扩散工艺-半导体制造

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

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LPCVD TEOS、SI3N4、POL Y

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。

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=ε

0*εr *S/d

ε0：真空介质常数 εr ：相对介电常数

S ：电容区面积 D ：介质层厚度

P-Well SiO 2 Si 3N 4

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。

2．1．5 MOS 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+O 2 == SiO 2

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SiO 2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：2H 2O+Si == SiO 2+2H 2

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-Well

SiO 2

2

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O

2 和H

2

O ，实际上是两种氧化的结合使用。

湿氧氧化化学反应式：

H

2+O

2

==H

2

O

H

2O+Si == SiO

2

+2H

2

Si+O

2 == SiO

2

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H

2O的形成通常是由H

2

和O

2

的反应得到；因此通过H

2和O

2

的流量比例来调节O

2

和H

2

O的分压比例，从而调节氧化速率，但为了安全，

H 2/O

2

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（C

2H

2

Cl

2

）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H

2O，加速氧化；其二：氯积累在Si-SiO

2

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SiO

2

，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

SiO

2

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X

0（um），所消耗的硅厚度为X

1

，则：

a=X

1/X

=0.46

即生长1um的SiO

2，要消耗掉0.46um的Si。但不同热氧化生长的SiO

2

的密度不同，a值会略有

差异。

2．4 影响氧化速率的因素