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=

ε0*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

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

P-Well SiO 2 Si 3N 4

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：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

N-Well

SiO2

2

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

2．4．1 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+ ）