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1、扩散课工艺培训 培训内容 扩散部设备介绍氧化工艺介绍扩散工艺介绍合金工艺介绍氧化层电荷介绍LPCVD 工艺介绍扩散部设备介绍 卧式炉管立式炉管 炉管工艺和应用（加）氧化工艺 -1 氧化膜的作用 选择扩散和选择注入。阻挡住不需扩散或注入的区域，使离子不能进入。氧化工艺 -2 氧化膜的作用 缓冲介质层二次氧化等，缓冲氮化硅应力或减少注入损伤 氧化工艺 -3 氧化膜的作用器件结 构的一部分：如栅（Gate）氧化层，非常关键的项目质量要求非常 高；电容极板之间的介质，对电容的大小有较大影响 氧化工艺 -4 氧化膜的作用 隔离介质：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。氧化工
2、艺 -5 氧化方法干氧氧化 SI+O 2 = SIO 2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，如栅氧化等；厚层氧化时用作起始和终止氧化；薄层缓冲氧化也 使用此法。水汽氧化 2H 2O+SI = SIO 2+2H 2 生长速率快，但结构疏松，掩蔽能力差，氧化 层有较多缺陷。 对光刻胶的粘附性较差。氧化工艺 -6 氧化方法 湿氧氧化（反应气体： O2 +H 2O ）H2 O+SI = SIO 2+2H 2 SI+O 2 = SIO 2生长速率介于干氧氧化和水汽氧化之间；H2O 的由H2 和 O2 的反应得到；并通过 H2 和
3、 O2 的流量比例来 调节氧化速率，但比例不可超过 1.88 以保安全；对杂 质掩蔽能力以及均匀性均能满足工艺要求；多使用在 厚层氧化中。HCL 氧化(氧化气体中掺入 HCL )加入 HCL 后，氧化速率有了提高，并且氧化层的质量也大有改善。目前栅氧化基本采 用 O2+HCL 方法。氧化工艺 -7 影响氧化速率的因素硅片晶向氧化速率 (110)POLY(111)(100) 掺杂杂质浓度杂质增强氧化，氧化速率发生较大变化如 N+ 退火氧化( N+DRIVE1 )： 衬底氧化厚度： 750AN+ 掺杂区氧化厚度： 1450A 氧化工艺 -8 热氧化过程中的 硅片表面位置的变化生长1um的SiO2，
4、要消耗掉0.46um的Si。但不同热氧化生长的 SiO密度不同， a 值会略有差异 。 氧化工艺 -9 氯化物的影响 加入氯化物后，氧化速率明显加快，这可能是 HCL 和 O2 生成水汽的原因；但同时氧 化质量有了很大提高压力影响压力增大，氧化速率增大； 温度温度升高，氧化速率增大； 排风 & 气体排风和气体很重要，会影响到厚度和均匀性 ； 氧化工艺 -10 氧化质量控制拉恒温区控制温度定期拉恒温区以得到好的温度控制HCL 吹扫炉管CL- 有使碱性金属离子(如 Na+ )钝化的功能，使金属离子丧失活动能力，定期清洗炉管可以大幅度地减少离子浓度，使炉管洁净BT 测量BT 项目可以使我们即及时掌握
5、炉管的状态，防止炉管受到粘污使大批园片受损 ;氧化工艺 -11 氧化质量控制片内均匀性 ： 保证硅片中每个芯片的重复性良好 片间均匀性保证每个硅片的重复性良好 定期清洗炉管清洗炉管，可以避免金属离子 ,碱离子的粘污，减少颗粒，保证氧化层质量，尤其是栅 氧化，清洗频率更高 ,1 次 / 周 扩散工艺 -1 扩散推阱，退火推阱： CMOS 工艺 的必有一步， 在一种衬底上制造出另一种衬底 ,以制造 N、P 管,需要 在较高的温度下进行，以缩短工艺时间。退火：可以激活杂质，减少缺陷。它的时间和温度关系到结深和杂质浓度 磷掺杂多晶掺杂：使多晶具有金属特质导电；N+ 淀积： 形成源漏结； 扩散工艺 -2
