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1、集成电路工艺技术讲座第四讲扩散和热氧化扩散和氧化目录 扩散 扩散基本规律 扩散技术 扩散层的检测 热氧化 热氧化机理和规律 氧化膜性质及检测 氧化扩散工艺模拟扩散 扩散工艺半导体制造中最基本的掺杂手段 ，高温下将杂质导入点阵，或形成一定分布， 改变半导体导电性质 双极IC的埋层，隔离，基区，发射区，MOS IC的阱，源漏都要用到扩散 杂质导入方式从气态或液态化学源中扩散 气相掺杂从掺杂氧化物或乳胶源中扩散 固固扩散离子注入 然后退火，扩散扩散基本理论 扩散方程 低浓度时扩散方程的解 扩散层薄层电阻 电场的影响 扩散的微观理论扩散方程 j=-DdN/dx Fick 第一定律jx x+dx在间隔d
2、x的二平面间，通过的净物质流Adj, 应等于空间(Adx)产生粒子速率(dN/dt)(Adx)AdxdN/dt=-Adjj+djA扩散方程 N/t= /x(DN/x) Fick 第二定律 D（扩散系数） 一般是温度和浓度的函 数，低浓度扩散时仅为温度的函数， 低浓度时的扩散系数D=Do exp(-Eo/KT) 一定温度下为常数 低浓度时的扩散方程N/t=D 2N/x2低浓度扩散（本征扩散）0.010.11.010100n/ni(T)110100D/Di （T ）本征扩散非本征扩散ni9.65x109cm3 (RT) ni=5x1018cm3 (1000C)低浓度扩散方程的解 常数扩散源 N(x
3、,t)=NS erfc(x/2(2Dt)1/2)低浓度扩散方程的解 有限扩散源 N(x,t)=Qo/(Dt)1/2 exp-(x/2(Dt)1/2)2 高斯分布Xj1 Xj2NSNSNBx扩散层的薄层（方块）电阻NPLLxjRs=L/Lxj= /xj=1/ xj扩散层的薄层（方块）电阻（续 ） 对n型样品 qnn 杂质全部电离 qnND 对p型样品 qPp qnNA 一般ND， NA是位置函数 Rs, Xj, N(x)有以下关系： Rs1/oxjq (x)N(x)-NBdx电场的影响 杂质在晶体中电离成离子和电子，高浓 度时，会产生一电场 E=KT/q d/dxln(ND/ni) 存在电场时，
4、杂质运动是扩散和漂移运 动之和 J=-DdN/dx+nE=f DdN/dx=Deff dN/dx f=1+1+(2ni/ND)2-1/2 f=1-2扩散的微观理论 间隙扩散和替代扩散Em约0.6-1.2V 室温下约每分钟跳一次ES+ En约3-4eV,室温 下约1045年跳一次替代扩散和间隙扩散 替代扩散第3,4族元素，Al, B, As, Sb, P 间隙扩散第1,8族元素，Na, K, H, He 间隙-替代扩散过渡元素，Au, Ag, Cu, Fe, Ni 后二类杂质减少少子寿命，是重要沾污源空位能带图-+EcE2EE+ Ev0.11V0.44V0.11V扩散系数和浓度有关 D=DioV
5、o/ Vo i+Di+ V+/ V+I +Di- V-/ V-i+Di2- V2-/ V2-I Vr/ Vr I=(n/ni)r D=Dio +Di+ (p/ ni) +Di- (n/ni) + Di2- (n/ni)2 扩散实用规律 硅中杂质固溶度 高浓度扩散高浓度砷，硼扩散高浓度磷扩散 杂质在SiO2中的扩散 氧化增强扩散硅中杂质固溶度高浓度砷和硼扩散 高浓度砷扩散 D=fe Dio +Di- (n/nie) 高浓度硼扩散 D=fe Dio +Di+ (p/nie) 低浓度和高浓度砷扩散系数比较例低浓度 D=1.6x10-15cm2/s浓度1019cm3 D= (1.6+1.7)x10-1
6、5cm2=3.3x10 -15cm2高浓度砷和硼扩散 Hu 表达式 D=Di(1+Fv)/(1+ ) 砷 fv= n/ni =100 硼 fv= p/ni =3高浓度砷和硼扩散杂质分布C/CSx/xi10.10.010.0010.2 0.4 0.6 0.8 1.0ErfcBAs高浓度磷扩散10201019101810170.2 0.4 0.6 depth(um)C (cm-3) 尾区中 间 区表 面 区ns高浓度磷扩散 表面区 磷和中性及双电荷空位作用形 P+V-对 D=feDio+Di2-(n/ni)2 中间区 离表面区后，杂质浓度降低，当靠近 导带边下0.11ev， P+V-对解体，产生特
7、征电子 浓度ne(T) 尾巴区 由于P+V-对解体，硅点阵中空位增加 ，扩散系数增加Dtail=feDo+D-ns3/ne2n1+exp(0.3ev/KT)杂质在SiO2中的扩散元素DSiO2 (900C) (cm2/s)Cs (cm-3)DSi(900C) (cm2/s) B3.4x10-19 4.4x10-166x1018 1019-2x10202x10-15P9.3x10-19 7.7x10-158x1017- 8x1019 8x1020-102110-15As10-17-10-18(111)(Xj)fo(Xj)fSi3N4扩散技术 对扩散系统的要求 扩散源的选择 扩散设备 扩散工艺菜单
