擴散氧化工藝原理

1、擴散氧化工藝原理 圓片部 擴散班-劉磊石擴散工藝原理擴散原理n擴散運動是一種微觀粒子的熱運動，只有存在濃度梯度時，這種熱運動才能形成。擴散運動其實是十分復雜的運動，只有當雜質濃度和位錯密度低時，擴散運動才可以用恒定擴散率情況下的菲克擴散定律來描述為： J（x，t）=-DdN(x,t)/dx 式中 J單位時間內雜質原子擴散量；n式中 dN(x,t)/dx雜質濃度梯度（即沿x方向雜質濃度變化率） D雜質擴散系數 擴散系數D是描述雜質擴散運動快慢的一個物理量，它與擴散溫度、雜質種類、擴散氣氛、襯底晶向等多種因素有關。負號表示擴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。擴散方程n恒定表面濃度擴散-余誤差分布 N(x,t)=N0erfc x/2(Dt)1/2恒定表面源擴散的雜質分布擴散方程n有限源表面濃度擴散-高斯分布 N(x,t)=Q/(Dt)1/2e-x2/4Dt Q-表面雜質總量 有限表面源擴散的雜質分布擴散方法擴散方法多種多樣，生產上常用的有以下幾種方法：n液態(tài)源擴散n固態(tài)源擴散n乳膠源擴散其他還包括箱法擴散，固固擴散，金擴散等擴散方法。擴散的均勻性和重復性n在大量的生產過程中，擴散的均勻性和重復性十分必要，否則，半導體器件、集成電路的離散性就很大。在生產中經常發(fā)現同一批號的器件（同一爐擴散出來），方塊電阻差別很大，

3、特別在低濃度擴散時，這種現象比較嚴重。這就是擴散的均勻性問題如果在同樣的工藝條件下，每一爐的擴散結果都有差別，這就是擴散的重復性問題。均勻性n擴散不均勻有三個原因。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行擴散，其方塊電阻和雜質濃度肯定會有不同。解決這個問題，當然在于解決趁底材料的均勻性問題，盡量選擇參數一致的材料同時進行擴散。n其次是恒溫區(qū)有變化（或太短）。如果恒均勻性溫區(qū)短，會使石英舟各處溫度有差異，從而造成擴散結果不均勻；如果恒溫區(qū)變化未及時調整，同樣會出現這個問題。因此，在我們日常的生產過程中要經常測量恒溫區(qū)的，并且恒溫區(qū)制得特別長。n

4、第三是雜質的蒸汽壓的影響。如果石英舟上各處的雜質蒸汽壓不均勻，也會使得擴散結果不均勻。如攜帶雜質源的流量太小，而保護性流量又過大?；蛘呤⒐芫鶆蛐詎粗細不均勻使得石英舟上各處的雜質蒸汽壓不一致。改進辦法是在進氣端安裝一個氣體混合室，使得保護性氣體和攜帶源的氣體混合后進入氣體反應室。對于片狀的擴散源，要讓片狀源和硅片之間的間距完全相同。重復性n重復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，其結果是會有一些差別的。因為剛清洗過的石英管會吸收大量雜質，而使用久了的石英管吸收雜質已達到飽和狀態(tài)。此外，源溫、流量、材料、擴散溫度等都會有些微

5、小的起伏，造成擴散重復性不好。擴散工藝的主要參數n1結深 比較關鍵，必須保證正確的溫度和時間；n2擴散方塊電阻 注入能量和劑量一定后,表面濃度主要受制于推結程序的工藝過程,如高溫的溫度、工藝的時間、氧化和推結的前后順序； 現行的主要控制參數n3膜厚 主要為光刻對位提供方便,同時會改變園片表面的雜質濃度；影響擴散的工藝參數n1 溫度 易變因素，決定了擴散系數的大小，對工藝的影響最大。 n2 時間 一般不易偏差，取決于時鐘的精確度。n3程序的設置 先氧化后推結與先推結后氧化得出的表面濃度就不同，因此，方塊電阻就會有很大的差別。n4 排風 &氣體流量 排風：對爐管的片間均勻性，尤其是爐口有較

6、大的影響。 氣體流量：氣體流量的改變會影響氧化膜厚，從而使表面濃度產生變化，直接影響器件的電參數.擴散工藝的控制要點n1拉恒溫區(qū)控制溫度、2校流量控制氣體、3監(jiān)控風量控制排風4雙確認控制工藝程序、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n

