擴(kuò)散氧化工藝原理

1、擴(kuò)散氧化工藝原理 圓片部 擴(kuò)散班-劉磊石擴(kuò)散工藝原理擴(kuò)散原理n擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是一種微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)，只有存在濃度梯度時(shí)，這種熱運(yùn)動(dòng)才能形成。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)其實(shí)是十分復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，只有當(dāng)雜質(zhì)濃度和位錯(cuò)密度低時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)才可以用恒定擴(kuò)散率情況下的菲克擴(kuò)散定律來(lái)描述為： J（x，t）=-DdN(x,t)/dx 式中 J單位時(shí)間內(nèi)雜質(zhì)原子擴(kuò)散量；n式中 dN(x,t)/dx雜質(zhì)濃度梯度（即沿x方向雜質(zhì)濃度變化率） D雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散系數(shù)D是描述雜質(zhì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)快慢的一個(gè)物理量，它與擴(kuò)散溫度、雜質(zhì)種類、擴(kuò)散氣氛、襯底晶向等多種因素有關(guān)。負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散方向與濃度增加方向相反，即沿著濃度下降的方向。 在此說(shuō)明一下，上式是假定

2、在一維空間中，即J只是x和t的函數(shù)。擴(kuò)散方程n恒定表面濃度擴(kuò)散-余誤差分布 N(x,t)=N0erfc x/2(Dt)1/2恒定表面源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布擴(kuò)散方程n有限源表面濃度擴(kuò)散-高斯分布 N(x,t)=Q/(Dt)1/2e-x2/4Dt Q-表面雜質(zhì)總量 有限表面源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布擴(kuò)散方法擴(kuò)散方法多種多樣，生產(chǎn)上常用的有以下幾種方法：n液態(tài)源擴(kuò)散n固態(tài)源擴(kuò)散n乳膠源擴(kuò)散其他還包括箱法擴(kuò)散，固固擴(kuò)散，金擴(kuò)散等擴(kuò)散方法。擴(kuò)散的均勻性和重復(fù)性n在大量的生產(chǎn)過(guò)程中，擴(kuò)散的均勻性和重復(fù)性十分必要，否則，半導(dǎo)體器件、集成電路的離散性就很大。在生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)同一批號(hào)的器件（同一爐擴(kuò)散出來(lái)），方塊電阻差別很大，

3、特別在低濃度擴(kuò)散時(shí)，這種現(xiàn)象比較嚴(yán)重。這就是擴(kuò)散的均勻性問(wèn)題如果在同樣的工藝條件下，每一爐的擴(kuò)散結(jié)果都有差別，這就是擴(kuò)散的重復(fù)性問(wèn)題。均勻性n擴(kuò)散不均勻有三個(gè)原因。首先是襯底材料本身存在差異如果同一批外延片中存在電阻率和厚度不均勻，那么在這一批外延片上進(jìn)行擴(kuò)散，其方塊電阻和雜質(zhì)濃度肯定會(huì)有不同。解決這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)然在于解決趁底材料的均勻性問(wèn)題，盡量選擇參數(shù)一致的材料同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)散。n其次是恒溫區(qū)有變化（或太短）。如果恒均勻性溫區(qū)短，會(huì)使石英舟各處溫度有差異，從而造成擴(kuò)散結(jié)果不均勻；如果恒溫區(qū)變化未及時(shí)調(diào)整，同樣會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。因此，在我們?nèi)粘５纳a(chǎn)過(guò)程中要經(jīng)常測(cè)量恒溫區(qū)的，并且恒溫區(qū)制得特別長(zhǎng)。n

