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    半制程概论chapter加热工艺

      发布时间:2018-03-22 05:28

      Chapter 5加热制程1王红江,标• 列出三种加热制程• 描述集成电路制造的热制程• 描述热氧化制程2• 描述热氧化制程• 说明快速加热制程(RTP)的优点主题• 简介• 硬设备• 氧化• 高温化学气相沉积法(CVD)– 外延硅沉积– 多晶硅沉积氮化硅沉积3• 扩散• 退火– 离子注入后退火– 合金热处理– 再流动– 氮化硅沉积• 快速加热制程(RTP)系统– 快速加热退火– 快速加热氧化• 未来的趋势定义• 热制程是在高温操作的制造程序,其温度经常较铝的熔点高• 加热制程通常在高温炉进行,一般称之为扩散炉4为扩散炉• 早期的半导体工业已广...

      Chapter 5加热制程1王红江, Ph. D..cn目标 列出三种加热制程 描述集成电路制造的热制程 描述热氧化制程2 描述热氧化制程 说明快速加热制程(RTP)的优点主题 简介 硬设备 氧化 高温化学气相沉积法(CVD) 外延硅沉积 多晶硅沉积氮化硅沉积3 扩散 退火 离子注入后退火 合金热处理 再流动 氮化硅沉积 快速加热制程(RTP)系统 快速加热退火 快速加热氧化 未来的趋势定义 热制程是在高温操作的制造程序,其温度经常较铝的熔点高 加热制程通常在高温炉进行,一般称之为扩散炉4为扩散炉 早期的半导体工业已广泛的应用在扩散掺杂的制程简介 硅的优点 高丰量, 价格便宜 稳定且容易与氧化合5 早期的集成电路制造,氧化和扩散是制程中的支柱集成电路制程流程材料 集成电路生产厂房测试金属化化学机械研磨介质沉积晶圆6设计光刻封装最后测试加热制程光刻离子注入去光刻胶刻蚀去光刻胶硬件设备总览7水平式炉管 热制程中一般使用的工具 一般称为扩散炉8 石英管内部有一陶瓷内衬称为马弗(muffle) 属于多重管路系统排气水平式炉管的布局图9气体输送系统制程炉管装载系统控制系统计算机微控器 微控器 微控器 微控器 微控器高温炉控制系统功能图10微控器 微控器 微控器 微控器 微控器炉管界面电路板排气界面电路板气体面板界面电路板装载站界面电路板真空系统界面电路板送至工艺炉管MFCMFCMFC气体输送系统示意图11MFC控制阀调压器气体钢瓶源气柜 气体源 氧 水蒸气12 氮 氢 气体控制面板 流量 流量计氧化的氧来源 干式氧化---高纯度的氧气 水蒸气 气泡式系统 冲洗式系统13冲洗式系统 氢和氧,H 2 + O 2 H 2 O 氯源, 栅极再氧化过程抑制移动的离子 无水氯化氢,HCl 三氯乙烯 (TCE),三氯乙烷 (TCA)扩散源 P型掺杂物 B 2 H 6 ,烧焦巧克力和太甜的味道 有毒易燃且易爆的 N型掺杂物14型掺杂物 PH 3 ,腐鱼味 AsH 3 ,像大蒜的味道 有毒易燃且易爆的 吹除净化的气体 N 2沉积源 做为多晶硅和氮化硅沉积的硅源: 硅烷,SiH 4 ,会自燃, 有毒且易爆炸 二氯硅烷,SiH 2 Cl 2 ,极易燃 氮化硅沉积的氮源:15 NH 3 ,刺鼻的, 让人不舒服的味道,具腐蚀性 多晶硅沉积的掺杂物 B 2 H 6 , PH 3 和AsH 3 吹除净化的气体 N 2退火源 高纯度的氮气,大部分的退火制程使用. H 2 O经常做為PSG或BPSG再流动制程的周围气体16围气体. 在浅沟绝缘槽制程中的未掺杂硅玻璃化学机械研磨制程,退火制程中使用氧气. 较低等级的氮气使用在闲置吹除净化制程.排气系统 再释放前要先移除有害的气体 有毒的,易燃的,易爆炸的,具腐蚀性的气体. 燃烧室移除大部分有毒的,易燃的,易爆炸的17气体 洗涤室用水移除燃烧后的氧化物和具腐蚀性的气体. 处理后的气体排放到大气.装载晶圆, 水平式系统晶圆18到排气端制程炉管晶舟承载架制程气体装载晶圆, 垂直式系统晶圆19塔架 热制程对温度相当的敏感 必要的精密温度控制 0 5 C 中央区带温度控制20 0.5 C,中央区带 0.05%在 1000 C温度控制系统 热偶与反应管接触 成比例的能带将功率馈入加热线 加热功率与设定点和测量点的差值成比例反应室 高纯度石英 高温稳定性 适当基本的清洗22 缺点 易碎的 一些金属离子 不能作为钠的屏障 高于1200 C可能产生冰晶雪花般多晶态结构,从而表层产生剥离水平式高温炉加热线中心带区平坦带区距离温度制程反应室晶圆加热器垂直式高温炉, 制程位置24晶圆塔架石英炉管 电融合 火焰融合 两者可用来追踪金属量25 两者可用来追踪金属量 火焰融合管产生的组件具有较佳的特性.