擴散工藝-半導(dǎo)體制造

1、擴散工藝前言:擴散部按車間劃分主要由擴散區(qū)域及注入?yún)^(qū)域組成，其中擴散區(qū)域又分擴散老區(qū)和擴散新區(qū)。擴散區(qū)域按工藝分，主要有熱氧化、擴散、 LPCVD合金、清洗、沾污測試等六大工藝。 本文主要介紹熱氧化、 擴散及合金工藝。目錄第一章：擴散區(qū)域設(shè)備簡介第二章：氧化工藝第三章：擴散工藝第四章：合金工藝7 / 13第一章：擴散部擴散區(qū)域工藝設(shè)備簡介 爐管設(shè)備外觀:1擴散區(qū)域的工藝、設(shè)備主要可以分為:類別主要包括按工藝分類熱氧化一氧、二癢、場氧、Post氧化擴散推阱、退火/磷摻雜LPCVDTEOS、SI3N4、POLY清洗進爐前清洗、漂洗合金合金按設(shè)備分類臥式爐A、B、C、D、F、H、I TT&立

2、式爐VTR-1、VTR-2、VTR-3清洗機FSI-1、FSI-2爐管：負責高溫作業(yè)，可分為以下幾個部分:組成部分功能控制柜一對設(shè)備的運行進行統(tǒng)一控制；裝舟臺：一園片放置的區(qū)域，由控制柜控制運行爐 體：一對園片進行高溫作業(yè)的區(qū)域，由控制柜控制升降溫源 柜：一供應(yīng)源、氣的區(qū)域，由控制柜控制氣體閥門的開關(guān)FSI:負責爐前清洗。第二章：熱氧化工藝熱氧化法是在高溫下(900C-1200 C)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，對硅片或器件起保護、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)境及過程是制備高質(zhì)量二氧化硅膜的重要環(huán)節(jié)。2. 1氧

3、化層的作用2. 1. 1用于雜質(zhì)選擇擴散的掩蔽膜常用雜質(zhì)(硼，磷，種等)在氧化層中的擴散系數(shù)遠 小于在硅中的擴散系數(shù)，因此氧化層具有阻擋 雜質(zhì)向半導(dǎo)體中擴散的能力。利用這一性質(zhì)，在硅上的二氧化硅層上刻出選擇擴散窗口，則在窗口 區(qū)就可以向硅中擴散雜質(zhì)，其它區(qū)域被二氧化硅屏蔽，沒有雜質(zhì)進入，實現(xiàn)對硅的選擇性擴散。P-WLLS(P+)SiO2N-WELL1960年二氧化硅就已被用作品體管選擇擴散的掩蔽膜，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，定要保證足夠厚的厚度，雜質(zhì)在二氧化硅中的 擴散或穿透深度必須要小于二氧化

4、硅的厚度，并有 定的余量，以防止可能出現(xiàn)的工藝波動影響掩蔽效果。2. 1.2緩沖介質(zhì)層其一：硅與氮化硅的應(yīng)力較大，因此在兩層之間生長一層氧化層，以緩沖兩者之間的應(yīng)力，如二次氧化；其二：也可作為注入緩沖介質(zhì)，以減少注入對器件表面的損傷Si3N4P-WellSi(P)SiO2N-Well2. 1. 3電容的介質(zhì)材料電容的計算公式：C=0* r*S/d0：真空介質(zhì)常數(shù)r：相對介電常數(shù)S:電容區(qū)面積 D :介質(zhì)層厚度氧化硅的相對介電常數(shù)為3-4。二氧化硅的耐擊穿能力強，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2. 1.

