氧化扩散工艺培训-串讲(简)

２．２ 污染质的来源
玷污 颗粒 可能来源 影响 氧化层低击穿，成品率降低，尘埃还会吸附 设备，环境，气体，去离子水， Ｎａ＋等有害物质，影响氧化膜和光刻质量及扩 化学试剂 散参数，造成表面漏电和产品失效
设备，化学试剂，反应离子刻 低击穿场强，Ｐｎ结漏电，少子寿命降低，Ｖｔ 金属离子 蚀，离子注入、人 偏移 室内气氛，光刻胶，存储容器化 有机物 氧化速率改变 学试剂 微粗糙度 初始硅片材料，化学试剂 氧化层低击穿场强，载流子迁移率下降 栅氧化层退化，外延层质量变差接触电阻增 自然氧化层 环境湿气，去离子水冲洗 大，硅化物质量差．
Deposition rate Refractive index Deposion temp Pressure ~50A/min ＞30A/min ~70A/min 1.44+/-0.05 2.0+/-0.05 １．４６ 620℃ 780℃ 715C 270mT 375mT 310mT
150/0.3 μ m ＜ 3% 150/0.3μm ＜3% 150/0.3 μ m ＜ 3%
•Response (外在)
–颗粒 (机械颗粒, 膜内颗粒) –膜厚及其均匀性 –淀积速率 –折射率 (SiO 2, Si3N 4)
Particle Poly Si3N4 TEOS
Thickness uniformity Within wafer wafer to wafer ＜ 5% ＜5% ＜ 5%
一
设备 氧化 扩散 按工艺分类 清洗 LPCVD 注入 卧式炉 立式炉 按设备分类 清洗机 分类
扩散部设备简表
内容 PAD氧化、场氧化、栅氧化、 POST氧化 推阱、退火、合金 氧化前清洗、漂洗 LP-POLY、 LP-TEOS、 LP-Si3N 4 M1、 M3、 M4、 GSD1、 GSD2 A、 B、 C、 D、 F、 G、 H、 I 8组共 32根 VTR-OX、 VTR-POLY、 VTR-TEOS 共三根 FSI-1、 FSI-2、 FSI-3、 FSI-4、 DNS1、 DNS2等共 6台 M1、M3、 M4, 注入机 ＧＳＤ１、 ＧＳＤ２、 ＧＳＤ３
吸附 解吸
被吸附离子+热
２．４ 硅片清洗的一般顺序
纯水冲洗 纯水冲洗 干燥
去分子型杂质（包括油污） 纯水冲洗 去离子型杂质 去原子型杂质
２．５ 主要的化学清洗液
• • • • APM (NH4OH：H2O2：H2O) HPM (HCL：H2O2：H2O) SPM ( H2SO4：H2O2) 稀HF的漂洗
推阱Drive-in) /退火 (Anneal)/磷掺杂 (P-Doping)/ 合金 (Alloy)
4.4 扩散工艺主要参数
• 扩散结深 在离子注入条件确定后，主要由工艺温度和时间所 决定。 • 杂质表面浓度&方块电阻 注入能量和剂量一定后,表面浓度和方块电阻主要受 制于扩散温度，扩散时间及扩散气氛等因素决定。 • 剖面杂质浓度分布 反映杂质经扩散过程的浓度分布情况，可通过扩展 电阻测试方法（ＳＲＰ）加以分析。 • 膜厚（如推阱） 主要为光刻对位提供方便,同时影响园片的表面浓度， 过厚或过薄均会影响N或P管的开启电压。
阻挡住不需扩散或注入的区域，使离子不能进入半 导体内，同时也可减少注入损伤。
ＳｉＯ２
P-WELL
N-WELL
N-Si
3.3.2 氧化膜的作用（2）-缓冲层
•缓冲介质层（PAD OXIDE)
二次氧化等，缓冲氮化硅与硅之间的应力差异
Si 3 N4
SiO2
P-Well
N-Well
Si(P)
3.3.3 氧化膜的作用（3）-绝缘栅介质
离子注入掺杂
优点：掺杂温度低，能够很好的控制横向扩散，掺杂均匀性好，掺 杂深度容 易控制，掺杂剂量容易控制，能实现浅结掺杂，注入不受 固溶度限制。 缺点： 对晶格的损伤大，注入后须退火消除损伤，容易形成沟道效 应，设备昂贵。
原位掺杂法（Ｉｎ－ｓｕｉｔ ｄｏｐｉｎｇ）
优点：能够实现均匀掺杂，节省工艺步骤，缩短工艺制程，对氧化 层的击穿有不同程度的提高。 缺点：使相邻的器件开启电压变化，非晶硅经过热处理后结构发生 变化，使测量不准确，反应过程较难控制。
3.6 氧化工艺质量的监控