石英管清洗 对沉积高温炉制程避免粒子污染物特别重要 在生产工厂外面, 反应室外 氢氟酸 (HF)储存槽每一次移除石英的薄层26 每一次移除石英的薄层 受限于石英管的生命期 反应室内部清洗 在管的内部产生等离子体 在等离子体中从NF 3 分解离开污染物产生氟元素自由基碳化硅管 优点 较高的热稳定性 较好的金属离子阻挡27较好的金属离子阻挡 缺点 比较重 比较贵温度控制反-弯曲 法 向制程温度倾斜 较低温时慢慢的装载晶圆 (闲置温度, ~ 800 C)在一个较短的稳定周期之后,使温度向制程28 在一个较短的稳定周期之后,使温度向制程点倾斜 慢速装载 1英吋 / 分钟 200片六吋晶圆温度约下降50 C的热容量水平式高温炉 包含3~4个炉管 (反应室) 每一个炉管的温度控制系统分开29水平高温炉加热线中心带区平坦带区距离温度高温炉 晶圆清洗站 晶圆装载站手动晶圆装载31 手动晶圆装载 自动晶圆装载 氧化制程自动化垂直石英炉 制程管以垂直方向置放 较小的占地面积 较好的污染物控制32 较好的晶圆控制 较低的维护成本和较高的晶圆处理量制程反应室加热器垂直高温炉,装载和卸除的位置33晶圆塔架较小的占地空间 先进生产工厂的无尘室空间相当昂贵 小的占地面积降低建造成本 【cost of 34【ownership (COO)】较好的污染物控制 气体流动从上到下 对于层气流的控制有较好的均匀性 粒子大部分落在最上面的晶圆,而不会35 粒子大部分落在最上面的晶圆,而不会掉到底下的晶圆较好的晶圆控制 当控制较大直径尺寸的晶圆数量时,作用在水平炉管的承载架的力矩也很高 在垂直高温炉的晶圆塔架则是零力矩36在垂直高温炉的晶圆塔架则是零力矩硬件设备综述 高温炉经常使用在加热制程 高温炉一般包括控制系统、气体输送系统、制程炉管或反应室、晶圆装载系统和气体排放系统.37 垂直高温炉因为有较小的占地面积、较好的污染物控制和较低的维护成本因此被广泛使用. 精确的温度控制和均匀性是加热制程成功的首要因素.氧化38氧化 简介 应用 机制39 机制 制程 系统 快速加热氧化简介 硅和氧产生反应 产生稳定的氧化物 广泛的使用在IC制造40 广泛的使用在IC制造Si + O 2  SiO 2二氧化硅硅O 2O 2O 2O 2原生硅表面O硅氧化制程412O 2O 2O 2 O 2O 2 O 245% 55%O 2O 2O 2O 2O 2硅元素的事实名称 硅符号Si原子序14原子量 28.0855发现者 钟斯、杰可柏、柏塞利尔斯发现地点瑞典发现日期 1824名称来源 由拉丁字silicis衍生而来,意指火石单晶硅的键长度2.352 固体密度 2.33g/cm3摩尔体积 12 06cm342摩尔体积 12.06cm音速 2200m/sec硬度6.5电阻系数 100,000  ‧cm反射率 28%熔点 1414 。 C沸点 2900 。 C热传导系数 150W m-1K-1线蚀刻物 (湿式)HNO 4 , HF, KOH,等.蚀刻物 (干式) HBr, Cl 2 ,NF 3 , 等.CVD源材料 SiH 4 ,SiH2 Cl 2 ,SiHCl 3 , SiCl 4 等氧的一些事实名称 氧符号 O原子序8原子量 15.9994发现者 约瑟夫‧普瑞斯特莱 / 卡尔西雷发现地点 英格兰 / 瑞典发现日期 1774命名起源从希腊字的 “oxy”和“genes”衍生而来代表酸素形成之意43代表酸素形成之意摩尔体积 17.36cm3音速317.5m/sec折射系数 1.000271熔点 54.8K = -218.35 阵 C沸点90.2K = -182.95阵C热传导系数0.02658W m-1K -1应用 热氧化,CVD氧化物反应式溅射及光阻剥除主要来源 O 2 ,H2 O, N 2 O, O 3氧化的应用 扩散的遮蔽层 表面钝化屏蔽氧化层 衬垫氧化层 阻挡用的氧化44 屏蔽氧化层, 衬垫氧化层, 阻挡用的氧化层 绝缘 全区氧化层和硅的局部氧化 栅极氧化层扩散的阻挡 硼(B)和磷(P)在二氧化硅的扩散速率比在硅的扩散速率来的低 二氧化硅可做为扩散遮蔽45二氧化硅可做为扩散遮蔽硅掺杂物二氧化硅 二氧化硅表面钝化的应用衬垫氧化層 屏蔽氧化层牺牲氧化层 阻挡用的氧化层46硅二氧化硅正常薄氧化层厚度 (~150)以保护受到污染物或过度的应力.掺杂离子屏蔽氧化层47光阻 光阻硅基片屏蔽氧化层USG硅衬垫氧化层氮化硅氮化硅槽沟蚀刻槽沟填充STI 制程中的衬垫氧化层和阻挡氧化层48硅衬垫氧化层氮化硅硅USG阻挡氧化层USG CMP; USG退火; 氮化硅 和 衬垫氧化层剥除衬垫氧化层的应用衬垫氧化层 缓冲氮化硅的高应力张力 预防应力产生硅的缺陷49氮化硅硅基片衬垫氧化层组件绝缘的应用 相邻组件间的电性绝缘 全区覆盖式氧化层50全区覆盖式氧化层 硅的局部氧化 (LOCOS) 厚的氧化层厚度, 通常是 3,000到 10,000硅二氧化硅硅二氧化硅晶圆清洗全面场区覆盖氧化制程51硅硅场区氧化层场区氧化氧化物蚀刻活化区硅硅场区氧化层场区氧化氧化物蚀刻活化区硅的局部氧化制程氮化硅P型基片氮化硅衬垫氧化层衬垫氧化, 氮化硅沉积及图案化52P型基片氮化硅p + p + p +绝缘掺杂P型基片 p + p + p +绝缘掺杂SiO 2LOCOS氧化氮化硅以及衬垫氧化层剥除鸟嘴SiO 2硅的局部氧化 和全区覆盖式氧化层比较 较好的绝缘效果 表面台阶高度较低53 侧壁坡度较小 