8、对扩散系统的要求 表面浓度可在宽的范围内控制，直到固 溶度 重复性好，可控 均匀性好 少沾污 可处理大批量硅片扩散源的选择 气相扩散固体源 微晶玻璃，BN, Sb2O3液体源 POCl3, HBr,2POCl3+2O2-P2O5+3Cl22P2O5+5Si-5SiO2+4P气体源 PH3, AsH3 固固扩散PSG/Si扩散系统氧化扩散炉硅片清洗 SC1+SC2方案H2O : H2O2 : NH4OH =1500 : 250 : 125 195secDI water rinseH2O : H2O2 : HCl =1500 : 250 : 250 110sec:DI water rinse an
9、d dry SC3方案Put wafer in H2SO4 tank, then add 75ml H2O2 in this tank. 10minDI water rinse 10min and dry炉中硅片放置 用装片机将硅片装载到石英舟上 必要时放置监控用陪片和dummy wafer-654321工作区域100pcs炉口炉尾陪片扩散炉中的硅片扩散菜单 深磷予淀积 3.20.3/ 510351025104510N2 6.7 LN 6.7 L O 0.8 LN 6.7LN 4LPOCl3soak800C1010C800C扩散层的检测 结深滚槽法，磨角法，断面SEM 薄层电阻四探针法,范德堡
10、（Van der pauw）法 杂质分布扩展电阻，SIMS, C-V, 卢瑟福背散射， 示踪原子滚槽法测结深pN+Xjb aXj=(R2-b2)1/2- (R2-a2)1/2磨角法测结深pn单色光断面SEM法测结深四探针法测薄层电阻V Rs=kV/IsP范德堡法测薄层电阻R=1/4V12/I34+V23/I41+V34/I12+V41/I23 Rs=(/ln2)FR扩展电阻测杂质分布扩展电阻测杂质分布热氧化SiO2在IC中的作用 作为杂质扩散或离子注入的掩蔽层 表面钝化层 器件隔离用的绝缘层 MOS器件的组成部分栅介质 电容介质 多层布线间的绝缘层 热氧化是形成SiO2最重要方法热氧化机理和规
11、律 氧化生长模型 氧化实验规律 晶体取向的影响 杂质增强氧化氧化生长模型(Deal & Grove) 气相氧化物间 F1=h(C*-Co) 氧化物内 F2=D(Co-Ci)/xo 氧化物-硅间 F3=KS Ci xoSiO2 SiCOF1 F2 F3CIC*氧化生长模型 F1=F2=F3 Ci=C*/(1+KS/h+ Ksxo/D) Co=(1+ Ksxo/D) C*/(1+KS/h+ Ksxo/D) 二种情况 D很小 Ci 0 Co C* 扩散控制 D很大 CiCoC*/(1+KS/h ）反应控制氧化生长模型 R=F3/N1= KS C* /(1+KS/h+ Ksxo/D) 初始条件 t=0
12、 xo=xi xo2+A xo=B(t+) 2xo/A=1+(t+ )/(A2/4B)1/2-1 t xo2=Bt 抛物线生长规律（扩散控制） t+ A2/4B xo(B/A) (t+ )线性生长规律（反应速率控制）线性速率常数抛物线速率常数干氧氧化湿氧氧化含氯氧化 干氧以外加少量(1%-3%)卤素，主要是氯 。 Cl2与重金属原子反应生成挥发性氯化物 ，具有清洁作用。 O2,Cl2混合气中的氧化速率比纯氧中高， O2中含3%HCl，线性速率大一倍。 常用氯源有：HCl, TCE（三氯乙烯）, TCA（三氯乙烷）, DCE（二氯乙烯）等 。掺磷硅湿氧氧化晶向对氧化速率的影响BB/AB/A (1
13、11)/(100) 900C(100)0.1430.150(111)0.1510.2521.681000C(100)0.3140.664(111)0.3141.1631.751100C(100)0.5212.977(111)0.5174.9261.65杂质再分布SiO2 Si SiSiO2k1x (um)x (um)CCSiO2的结构氧化菜单 1000A栅氧化N2 16LO2 8LN2 16L800C1100C800CHeat up 7C/minCool down 4C/minBoat in 13cm/minBoat out 10cm/minDry oxidation 37min氧化膜性质和检
14、测 厚度 光学干涉法，椭圆偏振法 击穿强度 击穿电压， TDDBTDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown) 折射率和介电常数 氧化层电荷硅片氧化层厚度分布硅片氧化层厚度分布（三维）TDDB 直接评估介质电学特性，硅片级预测器 件寿命 测试样品为MOS电容或MOSFET 四种方式：恒电压，恒电流，斜坡电压 ，斜坡电流 测试参数：Ebd，tbd, QbdQbdtdbJ(t)dtTDDBTDDBTDDB氧化层电荷Na可动离子电荷 xxxx K+氧化层 陷阱 氧化层固定电荷界面陷阱电荷CV法测氧化层电荷V(v)C(pf) CoVFBVFBQSS=CoVFB QM=CoVFBP-SiSUPREM工艺模拟 基本方程 工艺模型 网格和数值计算 输入文件 输出：杂质和载流子浓度分布工艺模拟基本方程 流量方程 J=-DdC/dx+ZCE 连续性方程 dC/dt+dJ/dx=G 泊松方程 D,E=q(p-n+ND+-NA-)输入文件 标题行，注释行 控制语句初始化语句 衬底类型，晶向，掺杂浓度 ；模拟区厚度，网格设置 工艺语句 扩散语句，注入语句，刻蚀语句等 输出
