围放置线圈，产生高频感应磁场实现硅片内部的感应加热，达到再分布需求的1200°C左右的温度，同时在硅片空间中施加106V/cm左右的电场实现掺杂硼硅片的有效再分布。本发明无需外部加热源，加热效率高、加热速率快、节约能源和成本，并且感应加热的方式和外加电场可以在内部特性上降低残余应力，增加制备的有效结深，减少制备的时长。与现有技术相比，本发明的优点是:I)加热速率快，且节能、成本低。由于预扩散层的硼原子掺杂浓度范围达到IO19 1021/cm3，方块电阻在毫欧级别，具有良好的导电性，因此通过感应产生的涡电场，可以首先在硅片重掺杂层内产生涡电流，对重掺杂层直接进行加热。同时，利用硅优异的导热性，将热量通过热传导的方式传递到重掺杂层的下方，带动整个硅片加热。随着温度的升高，在本征激发作用下，硅片中本征载流子的浓度会逐渐增加，当加热到500°C以上后，整个硅片在高的本征载流子浓度下都将产生涡电流。这样，整个硅片都将因为涡电流而产生热量，不再依靠热传导作用。这种加热方式不但加热速度快(可以在30s内加热至1200°C，最高可加热至1300°C )，而且比一般的外部加热方式更节能，效率更高。同时由于不用电热丝加热，免去了用碳化硅炉管所带来的高成本。
2)可以有效减小残余应力。掺杂硅片中，硼为受主杂质，硼原子离化成负离子，并释放出空穴。此释放空穴的扩散系数比硼离子的扩散系数快得多，这就将产生一个内建电场，方向从空穴指向硼离子，并且掺杂浓度越大，此内建电场也就越大。当电磁感应产生的感应电动势驱使空穴移动的时候，在内建电场力的作用下，硼负离子也将获得一个驱动力，最终使得硼负离子在涡电流的作用下获得一个横向的驱动力，这种驱动力的大小和感应电动势以及内建电场的大小成正相关。在硅片水平放置的情况下，由于硅片的厚度通常比较薄，在实际空间中穿过硅片各层面的磁感应强度大致相同，由此感应电动势也大致相同，那么驱动力的大小就只和内建电场也就是和掺杂浓度成正相关。在实际预扩散过程后，不同区域的浓度有所不同，不仅体现在纵向深度方向上，在同一平面也有差别，例如在预扩散使用开式炉的情况下，所通氮气的流场会对扩散均匀性产生一定影响，浓度通常会沿径向向内逐渐降低。当采用本发明的再分布方法后，高浓度区域的硼离子受强驱动力的作用有着相对更强的离开该区域的能力，反之，低浓度区域的硼离子则相对地更趋向于留在该区域。高浓度区域掺杂原子进入低浓度区域，以至最后趋于平衡，浓度趋于均匀，浓度梯度相对于传统的热扩散法得以大大改善，进而减小重掺杂层内残余应力的产生。3)增大制备有效结深，加快制备速度。通过在竖直方向上施加电场(电场强度约为 106V/cm(Schjolberg-Henriksen K, Hanneborg A B.Jensen G U.Anodicbonding and the integration with electronics[J].Electrochemical Societyroceedings, 2003, 19:278-288))，使其对硅片中离化的硼杂质产生纵向的驱动力，推动其向下运动，从而加快扩散的速度，提高扩散的最大结深。另外在涡电场作用下，硼原子以间隙式扩散和替位式扩散等扩散形式的运动更加频繁和迅速，热运动的扩散作用在这种粒子处于高活跃状态下也变得更加明显，有利于增加扩散深度和速度。
图1为本发明所采用的实验装置实施例的结构示意图。图2为本发明所采用的实验装置实施例的扩散箱立体结构示意图。图3为本发明所采用的实验装置实施例的扩散箱平面结构示意图。
