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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+dx,在间隔dx的二平面间，通过的
2、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(1000C),低浓度扩散方程的解,常数扩散源N(x,t)=N
3、S 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，会产生一电场E=KT/q d/dxln(ND/ni)存在电场时，杂质运动是
4、扩散和漂移运动之和J=-DdN/dx+nE=f DdN/dx=Deff dN/dx f=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,EmV 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,-,-,+,EcE2E,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+
5、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
6、)/(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 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
7、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)fDOED=Di+DD=dXox/dtnWet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,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+3Cl2 2P2O5+5Si-5SiO2+4
8、P 气体源PH3,AsH3固固扩散 PSG/Si,扩散系统,氧化扩散炉,扩散炉系统的组成,工艺腔硅片传输系统气体分配系统温度控制系统尾气处理系统,立式扩散炉,卧式炉与立式炉比较,硅片清洗,SC1+SC2方案 H2O:H2O2:NH4OH=1500:250:125 195sec DI water rinse 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 an
9、d 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 LO 0.8 L,N 6.7L,N 4L,POCl3,soak,800C,1010C,800C,扩散层的检测,结深滚槽法，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=(R
10、2-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/I23Rs=(/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*-
11、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=F3Ci=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=xixo2+A xo=B(t+)2xo/A=1+(t+)/(A2/4B)1/2-1t xo2=Bt抛物线生长规律（扩散控制）t+A2/4B xo(B/
12、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,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,800
13、C,Heat up7C/min,Cool down4C/min,Boat in13cm/min,Boat out10cm/min,Dry oxidation37min,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，TDDB TDDB(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,Qbd QbdtdbJ(t)dt,TDDB,TD
14、DB,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,VFB,QSS=CoVFBQM=CoVFB,P-Si,SUPREM工艺模拟,基本方程工艺模型网格和数值计算输入文件输出：杂质和载流子浓度分布,工艺模拟基本方程,流量方程J=-DdC/dx+ZCE连续性方程dC/dt+dJ/dx=G泊松方程D,E=q(p-n+ND+-NA-),输入文件,标题行，注释行控制语句 初始化语句 衬底类型，晶向，掺杂浓度；模拟区厚度，网格设置工艺语句扩散语句，注入语句，刻蚀语句等输出语句结束语句,氧化扩散
15、SUPREM模拟例,TITLE:Bipolar:Active Region.#Initialize the silicon substrate.Initialize Silicon Phosphorus Resistivity=0.5 Thick=8 dX=.02 xdX=.05 Spaces=200#Grow oxide for base Implant Diffusion Temperature=1000 Time=30 DryO2#Implant the boron base and drive-in.Implant Boron Dose=4.2E14 Energy=80Diffusio
16、n Temperature=1100 Time=70 DryO2,氧化扩散SUPREM模拟例,Diffusion Temperature=1100 Time=50 WetO2Diffusion Temperature=1100 Time=10 NitrogenTonyPlot-ttitle sbssb03.in:Final Bipolar Active Region#Remove oxide from emitter region.Etch Oxide#Dope the Emitter and drive-inDiffusion Temperature=1000 Time=24 c.phosphorus=1e21Diffusion Temperature=1000 Time=15 DryO2TonyPlot-ttitle sbssb04.in:Final Bipolar Active Regionexit,氧化扩散SUPREM模拟例,氧化扩散SUPREM模拟例,