缺点 表面粗糙的拓璞 鸟嘴 被浅沟槽绝缘取代 (STI)牺牲氧化层的应用N 型井区P 型井区STIUSG牺牲氧化层牺牲氧化层 从硅晶表面移除缺陷54N 型井区P 型井区STIUSGN 型井区P 型井区STIUSG牺牲氧化层剥除 牺牲氧化层栅极氧化层栅极氧化层组件介电质的应用 栅极氧化层: 最薄且多大部分是关键层 电容介电质多晶硅V D 0 V G55多晶硅硅基片n +栅极薄氧化层源极 汲极P型硅n +电子氧化层的应用氧化层名称 厚度 应用 应用的时间原生氧化层 15 - 20 不必要的 -屏蔽氧化层~ 200离子注入70年代中期至今遮蔽氧化层 ~ 5000 扩散60年代到70年代中期5680年代至今浅沟槽绝缘100 - 200 阻挡氧化层场区及局部氧化层 3000 - 5000 绝缘 60年代到90年代衬垫氧化层100 - 200 氮化硅应力缓冲层 60年代至今牺牲氧化层 1000 缺陷移除 70年代至今栅极氧化层30 - 120 匣极介电质 60年代至今不当清洗的硅表面上生成的二氧化硅结构57 粒子 有机残留物氧化前的清洗58 无机残留物 原生氧化层美国无线电公司(RCA)的清洗 1960年RCA公司的克恩和布欧迪南首先发展出来 集成电路场最常使用的清洗制程 SC-1在70~ 80C将NH 4 OH:H 2 O 2 :H 2 O按 1:1:5 到 1:2:7的比例混合,移除有机污染物.59的比例混合 移除有机污染物. SC-2-在70~ 80C将HCl:H 2 O 2 :H 2 O按 1:1:6到1:2:8比例混合,移除无机污染物 去离子水冲洗 HF溶液或是在轻氟酸蒸气蚀刻机中移除原生氧化层 高纯度去离子水或是去离子水清洗后使用H 2 SO 4 :H 2 O 2 溶液.氧化前晶圆的清洗粒子移除60 在去离子水洗涤, 旋干 且 / 或 烘干 (100到 125 C)后,以高压净化或浸在加热的浸泡槽中,. 强氧化剂可以移除有机残留的污染物. 去离子水清洗后,使用H 2 SO 4 :H 2 O 2 或氧化前晶圆的清洗有机污染物移除61NH 3 OH:H 2 O 2 溶液 在以去离子水洗涤, 旋干 且 / 或 烘干(100 到 125 C)后,以高压净化或浸在加热的浸泡槽中. HCl:H 2 O. 在去离子水洗涤, 旋干 且 / 或 烘干 (100 氧化前晶圆的清洗无机污染物移除62到 125 C)后,浸在加热的浸泡槽中. HF:H 2 O. 在以去离子水洗涤, 旋干 且 / 或 烘干氧化前晶圆的清洗原生氧化层移除63(100 到 125 C)之后,浸在加热的浸泡槽中或单晶硅蒸气蚀刻.氧化反应机构 Si + O 2 SiO 2 氧气来自于气体 硅来自于基片64 硅来自于基片 氧分子必须扩散穿过氧化层,才能和底下的硅原子产生化学反应 越厚的薄膜成长速率越低氧化速率区域的说明图线性成长区域BAX = t65氧化层厚度氧化时间A扩散限制区域X =  B t100硅干氧氧化反应0.81.01.2微米)1200 C1150 C100 硅干氧氧化反应662 4 6 8 10 12 14 16 18 200.200.40.6氧化时间 (小时)氧化层厚度 (微1100 C1050 C1000 C950 C900 C湿 (蒸氣)氧氧化反应 Si + 2H 2 O SiO 2 + 2H 2 高温状态下,H 2 O会解离成 H和H-O H O在二氧化硅比在氧扩散较快67 H-O在二氧化硅比在氧扩散较快 湿氧氧化反应比干氧氧化反应的成长速率高.100硅 湿氧 氧化反应2.02.53.0(微米)1150 C1100 C1050 C1000 C950 C100 硅湿氧氧化反应682 4 6 8 10 12 14 16 18 200.501.01.5氧化时间 (小时)氧化层厚度 (900 C影响氧化速率的因素 温度 化学反应, 湿氧氧化或干氧氧化 厚度69 厚度 压力 晶圆方位 (100vs. 111) 硅的掺杂物氧化速率温度 氧化速率对温度具高敏感性(指数相关)70 温度越高,氧化速率越高. 温度越高,氧和硅之间的化学反应速率和氧在二氧化硅的扩散速率也都较高.氧化速率晶圆方位 111 表面比100的表面有较高的演化速率.71 表面上有更多的硅原子.湿氧氧化速率0 81.21.61.01.41.8度 (微米)111方位95 C水1200 C1100 C1000 C721 2 3 4 0氧化时间 (小时)0.40.80.20.6氧化层厚度920 C氧化速率掺杂物浓度 缠杂务元素和浓度 高度非晶硅掺杂硅有较高的成长速率,较少的致密薄膜,蚀刻也较快.73较少的致密薄膜 蚀刻也较快 一般高度掺杂区域比低度掺杂区有较高的成长速率. 线性阶段(薄氧化层)的氧化速率较快.N型掺杂物(P, As, Sb)在Si中比在SiO 2中有较高的溶解度,当SiO 2 成长,他们氧化:掺杂物N型掺质的堆积效应和P型掺质的空乏效应74会移动渗入硅中,像铲雪机把雪堆高一样,称为堆积效应.