项目三任务一：扩散工艺的目的与原理

1、扩散氧化工艺原理 扩散工艺原理 扩散原理 扩散运动是一种微观粒子的热运动，只有存在浓度梯度时， 这种热运动才能形成。扩散运动其实是十分复杂的运动， 只有当杂质浓度和位错密度低时，扩散运动才可以用恒定 扩散率情况下的菲克扩散定律来描述为： J（x，t）=-DdN(x,t)/dx 式中 J单位时间内杂质原子扩散量； 式中 dN(x,t)/dx杂质浓度梯度（即沿x方向杂质浓度变化率） D杂质扩散系数 扩散系数D是描述杂质扩散运动快慢的一个物理量，它与扩散 温度、杂质种类、扩散气氛、衬底晶向等多种因素有关。负 号表示扩散方向与浓度增加方向相反，即沿着浓度下降的方 向。 在此说明一下，上式是假定在一维空

2、间中，即J只是x和t的 函数。 扩散方程 恒定表面浓度扩散-余误差分布 N(x,t)=N0erfc x/2(Dt)1/2 恒定表面源扩散的杂质分布 扩散方程 有限源表面浓度扩散-高斯分布 N(x,t)=Q/(Dt)1/2e-x2/4Dt Q-表面杂质总量 有限表面源扩散的杂质分布 扩散方法 扩散方法多种多样，生产上常用的有以下几种方法： 液态源扩散 固态源扩散 乳胶源扩散 其他还包括箱法扩散，固固扩散，金扩散等扩散方法。 扩散的均匀性和重复性 在大量的生产过程中，扩散的均匀性和重复性十分必要， 否则，半导体器件、集成电路的离散性就很大。在生产中 经常发现同一批号的器件（同一炉扩散出来），方块电

3、阻 差别很大，特别在低浓度扩散时，这种现象比较严重。这 就是扩散的均匀性问题如果在同样的工艺条件下，每一 炉的扩散结果都有差别，这就是扩散的重复性问题。 均匀性 扩散不均匀有三个原因。首先是衬底材料本身存在差 异如果同一批外延片中存在电阻率和厚度不均匀，那么 在这一批外延片上进行扩散，其方块电阻和杂质浓度肯定 会有不同。解决这个问题，当然在于解决趁底材料的均匀 性问题，尽量选择参数一致的材料同时进行扩散。 其次是恒温区有变化（或太短）。如果恒 均匀性 温区短，会使石英舟各处温度有差异，从而造成扩散结果 不均匀；如果恒温区变化未及时调整，同样会出现这个问 题。因此，在我们日常的生产过程中要经常测

4、量恒温区的， 并且恒温区制得特别长。 第三是杂质的蒸汽压的影响。如果石英舟上各处的杂质蒸 汽压不均匀，也会使得扩散结果不均匀。如携带杂质源的 流量太小，而保护性流量又过大。或者石英管 均匀性 粗细不均匀使得石英舟上各处的杂质蒸汽压不一致。改进 办法是在进气端安装一个气体混合室，使得保护性气体和 携带源的气体混合后进入气体反应室。对于片状的扩散源， 要让片状源和硅片之间的间距完全相同。 重复性 重复性不好是由于各炉次的工艺条件存在一些起伏而引起。 如刚清洗的石英管和使用久了的石英管，如果用同样的工 艺条件，其结果是会有一些差别的。因为刚清洗过的石英 管会吸收大量杂质，而使用久了的石英管吸收杂质已

5、达到 饱和状态。此外，源温、流量、材料、扩散温度等都会有 些微小的起伏，造成扩散重复性不好。 扩散工艺的主要参数 1结深 比较关键，必须保证正确的温度和时间； 2扩散方块电阻 注入能量和剂量一定后,表面浓度主要受制于推结程序的工艺过程, 如高温的温度、工艺的时间、氧化和推结的前后顺序； 现行的主要控制参数 3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； 影响扩散的工艺参数 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。 2 时间 一般不易偏差，取决于时钟的精确度。 3程序的设置 先氧化后推结与先推结后氧化得出的表面浓度就不同，因此，方块电阻就会有 很大的差别。 4

6、 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厚，从而使表面浓度产生变化，直接 影响器件的电参数. 扩散工艺的控制要点 1拉恒温区控制温度、2校流量控制气体、3监控风量控制排风4双确认控制工艺 程序、5固定排片方式、片间距等 防止引入沾污，清洗硅片、石英舟、炉管等 工艺控制手段：前馈方式试片（陪片），使用假片等 热氧化工艺原理 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

7、及过 程是制备高质量二氧化硅膜的重要环节。 2. 1氧化层的作用氧化层的作用 211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。 SiO2 N-WELL P-WLL S(P+) 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

8、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。 21. 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；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。 Si(P) P-Well N-Well SiO2 Si3N4 213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 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

9、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。 214 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。 N-Well SiO2 Si(P) P-Well Si3N4 215 MOS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。 N-Well Si(P) P-Well SiO2 Poly Gate-ox

10、ide 22 热氧化方法介绍热氧化方法介绍 221 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； 222 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。 223 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

11、应式： H2+O2=H2O H2O+Si = SiO2+2H2 Si+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1.8。 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。 224 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

12、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。 我们公司大多数氧化都含有掺氯氧化。 2. 3氧化过程中硅片表面位置的变化氧化过程中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

13、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 Si-SiO界面 原始硅表面 SiO2表面 46% 100% 54% 24 影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素 241 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）/B D0 ：氧化剂在二氧化硅中的有效扩

14、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）*t B/A：线性氧化速率常数 极限情况2：长时间氧化时 X2=Bt B：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。 242 氧化温度的影响 温度越高，氧化速率越快。 244 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) 245 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

15、化速 率发生较大变化。 246 氯化物的影响 247 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变化，使氧化速率变化。 24 氧化的工艺控制氧化的工艺控制 1 氧化质量控制 11 拉恒温区控制温度 定期拉恒温区以得到好的温度控制 12 DCE（C2H2Cl2）或HCL吹扫炉管 13 电荷测量 可动电荷测试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。 14 片内均匀性 保证硅片内每个芯片的重复性良好 15 片间均匀性 保证每个硅片的重复性良好 16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。 17 定期检测系统颗粒 25常见问题及处理常见问