IC工藝技術4擴散和熱氧化課件

集成電路工藝技術講座

第四講擴散和熱氧化擴散和氧化－目錄擴散擴散基本規(guī)律擴散技術擴散層的檢測熱氧化熱氧化機理和規(guī)律氧化膜性質及檢測氧化擴散工藝模擬擴散擴散工藝－－半導體制造中最基本的摻雜手段，高溫下將雜質導入點陣，或形成一定分布，改變半導體導電性質．雙極IC的埋層，隔離，基區(qū)，發(fā)射區(qū)，MOSIC的阱，源漏都要用到擴散．雜質導入方式從氣態(tài)或液態(tài)化學源中擴散氣相摻雜從摻雜氧化物或乳膠源中擴散固－固擴散離子注入然后退火，擴散擴散方程j=-DdN/dxFick第一定律jxx+dx在間隔dx的二平面間，通過的凈物質流Adj,應等于空間(Adx)產生粒子速率(dN/dt)(Adx)

AdxdN/dt=-Adjj+djA擴散方程N/t=/x(DN/x)Fick第二定律D（擴散系數）一般是溫度和濃度的函數，低濃度擴散時僅為溫度的函數，低濃度時的擴散系數D=Doexp(-Eo/KT)一定溫度下為常數低濃度時的擴散方程

N/t=D2N/x2低濃度擴散（本征擴散）0.010.11.010100n/ni(T)110100D/Di（T）－－－－－本征擴散非本征擴散ni＝9.65x109cm3(RT)ni=5x1018cm3(1000C)低濃度擴散方程的解有限擴散源N(x,t)=Qo/(Dt)1/2exp[-(x/2(Dt)1/2)2]高斯分布Xj1Xj2NSNSNBx擴散層的薄層（方塊）電阻NPLLxjRs=L/Lxj=/xj=1/xj擴散層的薄層（方塊）電阻（續(xù)）

對n型樣品＝qnn雜質全部電離＝qnND

對p型樣品＝qPpqnNA一般ND，NA是位置函數Rs,Xj,N(x)有以下關系：Rs＝1/oxjq(x)[N(x)-NB]dx擴散的微觀理論間隙擴散和替代擴散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年跳一次替代擴散和間隙擴散替代擴散第3,4族元素，Al,B,As,Sb,P間隙擴散第1,8族元素，Na,K,H,He間隙-替代擴散過渡元素，Au,Ag,Cu,Fe,Ni后二類雜質減少少子壽命，是重要沾污源空位能帶圖----------------------------------------------------------------------------++++++++++++++++++++++EcE2—E—E+Ev0.11V0.44V0.11V擴散實用規(guī)律硅中雜質固溶度高濃度擴散高濃度砷，硼擴散高濃度磷擴散雜質在SiO2中的擴散氧化增強擴散

硅中雜質固溶度

高濃度砷和硼擴散高濃度砷擴散D=fe[Dio+Di-(n/nie)]高濃度硼擴散D=fe[Dio+Di+(p/nie)]低濃度和高濃度砷擴散系數比較例低濃度D=1.6x10-15cm2/s濃度1019cm3D=(1.6+1.7)x10-15cm2=3.3x10-15cm2高濃度砷和硼擴散雜質分布C/CSx/xi10.10.010.0010.20.40.60.81.0ErfcBAs高濃度磷擴散10201019101810170.20.40.6depth(um)C(cm-3)尾區(qū)中間區(qū)表面區(qū)ns高濃度磷擴散表面區(qū)磷和中性及雙電荷空位作用形P+V--對D=fe[Dio+Di2-(n/ni)2

中間區(qū)離表面區(qū)后，雜質濃度降低，當靠近導帶邊下0.11ev，P+V--對解體，產生特征電子濃度ne(T)尾巴區(qū)由于P+V--對解體，硅點陣中空位增加，擴散系數增加

Dtail=fe{Do+D-ns3/ne2n[1+exp(0.3ev/KT)]}

氧化增強擴散Xj=(Xj)fo-(Xj)fDOED=Di+DD=[dXox/dt]nn=0.4-0.6Wet氧化dXox/dt大晶向(100)>(111)(Xj)fo(Xj)fSi3N4擴散技術對擴散系統(tǒng)的要求擴散源的選擇擴散設備擴散工藝菜單對擴散系統(tǒng)的要求表面濃度可在寬的范圍內控制，直到固溶度重復性好，可控均勻性好少沾污可處理大批量硅片擴散系統(tǒng)氧化擴散爐擴散爐系統(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)立式擴散爐臥式爐與立式爐比較性能臥式爐立式爐裝片自動化困難容易氣流均勻性較差好舟旋轉，膜均勻不可能能顆?？刂戚^差好硅片清洗SC1+SC2方案

H2O:H2O2:NH4OH=1500:250:125195sec

DIwaterrinse

H2O:H2O2:HCl=1500:250:250110sec:

