扩散工序工艺培训课件

YDME扩散工序工艺培训

-----清洗、氧化、扩散、LPCVD、合金2009.12YDME扩散工序工艺培训-----清洗、氧化、扩散、LPC1扩散工序工艺清洗氧化扩散LPCVD合金扩散工序工艺清洗2扩散工序工艺培训课件3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ABCF1#2#3#4#5#6#7#清洗机FSI-1、FSI-3、FSI-4扩散设备简介类别主要包括热氧化一氧、注氧、电容氧化扩散退火/4扩散设备简介炉管：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：→圆片放置的区域，由控制柜控制运行炉体：→对圆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。扩散设备简介炉管：负责高温作业，可分为以下几个部分：5清洗硅片表面污染来源化学清洗的去污原理硅片的清洗本公司清洗的具体方法清洗硅片表面污染来源6清洗1、硅片表面污染来源有机物沾污：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。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。其他可溶性杂质清洗1、硅片表面污染来源7清洗2、化学清洗的去污原理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。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2、化学清洗的去污原理8清洗3、硅片的清洗Ⅰ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5：1：1~5：2：1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3、硅片的清洗9清洗Ⅱ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6：1：1~8：2：1作用：利用强酸性将金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐变为金属氯化物清洗Ⅱ号液是酸性的过氧化氢溶液，由高纯水、过氧化氢（30%10清洗Ⅲ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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ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Ⅲ号液是浓硫酸和双氧水=5：1的混合溶液11清洗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Ⅲ号液2、合金、退火前的清洗使用DIWATER3、BSGPSG的漂洗使用HF（具体设备看下图）清洗本公司清洗的具体方法12FSIFSI13硅片清洗机硅片清洗机14氧化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。氧化热氧化法概念15氧化一、氧化层作用用于杂质选择扩散的掩蔽膜缓冲介质层电容的介质材料集成电路的隔离介质MOS场效应晶体管的绝缘栅材料氧化一、氧化层作用16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。氧化1、用于杂质选择扩散的掩蔽膜17氧化图中蓝色线条区域为氧化层膜SiO2N-WELLP-WLLS(P+)氧化图中蓝色线条区域为氧化层膜SiO2N-WELLP-WLL18氧化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。氧化1960年二氧化硅就已被用作晶体管选择扩散的掩蔽膜，从而19氧化2、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2、氧化层用于缓冲介质层20氧化图中在氮化硅与硅之间生长SiO2减小两者之间的应力Si(P)P-WellN-WellSiO2Si3N4氧化图中在氮化硅与硅之间生长SiO2减小两者之间的应力Si21氧化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：介质层厚度氧化3、电容的介质材料22氧化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，23氧化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。氧化4、集成电路的隔离介质24氧化图中蓝色线条区域为氧化层膜N-WellSiO2Si(P)P-WellSi3N4氧化图中蓝色线条区域为氧化层膜N-WellSiO2Si(P)25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5、MOS场效应晶体管的绝缘栅材料N-WellSi(P26氧化二、生长氧化层的方法干氧氧化水汽氧化湿氧氧化掺氯氧化氧化二、生长氧化层的方法27氧化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。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1、干氧氧化28氧化2、水汽氧化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2、水汽氧化29氧化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==H2OH2O+Si==SiO2+2H2Si+O2==SiO2氧化3、湿氧氧化30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。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31氧化4、掺氯氧化氧化气体中掺入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4、掺氯氧化32氧化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。氧化我们公司采用的氧化方法33氧化三、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)氧化三、影响氧化速率的因素34氧化四、常见问题及处理膜厚异常膜厚正常，但片内的均匀性很差氧化四、常见问题及处理35氧化1、膜厚异常对策：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1、膜厚异常36氧化2、圆片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、检查炉门正常氧化2、圆片部分测试点膜厚正常，但整体均匀性差37扩散概述：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之一。扩散概述：38扩散杂质扩散机构扩散方程扩散工艺扩散工艺的发展扩散杂质扩散机构39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。扩散一、杂质扩散机构40扩散杂质的替位式扩散杂质原子Si原子晶格空位扩散杂质的替位式扩散杂质原子Si原子晶格空位41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2、填隙式扩散机构42扩散杂质的填隙式扩散Si原子杂质原子扩散杂质的填隙式扩散Si原子杂质原子43扩散二、扩散方程