4、第三是雜質(zhì)的蒸汽壓的影響。如果石英舟上各處的雜質(zhì)蒸汽壓不均勻，也會(huì)使得擴(kuò)散結(jié)果不均勻。如攜帶雜質(zhì)源的流量太小，而保護(hù)性流量又過(guò)大?；蛘呤⒐芫鶆蛐詎粗細(xì)不均勻使得石英舟上各處的雜質(zhì)蒸汽壓不一致。改進(jìn)辦法是在進(jìn)氣端安裝一個(gè)氣體混合室，使得保護(hù)性氣體和攜帶源的氣體混合后進(jìn)入氣體反應(yīng)室。對(duì)于片狀的擴(kuò)散源，要讓片狀源和硅片之間的間距完全相同。重復(fù)性n重復(fù)性不好是由于各爐次的工藝條件存在一些起伏而引起。如剛清洗的石英管和使用久了的石英管，如果用同樣的工藝條件，其結(jié)果是會(huì)有一些差別的。因?yàn)閯偳逑催^(guò)的石英管會(huì)吸收大量雜質(zhì)，而使用久了的石英管吸收雜質(zhì)已達(dá)到飽和狀態(tài)。此外，源溫、流量、材料、擴(kuò)散溫度等都會(huì)有些微

5、小的起伏，造成擴(kuò)散重復(fù)性不好。擴(kuò)散工藝的主要參數(shù)n1結(jié)深 比較關(guān)鍵，必須保證正確的溫度和時(shí)間；n2擴(kuò)散方塊電阻 注入能量和劑量一定后,表面濃度主要受制于推結(jié)程序的工藝過(guò)程,如高溫的溫度、工藝的時(shí)間、氧化和推結(jié)的前后順序； 現(xiàn)行的主要控制參數(shù)n3膜厚 主要為光刻對(duì)位提供方便,同時(shí)會(huì)改變園片表面的雜質(zhì)濃度；影響擴(kuò)散的工藝參數(shù)n1 溫度 易變因素，決定了擴(kuò)散系數(shù)的大小，對(duì)工藝的影響最大。 n2 時(shí)間 一般不易偏差，取決于時(shí)鐘的精確度。n3程序的設(shè)置 先氧化后推結(jié)與先推結(jié)后氧化得出的表面濃度就不同，因此，方塊電阻就會(huì)有很大的差別。n4 排風(fēng) &氣體流量 排風(fēng)：對(duì)爐管的片間均勻性，尤其是爐口有較大的影響

6、。 氣體流量：氣體流量的改變會(huì)影響氧化膜厚，從而使表面濃度產(chǎn)生變化，直接影響器件的電參數(shù).擴(kuò)散工藝的控制要點(diǎn)n1拉恒溫區(qū)控制溫度、2校流量控制氣體、3監(jiān)控風(fēng)量控制排風(fēng)4雙確認(rèn)控制工藝程序、5固定排片方式、片間距等n防止引入沾污，清洗硅片、石英舟、爐管等n工藝控制手段：前饋方式試片（陪片），使用假片等熱氧化工藝原理n熱氧化法是在高溫下（900-1200）使硅片表面形成二氧化硅膜的方法。熱氧化的目的是在硅片上制作出一定質(zhì)量要求的二氧化硅膜，對(duì)硅片或器件起保護(hù)、鈍化、絕緣、緩沖介質(zhì)等作用。硅片氧化前的清洗、熱氧化的環(huán)境及過(guò)程是制備高質(zhì)量二氧化硅膜的重要環(huán)節(jié)。2. 1氧化層的作用氧化層的作用n211用

7、于雜質(zhì)選擇擴(kuò)散的掩蔽膜 常用雜質(zhì)(硼,磷,砷等)在氧化層中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散系數(shù)，因此氧化層具有阻擋雜質(zhì)向半導(dǎo)體中擴(kuò)散的能力。利用這一性質(zhì)，在硅上的二氧化硅層上刻出選擇擴(kuò)散窗口，則在窗口區(qū)就可以向硅中擴(kuò)散雜質(zhì)，其它區(qū)域被二氧化硅屏蔽，沒(méi)有雜質(zhì)進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅的選擇性擴(kuò)散。SiO2N-WELLP-WLLS(P+)n1960年二氧化硅就已被用作晶體管選擇擴(kuò)散的掩蔽膜，從而導(dǎo)致了硅平面工藝的誕生，開創(chuàng)了半導(dǎo)體制造技術(shù)的新階段。同時(shí)二氧化硅也可在注入工藝中，作為選擇注入的掩蔽膜。作為掩蔽膜時(shí)，一定要保證足夠厚的厚度，雜質(zhì)在二氧化硅中的擴(kuò)散或穿透深度必須要小于二氧化硅的厚度，并有一定的余量，以防