5、 4集成電路的隔離介質(zhì)二氧化硅的隔離效果比PN結(jié)的隔離效果好，漏電流小，耐擊穿能力強，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。如工藝中常用的場氧化就是生長較厚的二 氧化硅膜，達到器件隔離的目的。SiO2N-WellP-WellSi(P)2. 1. 5 MOS®效應(yīng)晶體管的絕緣柵材料二氧化硅的厚度和質(zhì)量直接決定著 MO揚效應(yīng)晶體管的多個電參數(shù)，因此在柵氧化的工藝控制中,要求特別嚴格。Poly P-WellSi(P)Gate-oxide卷:s'mu.;*. 北文第三念身 <-內(nèi)心詈心*右N-Well2. 2熱氧化方法介紹2. 2. 1干氧

6、氧化干氧氧化化學(xué)反應(yīng)式：Si+O2 = SiO2氧分子以擴散的方式通過氧化層到達二氧化硅 -硅表面，與硅發(fā)生反應(yīng)，生成一定厚度的二氧化 硅層。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，對光刻膠的粘附性較好，但生長 速率較慢；一般用于高質(zhì)量的氧化，如柵氧等；厚層氧化時用作起始和終止氧化；薄層緩沖氧化也使 用此法。2. 2. 2水汽氧化水汽氧化化學(xué)反應(yīng)式：2H2O+Si = SiO 2+2H水汽氧化生長速率快，但結(jié)構(gòu)疏松，掩蔽能力差，有較多缺陷。對光刻膠的粘附性較差，我們公 司不采用此方法。2. 2. 3濕氧氧化濕氧氧化反應(yīng)氣體中包括Q和HO ,實際上是兩種氧化的結(jié)合使用。濕氧氧

7、化化學(xué)反應(yīng)式：H 2+O=HOH2O+Si = SiO 2+2HSi+O2 = SiO2濕氧氧化的生長速率介于干氧氧化和水汽氧化之間；在今天的工藝中H2O勺形成通常是由代和。的反應(yīng)得到；因此通過 凡和Q的流量比例來調(diào)節(jié)Q和HO勺分壓比例，從而調(diào)節(jié)氧化速率，但為了安全， 凡/。2比例不可超過1.88。濕氧氧化的氧化層對雜質(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，如場氧化等。2. 2. 4摻氯氧化氧化氣體中摻入HC域DCE(GHC12)后，氧化速率及氧化層質(zhì)量都有提高。人們從兩個方面來解 釋速率變化的原因，其一：摻氯氧化時反應(yīng)產(chǎn)

8、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。并且氧化層的質(zhì)量也大有改善，同時能消除鈉離子的沾污，提高器件的電性能 和可靠性。熱氧化過程中摻入氯會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。我們公司大多數(shù)干氧氧化都含有摻氯氧化。2. 3熱氧化過程中的硅片表面位置的變化如果熱生長的二氧化硅厚度是 Xo (umj),所消耗的硅厚度為X,則：a=Xi/Xo=0.46

9、即生長1um的SiO2,要消耗掉0.46um的Si。但不同熱氧化生長的SiO2的密度不同，a值會略有 差異54%SiO2表面原始硅表面100%46%Si-SiO界面2. 4影響氧化速率的因素2. 4. 1熱氧化模型簡介硅片的熱氧化過程是氧化劑穿透二氧化硅層向二氧化硅和硅界面運動并與硅進行反應(yīng)Deal-Grove方程具體描述了這種熱氧化過程。Deal-Grove 膜厚方程式：X2+AX=B (t+ )式中：A=2D0* (1/Ks+1/h)*B=2D0*N /n=(X2+A*X) /bD 0 :氧化劑在二氧化硅中的有效擴散系數(shù)；h :氣相輸運常數(shù) * 一、Ks：界面反應(yīng)速率常數(shù)；N:氧化劑在氧化

10、層中的平衡濃度X I：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) 極限情況1:短時間氧化時X= (B/A) *t B/A :線性氧化速率常數(shù)極限情況2:長時間氧化時X2=BtB:拋物線速率常數(shù)這兩個速率常數(shù)都與工藝方法、氧化溫度、氧化劑的分壓、晶向有關(guān)系。2 . 4. 2氧化溫度的影響 溫度越高，氧化速率越快。2 . 4. 4硅片晶向的影響線性速率常數(shù)與晶向有較大的關(guān)系，各種晶向的園片其氧化速率為： (110)>POLY>(111)>(100)2. 4. 5摻雜雜質(zhì)濃度的影響當摻雜雜質(zhì)的濃度相當高時，會產(chǎn)生增強氧化，使氧化速率發(fā)生較大變化。如LVMG產(chǎn)品N+!火