N/

t=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扩散二、扩散方程44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1、恒定表面浓度扩散45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2、限定源扩散46扩散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：频率因子扩散3、扩散系数47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4、杂质在硅中的固溶度48扩散三、扩散工艺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理扩散三、扩散工艺49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、磷予扩50扩散1.2影响磷扩散的因素a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1.2影响磷扩散的因素51扩散b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。c时间一般不易偏差，取决于时钟的精确度扩散b程序的编制52扩散d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。c、清洗炉管频次为1次/2月扩散d排风不畅，会使掺杂气体不能及时排出，集中在炉管之内，53扩散1.4常见问题的处理程序中断对策：检查炉管的作业记录，找出中断的真正原因；根据作业记录中剩余时间的多少确定返工时间；必须减去升降温的时间补偿。扩散1.4常见问题的处理54扩散磷掺杂后，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的流量有无波动扩散磷掺杂后，电阻均匀性变差55扩散2、硼予扩2.1硼予扩原理我们公司采用B30乳胶源在硅片表面匀一层硼杂质膜，然后在扩散炉中进行杂质的再分布。扩散2、硼予扩56扩散2.2影响硼扩散的因素a炉管温度炉管温度会影响硼杂质膜在硅中的杂质再分布，从而影响掺杂电阻；扩散2.2影响硼扩散的因素57扩散b程序的编制气体流量设置的大小影响到杂质再分布的速度，使推结的时间变化，从而影响了表面浓度和电阻。c时间一般不易偏差，取决于时钟的精确度扩散b程序的编制58扩散d排风不畅，会使气体不能及时排出，集中在炉管之内，使掺杂电阻难于控制。2.3硼扩散工艺控制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。c、清洗炉管扩散d排风不畅，会使气体不能及时排出，集中在炉管之内，使掺59扩散2.4常见问题的处理程序中断对策：检查炉管的作业记录，找出中断的真正原因；根据作业记录中剩余时间的多少确定返工时间；必须减去升降温的时间补偿。扩散2.4常见问题的处理60扩散硼掺杂后，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．检查硼乳胶源胶膜有无异常4．检查MFC的流量有无波动扩散硼掺杂后，电阻均匀性变差61扩散四、扩散工艺的发展快速气相掺杂（RVD：RapidVapor-phaseDoping），一种掺杂剂从气相直接向硅中扩散并形成超浅结的快速掺杂工艺。气体浸没激光掺杂（GILD：GasImmersionLaserDoping）,用准分子激光器产生高能力密度的短脉冲激光，照射处于气态源中的硅表面，达到一个掺杂的效果。扩散四、扩散工艺的发展62LPCVDLPCVD概述LPCVD设备、工艺特点LPCVD多晶硅LPCVD氮化硅影响LPCVD工艺的主要参数

LPCVDLPCVD概述63LPCVD一、LPCVD概述LPCVD化学气相淀积----在低压下，通过气体混合的化学反应在硅片表面淀积一层固体膜的工艺。LPCVD基本方面包括：LPCVD一、LPCVD概述64LPCVDa、产生化学变化b、膜中所有的材料都源于外部的源c、化学气相淀积工艺中的反应物必须以气相形式参加反应LPCVDa、产生化学变化65LPCVD二、LPCVD设备、工艺特点1、工艺特点a、成膜均一性(Uniformity)、重复性好(Repeatbility)b、LP方法淀积温度高、淀积速率低，反应容易控制，但受温度波动影响大。LPCVD二、LPCVD设备、工艺特点66LPCVD2、设备特点LPCVD大多采用炉芯管+石英舟的“热壁”设备进行成膜，加热器保持加热，石英舟装载制品由BOAT运送到炉芯管中。由真空设备将炉芯管抽到反应气体压力，此时导入工艺气体进行淀积成膜LPCVD2、设备特点67LPCVDa、装片量大，产量高。b、化学气相反应需要采用控温精度极高的电阻加热炉。c、对真空设备尤其是泵的能力及真空系统的密封情况要求较高。d、成膜时，反应腔壁同时淀积成膜，腔壁淀积物剥落会造成制品污染；LPCVDa、装片量大，产量高。68LPCVDLPCVD横型设备PUMP排气GASLPCVDLPCVD横型设备PUMP排气GAS69LPCVDLPCVD纵型设备MFCPump排气阀们LPCVDLPCVD纵型设备MFCPump排气阀们70LPCVD三、LPCVD多晶硅化学反应式：SiH4 Si+2H2温度：620~650压力：0.35Torr：多晶硅用途：栅电极、配线、电阻、电容极板。该膜性质：柱状结晶、表面凹凸不平。CVD成长后的多晶硅电阻率很高，多晶长成后必须经过离子注入或磷扩散等掺杂工艺后才能导电，起到电极、配线、电阻等功能。LPCVD三、LPCVD多晶硅71LPCVD我们公司LPCVD多晶硅淀积速率在85-100A/min；当多晶硅在石英管壁淀积30微米时，要及时清洗炉管，避免发生因多晶应力引起的炉管崩裂。LPCVD我们公司LPCVD多晶硅淀积速率在72LPCVD四、LPCVD氮化硅Si3N4通常被用做硅片最终的钝化保护层，因为它能很好的一致杂质和潮气的扩散。用L