1、集成電路工藝技術講座第四講擴散和熱氧化1擴散和氧化目錄擴散擴散基本規律擴散技術擴散層的檢測熱氧化熱氧化機理和規律氧化膜性質及檢測氧化擴散工藝模擬2擴散擴散工藝半導體制造中最基本的摻雜手段，高溫下將雜質導入點陣，或形成一定分布，改變半導體導電性質雙極IC的埋層，隔離，基區，發射區，MOS IC的阱，源漏都要用到擴散雜質導入方式從氣態或液態化學源中擴散氣相摻雜從摻雜氧化物或乳膠源中擴散固固擴散離子注入然后退火，擴散3擴散基本理論擴散方程低濃度時擴散方程的解擴散層薄層電阻電場的影響擴散的微觀理論4擴散方程j=-DdN/dx Fick 第一定律jx x+dx在間隔dx的二平面間，通過的凈物質流Adj,

2、 應等于空間(Adx)產生粒子速率(dN/dt)(Adx) AdxdN/dt=-Adjj+djA5擴散方程N/t= /x(DN/x) Fick 第二定律D（擴散系數）一般是溫度和濃度的函數，低濃度擴散時僅為溫度的函數，低濃度時的擴散系數 D=Do exp(-Eo/KT) 一定溫度下為常數低濃度時的擴散方程 N/t=D 2N/x26低濃度擴散（本征擴散）0.010.11.010100n/ni(T)110100D/Di（T）本征擴散非本征擴散ni9.65x109cm3 (RT)ni=5x1018cm3 (1000C)7低濃度擴散方程的解常數擴散源N(x,t)=NS erfc(x/2(2Dt)1/2

3、)8低濃度擴散方程的解有限擴散源N(x,t)=Qo/(Dt)1/2 exp-(x/2(Dt)1/2)2高斯分布Xj1 Xj2NS NSNBx9擴散層的薄層（方塊）電阻NPLLxjRs=L/Lxj = /xj=1/ xj10擴散層的薄層（方塊）電阻（續）對n型樣品 qnn 雜質全部電離 qnND 對p型樣品 qPp qnNA一般ND， NA是位置函數Rs, Xj, N(x)有以下關系：Rs1/oxjq (x)N(x)-NBdx11電場的影響雜質在晶體中電離成離子和電子，高濃度時，會產生一電場E=KT/q d/dxln(ND/ni)存在電場時，雜質運動是擴散和漂移運動之和J=-DdN/dx+nE=

4、f DdN/dx=Deff dN/dx f=1+1+(2ni/ND)2-1/2 f=1-212擴散的微觀理論間隙擴散和替代擴散Em約0.6-1.2V 室溫下約每分鐘跳一次ES+ En約3-4eV,室溫下約1045年跳一次13替代擴散和間隙擴散替代擴散第3,4族元素，Al, B, As, Sb, P間隙擴散第1,8族元素，Na, K, H, He間隙-替代擴散過渡元素，Au, Ag, Cu, Fe, Ni后二類雜質減少少子壽命，是重要沾污源14空位能帶圖-+EcE2EE+Ev0.11V0.44V0.11V15擴散系數和濃度有關D=DioVo/ Vo i+Di+ V+/ V+I +Di- V-/

5、V-i+Di2- V2-/ V2-IVr/ Vr I=(n/ni)rD=Dio +Di+ (p/ ni) +Di- (n/ni) + Di2- (n/ni)2 16擴散實用規律硅中雜質固溶度高濃度擴散高濃度砷，硼擴散高濃度磷擴散雜質在SiO2中的擴散氧化增強擴散17硅中雜質固溶度18高濃度砷和硼擴散高濃度砷擴散 D=fe Dio +Di- (n/nie)高濃度硼擴散D=fe Dio +Di+ (p/nie)低濃度和高濃度砷擴散系數比較例 低濃度 D=1.6x10-15cm2/s 濃度1019cm3 D= (1.6+1.7)x10-15cm2=3.3x10 -15cm219高濃度砷和硼擴散Hu

