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1、炉管设备工艺基础炉管设备工艺基础-氧化、扩散、氧化、扩散、LPCVD、杨桂凯 2014.03炉管工序工艺炉管工序工艺氧化氧化:热氧化热氧化SIO2膜。膜。 扩散扩散: B , P , As等。等。 LPCVD：化学气相沉积成膜。：化学气相沉积成膜。炉管设备简介炉管设备简介类别主要包括按工艺分类热氧化干氧，湿氧， 扩散退火/磷、硼、砷掺杂 LPCVDPOLY、Si3N4、TEOS 按设备分类卧式炉6英寸管3，4，5，6， 7，8，9，10， 11，13，14，15 8英寸管1，2立式管管16，(17待装机)炉管设备简介炉管设备简介炉管设备简介炉管设备简介三管卧式炉系统三管卧式炉系统双体立式炉系统
2、双体立式炉系统设备简介设备简介炉管：高温作业炉管：高温作业(300-1350度度)， 可分为以下几个部分：可分为以下几个部分： 组成部分组成部分功能 控制柜控制柜对设备的运行进行统一控制； 装舟台：装舟台： 硅片放置的区域，由控制柜控制运行 炉炉 体：体：对硅片进行高温作业的区域，由控制 柜控制升降温 源源 柜：柜：供应源、气的区域，由控制柜控制气 体阀门的开关。IC中常见的中常见的SiO2生长方法：生长方法：热氧化法、淀积法热氧化法、淀积法氧化氧化热氧化法概念热氧化法概念 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。 热氧化目的热氧化目的 热氧化的目的是在硅片上制
3、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。氧化氧化一、氧化层作用一、氧化层作用 用于杂质选择扩散的掩蔽膜用于杂质选择扩散的掩蔽膜 缓冲介质层缓冲介质层 电容的介质材料电容的介质材料 集成电路的隔离介质集成电路的隔离介质 MOS场效应晶体管的绝缘栅材料场效应晶体管的绝缘栅材料氧化氧化1、用于杂质选择扩散的掩蔽膜、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
4、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。氧化氧化图中蓝色线条区域为氧化层膜图中蓝色线条区域为氧化层膜SiO2N-WELLP-WLLS(P+)氧化氧化1960年二氧化硅就已被用作晶体管选择扩散的掩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
5、质在二氧化硅时，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，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。响掩蔽效果。氧化氧化2、氧化层用于缓冲介质层、氧化层用于缓冲介质层 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可作为注入缓冲介质，以减少注入对器件表面的 损伤氧化氧化图中在氮化硅与硅之间生长图中在氮化硅与硅之间生长SiO2减小两者之间的应减小两者之间的应 力力Si(P)P-WellN-WellSiO2Si3N4氧化氧化二氧
6、化硅的相对介电常数为二氧化硅的相对介电常数为3-4。二氧化硅的耐击。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、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腐蚀有较大的关系，而厚度则由二氧化硅的厚度 决定。决定。氧化氧化4、集成电路的隔离介质、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
7、，达到器件隔离的目的。氧化氧化图中蓝色线条区域为氧化层膜图中蓝色线条区域为氧化层膜N-WellSiO2Si(P)P-WellSi3N4氧化氧化5、MOS场效应晶体管的绝缘栅材料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。N-WellSi(P)P-WellSiO2PolyGate-oxide氧化氧化二、生长氧化层的方法二、生长氧化层的方法 干氧氧化干氧氧化 水汽氧化水汽氧化 湿氧氧化湿氧氧化 掺氯氧化掺氯氧化氧化氧化1、干氧氧化、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
8、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。 优点：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； 缺点：生长速率较慢氧化氧化2、水汽氧化、水汽氧化 水汽氧化化学反应式：水汽氧化化学反应式：2H2O+Si = SiO2+2H2缺点：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。氧化氧化3、湿氧氧化、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： 2H2+O2=2H2O （点火腔反应） 2H2O+Si = SiO2+2H2 （炉管工艺腔反应） Si+O2