11、氧化：在未摻雜區(qū)的氧化厚度：670A在N+B雜區(qū)氧化厚度：1700A2. 4. 6氯化物的影響2. 4. 7氧化劑分壓的影響在前面介紹的濕氧氧化中，如果改變 H2或O2的流量，就會使水汽和氧氣的分壓比降低，使氧化 速率變化。2. 4 CSMC-HJT散課的工藝狀況2. 4. 1氧化質(zhì)量控制2. 4. 1. 1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2. 4. 1. 2 DCE (GHC。吹掃爐管2 . 4. 1. 3 BT 測量BT®目可以檢測到可動離子數(shù)目，使我們及時掌握爐管的沾污情況，防止爐管受到可動電荷粘污, 使大批園片受損。2. 4. 1. 4片內(nèi)均勻性保證硅片中每個芯

12、片的重復(fù)性良好3. 4. 1. 5片間均勻性保證每個硅片的重復(fù)性良好4. 4. 1. 6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也能減少顆粒，保證氧化層質(zhì)量。5. 4. 1. 7定期檢測系統(tǒng)顆粒6. 5.常見問題及處理I膜厚異常，但均勻性良好對策：首先，檢查測量結(jié)果是否準確、儀器工作狀態(tài)是否正常，然后1檢查氣體流量、工藝溫度是否正常；2 檢查爐管的氣體接口是否正常；3 如使用控制片，檢查控制片是否用對；4和動力部門確認，工藝時氣體供應(yīng)有無出現(xiàn)異常；5對于外點火的爐管，請檢查點火裝置的各處連接正常，然后進行TORCH火實驗。n 部分園片或部分測試點膜厚正常，但整體均勻性差對

13、策：1如使用控制片，檢查控制片；2檢查排風正常3檢查爐門正常第三章 擴散工藝擴散技術(shù)目的在于控制半導(dǎo)體中特定區(qū)域內(nèi)雜質(zhì)的類型、濃度、深度和PN結(jié)。在集成電路發(fā)展初期是半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的主要技術(shù)之一。但隨著離子注入的出現(xiàn)，擴散工藝在制備淺結(jié)、低濃度摻 雜和控制精度等方面的巨大劣勢日益突出，在制造技術(shù)中的使用已大大降低。3. 1擴散機構(gòu)7. 1. 1替位式擴散機構(gòu)這種雜質(zhì)原子或離子大小與 Si原子大小差別不大，它沿著硅晶體內(nèi)晶格空位跳躍前進擴散，雜 質(zhì)原子擴散時占據(jù)品格格點的正常位置，不改變原來硅材料的晶體結(jié)構(gòu)。硼、磷、種等是此種方式。Si原子-Voo 7Q13 0 0雜質(zhì)原子 。一 c . a q

14、晶格空位1c C C C C3. 1. 2填隙式擴散機構(gòu)這種雜質(zhì)原子大小與 Si原子大小差別較大，雜質(zhì)原子進入硅晶體后，不占據(jù)品格格點的正常位 置，而是從一個硅原子間隙到另一個硅原子間隙逐次跳躍前進。鍥、鐵等重金屬元素等是此種方式。Si原子 1f。oooq 雜質(zhì)原子OOOOO11OOOOO3. 2擴散方程N / t = D* 2N / x2N=N(x, t)雜質(zhì)的濃度分布函數(shù)，單位是 cm-3D:擴散系數(shù)，單位是cm2/s加入邊界條件和初始條件，對上述方程進行求解，結(jié)果如下面兩小節(jié)所訴。3. 2. 1恒定表面濃度擴散整個擴散過程中，硅片表面濃度 Ns保持不變，、一 ， ，一 ，一、1/2、N(