7、211用于雜質選擇擴散的掩蔽膜 常用雜質(硼,磷,砷等)在氧化層中的擴散系數遠小于在硅中的擴散系數，因此氧化層具有阻擋雜質向半導體中擴散的能力。利用這一性質，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，其它區(qū)域被二氧化硅屏蔽，沒有雜質進入，實現對硅的選擇性擴散。SiO2N-WELLP-WLLS(P+)n1960年二氧化硅就已被用作晶體管選擇擴散的掩蔽膜，從而導致了硅平面工藝的誕生，開創(chuàng)了半導體制造技術的新階段。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，一定要保證足夠厚的厚度，雜質在二氧化硅中的擴散或穿透深度必須要小于二氧化硅的厚度，并有一定的余

8、量，以防止可能出現的工藝波動影響掩蔽效果。21. 2緩沖介質層n其一：硅與氮化硅的應力較大，因此在兩層之間生長一層氧化層，以緩沖兩者之間的應力；其二：也可作為注入緩沖介質，以減少注入對器件表面的損傷。Si(P)P-WellN-WellSiO2 Si3N4213電容的介質材料n 電容的計算公式： C=0*r*S/d 0：真空介質常數 r：相對介電常數 S：電容區(qū)面積 D：介質層厚度 二氧化硅的相對介電常數為3-4。二氧化硅的耐擊穿能力強，溫度系數小，是制作電容介質的常用材料。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n二氧化硅

9、的隔離效果比PN結的隔離效果好，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。N-WellSiO2Si(P)P-WellSi3N4215 MOS管的絕緣柵材料 二氧化硅的厚度和質量直接決定著MOS場效應晶體管的多個電參數，因此在柵氧化的工藝控制中，要求特別嚴格。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 干氧氧化化學反應式：Si+O2 = SiO2n氧分子以擴散的方式通過氧化層到達二氧化硅-硅表面，

10、與硅發(fā)生反應，生成一定厚度的二氧化硅層。n干氧化制作的SiO2結構致密，均勻性、重復性好，掩蔽能力強，對光刻膠的粘附性較好，但生長速率較慢；一般用于高質量的氧化，如柵氧等；222 水汽氧化 n水汽氧化化學反應式：n2H2O+Si = SiO2+2H2n水汽氧化生長速率快，但結構疏松，掩蔽能力差，有較多缺陷。對光刻膠的粘附性較差。223 濕氧氧化n濕氧氧化反應氣體中包括O2 和H2O ，實際上是兩種氧化的結合使用。 濕氧氧化化學反應式： H2+O2=H2O H2O+Si = SiO2+2H2 Si+O2 = SiO2n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的形成通常

11、是由H2和O2的反應得到；因此通過H2和O2的流量比例來調節(jié)O2 和H2O的分壓比例，從而調節(jié)氧化速率，但為了安全，H2/O2比例不可超過1.8。 n濕氧氧化的氧化層對雜質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：摻氯氧化時反應產物有H2O，加速氧化；其二：氯積累在Si-SiO2界面附近，氯與硅反應生成氯硅化物，氯硅化物穩(wěn)定性差，在有氧的情況下易轉變成SiO2，因此，氯起了氧與硅反應的催化劑

12、的作用。并且氧化層的質量也大有改善，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，提高半導體器件的可靠性和穩(wěn)定性。n我們公司大多數氧化都含有摻氯氧化。2. 3氧化過程中硅片表面位置的變化氧化過程中硅片表面位置的變化n如果熱生長的二氧化硅厚度是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 Si-SiO界面原始硅表面SiO2表面46

13、% 100% 54% n24 影響氧化速率的因素影響氧化速率的因素n241 熱氧化模型簡介n 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。Deal-Grove方程具體描述了這種熱氧化過程。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散系數； h：氣相輸運常數 n KS：界面反應速率常數 ；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n極限情況1：短時間氧

14、化時n X=（B/A）*t B/A：線性氧化速率常數n極限情況2：長時間氧化時n X2=Bt B：拋物線速率常數n這兩個速率常數都與工藝方法、氧化溫度、氧化劑的分壓、晶向有關系。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線性速率常數與晶向有較大的關系，各種晶向的園片其氧化速率為：n(110)POLY(111)(100)n245 摻雜雜質濃度的影響n當摻雜雜質的濃度相當高時，會產生增強氧化，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 電荷測量 可動電荷測試可以檢測到可動離子數目，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。n14 片內均勻性 保證硅片內每個芯片的重復性良好n15 片間均勻性 保證每個硅片的重復性良好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也能減少顆粒，保證氧化層質量。n17 定期檢測系統(tǒng)顆粒25常見問題及