[工艺] Diffusion(扩散) Process 的大师级讲解

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8834 20 296966066 发表于 2015-6-26 06:01:20
本帖最后由 296966066 于 2015-6-26 06:09 编辑

很久没有讲制造了,今天继续吧。发现我这个人老没逻辑了,想起一出是一出,大家多多包涵或给我建议。

今天的主题是扩散(diffusion),也有说炉管的,因为这个process都是要用到炉管的(那时候开玩笑说我是烧炉子的,就是干这个的。我刚毕业做过几个月这个,因为没有燃烧柜,直接H2+O2进管子,看着湿氧点火的火苗从管口喷出来很激动)。这里面分两块一个是氧化(oxidation)一个是推阱/激活,后者单纯就是给热过程(Thermal budget)让掺杂原子激活或者推到指定的深度。当然还有一个合金(Alloy)。

先讲氧化吧,这是扩散最基本的,也算是精髓了吧。flow里面用到的多的去了,比如initial oxide,Pad oxide, Field ox, sac ox, gate ox, poly ox, 等等。还有我们必须要记住的最基本的每1um的oxide需要消耗0.44um的Si。这个东西在算final step high(高度差)很有用。

氧化的理论模型就是公式迪尔格罗夫(Deal-Grove)模型,氧化过程主要分两个步骤,第一步氧元素(Oxygen)穿透Oxide进入到Oxide-Si界面,第二部才是氧元素与断裂的Si键在高温下结合生成SiO2。所以高温的作用有两个一个是让氧元素扩散进入界面,第二个作用是提供Si与O反应的能量。

一般氧化分为干氧(Dry OX)和湿氧(Wet OX)两种,顾名思义Dry OX肯定就是Si+O2-->SiO2,自然湿氧(Wet OX)就是Si+H2O-->SiO2+H2。干氧的速度比较慢,但结构比较完整几乎都是一个硅配四个氧,每个氧配两个硅的正四面体结构,结构比较致密。但是湿氧结构比较疏松,所以H2O的氧化剂比较容易扩散进去,所以氧化速率比较快。但是在C018以下的制程比较care interface悬挂键,所以又必须要用Wet OX里面的H键补充interface。

值得一提的是湿氧不是用水汽的哦,以前我们三寸的时候用N2作为carrier gas把水汽带进炉管进行反应,但是那是不干净的。所以后来改良成外面H2和O2通到燃烧柜(touch)里面烧好成水汽后进入炉管反应,但是H2和O2比例不得超过1.8(爆炸极限),否则会爆炸,不过不用怕,都是有interlock的,你想超过它会罢工的。我以前刚开始工作曾经自己直接用H2和O2在炉管里燃烧,火苗都窜出来了,很吓人。那时候我和万力一起烧炉子,他负责后面点火,我负责前面看火苗着了没有。想想这小子太阴险了。

氧化的理论就是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+(XI2+A*XI)/B

极限情况1:短时间氧化时,厚度X与时间t成线性关系,因为氧化层很薄,氧元素几乎扩散很快到界面。

  X=(B/A)*t           B/A:线性氧化速率常数(Linear),一般情况下适用于Tox<150A的情况。

极限情况2:长时间氧化时,因为氧化层比较厚,所以主要限制点在于氧元素很难扩散到界面。

   X2=Bt                  B:抛物线速率常数(Parabolic),一般情况下适用于Tox>150A的情况。

A和B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。

下面仔细讲讲影响氧化速率的因素:

1) 掺杂浓度(Doping effect):浓度越高,速率越快;这个在Metal gate是个很大的问题,因为metal gate是先做Source/Drain后做栅氧(GOX),我以前刚开始被这个吓死了,150A怎么长出600多了,后来才发现自己大惊小怪了。还有就是Boron掺杂的比Phosphoros的快,因为Boron容易penetrate进入oxide导致weak bonds。

2) 晶向影响(Crystal Orientation): (111)>(110)>(100),这个比较容易理解,因为在各个晶向上原子密度不一样,速度越慢当然界面悬挂键越少,这就容易理解为啥CMOS制程都要用(100)的wafer了吧。还有如果大家仔细研究过STI的liner oxide,应能发现Sidewall的oxide比bottom oxide厚,也是这个原因。

3)压力(pressure):压力比较大速率比较快,这就理解为什么外面天气变化气压变化会导致GOX厚度flucuation了吧。

4) 等离子体(Plasma Enhance),这个很少遇到,但肯定是破坏结构的。

5)氯(Cholorine):含氯氧化,当然加快氧化速率,原理和湿氧差不多,破坏桥连氧结构,是的氧化剂很快扩散进去(<3%的氯可以提高10%~15%的氧化速率)。但是氯在氧化工艺中的作用非常重要。主要用来Neutralize Interface Charge和Immobilize/Gettering Mobile Ionic。所以我们经常看到炉管定期需要用含氯的东西clean管子。早起6寸炉管用的是HCl,但是这是个强腐蚀性的,所以后来淘汰了用TCA(C2H3Cl3),但这个又破坏臭氧层,所以演变到现在的TLC/Trans-LC (C2H2Cl2)。

再讲一下很重要的跟氧化相关的经典概念:分凝系数(Segregation Coefficient)。主要是因为因为我们长完氧化层后衬底的浓度会发生再分布(redistribution),当然取决于这个掺杂原子在Si和SiO2中的掺杂浓度比例(固溶度/Solid Solubility)。分凝系数的公式为:Si的浓度除以SiO2的浓度。大于1表示oxide里面少掺杂原子,所以oxide是排斥掺杂的,如果小于1则表示oxide里面多掺杂原子,所以他是吸收掺杂原子的。所以这就是我们PIE耳熟能详的“吸硼排磷”。因为B在Oxide的固溶度大于Si (比值约为10吧),而P在Oxide的固溶度小于Si (比值约为0.1)。

最后讲一下炉管吧,以前6寸都是卧式炉管,但是体积太大而且管壁的particle很容易落到wafer上,所以到8寸就发展为立式的(verticle)。结构上核心就是控温,靠两组热偶(Thermal Couple),也叫TC。一组叫做inner TC,也叫profile TC,用来拉温区的。一组叫做out TC,也叫Spike TC,用来monitor炉管温度的。其他结构就没什么了,还有一个就是exhaust,这个虽然没什么,但是它主要还有个用途是APC控制内部的压力,刚刚讲过压力会影响oxide的速率哦。

扩散和合金我就不讲了,扩散主要的模型就是菲克第一定律和菲克第二定律(fick's law),上大学我会自己推导Deal-Grove和Fick定律,那时候觉得很自豪,现在发现屁都不是,呵呵。

好吧,最后分享两个东西,一个是我们以前搞的一个算氧化层厚度的小工具,一个是经典的讲扩散的理论文章。

摘自芯苑
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glchun 发表于 2015-7-7 21:09:18
谢谢转载,更多资料请阅读: www.ic-garden.cn
L-v450 发表于 2015-7-8 20:13:17
看过,谢了。。。。。
淡淡朝阳 发表于 2015-8-29 21:41:58
很好的资料,顶一下!
xin.tian 发表于 2016-1-12 22:08:17
看下好不好,刚刚开始步入半导体行业,希望学习更多  取得进步!
水下鱼1 发表于 2016-11-14 10:49:38
好帖,一般LINE 里工作过的都会看的懂,谢谢分享!
空白页_F5X3C 发表于 2016-11-21 20:14:59
又学到了,感谢楼主
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