• 氧化膜表面状态----目检，聚光灯和显微镜等。 • 氧化膜厚度----光学检测法（比色法，膜厚测试仪， 椭圆仪，C-V法等）。 • 氧化膜电荷含量----C-V测试法（测试氧化 膜Qm， Qox，Qot，Dit等）。 • 氧化膜少子寿命----SCA表面电荷分析法等。 • 氧化膜击穿---QBD和BV测试等。 • 氧化膜针孔-----选择腐蚀法或染色法等。 • 氧化膜层错-----Wright腐蚀液法等。 • 氧化膜应力----X射线和电子衍射技术等。 • 氧化膜折射率----膜厚仪等。
２．３ 清洗的基本原理
硅片表面被吸附的杂质粒子在其平衡位置附近不停地 振动着。其中有些杂质粒子由于获得较大的动能而脱离硅 片表面，重新回到周围的介质（例如：空气）中去，称为 “ 解吸” 。同时，介质中的另一些离子又会在硅片表面上重 新被吸附。一般来说，吸附和解吸处于一种平衡的状态。 对于硅片表面而言，吸附是放热过程，解吸是吸热过 程。因此清洗的实质在于以不同手段提供杂质粒子解吸所 需的能量。 自由离子
n
MOS场效应晶体管的绝缘栅、电容介质 作为器件结构的一部分。 如栅氧化层（Gate -oxide） ，其质量要求非常高； 电容极板之间的介质，对电容的大小有较大影响 。
Poly SiO2
P-Well N-Well Si(P)
3.3.4 氧化膜的作用（4）-隔离介质
n集成电路的隔离介质：
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
３．７
工艺监控要点
•氧化膜表面颜色一致性 •氧化膜厚度（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ） •膜厚均匀性 •氧化膜腐蚀速率及其均匀性和重复性 •氧化膜表面缺陷和颗粒等
四 扩散工艺介绍
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 的不足等局限性日益突出。
• Silicon nitride (Si3N 4)
– 做为氧化膜生长的掩膜层 – 良好的电绝缘材料
• Silicon dioxide (TEOS)
– LDD结构的Spacer材料 – 钝化介质层
5.4 Process Control
•Factors (内在)
–温度 –反应气体的质量和纯度 –反应时间 –反应压力
n
氧化气体中掺入含Cl元素的气体 特点：加快氧化速率，改善氧化层质量。 DCE：C2H2Cl2（二氯乙烯）
3.5 影响氧化膜质量的因素
3.5.1 影响氧化膜厚度的因素 • 氧化温度 • 氧化时间 • 气体流量 • 衬底类型及晶向 (110)>POLY>(111)>(100) • 半导体所含杂质浓度 3.5.2 影响氧化膜均匀性的主要因素 • 排风 • 硅片在炉管内位置 • 气体流量及比例 • 在生长超薄介质膜时氧化方式的选择等
氧化扩散工艺培训
扩散部 张辉然
培训内容
n
一
n n n n n
二 三 四 五 六
扩散部设备简介 （Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ） 化学清洗简介 （Ｃｌｅａｎｉｎｇ） 氧化工艺介绍 （Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ） 扩散工艺介绍 （ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ） 化学气相淀积 （ＬＰＣＶＤ） Ｃ－Ｖ测试简洁 （Ｃ－Ｖ Ｔｅｓｔ）
4.5 影响扩散质量的因素
• 工艺温度 关键因素，决定了杂质扩散系数的大小， 对工艺的影响最大。 • 扩散时间 一般不易偏差，取决于时钟的精确度。 • 排风 &气体 排风：对片内和片间均匀性会有影响， 气体：气体流量的改变会影响膜厚，从而使 表面浓度产生变化，直接影响器件的电参数。
4.6 扩散工艺控制
2H2O+SI SIO 2+2H 2 特性：生长速率快，但结构疏松，掩蔽能力差，氧 化层有较多缺陷。对光刻胶的粘附性较差。
3.4.3 氧化方法-湿氧氧化
n
氢氧合成法（通入气体：O2 +H2） 2H2+O2 2H2O+Si Si+O2
2H2O
SiO2+2H 2 SiO2
3.3.4 氧化方法-掺氯氧化
Si3 N4
SiO2
P-Well N-Well Si(P)