6、表達式 D=Di(1+Fv)/(1+ )砷 fv= n/ni =100硼 fv= p/ni =320高濃度砷和硼擴散雜質分布C/CSx/xi10.10.010.0010.2 0.4 0.6 0.8 1.0ErfcBAs21高濃度磷擴散10201019 101810170.2 0.4 0.6 depth(um) C(cm-3)尾區中間區表面區ns22高濃度磷擴散表面區 磷和中性及雙電荷空位作用形 P+V-對 D=feDio+Di2-(n/ni)2 中間區 離表面區后，雜質濃度降低，當靠近導帶邊下0.11ev， P+V-對解體，產生特征電子濃度ne(T)尾巴區 由于P+V-對解體，硅點陣中空位增加

7、，擴散系數增加 Dtail=feDo+D-ns3/ne2n1+exp(0.3ev/KT) 23雜質在SiO2中的擴散元素DSiO2 (900C)(cm2/s)Cs(cm-3)DSi(900C)(cm2/s)B3.4x10-194.4x10-166x10181019-2x10202x10-15P9.3x10-197.7x10-158x1017-8x10198x1020-102110-15As10-17-10-18(111)(Xj)fo(Xj)fSi3N425擴散技術對擴散系統的要求擴散源的選擇擴散設備擴散工藝菜單26對擴散系統的要求表面濃度可在寬的范圍內控制，直到固溶度重復性好，可控均勻性好少沾

8、污可處理大批量硅片27擴散源的選擇氣相擴散 固體源微晶玻璃，BN, Sb2O3 液體源POCl3, HBr, 2POCl3+2O2-P2O5+3Cl2 2P2O5+5Si-5SiO2+4P 氣體源PH3, AsH3固固擴散 PSG/Si28擴散系統29氧化擴散爐30擴散爐系統的組成工藝腔硅片傳輸系統氣體分配系統溫度控制系統尾氣處理系統31立式擴散爐32臥式爐與立式爐比較性能臥式爐立式爐裝片自動化困難容易氣流均勻性較差好舟旋轉，膜均勻不可能能顆粒控制較差好33硅片清洗SC1+SC2方案 H2O : H2O2 : NH4OH =1500 : 250 : 125 195sec DI water ri

9、nse H2O : H2O2 : HCl =1500 : 250 : 250 110sec: DI water rinse and drySC3方案 Put wafer in H2SO4 tank, then add 75ml H2O2 in this tank. 10min DI water rinse 10min and dry34爐中硅片放置用裝片機將硅片裝載到石英舟上必要時放置監控用陪片和dummy wafer -654321工作區域 100pcs爐口爐尾陪片35擴散爐中的硅片36擴散菜單深磷予淀積3.20.3/ 51035102510 4510N2 6.7 LN 6.7 LO 0.8

10、 LN 6.7LN 4LPOCl3soak800C1010C800C37擴散層的檢測結深滾槽法，磨角法，斷面SEM薄層電阻四探針法,范德堡（Van der pauw）法雜質分布擴展電阻，SIMS, C-V, 盧瑟福背散射，示蹤原子38滾槽法測結深pN+XjbaXj=(R2-b2)1/2- (R2-a2)1/239磨角法測結深pn單色光40斷面SEM法測結深41四探針法測薄層電阻VRs=kV/IsP42范德堡法測薄層電阻R=1/4V12/I34+V23/I41+V34/I12+V41/I23Rs=(/ln2)FR43擴展電阻測雜質分布44擴展電阻測雜質分布45熱氧化SiO2在IC中的作用作為雜質

