扩散工艺-半导体制造

L扩散工艺前言：扩散部按车间划分主要由扩散区域及注入区域组成，其中扩散区域又分扩散老区和扩散新区。扩散区域按工艺分，主要有热氧化、扩散、LPCVD、合金、清洗、沾污测试等六大工艺。本文主要介绍热氧化、扩散及合金工艺。目录第一章：扩散区域设备简介……………………………………第二章：氧化工艺第三章：扩散工艺第四章：合金工艺L第一章：扩散部扩散区域工艺设备简介炉管设备外观：扩散区域的工艺、设备主要可以分为：类别主要包括按工艺分类热氧化一氧、二痒、场氧、Post氧化扩散推阱、退火/磷掺杂LPCVDTEOS、SI3N4、POLY清洗进炉前清洗、漂洗合金合金按设备分类卧式炉A、B、C、D、F、H、I六台立式炉VTR-1、VTR-2、VTR-3清洗机FSI-1、FSI-2炉管：负责高温作业，可分为以下几个部分：组成部分功能控制柜→对设备的运行进行统一控制；装舟台：→园片放置的区域，由控制柜控制运行炉体：→对园片进行高温作业的区域，由控制柜控制升降温源柜：→供应源、气的区域，由控制柜控制气体阀门的开关。FSI：负责炉前清洗。L第二章：热氧化工艺热氧化法是在高温下（900℃-1200℃）使硅片表面形成二氧化硅膜的方法。热氧化的目的是在硅片上制作出一定质量要求的二氧化硅膜，对硅片或器件起保护、钝化、绝缘、缓冲介质等作用。硅片氧化前的清洗、热氧化的环境及过程是制备高质量二氧化硅膜的重要环节。2.1氧化层的作用2．1．1用于杂质选择扩散的掩蔽膜常用杂质(硼,磷,砷等)在氧化层中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数，因此氧化层具有阻挡杂质向半导体中扩散的能力。利用这一性质，在硅上的二氧化硅层上刻出选择扩散窗口，则在窗口区就可以向硅中扩散杂质，其它区域被二氧化硅屏蔽，没有杂质进入，实现对硅的选择性扩散。1960年二氧化硅就已被用作晶体管选择扩散的掩蔽膜，从而导致了硅平面工艺的诞生，开创了半导体制造技术的新阶段。同时二氧化硅也可在注入工艺中，作为选择注入的掩蔽膜。作为掩蔽膜时，一定要保证足够厚的厚度，杂质在二氧化硅中的扩散或穿透深度必须要小于二氧化硅的厚度，并有一定的余量，以防止可能出现的工艺波动影响掩蔽效果。2．1.2缓冲介质层其一：硅与氮化硅的应力较大，因此在两层之间生长一层氧化层，以缓冲两者之间的应力，如二次氧化；其二：也可作为注入缓冲介质，以减少注入对器件表面的损伤。2．1．3电容的介质材料电容的计算公式：C=0*r*S/d0：真空介质常数r：相对介电常数S：电容区面积D：介质层厚度Si(P)P-WellN-WellSiO2Si3N4SiO2N-WELLP-WLLS(P+)L二氧化硅的相对介电常数为3-4。二氧化硅的耐击穿能力强，温度系数小，是制作电容介质的常用材料。在电容的制作过程中，电容的面积和光刻、腐蚀有较大的关系，而厚度则由二氧化硅的厚度决定。2．1．4集成电路的隔离介质二氧化硅的隔离效果比PN结的隔离效果好，漏电流小，耐击穿能力强，隔离区和衬底之间的寄生电容小，不受外界偏压的影响，使器件有较高的开关速度。如工艺中常用的场氧化就是生长较厚的二氧化硅膜，达到器件隔离的目的。2．1．5MOS场效应晶体管的绝缘栅材料二氧化硅的厚度和质量直接决定着MOS场效应晶体管的多个电参数，因此在栅氧化的工艺控制中，要求特别严格。2．2热氧化方法介绍2．2．1干氧氧化干氧氧化化学反应式：Si+O2==SiO2氧分子以扩散的方式通过氧化层到达二氧化硅-硅表面，与硅发生反应，生成一定厚度的二氧化硅层。干氧化制作的SiO2结构致密，均匀性、重复性好，掩蔽能力强，对光刻胶的粘附性较好，但生长速率较慢；一般用于高质量的氧化，如栅氧等；厚层氧化时用作起始和终止氧化；薄层缓冲氧化也使用此法。2．2．2水汽氧化水汽氧化化学反应式：2H2O+Si==SiO2+2H2水汽氧化生长速率快，但结构疏松，掩蔽能力差，有较多缺陷。