15、x, t) =Nerfc (x/ (2* (Dt)式中erfc稱作余誤差函數(shù)，因此恒定表面濃度擴散分布符合余誤差分布。3. 2. 2.限定源擴散雜質(zhì)源限定在硅片表面薄的一層，雜質(zhì)總量 Q是常數(shù)。N(x, t) = (Q/ ( Dt) 1/2) *exp (-X2/4Dt)exp (-X2/4Dt)是高斯函數(shù)，因此限定源擴散時的雜質(zhì)分布是高斯函數(shù)分布。由以上的求解公式，可以看出擴散系數(shù) D以及表面濃度對恒定表面擴散的影響相當大3. 2. 3擴散系數(shù)擴散系數(shù)是描述雜質(zhì)在硅中擴散快慢的一個參數(shù)，用字母D表示。D大，擴散速率快。D與擴散溫度T、雜質(zhì)濃度N襯底濃度N、擴散氣氛、襯底晶向、缺陷等因素有關(guān)。

16、D=Dexp (-E/kT)T:絕對溫度；K:波爾茲曼常數(shù)；E:擴散激活能D0:頻率因子11 / 133. 2. 4雜質(zhì)在硅中的固溶度雜質(zhì)擴散進入硅中后，與硅形成固溶體。在一定的溫度下，雜質(zhì)在硅中有一個最大的溶解度，其 對應(yīng)的雜質(zhì)濃度，稱該溫度下雜質(zhì)在硅中的固溶度。固溶度在一定程度上決定了硅片的表面濃度。3. 3 CSMC-HJT散課的擴散工藝狀況擴散工藝按照作用可以分為推阱、退火、磷摻雜，不同工藝的作業(yè)爐管在配置上稍有不同。3. 3. 1推阱由于CMOS由PMOS口 NMOS1成，因此需要在一種襯底上制造出另一種型號的襯底，才可以在一 種型號的硅片上同時制造出 N管、P管，在選擇注入后的推阱

17、工藝就可以在硅片上制出P阱、N阱；由于推阱一般需要有一定的結(jié)深，而雜質(zhì)在高溫下的擴散速率較大，因此推阱工藝往往需要在較高的 溫度（1150。下進行，以縮短工藝時間，提高硅片的產(chǎn)出率。3. 3. 1. 1推阱工藝主要參數(shù)3. 3. 1. 1. 1 結(jié)深比較關(guān)鍵，必須保證正確的溫度和時間；3. 3. 1. 1. 2 股厚主要為光刻對位提供方便，同時會改變園片表面的雜質(zhì)濃度，過厚或過薄均會影響N管或P管的開啟電壓；3. 3. 1. 1. 3表面濃度注入能量和劑量一定后，表面濃度主要受制于推阱程序的工藝過程，如高溫的溫度、工藝的時間、 氧化和推結(jié)的前后順序；3. 3. 1. 2影響推阱的工藝參數(shù)3.

18、3. 1. 2. 1 溫度易變因素，決定了擴散系數(shù)的大小，對工藝的影響最大。3. 3. 1. 2. 2 時間一般不易偏差，取決于時鐘的精確度。3. 3. 1. 2. 3程序的設(shè)置先氧化后推阱與先推阱后氧化得出的表面濃度就不同，因此阱電阻就會有很大的差別。3. 3. 1. 2. 4排風&氣體流量排風：對爐管的片間均勻性，尤其是爐口有較大的影響。氣體流量：氣體流量的改變會影響氧化膜厚， 從而使表面濃度產(chǎn)生變化，直接影響器件的電參數(shù). 3. 3. 1. 3推阱工藝控制阱電阻：用來監(jiān)控推阱后 N （或P）阱電阻的大小，阱電阻的大小會對制作在 N （或P）阱里的品 體管的柵開啟電壓及擊穿電壓造成

