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扩散部工艺培训

CSMCHJ扩散部工艺培训

----主要设备、热氧化、扩散、合金

扩散部2002年7月

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。

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、POLY

清洗

进炉前清洗、漂洗

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=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==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1.88。

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

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+）

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：

1700A

2．4．6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

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/x2

N=N（x，t）杂质的浓度分布函数，单位是cm-3

D：

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

3．2．3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

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厚，从而使表面浓度产生变化，直接影响器件的电参数.

3．3．1．3推阱工艺控制

阱电阻：

用来监控推阱后N（或P）阱电阻的大小，阱电阻的大小会对制作在N（或P）阱里的晶体管的栅开启电压及击穿电压造成直接影响；但电阻控制片的制作由于有一定的制作流程，因此电阻有时会受制备工艺的影响。

3．3．2退火

在当今的亚微米工艺中，由于浅结、短沟的限制，硅片工艺后段的热过程越来越被谨慎地使用，但是退火仍然以不同的形式出现在工艺的流程中。

退火可以激活杂质，减少缺陷，并获得一定的结深。

它的工艺时间和温度关系到结深和杂质浓度。

3．3．3磷掺杂

由于磷掺杂的控制精度较底，它已经渐渐地退出了工艺制作的舞台。

但是在一些要求不高的工艺步骤仍然在使用。

3．3．3．1多晶掺杂

向多晶中掺入大量的杂质，使多晶具有金属导电特质，以形成MOS之“M”或作为电容器的一个极板或形成多晶电阻，之所以不用离子注入主要是出于经济的原因。

3．3．3．2N+淀积

在我们的生产线上，仍然在使用此种工艺-----磷掺杂的传统角色，以形成源漏结和扩散电阻

3.3.3.3磷扩散原理

使用PBr3源，反应式如下：

4PBr3+5O2====2P2O5+6Br2

2P2O5+5Si====5SiO2+4P

3．3．4磷扩散工艺主要参数

3．3．4．1结深

3．3．4．2扩散电阻

现行的主要控制参数

3．3．4．3表面浓度

以上这三项参数都与掺杂时间、掺杂温度、磷源流量等有密切的关系

3．3．5影响磷扩散的因素

3．3．5．1炉管温度和源温

炉管温度会影响杂质在硅中的固溶度，从而影响掺杂电阻；PBr3是挥发性较强的物质，温度的大小会影响源气的挥发量，使源气蒸气压发生变化，从而影响掺杂杂质总量,因此必须保证温度稳定。

3．3．5．2程序的编制

磷源流量设置的大小决定了淀积时间的长短，使推结的时间变化，从而影响了表面浓度和电阻。

3．3．5．3时间

一般不易偏差，取决于时钟的精确度

3．3．5．4排风

排风不畅，会使掺杂气体不能及时排出，集中在炉管之内，使掺杂电阻难于控制。

3．3．6磷扩散工艺控制

3．3．6．1拉恒温区控制温度

3．3．6．2电阻均匀性

电阻均匀性可以反应出温度或气体的变化以及时发现工艺和设备发生的问题，在进行换源、换炉管等备件的更换时，需及时进行该QC的验证工作，以确定炉管正常。

3．3．6．3清洗炉管及更换内衬管

由于在工艺过程中会有偏磷酸生成，在炉口温度较低处会凝结成液体，并堆积起来，会腐蚀炉管甚至流出炉管后腐蚀机器设备。

3．3．4常见问题及处理

3．3．4．1推阱炉管均匀性及膜厚变化

检查方法与热氧化一样。

3．3．4．2推阱时程序中断

对策：

1．检查炉管的作业记录，找出中断的真正原因；

2．根据作业记录中剩余时间的多少确定返工时间；

3．必须减去升降温的时间补偿。

3．3．4．3磷掺杂后，电阻均匀性变差

对策1．检查排风有无变化

2．检查炉管的温度有无大的偏差

3．检查源温有无大的波动

4．检查MFC的流量有无波动

第四章：

合金工艺

淀积到硅片表面的金属层经光刻形成一定的互连图形之后，还必须进行一次热处理，称为“合金化”。

合金的目的是使接触孔中的铝与硅之间形成低电阻欧姆接触，并增加铝与二氧化硅之间的附着力。

4．1铝栅合金

铝是三价元素，在硅中是强P型杂质，与SI能形成低值欧姆接触。

4.1.1铝栅合金工艺过程中的问题：

在热处理过程中，硅会不停地往铝膜中输送，直到铝膜中的含硅量在此温度下达到饱和，溶解过程才停止。

硅在铝膜中的溶解和扩散过程受铝晶粒尺寸、孔边缘氧化层应力、孔上残余的SiO2的影响，引起铝膜对硅的不均匀溶解。

溶解入硅的铝膜，我们称之为‘铝钉’。

铝钉的存在，会产生PN结击穿特性退化。

严重时，出现PN结短路。

4.1.1铝钉造成的击穿特性变差的例子：

材料：

N：

0.1-100

过程：

在400A氧化层上淀积8000A铝膜。

实际在干法去胶后，氧化层残余140A左右。

测试仪器：

CV测试仪

铝钉在薄SiO2上的渗透后，击穿特性变差

合金前的IV特性

合金后的IV特性

测点

工艺

20V下的漏电流

击穿

测点

工艺

20V下的漏电流

击穿

干法

1.6nA

干法

1.4nA

残厚136A

4.7

残厚137A

3.3

（400A）

（408A）

6.3

6.6

5.7

35.5

2.4

14.8

35.9

1.6

2.7

36.8

2001.实验者

4．2常用的硅栅合金工艺

用多晶硅代替铝作为MOS晶体管的栅电极简称为‘硅栅’。

实际工艺中，预先在铝源中加入适量的硅，使硅在铝膜中处于饱和，避免硅在铝膜中的溶解，也就避免了‘铝钉’的产生。

同时用TiN层来阻挡铝膜向硅中的渗透，在TiN与硅的结合处，预先形成TiSi化合物来加强粘附性。

4.2.1合金工艺的作用：

目前上华采用的合金工艺的作用不仅仅是形成欧姆接触，它的另一个最大的作用在于：

包含N、H烘陪工艺，是减少表面态密度，避免软击穿的有效措施。

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