IC工藝技術(shù)4擴(kuò)散和熱氧化

1、集成電路工藝技術(shù)講座第四講擴(kuò)散和熱氧化1擴(kuò)散和氧化目錄擴(kuò)散擴(kuò)散基本規(guī)律擴(kuò)散技術(shù)擴(kuò)散層的檢測(cè)熱氧化熱氧化機(jī)理和規(guī)律氧化膜性質(zhì)及檢測(cè)氧化擴(kuò)散工藝模擬2擴(kuò)散擴(kuò)散工藝半導(dǎo)體制造中最基本的摻雜手段，高溫下將雜質(zhì)導(dǎo)入點(diǎn)陣，或形成一定分布，改變半導(dǎo)體導(dǎo)電性質(zhì)雙極IC的埋層，隔離，基區(qū)，發(fā)射區(qū)，MOS IC的阱，源漏都要用到擴(kuò)散雜質(zhì)導(dǎo)入方式從氣態(tài)或液態(tài)化學(xué)源中擴(kuò)散氣相摻雜從摻雜氧化物或乳膠源中擴(kuò)散固固擴(kuò)散離子注入然后退火，擴(kuò)散3擴(kuò)散基本理論擴(kuò)散方程低濃度時(shí)擴(kuò)散方程的解擴(kuò)散層薄層電阻電場(chǎng)的影響擴(kuò)散的微觀理論4擴(kuò)散方程j=-DdN/dx Fick 第一定律jx x+dx在間隔dx的二平面間，通過(guò)的凈物質(zhì)流Adj,

2、 應(yīng)等于空間(Adx)產(chǎn)生粒子速率(dN/dt)(Adx) AdxdN/dt=-Adjj+djA5擴(kuò)散方程N(yùn)/t= /x(DN/x) Fick 第二定律D（擴(kuò)散系數(shù)）一般是溫度和濃度的函數(shù)，低濃度擴(kuò)散時(shí)僅為溫度的函數(shù)，低濃度時(shí)的擴(kuò)散系數(shù) D=Do exp(-Eo/KT) 一定溫度下為常數(shù)低濃度時(shí)的擴(kuò)散方程 N/t=D 2N/x26低濃度擴(kuò)散（本征擴(kuò)散）0.010.11.010100n/ni(T)110100D/Di（T）本征擴(kuò)散非本征擴(kuò)散ni9.65x109cm3 (RT)ni=5x1018cm3 (1000C)7低濃度擴(kuò)散方程的解常數(shù)擴(kuò)散源N(x,t)=NS erfc(x/2(2Dt)1/2

3、)8低濃度擴(kuò)散方程的解有限擴(kuò)散源N(x,t)=Qo/(Dt)1/2 exp-(x/2(Dt)1/2)2高斯分布Xj1 Xj2NS NSNBx9擴(kuò)散層的薄層（方塊）電阻NPLLxjRs=L/Lxj = /xj=1/ xj10擴(kuò)散層的薄層（方塊）電阻（續(xù)）對(duì)n型樣品 qnn 雜質(zhì)全部電離 qnND 對(duì)p型樣品 qPp qnNA一般ND， NA是位置函數(shù)Rs, Xj, N(x)有以下關(guān)系：Rs1/oxjq (x)N(x)-NBdx11電場(chǎng)的影響雜質(zhì)在晶體中電離成離子和電子，高濃度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一電場(chǎng)E=KT/q d/dxln(ND/ni)存在電場(chǎng)時(shí)，雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)是擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)之和J=-DdN/dx+nE=

4、f DdN/dx=Deff dN/dx f=1+1+(2ni/ND)2-1/2 f=1-212擴(kuò)散的微觀理論間隙擴(kuò)散和替代擴(kuò)散Em約0.6-1.2V 室溫下約每分鐘跳一次ES+ En約3-4eV,室溫下約1045年跳一次13替代擴(kuò)散和間隙擴(kuò)散替代擴(kuò)散第3,4族元素，Al, B, As, Sb, P間隙擴(kuò)散第1,8族元素，Na, K, H, He間隙-替代擴(kuò)散過(guò)渡元素，Au, Ag, Cu, Fe, Ni后二類(lèi)雜質(zhì)減少少子壽命，是重要沾污源14空位能帶圖-+EcE2EE+Ev0.11V0.44V0.11V15擴(kuò)散系數(shù)和濃度有關(guān)D=DioVo/ Vo i+Di+ V+/ V+I +Di- V-/

5、V-i+Di2- V2-/ V2-IVr/ Vr I=(n/ni)rD=Dio +Di+ (p/ ni) +Di- (n/ni) + Di2- (n/ni)2 16擴(kuò)散實(shí)用規(guī)律硅中雜質(zhì)固溶度高濃度擴(kuò)散高濃度砷，硼擴(kuò)散高濃度磷擴(kuò)散雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散氧化增強(qiáng)擴(kuò)散17硅中雜質(zhì)固溶度18高濃度砷和硼擴(kuò)散高濃度砷擴(kuò)散 D=fe Dio +Di- (n/nie)高濃度硼擴(kuò)散D=fe Dio +Di+ (p/nie)低濃度和高濃度砷擴(kuò)散系數(shù)比較例 低濃度 D=1.6x10-15cm2/s 濃度1019cm3 D= (1.6+1.7)x10-15cm2=3.3x10 -15cm219高濃度砷和硼擴(kuò)散Hu