硼倾向被吸到SiO 2 ,造成硼浓度匮乏,称为空乏效应.Si-SiO 2 界面 Si-SiO 2 界面原始的硅表面 原始的硅表面原始分布空乏效应和堆积效应75SiO 2掺杂物浓度SiSiO 2掺杂物浓度SiP型掺杂物的堆积现象 N型掺杂物的堆积现象 HCl用来减少移动的离子污染物. 广泛的使用在匣极氧化层的制程.氧化速率掺杂氧化 (HCl)76 成长速率可增加1%~5% 氧化膜越厚,氧化速率越慢. 氧分子需要更多的时间扩散穿越氧化层和氧化速率相异的氧化77硅基片进行反应.氧化前的清洗 热成长的二氧化硅是非晶态物质. 容易交叉结合而形成结晶构造 自然界是以石英和石英砂的型态存在78 自然界是以石英和石英砂的型态存在 缺陷和粒子会成为结晶化过程中的成核点 结晶的 SiO 2 遮蔽能力较差. 氧化之前需要清洗硅表面.氧化制程 干氧氧化, 薄氧化层 匣极氧化层 衬垫氧化层,屏幕氧化層,牺牲氧化层等.79衬垫氧化层,屏幕氧化層,牺牲氧化层等. 湿氧氧化,厚氧化层 全区氧化层 扩散屏蔽氧化层往制程管MFCMFCMFCMFC干氧氧化系统示意图80MFC控制阀调压阀制程氮气吹除净化氮气O 2HCl干氧氧化 干仰是主要的制程气体 匣极氧化层用HCl来移除移动的离子 高纯度的氮气做为制程吹除净化的气81 高纯度的氮气做为制程吹除净化的气体 等级较低的氮气做为闲置吹除净化的气体匣极氧化层的步骤 闲置时通入吹除净化氮气气流 闲置时通入制程氮气气流 在制程氮气气流下把晶舟推入炉管82 在制程氮气气流下升高温度 在制程氮气气流下稳定温度 关闭氮气气流,通入氧化制程用的氧气和氯化氢悬浮键引起的界面状态电荷悬浮键界面状态电荷(正极)83SiO 2Si+ + + + +Si-SiO 2界面匣极氧化层的步骤(续) 关闭氧气开始通入氮气,进行氧化物退火 在制程氮气气流下开始降温 在制程氮气气流下将晶舟拉出84 在制程氮气气流下将晶舟拉出 闲置时通入吹除净化氮气气流 对下一批晶舟重复上述制程 闲置状态下通入吹除净化氮气气流湿氧氧化制程 较快, 生产量较高 较厚的氧化层,LOCOS氧化层 干氧氧化有较好的质量85制程 温度 薄膜厚度 氧化时间干氧氧化 1000C 1000 ~ 2 小时湿氧氧化 1000 C 1000 ~ 12 分钟水蒸气源 煮沸式 气泡式86 冲洗式 氢氧燃烧式MFC制程炉管加热的气体管路 加热的前段管路排气煮沸式系统87管水加热器蒸气气泡MFC制程炉管氮气加热的气体管路N 2 + H 2 O气泡式系统88加热器排气氮气气泡加热的气体管路水水热平板冲洗式系统89MFC制程炉管N 2热平板加热器O氢气燃烧, 2H 2 + O 2  2 H 2 O氢氧燃烧蒸气系统90H 2O 2热偶计到排气端制程炉管晶舟承载架氢氧燃烧蒸气系统 优点 全气体系统 可以准确的控制气流的流量91可以准确的控制气流的流量 缺点 必须使用易燃且易爆的氢气 典型的H 2 :O 2 比例介于 1.8:1到 1.9:1.燃烧蒸气湿氧氧化系统MFCMFCMFC制程炉管92MFC控制阀调压器制程氮气吹除净化氮气O 2H 2洗涤室排气晶圆燃烧室湿氧氧化制程步骤 闲置时通入吹除净化氮气气流 闲置时通入制程氮气气流 通入制程氮气气流以及大量的氧气93 通入制程氮气气流和氧气:把晶舟推入炉管 通入制程氮气气流和氧气: 开始升高温度 通入制程氮气气流和氧气:稳定炉管温度 注入大量氧气并关掉氮气气流 稳定氧气气流湿氧氧化制程步骤 打开氢气流并将之点燃;稳定氢气气流 利用氧气和氢气气流进行蒸气氧化反应 关闭氢气,氧气气流继续通入关闭氧气 开始通入制程氮气气流94 关闭氧气,开始通入制程氮气气流 在制程氮气气流下开始降温 在制程氮气气流下将晶舟拉出 闲置时通入制程氮气气流 对下一批晶舟重复上述制程 闲置时通入吹除净化氮气气流 次微米深度组件的匣极氧化层 非常薄的氧化薄膜, 30 快速加热氧化95 在高温时有较佳的温度控制,晶圆内以及晶圆对晶圆的均匀性. 为达到组件的需求使用快速加热氧化制程.升温 1及 升温2降温 RTA 装载晶圆卸除晶圆RTOO 流量快速加热氧化(RTO)制程示意图96时间O 2 流量N 2 流量HCl流量温度高压氧化 较快的成长速率 降低氧化的温度:97 1大气压. = 30 C 较高的介电质强度高压氧化系统示意图不锈钢套管98高压惰性气体高压氧化物气体石英制程反应室高压氧化温度 压力 时间成长10,000厚的湿氧氧化层的氧化时间99温度 压力 时间1 大气压 5 小时1000。 C5大气压 1小时25大气压 12 分钟高压氧化时间 压力 温度在五小时内成長10,000厚的湿氧氧化层的氧化温度100时间 压力 温度1 大气压 1000。 C5 小时10大气压 700。 C高压氧化 复杂系统 安全争点101 安全争点 先进半导体生产工厂并不爱用高压氧化技术测量氧化层 厚度 均匀性 匣极氧化层 崩溃电压 C V曲线 色彩对照表 椭圆光谱仪 反射光谱仪 C-V曲线特征线性偏极入射光椭圆偏极反射光sp椭圆光谱仪系统103n 1 ,k1 , t 1n 2 , k 221入射光人眼或光传感器反射光及相差(反射光谱仪)104t2基片介电质薄膜,n()C-V测试结构电容计铝大电阻105铝金属平台硅氧化层加热器 加热器氧化层概要 硅的氧化反应 高稳定度及相对容易 应用106 绝缘, 遮蔽,衬垫,阻擋,匣极氧化层和其他等. 