6、 推阱工艺主要参数 结深比较关键，必须保证正确的温度和时间，膜厚主要为光刻对位提供方便 ,同时影响园片的表面浓度 如过厚或过薄均会影响 N 或 P 管的开启电压 表面浓度注入一定后 ,表面浓度主要受制于推阱程序的工艺过程 ,如氧化和推结的前后顺序均会对 表面浓度产生影响扩散工艺 -3 影响推阱的工艺参数温度：易变因素，对工艺的影响最大。时间： 一般不易偏差，取决于时钟的精确度。 程序的设置： 不同的程序，如先氧化后推阱和先推阱后氧化所得出的表面浓度不同。扩散工艺 -4 影响推阱的工艺参数-排风&气体 排风：对炉管的片间均匀性，尤其是炉口有较大的影响。气体：气体流量的改变会影响膜厚，从而使表面浓
7、度产生变化，直接影响器件的电参数。扩散工艺 -5 阱工艺控制 拉恒温区控制温度：定期拉恒温区以得到好的温度控制。BT 测量BT项目可以使我们即及时掌握炉管的状态，防止炉管受到粘污。扩散工艺-6 阱工艺控制电阻均匀性电阻比膜厚对于温度的变化更加敏感，利用它监控温度的变化，但易受制备工艺的影 响膜厚均匀性监控气体，温度等的变化，保证片内和片间的均匀性定期清洗炉管清洗炉管，可以避免金属离子的粘污，减少颗粒，保证氧化层质量。扩散工艺-7.阱工艺控制HCL吹扫炉管CL-有使碱性金属离子（如Na+）钝化的功能，使金属离子丧失 活动能力，定期清洗炉管可以大幅度地减少离子浓度，使炉管洁净 HCL吹扫炉管。扩散
8、工艺-8淤磷扩散原理POCL34POCL 3+30 2 = 2P 2。5+6CL 22P2O5 +5Si= 5Si0 2 +4P* PBr34 PBr3 +50 2 = 2P 2O5+6Br22P2O 5 +5Si= 5Si0 2 +4P扩散工艺-9廉磷扩散工艺主要参数结深：电阻：现行的主要控制参数；表面浓度：这些参数都和掺杂时间、掺杂温度、磷源流量等有密切的关系；扩散工艺-10 影响磷扩散的因素炉管温度和源温炉管温度会影响杂质扩散的固溶度，硅中杂质的溶解量变化， 从而影响掺杂电阻；PBr3和POCL3都是挥发性较强的物质，温度的变化会影响源气的挥发量，使掺杂杂质的总量发生变化,因此必须保证其
9、相对稳定；程序的编制磷源流量设置的大小决定了时间的长短，使推结的时间变化，从而影响了表面浓度和 电阻；扩散工艺 -11 ?影响磷扩散的因素-时间一般不易偏差，取决于时钟的精确度 ；-气体和排风 排风：排风不畅，会使掺杂气体不能及时排出，集中在炉管之内，使掺杂电阻变化； 气体： N2 和 POCL3 气体流量的比例对掺杂的大小，均匀性有较明显的影响；扩散工艺-12?磷扩散工艺控制-拉恒温区控制温度 定期拉恒温区以得到好的温度控制；-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；
10、扩散工艺 -13?磷扩散工艺控制-清洗炉管及更换内衬管 由于在工艺过程中会有偏磷酸生成，在炉口温度较低处会凝结成液体，并堆积起来， 会腐蚀炉管甚至流出炉管后腐蚀机器设备，因此须及时清洗更换炉管和内衬管。合金工艺 -1 合金的概念 淀积到硅片表面的金属层经光刻形成一定的互连图形之后，还必须 进行一次热处理，称为 “合金化 ”。合金的目的是使接触孔中的铝与硅之间形成低电阻欧姆接触，并增 加铝与二氧化硅之间的附着力。合金工艺 -2 铝栅合金：硅在铝膜中的溶解和扩散过程受铝晶粒尺寸、孔边缘氧化层应力、孔上残余的SiO 2 的影响，引起铝膜对硅的不均匀溶解。溶解入硅的铝膜，我们称之为铝钉 。合金工艺 -