8、止可能出現(xiàn)的工藝波動(dòng)影響掩蔽效果。21. 2緩沖介質(zhì)層n其一：硅與氮化硅的應(yīng)力較大，因此在兩層之間生長(zhǎng)一層氧化層，以緩沖兩者之間的應(yīng)力；其二：也可作為注入緩沖介質(zhì)，以減少注入對(duì)器件表面的損傷。Si(P)P-WellN-WellSiO2 Si3N4213電容的介質(zhì)材料n 電容的計(jì)算公式： C=0*r*S/d 0：真空介質(zhì)常數(shù) r：相對(duì)介電常數(shù) S：電容區(qū)面積 D：介質(zhì)層厚度 二氧化硅的相對(duì)介電常數(shù)為3-4。二氧化硅的耐擊穿能力強(qiáng)，溫度系數(shù)小，是制作電容介質(zhì)的常用材料。在電容的制作過(guò)程中，電容的面積和光刻、腐蝕有較大的關(guān)系，而厚度則由二氧化硅的厚度決定。214 集成電路的隔離介質(zhì)n二氧化硅的隔離效

9、果比PN結(jié)的隔離效果好，漏電流小，耐擊穿能力強(qiáng)，隔離區(qū)和襯底之間的寄生電容小，不受外界偏壓的影響，使器件有較高的開關(guān)速度。如工藝中常用的場(chǎng)氧化就是生長(zhǎng)較厚的二氧化硅膜，達(dá)到器件隔離的目的。N-WellSiO2Si(P)P-WellSi3N4215 MOS管的絕緣柵材料 二氧化硅的厚度和質(zhì)量直接決定著MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的多個(gè)電參數(shù)，因此在柵氧化的工藝控制中，要求特別嚴(yán)格。N-WellSi(P)P-WellSiO2PolyGate-oxide22 熱氧化方法介紹熱氧化方法介紹n221 干氧氧化 干氧氧化化學(xué)反應(yīng)式：Si+O2 = SiO2n氧分子以擴(kuò)散的方式通過(guò)氧化層到達(dá)二氧化硅-硅表面，與硅發(fā)生

10、反應(yīng)，生成一定厚度的二氧化硅層。n干氧化制作的SiO2結(jié)構(gòu)致密，均勻性、重復(fù)性好，掩蔽能力強(qiáng)，對(duì)光刻膠的粘附性較好，但生長(zhǎng)速率較慢；一般用于高質(zhì)量的氧化，如柵氧等；222 水汽氧化 n水汽氧化化學(xué)反應(yīng)式：n2H2O+Si = SiO2+2H2n水汽氧化生長(zhǎng)速率快，但結(jié)構(gòu)疏松，掩蔽能力差，有較多缺陷。對(duì)光刻膠的粘附性較差。223 濕氧氧化n濕氧氧化反應(yīng)氣體中包括O2 和H2O ，實(shí)際上是兩種氧化的結(jié)合使用。 濕氧氧化化學(xué)反應(yīng)式： H2+O2=H2O H2O+Si = SiO2+2H2 Si+O2 = SiO2n濕氧氧化的生長(zhǎng)速率介于干氧氧化和水汽氧化之間； 在今天的工藝中H2O的形成通常是由H2

11、和O2的反應(yīng)得到；因此通過(guò)H2和O2的流量比例來(lái)調(diào)節(jié)O2 和H2O的分壓比例，從而調(diào)節(jié)氧化速率，但為了安全，H2/O2比例不可超過(guò)1.8。 n濕氧氧化的氧化層對(duì)雜質(zhì)掩蔽能力以及均勻性均能滿足工藝要求，并且氧化速率比干氧氧化有明顯提高，因此在厚層氧化中得到了較為廣泛的應(yīng)用。224 摻氯氧化n氧化氣體中摻入HCL或DCE（C2H2Cl2）后，氧化速率及氧化層質(zhì)量都有提高。人們從兩個(gè)方面來(lái)解釋速率變化的原因，其一：摻氯氧化時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物有H2O，加速氧化；其二：氯積累在Si-SiO2界面附近，氯與硅反應(yīng)生成氯硅化物，氯硅化物穩(wěn)定性差，在有氧的情況下易轉(zhuǎn)變成SiO2，因此，氯起了氧與硅反應(yīng)的催化劑的作用。