湿式氧化过程和干式氧化过程 先进的IC芯片多使用干式氧化过程 在超薄匣极氧化层使用快速加热氧化和退火制程扩散107扩散 扩散是常见的物理现象 物质散布方向是从高浓度到低浓度 二氧化硅做为扩散的遮蔽层108 二氧化硅做为扩散的遮蔽层 在半导体制程的掺杂中广泛的使用 “扩散炉" 和 “扩散区间"扩散掺杂制程说明109掺杂物硅扩散掺杂制程说明110掺杂物硅接面深度接面深度的定义接面深度,x j111掺杂物的背景浓度到晶圆表面的距离掺杂物浓度扩散遮蔽氧化层 遮蔽氧化层112N型硅N型硅p + p +扩散 基于较少制程控制的因素,被离子布植制程取代 仍被使用在形成井(well)的制程113仍被使用在形成井(well)的制程热积存 高温下掺杂物的原子扩散较快D = D 0 exp (E A /kT) 较小的图形尺寸 较少的空间提供掺杂物热114 较小的图形尺寸, 较少的空间提供掺杂物热扩散,较少的热积存 热积存在驱入阶段决定离子布植后热制程的温度和时间匣极热积存的说明115S/D布植 过量的热积存1m 1100 900 8002m0.5m0.25mT (C)数据源:Chang and Sze,ULSI 热积存11611010 4 /T (K)7 8 9 10热积存 (sec)Technology扩散掺杂制程 掺杂物浓度与接面深度两者与温度相关 没有方法可以单独控制两个因素 掺杂物等向扩散的剖面117掺杂物等向扩散的剖面 1970年代中期被离子布植制程取代扩散掺杂制程 二氧化硅做为不易通过的遮蔽 沉积掺杂物氧化层 覆盖层氧化反应118 覆盖层氧化反应 预防掺杂物扩散到气态 驱入扩散掺杂制程 氧化, 微影制程技术 和 氧化蚀刻 预积:B 2 H 6 + 2 O 2  B 2 O 3 + 3 H 2 O 覆盖层氧化反应:119覆盖层氧化反应:2B 2 O 3 + 3 Si 3 SiO 2 + 4 B2H 2 O + Si SiO 2 + 2 H 2 驱入 硼扩散到硅基片扩散掺杂制程 氧化, 微影制程技术 和 氧化蚀刻 沉积扩散物氧化:4POCl 3 + 3O 2  2P 2 O 5 + 3Cl 2覆盖氧化反应120 覆盖氧化反应2P 2 O 5 + 5Si  5SiO 2 + 4P 磷集中在硅表面 驱入 磷扩散的硅基片MFCMFCMFC制程炉管磷扩散系统121MFC控制阀调压器制程氮气吹除净化氮气O 2POCl 3洗涤室排气晶圆燃烧室晶圆清洗122硅基片氧化123硅基片二氧化硅光阻掺杂分区图形124硅基片二氧化硅光阻二氧化硅蚀刻125硅基片二氧化硅光阻剥除126硅基片二氧化硅晶圆清洗127硅基片二氧化硅掺杂物氧化沉积掺杂氧化物128硅基片二氧化硅覆盖氧化反应129硅基片二氧化硅五氧化二磷氧化沉积和覆盖氧化反应N 2 流量推 拉 温度升高温度稳定.掺杂沉积 覆盖氧化反应温度下降温度释入氮气1302POCl 3 流量O 2 流量晶圆位置驱入131硅基片二氧化硅剥除氧化层, 准备下一步132硅基片二氧化硅非晶硅驱入温度推 温度升高温度稳定.驱入 拉温度下降稳定133氮流量氧流量晶圆位置限制与应用 扩散是等向性的制程,而且吸附在遮蔽氧化层的底层 无法单独控制接面深度和掺杂物的浓度134无法单独控制接面深度和掺杂物的浓度 用来做为井区布植驱入 为了超浅接面(ultra shallow junction,USJ)的形成进行研发扩散的应用: 驱入 井区有最深的接面深度 需要非常高的离子布植能量 百万电子伏特的离子布植成本非常的高135 百万电子伏特的离子布植成本非常的高 当退火时,扩散可以帮助驱使掺杂物到想要的接面深度P 型外延光阻N 型井区P +井区布植和驱入136P 型外延P 型外延N 型井区利用硼的扩散在超浅接面形成的制程 小组件需要超浅接面 硼本身具有小和轻的特质,可以具有高布植能以达到深度的要求137布植能以达到深度的要求 在研发浅接面形成时,应用可控制的热扩散制程表面清洗金属硅化合物侧壁空间层侧壁空间层138硅基片浅沟槽绝缘浅沟槽绝缘侧壁空间层侧壁空间层硼硅玻璃化学气相沉积法金属硅化合物侧壁空间层侧壁空间层139硅基片浅沟槽绝缘浅沟槽绝缘硼硅玻璃侧壁空间层侧壁空间层快速加热步骤掺杂物驱入金属硅化合物多晶硅匣极氧化层140硅基片浅沟槽绝缘硼硅玻璃浅沟槽绝缘匣极氧化层剥除硼硅玻璃金属硅化合物多晶硅匣极氧化层141硅基片浅沟槽绝缘浅沟槽绝缘合物 匣极氧化层掺杂的量测 四点探针142R s =  /t四点探针测量VI143S 1 S 2 S 3P 1 P 2 P 3P 4基片掺杂区域扩散的概要 扩散的物理机制容易理解 在早期IC制造的制程,扩散广泛使用在掺杂制程144掺杂制程 1970年代中期之后被离子布植技术取代退火和快速加热制程145布植后退火 能量较高的离子会损伤晶格结构 非晶硅有较高的电阻系数 需要额外的能量(如:热)来帮助原子回复晶格结构146晶格结构 仅仅单晶结构的掺杂物可以被活化布植后退火 单晶结构有最低的位能 原子倾向于停留在晶格位置 热能提供原子作快速热运动所需要的能量147 原子寻找并停留在位能最低的单晶晶格位置 温度越高, 退火越快离子布值之前148晶格原子离子布值之后149掺杂原子 晶格原子晶体缺陷150掺杂原子 晶格原子退火制程151晶格原子掺杂原子合金热处理 帮助不同原子彼此结合成化学键形成金属合金的加热制程. 