DIwaterrinseanddrySC3方案PutwaferinH2SO4tank,thenadd75mlH2O2inthistank.10minDIwaterrinse10minanddry爐中硅片放置用裝片機將硅片裝載到石英舟上必要時放置監(jiān)控用陪片和dummywafer-------------------------654321工作區(qū)域100pcs爐口爐尾陪片擴散爐中的硅片擴散菜單深磷予淀積3.2±0.3Ω/□

5‘10‘35‘10‘25‘10‘45‘10‘N26.7LN6.7LO0.8LN6.7LN4LPOCl3soak800°C1010°C800°C擴散層的檢測結深滾槽法，磨角法，斷面SEM薄層電阻四探針法,范德堡（Vanderpauw）法雜質分布擴展電阻，SIMS,C-V,盧瑟福背散射，示蹤原子

滾槽法測結深pN+XjbaXj=(R2-b2)1/2-(R2-a2)1/2磨角法測結深pn單色光斷面SEM法測結深四探針法測薄層電阻ＩVRs=kV/IsP范德堡法測薄層電阻R=1/4[V12/I34+V23/I41+V34/I12+V41/I23]Rs=(/ln2)FR擴展電阻測雜質分布擴展電阻測雜質分布熱氧化SiO2在IC中的作用作為雜質擴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－柵介質電容介質多層布線間的絕緣層熱氧化是形成SiO2最重要方法熱氧化機理和規(guī)律氧化生長模型氧化實驗規(guī)律晶體取向的影響雜質增強氧化氧化生長模型(Deal&Grove)氣相－氧化物間F1=h(C*-Co)氧化物內F2=D(Co-Ci)/xo氧化物-硅間F3=KSCixoSiO2SiCOF1F2F3CIC*氧化生長模型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＿CoC*擴散控制D很大Ci＝Co＝C*/(1+KS/h）反應控制氧化生長模型R=F3/N1=KSC*/(1+KS/h+Ksxo/D)初始條件t=0xo=xixo2+Axo=B(t+)2xo/A=[1+(t+)/(A2/4B)]1/2-1t>>

xo2=Bt拋物線生長規(guī)律（擴散控制）t+＜＜A2/4Bxo＝(B/A)(t+)線性生長規(guī)律（反應速率控制）線性速率常數拋物線速率常數干氧氧化濕氧氧化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,TCE（三氯乙烯）,TCA（三氯乙烷）,DCE（二氯乙烯）等。摻磷硅濕氧氧化晶向對氧化速率的影響B(tài)B/AB/A(111)/(100)900C(100)0.1430.150(111)0.1510.2521.681000C(100)0.3140.664(111)0.3141.1631.751100C(100)0.5212.977(111)0.5174.9261.65雜質再分布SiO2SiSiSiO2k<1k>1x(um)x(um)CCSiO2的結構氧化菜單1000A柵氧化N216LO28LN216L800oC1100oC800oCHeatup7C/minCooldown4C/minBoatin13cm/minBoatout10cm/minDryoxidation37min氧化膜性質和檢測厚度光學干涉法，橢圓偏振法擊穿強度擊穿電壓，TDDBTDDB(TimeDependentDielectricBreakdown)折射率和介電常數氧化層電荷硅片氧化層厚度分布

硅片氧化層厚度分布（三維）TDDB直接評估介質電學特性，硅片級預測器件壽命測試樣品為MOS電容或MOSFET四種方式：恒電壓，恒電流，斜坡電壓，斜坡電流測試參數：Ebd，tbd,QbdQbd＝tdbJ(t)dtTDDBTDDBTDDB氧化層電荷Na＋可動離子電荷＋＋＋＋xxxx＋＋＋－－－K+氧化層陷阱氧化層固定電荷界面陷阱電荷CV法測氧化層電荷V(v)C(pf)CoVFBVFBQSS=CoVFBQM=CoVFBP-SiSUPREM工藝模擬

基本方程工藝模型網格和數值計算輸入文件輸出：雜質和載流子濃度分布工藝模擬基本方程流量方程J=-DdC/dx+ZμCE連續(xù)性方程dC/dt+dJ/dx=G泊松方程D[,E]=q(p-n+ND+-NA-)輸入文件標題行，注釋行控制語句初始化語句襯底類型，晶向，摻雜濃度；模擬區(qū)厚度，網格設置工藝語句擴散語句，注入語句，刻蝕語句等輸出語句結束語句氧化擴散SUPREM模擬例TITLE:Bipolar:ActiveRegion.#Initializethesiliconsubstrate.Initialize<111>SiliconPhosphorusResistivity=0.5Thick=8\dX=.02xdX=.05Spaces=200#GrowoxideforbaseImplantDiffusionTemperature=1000Time=30DryO2#Implanttheboronbaseanddrive-in.ImplantBoronDose=4.2E14Energy=80DiffusionTemperature=1100Time=70DryO2氧化擴散SUPREM模擬例DiffusionTemperature=1100Time=50WetO2DiffusionTemperature=1100Time=10NitrogenTonyPlot-ttitle"sbssb03.in:FinalBipolarActiveRegion"#