12、并且氧化層的質(zhì)量也大有改善，同時(shí)能消除鈉離子的沾污，提高器件的電性能和可靠性。熱氧化過(guò)程中摻入氯會(huì)使氧化層中含有一定量的氯原子，從而可以減少鈉離子沾污，鈍化SiO2中鈉離子的活性，抑制或消除熱氧化缺陷，改善擊穿特性，提高半導(dǎo)體器件的可靠性和穩(wěn)定性。n我們公司大多數(shù)氧化都含有摻氯氧化。2. 3氧化過(guò)程中硅片表面位置的變化氧化過(guò)程中硅片表面位置的變化n如果熱生長(zhǎng)的二氧化硅厚度是X0（um），所消耗的硅厚度為X1，則：n a=X1/X0=0.46n即生長(zhǎng)1um的SiO2，要消耗掉0.46um的Si。但不同熱氧化生長(zhǎng)的SiO2的密度不同，a值會(huì)略有差 Si-SiO界面原始硅表面SiO2表面46% 10

13、0% 54% n24 影響氧化速率的因素影響氧化速率的因素n241 熱氧化模型簡(jiǎn)介n 硅片的熱氧化過(guò)程是氧化劑穿透二氧化硅層向二氧化硅和硅界面運(yùn)動(dòng)并與硅進(jìn)行反應(yīng)。Deal-Grove方程具體描述了這種熱氧化過(guò)程。n Deal-Grove膜厚方程式：n X2+AX=B（t+ ）n式中：n A=2D0*（1/KS+1/h） n B=2D0*N*/nn =（XI2+A*XI）/Bn D0 ：氧化劑在二氧化硅中的有效擴(kuò)散系數(shù)； h：氣相輸運(yùn)常數(shù) n KS：界面反應(yīng)速率常數(shù) ；N*：氧化劑在氧化層中的平衡濃度n XI：初始氧化層厚度； n：形成單位體積二氧化硅所需的氧分子數(shù)n極限情況1：短時(shí)間氧化時(shí)n

14、X=（B/A）*t B/A：線性氧化速率常數(shù)n極限情況2：長(zhǎng)時(shí)間氧化時(shí)n X2=Bt B：拋物線速率常數(shù)n這兩個(gè)速率常數(shù)都與工藝方法、氧化溫度、氧化劑的分壓、晶向有關(guān)系。n242 氧化溫度的影響n 溫度越高，氧化速率越快。n 244 硅片晶向的影響n線性速率常數(shù)與晶向有較大的關(guān)系，各種晶向的園片其氧化速率為：n(110)POLY(111)(100)n245 摻雜雜質(zhì)濃度的影響n當(dāng)摻雜雜質(zhì)的濃度相當(dāng)高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生增強(qiáng)氧化，使氧化速率發(fā)生較大變化。n246 氯化物的影響n247 氧化劑分壓的影響n在前面介紹的濕氧氧化中，如果改變H2或O2的流量，就會(huì)使水汽和氧氣的分壓比變化，使氧化速率變化。n24 氧化的工藝控制氧化的工藝控制n1 氧化質(zhì)量控制n11 拉恒溫區(qū)控制溫度 定期拉恒溫區(qū)以得到好的溫度控制n12 DCE（C2H2Cl2）或HCL吹掃爐管n 13 電荷測(cè)量 可動(dòng)電荷測(cè)試可以檢測(cè)到可動(dòng)離子數(shù)目，使我們及時(shí)掌握爐管的沾污情況，防止?fàn)t管受到可動(dòng)電荷粘污,使大批園片受損。n14 片內(nèi)均勻性 保證硅片內(nèi)每個(gè)芯片的重復(fù)性良好n15 片間均勻性 保證每個(gè)硅片的重復(fù)性良好n16定期清洗爐管 清洗爐管，可以減少重金屬離子、堿金屬離子的沾污同時(shí)也能減少顆粒，保證氧化層質(zhì)量。n17 定期檢測(cè)系統(tǒng)顆粒25常見問(wèn)題及