广泛的用在金属硅化物的形成152 自我对准金属硅化物 (salicide) 钛金属硅化合物,TiSi 2 钴金属硅化物,CoSi 2 高温炉和快速加热制程金属硅化物 较多晶硅的电阻低 做为匣极材料和金氧半晶体管的区域内部联机做为电容电极153 做为电容电极 增进组件的速度和减少热的产生 TiSi 2 , WSi 2 是最常被使用的金属硅化物 CoSi 2 , MoSi 2 等亦被使用钛金属硅化物制程 氩气溅镀清洗 钛 物理气相沉积 快速加热制程退火 700 C154 快速加热制程退火, ~700 C 钛剥除,H 2 O 2 :H 2 SO 2钛金属硅化物制程钛n + n +STIp + p +USG多晶硅钛金属硅化物Ti 沉积155n + n + USG USG STI钛金属硅化物n + n + USG p + p + USG STI钛金属硅化物侧壁空间层退火Ti 剥除p + p +铝硅合金 在硅的表面生成 防止硅铝交互扩散造成尖凸现象( junction spiking)156接面尖凸现象157p + p +N型硅Al Al AlSiO 2再流动 流动的表面圆滑平坦 使微影技术和金属化制程更容易 温度越高,流动结果越好158温度越高 流动结果越好 热积存决定再流动的温度和时间 较高的掺杂物浓度需要较低的流动温度PSG再流动制程说明P型基片p + p +N-型井区SiO 2n + n + p + p +LOCOSPSGAs沉积159P型基片p + p +N型井区SiO 2n + n + p + p +LOCOSPSG再流动后再流动 未掺杂硅玻璃 (USG)在非常高温 (T 1500 C) 开始变软,由于表面张力作用流动 PSG和BPSG在明显较低的温度( 1100 C降160到 850 C)变软 磷也可以捕获钠 PSG和BPSG通常使用在 金属沉积前的介电质层(PMD)再流动制程 晶圆装载 温度上升温度稳定161 温度稳定 再流动 温度下降 晶圆卸除再流动制程 再流动制程通常使用氮气做为周围的气体162 有时候水蒸气也被拿来使用 水蒸气分子容易和掺杂物原子发生氧化反应再流动制程 越小的组件, 较少的热积存 0.25m以下的组件,没有足够的热积163存做为再流动圆滑使用 PSG退火 (~750C)取代再流动退火概要 最常使用的退火制程是离子布植后退火、合金退火和再流动 在离子布植制程后需要热退火恢复晶格的结164在离子布植制程后需要热退火恢复晶格的结构和活化掺杂物原子 热退火协助金属和硅反应形成金属硅化物退火概要 金属退火可帮助形成较大的晶粒和减少电阻性 PSG或BPSG再流动将介电质表面圆滑平坦化165或 再流动将介电质表面圆滑平坦化,帮助微影技术制程和金属化制程 快速加热制程已成为退火制程成用的技术退火概要 快速加热制程的优点 较快的升温速率(75 ~ 150 C/sec) 较高的温度 (上升到 1200 C)166( ) 较快的制程 掺杂物扩散最小化 对热积存有较好的控制 晶圆对晶圆均匀性较好的控制高温沉积制程167什么是化学气相沉积化学气相沉积 气体或蒸气在基板表面产生化学反应并在表面形成固态副产品做为沉积的薄膜168 其他的副产品是会离开表面的气体. 广泛使用在IC制程中的金属、介电质和硅的薄膜沉积.高温化学气相沉积 外延 多晶硅氮化硅169 氮化硅外延 单晶硅层 外延硅外延硅 锗170 外延硅锗 外延砷化镓外延硅 提供高质量的硅基片,不含氧跟碳 双载子组件需要使用171 高速的金氧半晶体管(CMOS)组件外延硅 高温(~1000C)制程. 硅烷 (SiH 4 ),二氯硅烷 (DCS ,SiH 2 Cl 2 )或三氯硅烷(TCS,SiHCl 3 )做为硅的来源气体172体 氢气做为制程气体和清洗气体 三氢化砷(AsH 3 ),三氢化磷 (PH 3 ),和氢化硼(B 2 H 6 )做为掺杂气体外延硅沉积 硅烷制程加热 (1000C)SiH 4  Si + H 2硅烷 外延矽 氢气173硅烷 外延矽 氢气 二氯硅烷制程加热 (1150C)SiH 2 Cl 2  Si + 2HCl二氯硅烷 外延矽 氯化氢外延硅掺杂 N-型掺杂物加热(1000C)174AsH 3  As + 3/2 H 2三氢化砷 砷 氢加热 (1000C)PH 3  P + 3/2 H 2三氢化磷 磷 氢外延硅掺杂 P-型掺杂加热 (1000C)175B 2 H 6  2 B + 3 H 2氢化硼 硼 氢外延硅 