6、表達(dá)式 D=Di(1+Fv)/(1+ )砷 fv= n/ni =100硼 fv= p/ni =320高濃度砷和硼擴(kuò)散雜質(zhì)分布C/CSx/xi10.10.010.0010.2 0.4 0.6 0.8 1.0ErfcBAs21高濃度磷擴(kuò)散10201019 101810170.2 0.4 0.6 depth(um) C(cm-3)尾區(qū)中間區(qū)表面區(qū)ns22高濃度磷擴(kuò)散表面區(qū) 磷和中性及雙電荷空位作用形 P+V-對(duì) D=feDio+Di2-(n/ni)2 中間區(qū) 離表面區(qū)后，雜質(zhì)濃度降低，當(dāng)靠近導(dǎo)帶邊下0.11ev， P+V-對(duì)解體，產(chǎn)生特征電子濃度ne(T)尾巴區(qū) 由于P+V-對(duì)解體，硅點(diǎn)陣中空位增加

7、，擴(kuò)散系數(shù)增加 Dtail=feDo+D-ns3/ne2n1+exp(0.3ev/KT) 23雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散元素DSiO2 (900C)(cm2/s)Cs(cm-3)DSi(900C)(cm2/s)B3.4x10-194.4x10-166x10181019-2x10202x10-15P9.3x10-197.7x10-158x1017-8x10198x1020-102110-15As10-17-10-18(111)(Xj)fo(Xj)fSi3N425擴(kuò)散技術(shù)對(duì)擴(kuò)散系統(tǒng)的要求擴(kuò)散源的選擇擴(kuò)散設(shè)備擴(kuò)散工藝菜單26對(duì)擴(kuò)散系統(tǒng)的要求表面濃度可在寬的范圍內(nèi)控制，直到固溶度重復(fù)性好，可控均勻性好少沾

8、污可處理大批量硅片27擴(kuò)散源的選擇氣相擴(kuò)散 固體源微晶玻璃，BN, Sb2O3 液體源POCl3, HBr, 2POCl3+2O2-P2O5+3Cl2 2P2O5+5Si-5SiO2+4P 氣體源PH3, AsH3固固擴(kuò)散 PSG/Si28擴(kuò)散系統(tǒng)29氧化擴(kuò)散爐30擴(kuò)散爐系統(tǒng)的組成工藝腔硅片傳輸系統(tǒng)氣體分配系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)尾氣處理系統(tǒng)31立式擴(kuò)散爐32臥式爐與立式爐比較性能臥式爐立式爐裝片自動(dòng)化困難容易氣流均勻性較差好舟旋轉(zhuǎn)，膜均勻不可能能顆?？刂戚^差好33硅片清洗SC1+SC2方案 H2O : H2O2 : NH4OH =1500 : 250 : 125 195sec DI water ri

9、nse H2O : H2O2 : HCl =1500 : 250 : 250 110sec: DI water rinse and drySC3方案 Put wafer in H2SO4 tank, then add 75ml H2O2 in this tank. 10min DI water rinse 10min and dry34爐中硅片放置用裝片機(jī)將硅片裝載到石英舟上必要時(shí)放置監(jiān)控用陪片和dummy wafer -654321工作區(qū)域 100pcs爐口爐尾陪片35擴(kuò)散爐中的硅片36擴(kuò)散菜單深磷予淀積3.20.3/ 51035102510 4510N2 6.7 LN 6.7 LO 0.8

10、 LN 6.7LN 4LPOCl3soak800C1010C800C37擴(kuò)散層的檢測(cè)結(jié)深滾槽法，磨角法，斷面SEM薄層電阻四探針?lè)?范德堡（Van der pauw）法雜質(zhì)分布擴(kuò)展電阻，SIMS, C-V, 盧瑟福背散射，示蹤原子38滾槽法測(cè)結(jié)深pN+XjbaXj=(R2-b2)1/2- (R2-a2)1/239磨角法測(cè)結(jié)深pn單色光40斷面SEM法測(cè)結(jié)深41四探針?lè)y(cè)薄層電阻VRs=kV/IsP42范德堡法測(cè)薄層電阻R=1/4V12/I34+V23/I41+V34/I12+V41/I23Rs=(/ln2)FR43擴(kuò)展電阻測(cè)雜質(zhì)分布44擴(kuò)展電阻測(cè)雜質(zhì)分布45熱氧化SiO2在IC中的作用作為雜質(zhì)

