扩散氧化工艺原理

均匀性
扩散不均匀有三个原因。首先是衬底材料 本身存在差异．如果同一批外延片中存在 电阻率和厚度不均匀，那么在这一批外延 片上进行扩散，其方块电阻和杂质浓度肯 定会有不同。解决这个问题，当然在于解 决趁底材料的均匀性问题，尽量选择参数 一致的材料同时进行扩散。 其次是恒温区有变化（或太短）。如果恒
扩散工艺的主要参数
1结深 比较关键，必须保证正确的温度和时间； 2扩散方块电阻 注入能量和剂量一定后,表面浓度主要受制于推结 程序的工艺过程,如高温的温度、工艺的时间、氧 化和推结的前后顺序； 现行的主要控制参数 3膜厚 主要为光刻对位提供方便,同时会改变园片表面的 杂质浓度；

影响扩散的工艺参数

1．4 片内均匀性 保证硅片内每个芯片的重复性良好 1．5 片间均匀性 保证每个硅片的重复性良好 1．6定期清洗炉管 清洗炉管，可以减少重金属离子、碱金属 离子的沾污同时也能减少颗粒，保证氧化 层质量。 1．7 定期检测系统颗粒

2．5常见问题及处理
膜厚异常，但均匀性良好 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 1 检查气体流量、工艺温度是否正常； 2 检查炉管的气体接口是否正常； 3 如使用陪片或假片，检查陪片、假片是否用对； 4 和动力部门确认，工艺时气体供应有无出现异常； 5 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。

2．4 氧化的工艺控制 1 氧化质量控制 1．1 拉恒温区控制温度 定期拉恒温区以得到好的温度控制 1．2 DCE（C2H2Cl2）或HCL吹扫炉管 1．3 电荷测量 可动电荷测试可以检测到可动离子数目， 使我们及时掌握炉管的沾污情况，防止炉 管受到可动电荷粘污,使大批园片受损。
扩散方程

恒定表面浓度扩散---余误差分布 N(x,t)=N0erfc x/2(Dt)1/2
恒定表面源扩散的杂质分布
扩散方程

有限源表面浓度扩散---高斯分布 N(x,t)=Q/(ΠD’t’)1/2e-x2/4D’t’ Q---表面杂质总量
有限表面源扩散的杂质分布
扩散方法
扩散方法多种多样，生产上常用的有以下 几种方法： 液态源扩散 固态源扩散 乳胶源扩散 其他还包括箱法扩散，固固扩散，金扩散 等扩散方法。
2．4．2 氧化温度的影响 温度越高，氧化速率越快。 2．4．4 硅片晶向的影响 线性速率常数与晶向有较大的关系，各种 晶向的园片其氧化速率为： (110)>POLY>(111)>(100)

2．4．5 掺杂杂质浓度的影响 当掺杂杂质的浓度相当高时，会产生增强 氧化，使氧化速率发生较大变化。 2．4．6 氯化物的影响 2．4．7 氧化剂分压的影响 在前面介绍的湿氧氧化中，如果改变H2或 O2的流量，就会使水汽和氧气的分压比变 化，使氧化速率变化。
2．2．4 掺氯氧化


氧化气体中掺入HCL或DCE（C2H2Cl2）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。 我们公司大多数氧化都含有掺氯氧化。
2．1. 2缓冲介质层

其一：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；其二：也可作为注入缓冲介质， 以减少注入对器件表面的损伤。
Si3N4 SiO2
P-Well N-Well Si(P)
2．1．3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 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。








2．4 影响氧化速率的因素 2．4．1 热氧化模型简介 硅片的热氧化过程是氧化剂穿透二氧化硅层向二氧化硅和硅界面运动并与 硅进行反应。Deal-Grove方程具体描述了这种热氧化过程。 Deal-Grove膜厚方程式： X2+AX=B（t+） 式中： A=2D0*（1/KS+1/h） B=2D0*N*/n =（XI2+A*XI）/B D0 ：氧化剂在二氧化硅中的有效扩散系数； h：气相输运常数 KS：界面反应速率常数 ；N*：氧化剂在氧化层中的平衡浓度 XI：初始氧化层厚度； n：形成单位体积二氧化硅所需的氧分子数 极限情况1：短时间氧化时 X=（B/A）*t B/A：线性氧化速率常数 极限情况2：长时间氧化时 X2=Bt B：抛物线速率常数 这两个速率常数都与工艺方法、氧化温度、氧化剂的分压、晶向有关系。

2．2．2 水汽氧化
水汽氧化化学反应式： 2H2O+Si = SiO2+2H2 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。

2．2．3 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==H2O H2O+Si == SiO2+2H2 Si+O2 == SiO2 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1.8。 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 层氧化中得到了较蒸汽 压不一致。改进办法是在进气端安装一个 气体混合室，使得保护性气体和携带源的 气体混合后进入气体反应室。对于片状的 扩散源，要让片状源和硅片之间的间距完 全相同。
重复性

重复性不好是由于各炉次的工艺条件存在 一些起伏而引起。如刚清洗的石英管和使 用久了的石英管，如果用同样的工艺条件， 其结果是会有一些差别的。因为刚清洗过 的石英管会吸收大量杂质，而使用久了的 石英管吸收杂质已达到饱和状态。此外， 源温、流量、材料、扩散温度等都会有些 微小的起伏，造成扩散重复性不好。

部分园片或部分测试点膜厚正常，但整体 均匀性差 对策： 1 如使用假片，检查假片排布； 2 检查排风是否正常 3 检查炉门是否正常

谢谢
扩散工艺的控制要点


1拉恒温区控制温度、2校流量控制气体、3监控风量控制 排风4双确认控制工艺程序、5固定排片方式、片间距等 防止引入沾污，清洗硅片、石英舟、炉管等 工艺控制手段：前馈方式试片（陪片），使用假片等
热氧化工艺原理

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 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。
2．1．5 MOS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。
Gate-oxide Poly
SiO2
P-Well N-Well Si(P)
2．2 热氧化方法介绍
2．2．1 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。 干氧化制作的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，但生长速 率较慢；一般用于高质量的氧化，如栅氧等；
2. 3氧化过程中硅片表面位置的变化

如果热生长的二氧化硅厚度是X0（um），所消耗的硅厚度为X1，则： a=X1/X0=0.46 即生长1um的SiO2，要消耗掉0.46um的Si。但不同热氧化生长的 SiO2的密度不同，a值会略有差
SiO2表面 原始硅表面
54% 100% 46%
Si-SiO界面


1 温度 易变因素，决定了扩散系数的大小，对工艺的影响最大。 2 时间 一般不易偏差，取决于时钟的精确度。 3程序的设置 先氧化后推结与先推结后氧化得出的表面浓度就不同，因 此，方块电阻就会有很大的差别。 4 排风 &气体流量 排风：对炉管的片间均匀性，尤其是炉口有较大的影响。 气体流量：气体流量的改变会影响氧化膜厚，从而使表面 浓度产生变化，直接影响器件的电参数.
SiO2
P-WLL N-WELL
S(P+)

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。
扩散的均匀性和重复性

在大量的生产过程中，扩散的均匀性和重 复性十分必要，否则，半导体器件、集成 电路的离散性就很大。在生产中经常发现 同一批号的器件（同一炉扩散出来），方 块电阻差别很大，特别在低浓度扩散时， 这种现象比较严重。这就是扩散的均匀性 问题．如果在同样的工艺条件下，每一炉 的扩散结果都有差别，这就是扩散的重复 性问题。