11、擴散或離子注入的掩蔽層表面鈍化層器件隔離用的絕緣層MOS器件的組成部分柵介質電容介質多層布線間的絕緣層熱氧化是形成SiO2最重要方法46熱氧化機理和規律氧化生長模型氧化實驗規律晶體取向的影響雜質增強氧化47氧化生長模型(Deal & Grove)氣相氧化物間F1=h(C*-Co)氧化物內F2=D(Co-Ci)/xo氧化物-硅間F3=KS Ci xoSiO2 SiCOF1 F2 F3CIC*48氧化生長模型F1=F2=F3Ci=C*/(1+KS/h+ Ksxo/D)Co=(1+ Ksxo/D) C*/(1+KS/h+ Ksxo/D)二種情況D很小 Ci 0 Co C* 擴散控制D很大 CiCoC

12、*/(1+KS/h ）反應控制49氧化生長模型R=F3/N1= KS C* /(1+KS/h+ Ksxo/D)初始條件t=0 xo=xixo2+A xo=B(t+)2xo/A=1+(t+ )/(A2/4B)1/2-1t xo2=Bt拋物線生長規律（擴散控制）t+ A2/4B xo(B/A) (t+ ) 線性生長規律（反應速率控制）50線性速率常數51拋物線速率常數52干氧氧化53濕氧氧化54含氯氧化干氧以外加少量(1%-3%)鹵素，主要是氯。Cl2與重金屬原子反應生成揮發性氯化物，具有清潔作用。O2,Cl2混合氣中的氧化速率比純氧中高， O2中含3%HCl，線性速率大一倍。常用氯源有：HCl,

13、 TCE（三氯乙烯）, TCA（三氯乙烷）, DCE（二氯乙烯）等。55摻磷硅濕氧氧化56晶向對氧化速率的影響57雜質再分布SiO2SiSiSiO2k1x (um)x (um)CC58SiO2的結構59氧化菜單1000A柵氧化N2 16LO2 8LN2 16L800C1100C800CHeat up7C/minCool down4C/minBoat in13cm/minBoat out10cm/minDry oxidation37min60氧化膜性質和檢測厚度光學干涉法，橢圓偏振法擊穿強度擊穿電壓，TDDB TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)折射

14、率和介電常數氧化層電荷61硅片氧化層厚度分布62硅片氧化層厚度分布（三維）63TDDB直接評估介質電學特性，硅片級預測器件壽命測試樣品為MOS電容或MOSFET四種方式：恒電壓，恒電流，斜坡電壓，斜坡電流測試參數：Ebd，tbd, Qbd QbdtdbJ(t)dt64TDDB65TDDB66TDDB67氧化層電荷Na可動離子電荷xxxx K+氧化層陷阱氧化層固定電荷界面陷阱電荷68CV法測氧化層電荷V(v)C(pf)CoVFBVFBQSS=CoVFBQM=CoVFBP-Si69SUPREM工藝模擬 基本方程工藝模型網格和數值計算輸入文件輸出：雜質和載流子濃度分布70工藝模擬基本方程流量方程J=

15、-DdC/dx+ZCE連續性方程dC/dt+dJ/dx=G泊松方程D,E=q(p-n+ND+-NA-)71輸入文件標題行，注釋行控制語句 初始化語句 襯底類型，晶向，摻雜濃度； 模擬區厚度，網格設置工藝語句擴散語句，注入語句，刻蝕語句等輸出語句結束語句72氧化擴散SUPREM模擬例TITLE: Bipolar : Active Region.# Initialize the silicon substrate.Initialize Silicon Phosphorus Resistivity=0.5 Thick=8 dX=.02 xdX=.05 Spaces=200# Grow oxide f

16、or base Implant Diffusion Temperature=1000 Time=30 DryO2# Implant the boron base and drive-in.Implant Boron Dose=4.2E14 Energy=80Diffusion Temperature=1100 Time=70 DryO273氧化擴散SUPREM模擬例Diffusion Temperature=1100 Time=50 WetO2Diffusion Temperature=1100 Time=10 NitrogenTonyPlot -ttitle sbssb03.in: Final Bipolar Active Region# Remo