常见问题

氧化扩散炉工艺

时间:2018-10-31 14:30来源:未知

一、氧化(炉)(Oxidation) 
 
       对硅半导体而言,只要在高于或等于1050℃的炉管中,如图2-3所示,通入氧气或水汽,自然可以将硅晶的表面予以氧化,生长所谓干氧层(dryz/gate oxide)或湿氧层(wet /field oxide),当作电子组件电性绝缘或制程掩膜之用。氧化是半导体制程中,最干净、单纯的一种;这也是硅晶材料能够取得优势的特性之一(他种半导体,如砷化镓 GaAs,便无法用此法成长绝缘层,因为在550℃左右,砷化镓已解离释放出砷!)硅氧化层耐得住850℃ ~ 1050℃的后续制程环境,系因为该氧化层是在前述更高的温度成长;不过每生长出1 微米厚的氧化层,硅晶表面也要消耗掉0.44微米的厚度。 

以下是氧化制程的一些要点: 
 
       (1)氧化层的成长速率不是一直维持恒定的趋势,制程时间与成长厚度之重复性是较为重要之考量。 
       (2)后长的氧化层会穿透先前长的氧化层而堆积于上;换言之,氧化所需之氧或水汽,势必也要穿透先前成长的氧化层到硅质层。故要生长更厚的氧化层,遇到的阻碍也越大。一般而言,很少成长2微米厚以上之氧化层。 
       (3)干氧层主要用于制作金氧半(MOS)晶体管的载子信道(channel);而湿氧层则用于其它较不严格讲究的电性阻绝或制程罩幕(masking)。前者厚度远小于后者,1000~ 1500埃已然足够。 
       (4)对不同晶面走向的晶圆而言,氧化速率有异:通常在相同成长温度、条件、及时间下,{111}厚度≧{110}厚度>{100}厚度。 
       (5)导电性佳的硅晶氧化速率较快。 
       (6)适度加入氯化氢(HCl)氧化层质地较佳;但因容易腐蚀管路,已渐少用。 
       (7)氧化层厚度的量测,可分破坏性与非破坏性两类。前者是在光阻定义阻绝下,泡入缓冲过的氢氟酸(BOE,Buffered Oxide Etch,系 HF与NH4F以1:6的比例混合而成的腐蚀剂)将显露出来的氧化层去除,露出不沾水的硅晶表面,然后去掉光阻,利用表面深浅量测仪(surface profiler or alpha step),得到有无氧化层之高度差,即其厚度。 
       (8)非破坏性的测厚法,以椭偏仪 (ellipsometer) 或是毫微仪(nano-spec)最为普遍及准确,前者能同时输出折射率(refractive index;用以评估薄膜品质之好坏)及起始厚度b与跳阶厚度a (总厚度 t = ma + b),实际厚度 (需确定m之整数值),仍需与制程经验配合以判读之。后者则还必须事先知道折射率来反推厚度值。 
       (9)不同厚度的氧化层会显现不同的颜色,且有2000埃左右厚度即循环一次的特性。有经验者也可单凭颜色而判断出大约的氧化层厚度。不过若超过1.5微米以上的厚度时,氧化层颜色便渐不明显。 
 
二、扩散(炉) (diffusion) 
 
1、扩散搀杂 
 
       半导体材料可搀杂n型或p型导电杂质来调变阻值,却不影响其机械物理性质的特点,是进一步创造出p-n接合面(p-n junction)、二极管(diode)、晶体管(transistor)、以至于大千婆娑之集成电路(IC)世界之基础。而扩散是达成导电杂质搀染的初期重要制程。 
 
       众所周知,扩散即大自然之输送现象 (transport phenomena);质量传输(mass transfer)、热传递(heat transfer)、与动量传输 (momentum transfer;即摩擦拖曳) 皆是其实然的三种已知现象。本杂质扩散即属于质量传输之一种,唯需要在850oC以上的高温环境下,效应才够明显。 
 
       由于是扩散现象,杂质浓度C (concentration;每单位体积具有多少数目的导电杂质或载子)服从扩散方程式如下: 
 
       这是一条拋物线型偏微分方程式,同时与扩散时间t及扩散深度x有关。换言之,在某扩散瞬间 (t固定),杂质浓度会由最高浓度的表面位置,往深度方向作递减变化,而形成一随深度x变化的浓度曲线;另一方面,这条浓度曲线,却又随着扩散时间之增加而改变样式,往时间无穷大时,平坦一致的扩散浓度分布前进! 
 
       既然是扩散微分方程式,不同的边界条件(boundary conditions)施予,会产生不同之浓度分布外形。固定表面浓度 (constant surface concentration) 与固定表面搀杂量 (constant surface dosage),是两种常被讨论的具有解析精确解的扩散边界条件: 
 
2、前扩散 (pre-deposition) 
 
       第一种定浓度边界条件的浓度解析解是所谓的互补误差函数(complementary error function),其对应之扩散步骤称为「前扩散」,即我们一般了解之扩散制程;当高温炉管升至工作温度后,把待扩散晶圆推入炉中,然后开始释放扩散源 (p型扩散源通常是固体呈晶圆状之氮化硼【boron-nitride】芯片,n型则为液态POCl3之加热蒸气) 进行扩散。其浓度剖面外形之特征是杂质集中在表面,表面浓度最高,并随深度迅速减低,或是说表面浓度梯度 (gradient) 值极高。 

3、后驱入 (post drive-in) 
 
       第二种定搀杂量的边界条件,具有高斯分布 (Gaussian distribution) 的浓度解析解。对应之扩散处理程序叫做「后驱入」,即一般之高温退火程序;基本上只维持炉管的驱入工作温度,扩散源却不再释放。或问曰:定搀杂量的起始边界条件自何而来?答案是「前扩散」制程之结果;盖先前「前扩散」制作出之杂质浓度集中于表面,可近似一定搀杂量的边界条件也! 
 
       至于为什么扩散要分成此二类步骤,当然不是为了投数学解析之所好,而是因应阻值调变之需求。原来「前扩散」的杂质植入剂量很快达到饱和,即使拉长「前扩散」的时间,也无法大幅增加杂质植入剂量,换言之,电性上之电阻率 (resistivity) 特性很快趋稳定;但「后驱入」使表面浓度及梯度减低(因杂质由表面往深处扩散),却又营造出再一次「前扩散」来增加杂质植入剂量的机会。所以,借着多次反复的「前扩散」与「后驱入」,既能调变电性上之电阻率特性,又可改变杂质电阻之有效截面积,故依大家熟知之电阻公式 ; 其中 是电阻长度可设计出所需导电区域之扩散程序。 
 
4、扩散之其它要点,简述如下: 
 
       (1)扩散制程有批次制作、成本低廉的好处,但在扩散区域之边缘所在,有侧向扩散的误差,故限制其在次微米 (sub-micron) 制程上之应用。 
 
       (2)扩散之后的阻值量测,通常以四探针法(four-point probe method)行之,示意参见图2-5。目前市面已有多种商用机台可供选购。 (3)扩散所需之图形定义(pattern)及遮掩(masking),通常以氧化层(oxide)充之,以抵挡高温之环境。一微米厚之氧化层,已足敷一般扩散制程之所需。 
 
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