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。

Diffusion文章：http://pan.baidu.com/s/1c0fLzO0

OXIDE caculator: http://pan.baidu.com/s/1o63N7YU