对光刻胶的粘附性较差，我们公N-WellSiO2Si(P)P-WellSi3N4N-WellSi(P)P-WellSiO2PolyGate-oxideL司不采用此方法。2．2．3湿氧氧化湿氧氧化反应气体中包括O2和H2O，实际上是两种氧化的结合使用。湿氧氧化化学反应式：H2+O2==H2OH2O+Si==SiO2+2H2Si+O2==SiO2湿氧氧化的生长速率介于干氧氧化和水汽氧化之间；在今天的工艺中H2O的形成通常是由H2和O2的反应得到；因此通过H2和O2的流量比例来调节O2和H2O的分压比例，从而调节氧化速率，但为了安全，H2/O2比例不可超过1.88。湿氧氧化的氧化层对杂质掩蔽能力以及均匀性均能满足工艺要求，并且氧化速率比干氧氧化有明显提高，因此在厚层氧化中得到了较为广泛的应用，如场氧化等。2．2．4掺氯氧化氧化气体中掺入HCL或DCE（C2H2Cl2）后，氧化速率及氧化层质量都有提高。人们从两个方面来解释速率变化的原因，其一：掺氯氧化时反应产物有H2O，加速氧化；其二：氯积累在Si-SiO2界面附近，氯与硅反应生成氯硅化物，氯硅化物稳定性差，在有氧的情况下易转变成SiO2，因此，氯起了氧与硅反应的催化剂的作用。并且氧化层的质量也大有改善，同时能消除钠离子的沾污，提高器件的电性能和可靠性。热氧化过程中掺入氯会使氧化层中含有一定量的氯原子，从而可以减少钠离子沾污，钝化SiO2中钠离子的活性，抑制或消除热氧化缺陷，改善击穿特性，提高半导体器件的可靠性和稳定性。我们公司大多数干氧氧化都含有掺氯氧化。2.3热氧化过程中的硅片表面位置的变化如果热生长的二氧化硅厚度是X0（um），所消耗的硅厚度为X1，则：a=X1/X0=0.46即生长1um的SiO2，要消耗掉0.46um的Si。但不同热氧化生长的SiO2的密度不同，a值会略有差异。54%100%46%2．4影响氧化速率的因素Si-SiO界面原始硅表面SiO2表面L2．4．1热氧化模型简介硅片的热氧化过程是氧化剂穿透二氧化硅层向二氧化硅和硅界面运动并与硅进行反应。Deal-Grove方程具体描述了这种热氧化过程。Deal-Grove膜厚方程式：X2+AX=B（t+）式中：A=2D0*（1/KS+1/h）B=2D0*N*/n=（XI2+A*XI）/BD0：氧化剂在二氧化硅中的有效扩散系数；h：气相输运常数KS：界面反应速率常数；N*：氧化剂在氧化层中的平衡浓度XI：初始氧化层厚度；n：形成单位体积二氧化硅所需的氧分子数极限情况1：短时间氧化时X=（B/A）*tB/A：线性氧化速率常数极限情况2：长时间氧化时X2=BtB：抛物线速率常数这两个速率常数都与工艺方法、氧化温度、氧化剂的分压、晶向有关系。2．4．2氧化温度的影响温度越高，氧化速率越快。2．4．4硅片晶向的影响线性速率常数与晶向有较大的关系，各种晶向的园片其氧化速率为：(110)POLY(111)(100)2．4．5掺杂杂质浓度的影响当掺杂杂质的浓度相当高时，会产生增强氧化，使氧化速率发生较大变化。如LVMG产品N+退火氧化：在未掺杂区的氧化厚度：670A在N+掺杂区氧化厚度：1700A2．4．6氯化物的影响2．4．7氧化剂分压的影响在前面介绍的湿氧氧化中，如果改变H2或O2的流量，就会使水汽和氧气的分压比降低，使氧化L速率变化。2．4CSMC-HJ扩散课的工艺状况2．4．1氧化质量控制2．4．1．1拉恒温区控制温度定期拉恒温区以得到好的温度控制2．4．1．2DCE（C2H2Cl2）吹扫炉管2．4．1．3BT测量BT项目可以检测到可动离子数目，使我们及时掌握炉管的沾污情况，防止炉管受到可动电荷粘污,使大批园片受损。2．4．1．4片内均匀性保证硅片中每个芯片的重复性良好2．4．1．5片间均匀性保证每个硅片的重复性良好2．4．1．6定期清洗炉管清洗炉管，可以减少重金属离子、碱金属离子的沾污同时也能减少颗粒，保证氧化层质量。2．4．1．7定期检测系统颗粒2．5．