11、3 硅栅合金用 TiN 层来阻挡铝膜向硅中的渗透，在 TiN 与硅的结合处，预先形成 TiSi 化合物来加强粘附 性热氧化层上的电荷 -1 热氧化层上的电荷 -2 1. 可动离子电荷：SiO 2 中的可动离子主要由带正电的碱金属离子如 Li+ ，Na+和 K+ ，也可能是 H+ 。可动电荷使硅表面趋于 N 型，而且在高温偏压下产生漂移，严重影响 MOS 器件的可靠性2. 氧化物陷阱电荷：被SiO2陷住的电子或空穴， 叫陷阱电荷。由辐射或结构陷阱引起。 300 C以上退火可以消除陷 阱电荷。热氧化层上的电荷 -3 3. 固定氧化物电荷： 位于 Si-SiO 2 界面处 25A 以内。一般认为由过
12、剩硅或过剩氧引起的，密度大约在10 10-10 12 CM -2 范围内。氧化退火对它有影响。 4. 界面陷阱电荷： 界面陷阱可以是正电，负电，中性。这由本身类型和费米能相对位置决定。影响MOS 器件的阈值电压、跨导、隧道电流等许多重要参数。LP-CVD 工艺 -1 CVD 技术是微电子工业中最基本、最重要的成膜手段之 一。按照生长机理的不同， 可以分为若干种类。 本文仅介绍了 LPCVD 工艺。 LPCVD 工艺简介 -2 LPCVD 工艺简介LPCVD ( Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 低压气相淀积，是在 27-270Pa 的反应压力下进行
13、的化学气相淀积。装片进舟 对反应室抽真空 检查设备是否正常 充N2 吹扫并升温 再抽真空 保持压力稳定后开始淀积 关闭所有工艺气体，重新抽真空回冲n2到常压出炉。LPCVD 工艺简介 -3 LP Si3N4LPSi3N4 在工艺中主要作为氧化或注入的掩蔽膜， 淀积 Si3N4 时通常使用的气体是： NH3+DCS (SiH2Cl2 )这两种气体的反应生成 的 Si3N4 质量高，副产物少，膜厚均匀性极佳，而且是气体源便于精确 控制流量，是目前国内外普遍采用的方法。10NH3+3DCS=Si3N4 +6H2+6NH4CL温度：780 C。压力：375mt。在炉管的尾部有一冷却机构，称为 “冷阱
14、”。用以淀积副产物 NH4CL ，防止其凝集在真空 管道里，堵塞真空管道。 DCS 的化学性质比较稳定 ,容易控制淀积速率 。 LPCVD 工艺简介 -3 颗粒产生的可能原因：连续作业，导致炉管，陪片上氮化硅生长太厚而脱落成为颗粒源。SIC 桨，舟与舟之间的摩擦，碰撞产生的颗粒。 副产物 NH4CL 未汽化被抽走而是凝固在真空系统温度较低处 腐蚀性气体 DCS 与硅表面直接接触或反应不充分； 非气态的 DCS 进入炉管； 冷阱内，主阀盘路内的反应生成物回灌到炉管内；水蒸气与 HCL 接触腐蚀真空管道引起的沾污；LPCVD 工艺简介 -4 LP POLYLPPOLY 主要作为 MOS 管的栅极、