19、直接影響；但電阻控制片的制作由于有一定的制作流程，因此電阻9 / 13有時會受制備工藝的影響。3. 3. 2退火在當今的亞微米工藝中，由于淺結(jié)、短溝的限制，硅片工藝后段的熱過程越來越被謹慎地使用，但是退火仍然以不同的形式出現(xiàn)在工藝的流程中。退火可以激活雜質(zhì)，減少缺陷，并獲得一定的結(jié)深。它的工藝時間和溫度關(guān)系到結(jié)深和雜質(zhì)濃度。3. 3. 3磷摻雜由于磷摻雜的控制精度較底，它已經(jīng)漸漸地退出了工藝制作的舞臺。但是在一些要求不高的工藝 步驟仍然在使用。3. 3. 3. 1多晶摻雜向多品中摻入大量的雜質(zhì)，使多晶具有金屬導(dǎo)電特質(zhì)，以形成 MOS “M'或作為電容器的一個 極板或形成多晶電阻，之所以

20、不用離子注入主要是出于經(jīng)濟的原因。3. 3. 3. 2 N+淀積在我們的生產(chǎn)線上，仍然在使用此種工藝-磷摻雜的傳統(tǒng)角色，以形成源漏結(jié)和擴散電阻3. 3. 3. 3磷擴散原理使用PBr3源，反應(yīng)式如下：4 PBr3+5Q = 2P 2O5+6Br22P2c5 +5Si = 5SiO 2 +4P3. 3. 4磷擴散工藝主要參數(shù)3. 3. 4. 1 結(jié)深3. 3. 4. 2擴散電阻現(xiàn)行的主要控制參數(shù)3. 3. 4. 3表面濃度以上這三項參數(shù)都與摻雜時間、摻雜溫度、磷源流量等有密切的關(guān)系3. 3. 5影響磷擴散的因素3. 3. 5. 1爐管溫度和源溫爐管溫度會影響雜質(zhì)在 硅中的固溶度，從而影響摻雜電阻

21、；PBr3是揮發(fā)性較強的物質(zhì)，溫度 的 大小會影響源氣的揮發(fā)量，使源氣蒸氣壓發(fā)生變化，從而影響摻雜雜質(zhì)總量，因此必須保證溫度穩(wěn)定。3. 3, 5. 2程序的編制磷源流量設(shè)置的大小決定了淀積時間的長短，使推結(jié)的時間變化，從而影響了表面濃度和電阻。3. 3. 5. 3 時間一般不易偏差，取決于時鐘的精確度3. 3. 5. 4 排風排風不暢，會使摻雜氣體不能及時排出，集中在爐管之內(nèi)，使摻雜電阻難于控制。3. 3. 6磷擴散工藝控制3. 3. 6. 1拉恒溫區(qū)控制溫度3. 3. 6. 2電阻均勻性電阻均勻性可以反應(yīng)出溫度或氣體的變化以及時發(fā)現(xiàn)工藝和設(shè)備發(fā)生的問題，在進行換源、換爐 管等備件的更換時，需

22、及時進行該 QC的驗證工作，以確定爐管正常。4. 3. 6. 3清洗爐管及更換內(nèi)襯管由于在工藝過程中會有偏磷酸生成，在爐口溫度較低處會凝結(jié)成液體，并堆積起來，會腐蝕爐管 甚至流出爐管后腐蝕機器設(shè)備。5. 3. 4常見問題及處理6. 3. 4. 1推阱爐管均勻性及膜厚變化檢查方法與熱氧化一樣。7. 3. 4. 2推阱時程序中斷對策：1 .檢查爐管的作業(yè)記錄，找出中斷的真正原因；2 .根據(jù)作業(yè)記錄中剩余時間的多少確定返工時間；3 .必須減去升降溫的時間補償。3. 3. 4. 3磷摻雜后，電阻均勻性變差對策1 .檢查排風有無變化2 .檢查爐管的溫度有無大的偏差3 .檢查源溫有無大的波動4 .檢查MFC勺流量有無波動第四章：合金工藝淀積到硅片表面的金屬層經(jīng)光刻形成一定的互連圖形之后，還必須進行一次熱處理，稱為“合金 化”。合金的目的是使接觸孔中的鋁與硅之間形成低電阻歐姆接觸，并增加鋁與二氧化硅之間的附著 力。4.1