扩散工序工艺培训

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1、YDME扩散工序工艺培训 -清洗、氧化、扩散、LPCVD、合金2009.12扩散工序工艺v清洗 v氧化v扩散vLPCVDv合金 扩散设备简介 类别主要包括按工艺分类热氧化一氧、注氧、电容氧化 扩散退火/磷、硼掺杂 LPCVDPOLY、SiN、TEOS 清洗进炉前清洗、漂洗 合金合金 按设备分类卧式炉A B C F 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 清洗机FSI-1、FSI-3 、 FSI-4扩散设备简介v炉管：负责高温作业，可分为以下几个部分：v组成部分 功能v控制柜 对设备的运行进行统一控制；v装舟台： 圆片放置的区域，由控制柜控制运行v炉 体： 对圆片进行高温作业的区域，由控制 柜

2、控制升降温v源 柜： 供应源、气的区域，由控制柜控制气 体阀门的开关。vFSI：负责炉前清洗。清洗v硅片表面污染来源v化学清洗的去污原理v硅片的清洗v本公司清洗的具体方法清洗1、硅片表面污染来源v有机物沾污：包括切、磨、抛工艺中的润滑油脂 ；石蜡、松香等粘合剂；手指分泌的油脂及光刻 胶、有机溶剂的残留物等。v金属离子、氧化物及其他无机物质：包括腐蚀液 中重金属杂质离子的残留；各种磨料中的氧化物 或金属离子；使用的容器、镊子、水中的金属离 子沾污；各种气体、人体汗液等引入的杂质离子 。v其他可溶性杂质清洗2、化学清洗的去污原理v有机溶剂的去污作用：硅片上的有机杂质通常使用甲苯、 丙酮、乙醇去除。

3、v无机酸在清洗中的作用： a、盐酸 利用其强酸性的特点来溶解过表面的杂质 b、硫酸 利用其强酸性、氧化性来解脱吸附在硅片表面的金 属和有机物 c、硝酸 利用其强酸性和强氧化性将吸附在硅片表面的杂质 除去 d、氢氟酸 利用其能腐蚀二氧化硅的特点来腐蚀石英及硅片 的表面清洗3、硅片的清洗v号液是碱性的过氧化氢溶液，由高纯水、 过氧化氢（30%）、浓氨水（27%）组成， 配比5：1：15：2：1v作用：利用氨水的碱性除去能溶于碱的杂质 ，利用过氧化氢将金属氧化物溶于水 清洗v 号液是酸性的过氧化氢溶液，由高纯水 、过氧化氢（30%）、浓盐酸（30%）组成 ，其配比是6：1：18：2：1v作用：利用强

4、酸性将金属氧化物、氢氧化物 、碳酸盐变为金属氯化物清洗v号液是浓硫酸和双氧水=5：1的混合溶液 作用：利用强酸性和强氧化性去除硅片表面 的有机沾污和金属离子 、号液体在一定程度上都能起到清 洗硅片的作用，但综合考虑到节能降耗、减 排增效，我们公司采用H2SO4+H2O2的清 洗方案。清洗v本公司清洗的具体方法 1、氧化扩散前的清洗用FSI，使用的化学清 洗试剂是 号液 2、合金、退火前的清洗使用DI WATER 3、BSG PSG的漂洗使用HF（具体设备看下 图）FSI硅片清洗机氧化 v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。v热氧化目的热氧化的目的

5、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。氧化一、氧化层作用v用于杂质选择扩散的掩蔽膜v缓冲介质层 v电容的介质材料 v集成电路的隔离介质 vMOS场效应晶体管的绝缘栅材料 氧化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。

6、氧化图中蓝色线条区域为氧化层膜SiO2N-WELLP-WLLS(P+)氧化v1960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。氧化2、氧化层用于缓冲介质层 v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 v可作为注入缓冲介质，以减少注入对器件表 面的损伤 氧化图中在氮化硅与硅之间生长SiO2

7、减小两者之 间的应力 Si(P)P-WellN-WellSiO2Si3N4氧化3、电容的介质材料 电容的计算公式：C=0*r*S/d0：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 氧化v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。氧化4、集成电路的隔离介质 v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

8、厚的二氧化硅膜，达到器 件隔离的目的。氧化v图中蓝色线条区域为氧化层膜N-WellSiO2Si(P)P-WellSi3N4氧化 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。N-WellSi(P)P-WellSiO2PolyGate-oxide氧化二、生长氧化层的方法v干氧氧化 v水汽氧化 v湿氧氧化 v掺氯氧化 氧化1、干氧氧化v干氧氧化化学反应式：Si+O2 = SiO2v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。v优点：SiO2结构致密，均匀

9、性、重复性好 ，掩蔽能力强，对光刻胶的粘附性较好；v缺点：生长速率较慢氧化2、水汽氧化 水汽氧化化学反应式：2H2O+Si = SiO2+2H2v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3、湿氧氧化v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=H2OH2O+Si = SiO2+2H2 Si+O2 = SiO2氧化v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

10、调节氧化速率， 但为了安全，H2/O2比例不可超过1.88。v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4、掺氯氧化 v氧化气体中掺入HCL或TCA（三氯乙烷）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

11、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v我们公司采用的氧化方法干氧+湿氧+干氧 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 半导体器件的可靠性和稳定性。 氧化三、影响氧化速率的因素v氧化温度的影响 温度越高、氧化速率越快。 v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)氧化四、常见问题及

12、处理v膜厚异常v膜厚正常，但片内的均匀性很差氧化1、膜厚异常v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a、 检查气体流量、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，检查控制片是否用对d、和动力部门确认，工艺时气体供应有无出现异 常e、对于外点火的炉管，请检查点火装置的各处连 接 正常，然后进行点火实验。氧化2、圆片部分测试点膜厚正常，但整体均匀性 差v 对策：1、如使用控制片，检查控制片；2、检查排风正常3、检查炉门正常扩散v概述：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

13、之一。扩散v杂质扩散机构v扩散方程v扩散工艺v扩散工艺的发展扩散一、杂质扩散机构 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。 扩散v杂质的替位式扩散杂质原子Si原子晶格空位扩散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。扩散v杂质的填隙式扩散Si原子杂质原子扩散二、扩散方程N / t

14、= D*2N / x2N=N（x，t）杂质的浓度分布函数，单位 是cm-3D：扩散系数，单位是cm2/s扩散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。扩散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扩散3、

15、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 扩散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。扩散三、扩散工艺v磷予扩散 原理 影响因素 如何控制磷扩散工艺 常见问题的处理v硼予扩散 原理 影响因素 如何控制磷扩散工艺 常见问题的处

16、理扩散1、磷予扩 1.1 磷予扩工艺原理我们公司采用的是三氯氧磷液态源乳扩 散的方式进行磷扩散。 原理：POCL3分解成P2O52P2O5 +5Si = 5SiO2 +4P扩散1.2 影响磷扩散的因素 va 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； 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vb 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。vc 时间一般不易偏差，取决于时钟的精确度 扩散vd 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。 1.3 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