经常是在晶圆制造时沉积(“生长") 而不是IC生产工厂 生产工厂的外延制程:例如有掺杂物的浓度和外延厚度的特殊需求176度和外延厚度的特殊需求 选择性外延:升高 源/汲极 单晶圆外延制程多晶硅 高温稳定性 合乎常理有较佳的传导性 用来做为匣极材料和金氧半晶体管的区177 用来做为匣极材料和金氧半晶体管的区域内部联机 同时也被广泛的用来做为DRAM芯片的电容器电极多晶硅在DRAM上的应用多晶硅 5多晶硅 4多晶硅 3Ta 2 O 5 或BST178多晶硅2多晶硅 3多晶硅 1TiSi 2P型硅n + n + n +侧壁空间层多晶硅 高温炉(~700 C)低压化学气相沉积(LPCVD)制程 硅烷 (SiH 4 )或二氯硅烷 (DCS,SiH 2 Cl 2 )做为硅源气体179为硅源气体. 氮气做为清洗气体 三氢化砷(AsH 3 ),三氢化磷(PH 3 ),和氢化硼(B 2 H 6 )用来做为掺杂物气体多晶硅沉积 硅烷制程加热 (750C)SiH 4  Si + H 2硅烷 多晶硅 氢180硅烷 多晶硅 氢 DCS process加熱 (750C)SiH 2 Cl 2  Si + 2HCl二氯硅烷 多晶硅 氢多晶硅掺杂 N-型掺杂加热 (750C)AsH 3  As + 3/2 H 2三氢化砷 砷 氢181三氢化砷 砷 氢加热 (750C)PH 3  P + 3/2 H 2三氢化磷 磷 氢多晶硅掺杂 P-型掺杂加热 (750C)182B 2 H 6  2 B + 3 H 2氢化硼 硼 氢硅烷制程与温度的关系 单晶硅基板 硅烷做为来源气体183 T 900 C沉积单晶硅 900 C T 550 C沉积多晶硅 T 550 C沉积非晶硅硅烷制程的温度与晶体结构晶界184T550 C非晶硅T 900 C单晶硅550C T 900 C多晶硅晶粒多晶硅低压化学气相沉积系统MFCMFCMFC制程管晶圆燃烧室185控制阀调压器制程氮气吹除净化氮气SiH 4洗涤室排气晶圆燃烧室多晶硅沉积制程 系统闲置时注入吹除净化氮气气流 系统闲置时注入制程氮气气流 注入制程氮气气流,载入晶圆 注入氮气气流:设定制程气壓 (~250毫托) 开启SiH 4 气流并关掉氮气,开始沉积 关掉硅烷气流并打开匣极活门,抽186 注入制程氮气气流时降下制程炉管(钟型玻璃罩) 观掉氮气气流,抽真空使反应室气压降至基本气压 ( 2毫托) 注入氮气气流,稳定晶圆温度并检查漏气 观掉氮气气流,抽真空回到基本气压 ( 2毫托) 关掉硅烷气流并打开匣极活门,抽真空回到基本气压 关闭匣极活门,注入氮气并将气压提高到一大气压力 注入氮气气流以降低晶圆温度,升起钟型玻璃罩 注入制程氮气气流,卸除晶圆 系统闲置时注入吹除净化氮气气流多晶硅沉积制程反应室温度晶圆温度氮气流装载晶圆卸除晶圆升高塔架抽真空温度稳定抽线抽线硅烷流反应室压力晶圆塔架位置多晶硅沉积系统多晶硅沉积反应室WSi x 沉积反应室Wsi x 沉积反应室188晶圆装载站晶圆传输机械臂反应室反应室冷却室多晶硅沉积系统多晶硅沉WSi x 沉积反应室 RTA反应室189晶圆装载站多晶硅沉积反应室晶圆传输机械臂冷却室氮化硅 致密的材料 广泛的作为扩散阻挡层和钝化保护介电质层 低压化学气相沉积法(LPCVD)【前段】和电190 低压化学气相沉积法(LPCVD)【前段】和电浆增强型化学气相沉积法(PECVD)【后段】 LPCVD氮化硅制程经常使用一个带有真空系统的高温炉氮化硅的应用 硅的局部氧化形成制程做为阻挡氧气扩散的遮蔽氧化层 在浅沟槽绝缘形成的制程,被当作化学机械研磨191在浅沟槽绝缘形成的制程 被当作化学机械研磨的停止层 金属沉积前的介电质层做为掺杂物的扩散阻挡层 蚀刻停止层硅的局部氧化(LOCOS)制程氮化硅P型基板氮化硅衬垫氧化层衬垫氧化, 氮化硅沉积和图案化192P型基板氮化硅p + p + p +隔绝掺杂P型基板 p + p + p +绝缘掺杂SiO 2LOCOS氧化氮化硅和衬垫氧化层剥除鸟嘴SiO 2浅沟槽绝缘制程硅衬垫氧化层氮化硅衬垫氧化层和LPCVD 氮化硅氮化硅蚀刻氮化硅和衬垫氧化层光阻 光阻193硅衬垫氧化层氮化硅光阻 光阻硅衬垫氧化层氮化硅剥除光阻浅沟槽绝缘制程的衬垫氧化层与阻挡氧化层硅衬垫氧化层氮化硅氮化硅未掺杂硅玻璃沟槽蚀刻沟槽填充194硅衬垫氧化层氮化硅硅未掺杂硅玻璃未掺杂硅玻璃阻挡氧化层未掺杂硅玻璃 化学气相沉积法未掺杂硅玻璃 化学气相沉积法; 氮化硅, 衬垫氧化层剥除衬垫氧化层剥除自我对准接触窗蚀刻停止层侧壁空 BPSG BPSG光阻光阻195TiSi 2P型硅侧壁空间层n + n + n +BPSG BPSG氧化层氮化硅 多晶硅匣极氮化硅的快捷方式BPSG BPSG光阻光阻侧壁空196n + n +BPSG BPSGTiSi 2n +P型硅氧化层侧壁空间层多晶硅匣极氮化硅光阻剥除BPSG BPSG 侧壁空197n + n +BPSG BPSGTiSi 2n +P型硅氧化层侧壁空间层多晶硅匣极氮化硅Ti/TiN沉积 和 钨BPSG BPSG 