15、电阻条、电容器的极板等。LPPOLY 的均匀性较好，生产量大，成本低，含氧量低，表面不易起雾，是一种目前国际上 通用的制作多晶硅的方法。SiH4=Si +2H2 LPCVD 热解硅烷淀积多晶硅的过度温度是 600C 。低于此温度， 淀积出的是非晶硅，只有高于此温度才能生长出多晶硅。而高于 700C 后，硅烷沿气流方向的 耗尽严重。多晶硅的晶粒尺寸主要取决于淀积温度， 600C 下淀积的多晶硅颗粒极细；淀积温度为625-750C 时，晶粒结构明显并且随温度的升高略有增大SiH4 流量：多晶硅的淀积速率随 SiH4 流量的增加而增加 。当 SiH4 浓度过高时，容易出现气 相成核，这就限制了硅烷浓
16、度和淀积速率的提高。 目前我们淀积多晶硅所使用的是 100% 的 SiH4 。 LPCVD 工艺简介 -5 LPTEOS 是通过低压热解正硅酸乙酯生成的，淀积 温度在650 C750 C,反应压力控制在 400Pa (3T)以下，而在实际的工艺中，一般会控 制在67Pa( 500mT )以下。目前经常采用 LPTEOS的淀积温度为 700 C,反应压力为210mT。 全反应为：Si(OC 2H4 )5 ? SiO 2 + 4C 2H4 +2H 2O LPCVD 工艺简介-5LPTEOS 的应用：4000A和2000A的LPTEOS形成spacer结构，如下图所示：400A的LPTEOS形成两层
17、多晶硅间的电容； 影响LPTEOS淀积的几种因素：1.温度的影响：A. 随着温度的增加，淀积速率明显增加；B. 一定的温度范围会对片内均匀性有较大的影响。趋势图如下所示影响LPTEOS 淀积的几种因素：TEOS 流量的影响：在其他条件不变时，增大 TEOS 的流量生长速率变大 。 反应压力的影响： 淀积速率随反应压力的增大而增大。 趋势图如下 LPCVD 工艺 -6 LPCVD 工艺控制拉恒温区控制温度 ：定期拉恒温区以得到好的温度控制，保证炉管内各处的生长速率趋向平衡。基本上 一个月拉一次恒温，每次清洗炉管后再拉一次。颗粒检查：TENCOR 6420 监控颗粒，规范是(颗粒数 300个/0.
18、5um以上。淀积速率 ：淀积速率从膜厚与沉积时间计算得出，这个数值可以直接反映炉管内压力，温度或气体比例 的变化。在工艺保持不变的条件下， LP 的淀积速率不会有太大的变化。卧式炉目前的淀积 速率是 LPSIN 30A/MIN ；LPTEOS 50A/MIN ；LPPOLY 70A/MIN 。由于所有炉管的工艺气体都是自炉口通入， 因此炉口的气体分压较高， 反应速率较快， 而炉尾则相对较低， 于是通常将炉口的工艺温度降低并炉尾的工艺温度升高，以补偿气体的浓度差，从而获得了较好的均匀 性.LPCVD工艺-7 均匀性检查 ： 保证硅片中每个芯片和每个硅片的重复性 良好，在发现均匀性变差时及时进行调
19、整，一般比较片内与片间均匀性两种，每个星期作一次颗粒均匀性试炉。均匀性控制在3 SIGMA 以内。折射率：通过折射率的检查，我们可以分析LP Si3N4 炉管气体的流量掌握 MFC 的状态，保证膜的成分保持稳定，确保质量。否则就会使腐蚀时的腐蚀速率难以 控制（折射率越大，腐蚀速率越小） 。LPCVD 工艺 -8 常见问题及处理LPCVD 炉管工艺中断对策： 1 根据提示的中断信息，找出中断的真正原因；2 根据剩余时间确定返工时间的多少， 将返工时间减去 1-2 分钟， 作为气体开关时的补偿。 特别注意的是： 在返工以前园片必须经清洗，以防产生颗粒。LPCVD 炉管颗粒问题对策： 1 分析测量结果，排除测量的影响2 对炉管进行 PURGE 后再做；3 清洗炉管和假片均匀性问题对策： 1 检查温度、压力、气体流量等是否正常，否则更换流量计、清洗压力计、重新拉恒温区。2 可以调整各区的温度，气体的流量，淀积时间以调整均匀性。