常见问题及处理I膜厚异常，但均匀性良好对策：首先，检查测量结果是否准确、仪器工作状态是否正常，然后1检查气体流量、工艺温度是否正常；2检查炉管的气体接口是否正常；3如使用控制片，检查控制片是否用对；4和动力部门确认，工艺时气体供应有无出现异常；5对于外点火的炉管，请检查点火装置的各处连接正常，然后进行TORCH点火实验。Ⅱ部分园片或部分测试点膜厚正常，但整体均匀性差对策：1如使用控制片，检查控制片；2检查排风正常3检查炉门正常第三章扩散工艺扩散技术目的在于控制半导体中特定区域内杂质的类型、浓度、深度和PN结。在集成电路发L展初期是半导体器件生产的主要技术之一。但随着离子注入的出现，扩散工艺在制备浅结、低浓度掺杂和控制精度等方面的巨大劣势日益突出，在制造技术中的使用已大大降低。3．1扩散机构3．1．1替位式扩散机构这种杂质原子或离子大小与Si原子大小差别不大，它沿着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占据晶格格点的正常位置，不改变原来硅材料的晶体结构。硼、磷、砷等是此种方式。3．1．2填隙式扩散机构这种杂质原子大小与Si原子大小差别较大，杂质原子进入硅晶体后，不占据晶格格点的正常位置，而是从一个硅原子间隙到另一个硅原子间隙逐次跳跃前进。镍、铁等重金属元素等是此种方式。3．2扩散方程N/t=D*2N/x2N=N（x，t）杂质的浓度分布函数，单位是cm-3D：扩散系数，单位是cm2/s加入边界条件和初始条件，对上述方程进行求解，结果如下面两小节所诉。3．2．1恒定表面浓度扩散整个扩散过程中，硅片表面浓度NS保持不变N（x，t）=NSerfc（x/（2*（Dt）1/2））式中erfc称作余误差函数，因此恒定表面浓度扩散分布符合余误差分布。3．2．2．限定源扩散杂质源限定在硅片表面薄的一层，杂质总量Q是常数。N（x，t）=（Q/（Dt）1/2）*exp（-X2/4Dt）exp（-X2/4Dt）是高斯函数，因此限定源扩散时的杂质分布是高斯函数分布。由以上的求解公式，可以看出扩散系数D以及表面浓度对恒定表面扩散的影响相当大Si原子杂质原子杂质原子Si原子晶格空位L3．2．3扩散系数扩散系数是描述杂质在硅中扩散快慢的一个参数，用字母D表示。D大，扩散速率快。D与扩散温度T、杂质浓度N、衬底浓度NB、扩散气氛、衬底晶向、缺陷等因素有关。D=D0exp（-E/kT）T：绝对温度；K：波尔兹曼常数；E：扩散激活能D0：频率因子3．2．4杂质在硅中的固溶度杂质扩散进入硅中后，与硅形成固溶体。在一定的温度下，杂质在硅中有一个最大的溶解度，其对应的杂质浓度，称该温度下杂质在硅中的固溶度。固溶度在一定程度上决定了硅片的表面浓度。3．3CSMC-HJ扩散课的扩散工艺状况扩散工艺按照作用可以分为推阱、退火、磷掺杂，不同工艺的作业炉管在配置上稍有不同。3．3．1推阱由于CMOS是由PMOS和NMOS组成，因此需要在一种衬底上制造出另一种型号的衬底,才可以在一种型号的硅片上同时制造出N管、P管，在选择注入后的推阱工艺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结深，而杂质在高温下的扩散速率较大，因此推阱工艺往往需要在较高的温度（1150C）下进行，以缩短工艺时间，提高硅片的产出率。3．3．1．1推阱工艺主要参数3．3．1．1．1结深比较关键，必须保证正确的温度和时间；3．3．1．1．2膜厚主要为光刻对位提供方便,同时会改变园片表面的杂质浓度，过厚或过薄均会影响N管或P管的开启电压；3．3．1．1．3表面浓度注入能量和剂量一定后,表面浓度主要受制于推阱程序的工艺过程,如高温的温度、工艺的时间、氧化和推结的前后顺序；3．3．1．2影响推阱的工艺参数3．3．1．2．1温度易变因素，决定了扩散系数的大小，对工艺的影响最大。3．3．1．2．2时间L一般不易偏差，取决于时钟的精确度。3．3．1．2．3程序的设置先氧化后推阱与先推阱后氧化得出的表面浓度就不同，因此阱电阻就会有很大的差别。3．3．1．2．4排风&气体流量排风：对炉管的片间均匀性，尤其是炉口有较大的影响。气体流量：气体流量的改变会影响氧化膜