11、擴(kuò)散或離子注入的掩蔽層表面鈍化層器件隔離用的絕緣層MOS器件的組成部分柵介質(zhì)電容介質(zhì)多層布線間的絕緣層熱氧化是形成SiO2最重要方法46熱氧化機(jī)理和規(guī)律氧化生長(zhǎng)模型氧化實(shí)驗(yàn)規(guī)律晶體取向的影響雜質(zhì)增強(qiáng)氧化47氧化生長(zhǎng)模型(Deal & Grove)氣相氧化物間F1=h(C*-Co)氧化物內(nèi)F2=D(Co-Ci)/xo氧化物-硅間F3=KS Ci xoSiO2 SiCOF1 F2 F3CIC*48氧化生長(zhǎng)模型F1=F2=F3Ci=C*/(1+KS/h+ Ksxo/D)Co=(1+ Ksxo/D) C*/(1+KS/h+ Ksxo/D)二種情況D很小 Ci 0 Co C* 擴(kuò)散控制D很大 CiCoC

12、*/(1+KS/h ）反應(yīng)控制49氧化生長(zhǎng)模型R=F3/N1= KS C* /(1+KS/h+ Ksxo/D)初始條件t=0 xo=xixo2+A xo=B(t+)2xo/A=1+(t+ )/(A2/4B)1/2-1t xo2=Bt拋物線生長(zhǎng)規(guī)律（擴(kuò)散控制）t+ A2/4B xo(B/A) (t+ ) 線性生長(zhǎng)規(guī)律（反應(yīng)速率控制）50線性速率常數(shù)51拋物線速率常數(shù)52干氧氧化53濕氧氧化54含氯氧化干氧以外加少量(1%-3%)鹵素，主要是氯。Cl2與重金屬原子反應(yīng)生成揮發(fā)性氯化物，具有清潔作用。O2,Cl2混合氣中的氧化速率比純氧中高， O2中含3%HCl，線性速率大一倍。常用氯源有：HCl,

13、 TCE（三氯乙烯）, TCA（三氯乙烷）, DCE（二氯乙烯）等。55摻磷硅濕氧氧化56晶向?qū)ρ趸俾实挠绊?7雜質(zhì)再分布SiO2SiSiSiO2k1x (um)x (um)CC58SiO2的結(jié)構(gòu)59氧化菜單1000A柵氧化N2 16LO2 8LN2 16L800C1100C800CHeat up7C/minCool down4C/minBoat in13cm/minBoat out10cm/minDry oxidation37min60氧化膜性質(zhì)和檢測(cè)厚度光學(xué)干涉法，橢圓偏振法擊穿強(qiáng)度擊穿電壓，TDDB TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)折射

14、率和介電常數(shù)氧化層電荷61硅片氧化層厚度分布62硅片氧化層厚度分布（三維）63TDDB直接評(píng)估介質(zhì)電學(xué)特性，硅片級(jí)預(yù)測(cè)器件壽命測(cè)試樣品為MOS電容或MOSFET四種方式：恒電壓，恒電流，斜坡電壓，斜坡電流測(cè)試參數(shù)：Ebd，tbd, Qbd QbdtdbJ(t)dt64TDDB65TDDB66TDDB67氧化層電荷Na可動(dòng)離子電荷xxxx K+氧化層陷阱氧化層固定電荷界面陷阱電荷68CV法測(cè)氧化層電荷V(v)C(pf)CoVFBVFBQSS=CoVFBQM=CoVFBP-Si69SUPREM工藝模擬 基本方程工藝模型網(wǎng)格和數(shù)值計(jì)算輸入文件輸出：雜質(zhì)和載流子濃度分布70工藝模擬基本方程流量方程J=

15、-DdC/dx+ZCE連續(xù)性方程dC/dt+dJ/dx=G泊松方程D,E=q(p-n+ND+-NA-)71輸入文件標(biāo)題行，注釋行控制語(yǔ)句 初始化語(yǔ)句 襯底類(lèi)型，晶向，摻雜濃度； 模擬區(qū)厚度，網(wǎng)格設(shè)置工藝語(yǔ)句擴(kuò)散語(yǔ)句，注入語(yǔ)句，刻蝕語(yǔ)句等輸出語(yǔ)句結(jié)束語(yǔ)句72氧化擴(kuò)散SUPREM模擬例TITLE: Bipolar : Active Region.# Initialize the silicon substrate.Initialize Silicon Phosphorus Resistivity=0.5 Thick=8 dX=.02 xdX=.05 Spaces=200# Grow oxide f

16、or base Implant Diffusion Temperature=1000 Time=30 DryO2# Implant the boron base and drive-in.Implant Boron Dose=4.2E14 Energy=80Diffusion Temperature=1100 Time=70 DryO273氧化擴(kuò)散SUPREM模擬例Diffusion Temperature=1100 Time=50 WetO2Diffusion Temperature=1100 Time=10 NitrogenTonyPlot -ttitle sbssb03.in: Final Bipolar Active Region# Remo