具体实施例方式参见图1 3，本发明采用的实验装置实施例设有扩散箱、自动匹配器6和电源7，所述扩散箱设有屏蔽箱外壳1、屏蔽箱门2、压紧密封机构3、气体出口 4、电源接口 5、屏蔽门隔热层8、石英门9、密封条10、保温箱体11、感应线圈12、石英腔体13、气体进口 14、重掺杂硼硅片15、托盘16、电极片17和干扰场强仪(图中未画出)，所述电源7包括射频电源和电场电源。其中，屏蔽箱外壳I和屏蔽箱门2按图示形状可由铜材制造。气体出口4和出口14具体在箱体中的摆放位置需要根据通入气体的种类而定，若气体的分子质量大于29，应将气体进口放在箱体较高的位置，将气体出口放在较低的位置；相反若气体的相对分子质量小于29，则应该将进口放在箱体较低的位置，出口放在较高的位置。自动匹配器6、射频电源及电场电源可按情况使用通用型号选配即可。感应线圈12由铜线绕制而成，在箱体的上部和下部呈S形排布。托盘16采用外圆三点，中间一点的四点支撑方式。以下给出具体操作步骤:
1、首先将重掺杂硼硅片15放在托盘16上，然后置于石英腔体13中，关闭屏蔽箱门2，旋转压紧密封机构3，使得在石英门9和密封条10的共同作用下，石英腔体13处于密闭状态，同时屏蔽门隔热层8和保温箱体11将重掺杂环境包围，减小热量的损失。2、用真空抽气泵将石英腔体13中的空气抽走，之后通过气体进口 14和气体出口4，按照需要对石英腔体内通入再分布所需气体。这里的气体可以是为增强氧化而需要的氧气或是为了保护而需要的氩气或氮气等气体。3、电源接口 5接上电源，并将电源开启，通过电极片17在空间中施加106V/cm左右的电场，然后开通射频电源，通过自动匹配器6实现负载匹配，让感应线圈12产生高频变化的磁场。4、打开温度传感器，利用温度传感器的温度指示，根据需要的再分布温度(一般在1200°C左右)调节输入功率达到要求的温度，对重掺杂硼硅片15进行加热，开始再分布过程。再分布过程的时间长短根据实验要获得的有效结深大小而定。5、为确保操作人员安全，电磁感应线圈外装有电磁屏蔽外壳1，并且整个再分布过程中要保持干扰场强仪的开启，以实时监测场强大小，使其在相关规定的范围内。
权利要求
1.一种重掺杂硼硅片的再分布方法，其特征在于包括以下步骤: 1)将重掺杂硼硅片放在托盘上，然后置于石英腔体中，关闭屏蔽箱门，旋转压紧密封机构； 2)将石英腔体抽真空,再通过气体进口和气体出口，对石英腔体内通入再分布所需气体； 3)开启电源，通过电极片在空间中施加电场，然后开通射频电源，通过自动匹配器实现负载匹配，让感应线圈产生高频变化的磁场； 4)打开温度传感器，利用温度传感器的温度指示，调节输入功率达到要求的温度，对重掺杂硼硅片进行加热，开始再分布过程； 5)为确保操作人员安全，电磁感应线圈外装有电磁屏蔽外壳，在整个再分布过程中要保持干扰场强仪的开启，以实时监测场强大小，使其在相关规定的范围内。
2.如权利要求1所述一种重掺杂硼硅片的再分布方法，其特征在于在步骤2)中，所述气体采用为增强氧化而需要的氧气，或为了保护而需要的氩气或氮气。
3.如权利要求1所述一种重掺杂硼硅片的再分布方法，其特征在于在步骤3)中，所述施加电场是施加106V/cm的电场。
4.如权利要求1所述一种重掺杂硼硅片的再分布方法，其特征在于在步骤4)中，所述调节输入功率达到要求的温度是根据需要的再分布温度调节输入功率达到要求的温度，所述再分布温度为1200°C。
全文摘要
一种重掺杂硼硅片的再分布方法，涉及一种重掺杂硼硅片。将重掺杂硼硅片放在托盘上，然后置于石英腔体中，关闭屏蔽箱门，旋转压紧密封机构；将石英腔体抽真空，通过气体进口和气体出口，对石英腔体内通入再分布所需气体；开启电源，通过电极片在空间中施加电场，然后开通射频电源，通过自动匹配器实现负载匹配，让感应线圈产生高频变化的磁场；打开温度传感器，利用温度传感器的温度指示，调节输入功率达到要求的温度，对重掺杂硼硅片进行加热，开始再分布过程；为确保操作人员安全，电磁感应线圈外装有电磁屏蔽外壳，在整个再分布过程中要保持干扰场强仪的开启，以实时监测场强大小，使其在相关规定的范围内。加热速率快，成本低，有效减小残余应力。
文档编号B81C1/00GK103193195SQ20131007421
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月8日 优先权日2013年3月8日
发明者王凌云, 王申, 张豪尔, 杜晓辉, 蔡建法, 占瞻, 孙道恒 申请人:厦门大学