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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,j,x x+
2、dx,在间隔dx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=-Adj,j+dj,A,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）,0.01,0.1,1.0,10,100,n/ni(T),1,10,100,D/Di （T）,本征扩散,非本征扩散,ni9.65x109cm3 (RT) ni=5x1018cm3 (100
3、0C),低浓度扩散方程的解,常数扩散源 N(x,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 Xj2,NS,NS,NB,x,扩散层的薄层（方块）电阻,N,P,L,L,xj,Rs=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
4、，会产生一电场 E=KT/q d/dxln(ND/ni) 存在电场时，杂质运动是扩散和漂移运动之和 J=-DdN/dx+nE=f DdN/dx=Deff dN/dxf=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,-,-,
5、+,Ec E2 E,E+ Ev,0.11V,0.44V,0.11V,扩散系数和浓度有关,D=DioVo/ Vo i+Di+ V+/ V+I+Di- V-/ V-i+Di2- V2-/ V2-IVr/ Vr I=(n/ni)rD=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
6、较例低浓度 D=1.6x10-15cm2/s浓度1019cm3 D= (1.6+1.7)x10-15cm2=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/CS,x/xi,1,0.1,0.01,0.001,0.2 0.4 0.6 0.8 1.0,Erfc,B,As,高浓度磷扩散,10201019,1018,1017,0.2 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
7、 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,氧化增强扩散,Xj=(Xj)fo-(Xj)f DOED=Di+ D D=dXox/dtnn=0.4-0.6Wet氧化dXox/dt大 晶向(100)(111),(Xj)fo,(Xj)f,Si3N4,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,对扩散系统的要求,
8、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 and dry
9、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,-,6,5,4,3,2,1,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/,5,10,35,10,25,10,45,10,N2 6.7 L,N 6.7 L O 0.8 L,N 6.7L,N 4L,POCl3,soak,800C,1010C,800C,扩散层的检测,结深滚
10、槽法，磨角法，断面SEM 薄层电阻四探针法,范德堡（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,p,N+,Xj,b,a,Xj=(R2-b2)1/2- (R2-a2)1/2,磨角法测结深,p,n,单色光,断面SEM法测结深,四探针法测薄层电阻,V,Rs=kV/I,sP,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
11、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,xo,SiO2 Si,CO,F1 F2 F3,CI,C*,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
12、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 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
13、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,杂质再分布,SiO2,Si,Si,SiO2,k1,x (um),x (um),C,C,SiO2的结构,氧化菜单,1000A栅氧化,N2 16L,O2 8L,N2 16L,800C,1100C,800C,Heat up 7C/min,Cool down 4C/min,Boat in 13cm/min,Boat out 10cm/min,Dry oxidation 37min,氧化膜性质和检测,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)dt,TDDB,TDDB,TDDB,氧化层电荷,Na,可动离子电荷,x,x,x,x, ,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),Co,VFB,