侧壁空Ti/TiN198n + n +BPSG BPSGTiSi 2n +P型硅氧化层侧壁空间层多晶硅匣极钨氮化硅化学机械研磨 钨 和TiN/TiBPSG BPSG 侧壁空199n + n +BPSG BPSGTiSi 2n +P型硅氧化层侧壁空间层多晶硅匣极钨氮化硅氮化硅的应用FSG M2CuFSGPD 氮化硅作IMD密封层的氮化硅PD 氮化硅作IMD蚀刻停止层的氮200N型井区 P型井区n +STIp + p +USGPSGPSG WFSGn +M1 CuFSG作PMD阻挡层的氮化硅W停止层的氮化硅侧壁空间层氮化硅沉积 硅烷或二氯硅烷作为硅的来源气体 氨(NH 3 )做为氮的来源气体 氮气做为净化的气体201氮气做为净化的气体3 SiH 2 Cl 2 + 4 NH 3  Si 3 N 4 + 6 HCl + 6 H 2或3 SiH 4 + 4 NH 3  Si 3 N 4 + 12 H 2氮化硅的LPCVD系统示意图加热器塔架MFC晶圆制程反应室202MFCMFC控制阀调压器制程氮气SiH 2 Cl 2洗涤室排气燃烧室 帮浦MFC吹除净化氮气NH 3氮化硅沉积制程流程图反应室温度晶圆温度N 2 气流量装载晶圆卸除晶圆升高塔架抽真空温度稳定抽线 流量DCS流量反应室压力晶圆塔架位置高温化学气相沉积法的未来趋势 更多的晶圆使用快速加热化学气相沉积法204 可以将只成整合在群集工具高温炉沉积概要 多晶硅和氮化硅是两种在高温炉沉积最常用的薄膜 硅烷和二氯硅烷是两种经常做为硅源气205硅烷和二氯硅烷是两种经常做为硅源气体. 在沉积时多晶硅可以使用磷化氢, 砷化氢或硼化氢做为掺杂气体进行掺杂快速加热制程206快速加热制程(RTP) 主要在布植后快速加热退火(RTA)制程 快速升温, 100到 150 C/sec(水平高温炉升温速率约15 C/min)207速率约 ) 减少热积存和较简单的制程控制快速加热制程(RTP) 单晶圆快速加热化学气相沉積 (RTCVD)反应室可以用来沉积多晶硅和氮化硅 RTCVD反应室可以在群集工具和其他制程208反应室可以在群集工具和其他制程反应室整合在同一个系统中 薄膜氧化厚度小 ( 40)和用对于晶圆对晶圆均匀控制的快速加热氧化制程差不多快速加热制程(RTP)反应室示意图外端反应室 晶圆209红外线高温计石英反应室制程气体钨卤素灯管加热灯管数组底部灯管顶部灯管210晶圆快速加热制程211(RTP)反应室照片提供:Applied Materials, Inc退火和掺杂物扩散 当温度1100 C,退火速率较扩散为快 布植后的制程需要高温与温度急升 单晶圆快速加热制程工具已经开始应用212 单晶圆快速加热制程工具已经开始应用退火和掺杂物扩散 高温掺杂物原子的扩散 高温炉由于热容量较大使得升温速率较低 (~10 C/min)213低 ( 10 C/min) 高温炉退火制程需要花费较常的时间,掺杂物扩散无法减低 晶圆两端的退火情形不均匀退火速率和扩散速率退火速率214温度扩散速率退火后掺杂物扩散匣极215高温炉 退火 快速加热退火匣极RTP比高温炉的优势 升温速率较快(75 到 150 C/sec) 温度较高 (可到 1200 C) 制程较快216 制程较快 掺杂物扩散最小化 较佳的热积存控制能力 较佳的晶圆对晶圆的均匀性RTP制程温度的改变升温 降温 退火 装载晶圆卸除晶圆N 2 流动217时间温度N 2 流动热氮化反应 氮化钛物理气相沉积(PVD) 用氨气进行热氮化218NH 3 + Ti TiN + 3/2 H 2氮化钛制程二氧化硅钛219二氧化硅钛氮化钛快速加热氧化制程 超薄的匣极氧化层 30 较佳的晶圆对晶圆的均匀性 较佳的热积存控制能力220 较佳的热积存控制能力RTP /RTO制程示意图升温1及升温2降温 RTA 装载晶圆卸除晶圆RTOO 流量221时间O 2 流量N 2 流量HCl流量温度未来的趋势 快速加热制程 (RTP) 临场制程监测 群集工具222 群集工具 高温炉制程将继续使用在非关键性的加热制程RTCVD反应室加热灯管晶圆反应物灯座223石英窗反应物及副产品IR高温计晶圆冷却反应室壁RTP温度和高温炉高温炉224温度时间RTP室温.群集工具示意图转换室RTCVD-Si反应室HF蒸气RTO/RTP反应室冷却225装载站蚀刻反应室反应室卸除站快速加热制程的概要 快速 较佳的制程控制热预算226 热预算 晶圆对晶圆的均匀性 掺杂物扩散最小化 群集工具, 容易将制程整合加热制程概要 氧化, 扩散,退火, 和沉积 湿氧化成长速率较高,干氧化氧化层薄膜的质量较好,先进的工厂主要采用干氧化 IC工业的掺杂制程中,利用二氧化硅做为扩散遮蔽层227 LPCVD多晶硅和前段的氮化硅沉积 退火处理使晶圆恢复单晶结构和活化掺杂物 RTP:较佳的热控制能力,快速又能减少掺杂物的扩散 高温爐:高产量和低成本,未来IC生产工产会继续使用进行较不重要的加热制程

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