3.4 氧化膜的制备 • 干氧氧化 • 水汽氧化 • 湿氧氧化 • 掺氯氧化 • 高压氧化等
3.4.1氧化方法-干氧氧化
Si+O2 SiO2 特性：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；
3.3.2 氧化方法-水汽氧化
二 化学清洗（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｌｅａｎｉｎｇ）
•２．１ 化学清洗的重要性
半导体对杂质极为敏感，百万分之一甚至十 亿分之一的微量杂质，就对半导体的物理性质产 生影响，微量的有害杂质可由各种随机的原因进 入器件，从而破坏半导体器件的正常性能 为了清除随机污染，建立了特殊的半导体工 艺--清洗工艺。
三
氧化工艺介绍 （Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）
•3.1 氧化膜的性质 •3.2 氧化膜的作用 •3.3 氧化膜的制备 •3.4 影响氧化膜质量的因素 •3.5 氧化工艺质量的监控
3.1 热生长氧化膜的性质
•SiO2结构为无定型（amorphous); •SiO2密度为2.2mg/cm3 ; •较好的电绝缘性 电阻率＞1.0E20ohm-cm 禁带宽度~9eV •较高的介电强度 ＞10MV/cm； •能形成较稳定的Si/SiO2界面；
4.1 扩散的分类
(a)间隙式扩散（Interstitial); (b)替位式扩散（Substitutional)
4.2 扩散过程和杂质分布
(1) 恒定表面浓度扩散（Predeposition); (2) 限定源扩散（Driver-in).
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4.3
多晶硅掺杂方法
热扩散法（磷／硼扩）：
优点：能够实现重掺杂，且电阻易控制，制作成本低。 缺点：温度较高，轻掺杂时均匀性难控制，横向扩散严重，不宜做浅 结工艺。
•扩散炉管洁净度的定期检测-----C-V测试 •炉管定期在含氯气氛下吹扫-----DCE purge •拉恒温区控制温度 •炉管颗粒QC检测 •炉管，桨，舟，假片等的定期清洗 •排风检查 •电阻值及其均匀性 QC
五 低压化学气相淀积(LPCVD)
• LPCVD 表示 Low-Pressure Chemical Vapor Deposition 化学气相沉积法定义为化学气相反应物，经由化学 反应，在基板表面形成一非挥发性的固态薄膜。这是最 常在半导体制程中使用的技术。
5.5 Polysilicon
•Reaction SiH4
270mT 600-700℃
Si+2H2
• Deposition condition
– 温度： 620C – 压力：270mt – 气体流量： SiH4: 40sccm, 48sccm, and 60sccm
5.1 The Advantage of LPCVD
• • • • • 具有较好的台阶覆盖能力 能精确控制淀积膜的化学组分和结构 低温工艺 淀积速率快 产能较大
5.3 The Application of LPCVD
• Polycrystalline silicon (polysilicon)
– 做为MOS器件的栅电极材料 – 做为多层布线的导电材料
3.2 热氧化膜生长示图
热氧化会使硅片表面位置发生变化
SiO2表面 54% 46%
原始硅表面 Si-SiO 2界面
一般生长１ｕｍ厚的ＳｉＯ２，要消耗掉０．４６ｕｍ厚的Ｓｉ
3.3 氧化膜的作用
掩蔽层 缓冲层 绝缘栅和电容介质 隔离介质 钝化介质等
3.3.1 氧化膜的作用（1）-掩蔽层
杂质选择扩散和选择注入的掩蔽膜
一般工艺流程：
装片——进舟——对反应室抽真空——检查设备是 否正常——充Ｎ２吹扫并升温——再抽真空——保持压力 稳定后开始淀积——关闭所有工艺气体，重新抽真空—— 回冲Ｎ２到常压——出炉。
• 反应压力: 200~400mt • 反应温度: 600~800℃ • 反应气体:
Silane (SiH4), Dichlorosilane (SiCl2H2), Ammonia (NH3), Tetraethoxysilane (TEOS), etc.