9、= SiO2 （炉管工艺腔反应）氧化氧化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。SIMGUI MRL 炉管使用(9L/6L ,),TEL炉子用8L/6L 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。氧化氧化4、掺氯氧化、掺氯氧化 氧化气体中掺入HCL或Trans-LC（反一二氯乙烯）后，氧 化速率及氧化层质量都有
10、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。氧化氧化我们公司采用的氧化方法我们公司采用的氧化方法 : 干氧(掺Cl） 干氧+湿氧+干氧 (掺C
11、l） 采取此氧化工艺的原因：a、加快氧化速率 b、保证了氧化层的膜质 c、减少钠离子沾污 d、消除热氧化缺陷，改善击穿特性，提高SOI材料的质量以保证客户后 续制造器件的可靠性和稳定性。氧化氧化三、影响氧化速率的因素三、影响氧化速率的因素 氧化温度的影响 温度越高、氧化速率越快。 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 圆片其氧化速率为： (110)POLY(111)(100)氧化氧化氧化氧化四、常见问题及处理四、常见问题及处理所有片子膜厚异常所有片子膜厚异常装载端膜厚异常，但片内的均匀性正常装载端膜厚异常，但片内的均匀性正常氧化氧化1、膜厚异常、膜厚异常 对策：首先，检
12、查测量结果是否准确、仪器工作 状态是否正常，然后 a、 检查程序 H2 O2气体流量、工艺温度是否正常 b、检查炉管的气体接口是否正常 c、如使用控制片，检查OM控制片是否用对 d、检查温度气体 流量曲线，确认是否有异常。 e、检查点火装置的各处连接正常，然后进行点火 实验。氧化氧化2、装载端膜厚异常、装载端膜厚异常 对策： 1.如使用控制片，检查OM控制片； 2.检查排风正常 3.检查炉门正常 4.检查恒温区正常 5.检查舟位置正常氧化氧化立卧式炉管功能比对立卧式炉管功能比对扩散扩散概述：概述： 扩散技术目的在于控制半导体中特定区域内杂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
13、、深度和质的类型、浓度、深度和PN结。在集成电路发展结。在集成电路发展 初期是半导体器件生产的主要技术之一。初期是半导体器件生产的主要技术之一。扩散扩散杂质扩散机构杂质扩散机构 扩散方程扩散方程 扩散工艺扩散工艺 SIMGUI SOI 注入后退后扩散注入后退后扩散 扩散工艺的发展扩散工艺的发展扩散扩散一、杂质扩散机构一、杂质扩散机构 1、替位式扩散机构、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。扩散扩散杂质的替位式扩散杂质的替位式扩散杂质原子S
14、i原子晶格空位扩散扩散2、填隙式扩散机构、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。扩散扩散杂质的填隙式扩散杂质的填隙式扩散Si原子杂质原子Si substrateTop SiBOXAnnealImplant扩散扩散SIMGUI SOI 注入后退火扩散注入后退火扩散Oxygen Implant SiO2扩散扩散3、杂质在硅中的固溶度、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
15、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。扩散扩散三、扩散工艺三、扩散工艺 磷予扩散磷予扩散 原理原理 影响因素影响因素 如何控制磷扩散工艺如何控制磷扩散工艺 常见问题的处理常见问题的处理 硼予扩散硼予扩散 原理原理 影响因素影响因素 如何控制磷扩散工艺如何控制磷扩散工艺 常见问题的处理常见问题的处理扩散扩散1、磷予扩、磷予扩 1.1 磷予扩工艺原理磷予扩工艺原理 三氯氧磷液态源乳扩散的方式进行磷扩散。 原理：POCL3分解成P2O5 2P2O5 +5Si = 5SiO2 +4P扩散扩散1.2 影响磷扩散的因素影响磷扩散的因素 a 炉管温度和源温炉管
16、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； POCL3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。扩散扩散b 程序的编制程序的编制 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。推结的时间变化，从而影响了表面浓度和电阻。 c 时间时间 一般不易偏差，取决于时钟的精确度一般不易偏差，取决于时钟的精确度扩散扩散d 排风不畅，会使掺杂气体不能及时排出，集中排风不畅，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。在炉管之内，使掺杂电阻难于控制。 1.3 磷扩散工艺控制磷扩散工艺控制 a、拉恒温区控制温度 b、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
