半导体制程概论chapter5加热工艺

1Chapter5加热制程王红江，[e-mail]2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•说明快速加热制程(RTP)的优点3主题•简介•硬设备•氧化•扩散•退火–离子注入后退火–合金热处理–再流动•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•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4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•早期的半导体工业已广泛的应用在扩散掺杂的制程5简介•硅的优点–高丰量,价格便宜–稳定且容易与氧化合•早期的集成电路制造，氧化和扩散是制程中的支柱6集成电路制程流程材料设计光刻集成电路生产厂房测试封装最后测试加热制程光刻离子注入去光刻胶金属化化学机械研磨介质沉积晶圆刻蚀去光刻胶7硬件设备总览8水平式炉管•热制程中一般使用的工具•一般称为扩散炉•石英管内部有一陶瓷内衬称为马弗(muffle)•属于多重管路系统9气体输送系统制程炉管排气装载系统控制系统水平式炉管的布局图10计算机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高温炉控制系统功能图11送至工艺炉管MFCMFCMFC控制阀调压器气体钢瓶气体输送系统示意图12源气柜•气体源–氧–水蒸气–氮–氢•气体控制面板•流量控制器•流量计13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•氢和氧,H2+O2H2O•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)14扩散源•P型掺杂物–B2H6,烧焦巧克力和太甜的味道–有毒易燃且易爆的•N型掺杂物–PH3,腐鱼味–AsH3,像大蒜的味道–有毒易燃且易爆的•吹除净化的气体–N215沉积源•做为多晶硅和氮化硅沉积的硅源:–硅烷,SiH4,会自燃,有毒且易爆炸–二氯硅烷,SiH2Cl2,极易燃•氮化硅沉积的氮源:–NH3,刺鼻的,让人不舒服的味道,具腐蚀性•多晶硅沉积的掺杂物–B2H6,PH3和AsH3•吹除净化的气体–N216退火源•高纯度的氮气,大部分的退火制程使用.•H2O经常做為PSG或BPSG再流动制程的周围气体.•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.17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.18装载晶圆,水平式系统到排气端制程炉管晶舟承载架制程气体晶圆19装载晶圆,垂直式系统晶圆塔架20•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•0.05%在1000°C温度控制21温度控制系统•热偶与反应管接触•成比例的能带控制器将功率馈入加热线圈•加热功率与设定点和测量点的差值成比例22反应室•高纯度石英–高温稳定性–适当基本的清洗•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23水平式高温炉中心带区平坦带区距离温度加热线圈石英炉管气流晶圆24制程反应室晶圆塔架加热器垂直式高温炉,制程位置25石英炉管•电融合•火焰融合•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.26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–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NF3分解离开污染物产生氟元素自由基27碳化硅管•优点–较高的热稳定性–较好的金属离子阻挡•缺点–比较重–比较贵28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29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30水平高温炉中心带区平坦带区距离温度加热线圈石英炉管气流晶圆31高温炉•晶圆清洗站•晶圆装载站–手动晶圆装载–自动晶圆装载•氧化制程自动化32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•较好的晶圆控制•较低的维护成本和较高的晶圆处理量33制程反应室晶圆塔架加热器垂直高温炉,装载和卸除的位置34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【costofownership(COO)】35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，而不会掉到底下的晶圆36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37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.•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.38氧化39氧化•简介•应用•机制•制程•系统•快速加热氧化40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Si+O2SiO241二氧化硅硅O2O2O2O2O2O2O2O2O2O2原生硅表面45%55%O2O2O2O2O2硅氧化制程42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2.352Å固体密度2.33g/cm3摩尔体积12.06cm3音速2200m/sec硬度6.5电阻系数100,000mW‧cm反射率28%熔点1414。C沸点2900。C热传导系数150Wm-1K-1线性热膨胀系数2.6X10-6K-1蚀刻物(湿式)HNO4,HF,KOH,等.蚀刻物(干式)HBr,Cl2,NF3,等.CVD源材料SiH4,SiH2Cl2,SiHCl3,SiCl4等43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0.02658Wm-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O2,H2O,N2O,O344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,阻挡用的氧化层•绝缘–全区氧化层和硅的局部氧化•栅极氧化层45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硅掺杂物二氧化硅二氧化硅46表面钝化的应用硅二氧化硅衬垫氧化層屏蔽氧化层牺牲氧化层阻挡用的氧化层正常薄氧化层厚度(~150Å)以保护受到污染物或过度的应力.47光阻光阻硅基片掺杂离子屏蔽氧化层屏蔽氧化层48USG硅衬垫氧化层氮化硅硅衬垫氧化层氮化硅硅USG阻挡氧化层槽沟蚀刻槽沟填充USGCMP;USG退火;氮化硅和衬垫氧化层剥除STI制程中的衬垫氧化层和阻挡氧化层49衬垫氧化层的应用氮化硅硅基片衬垫氧化层•缓冲氮化硅的高应力张力•预防应力产生硅的缺陷50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•硅的局部氧化(LOCOS)•厚的氧化层厚度,通常是3,000到10,000Å51硅硅硅二氧化硅场区氧化层晶圆清洗场区氧化氧化物蚀刻活化区全面场区覆盖氧化制程52硅的局部氧化制程氮化硅P型基片P型基片氮化硅p+p+p+绝缘掺杂P型基片p+p+p+绝缘掺杂SiO2衬垫氧化层衬垫氧化,氮化硅沉积及图案化LOCOS氧化氮化硅以及衬垫氧化层剥除鸟嘴SiO253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–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)54牺牲氧化层的应用N型井区P型井区STIUSGN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牺牲氧化层栅极氧化层•从硅晶表面移除缺陷55组件介电质的应用•栅极氧化层:最薄且多大部分是关键层•电容介电质多晶硅硅基片n+栅极薄氧化层源极汲极P型硅n+VD0电子VG5680年代至今浅沟槽绝缘100-200Å阻挡氧化层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15-20Å不必要的-屏蔽氧化层~200Å离子注入70年代中期至今遮蔽氧化层~5000Å扩散场区及局部氧化层3000-5000Å绝缘60年代到90年代衬垫氧化层100-200Å氮化硅应力缓冲层60年代至今牺牲氧化层1000Å缺陷移除70年代至今栅极氧化层30-120Å匣极介电质60年代至今60年代到70年代中期57不当清洗的硅表面上生成的二氧化硅结构58•粒子•有机残留物•无机残留物•原生氧化层氧化前的清洗59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NH4OH:H2O2:H2O按1:1:5到1:2:7的比例混合，移除有机污染物.•SC-2-在70~80C将HCl:H2O2:H2O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60•高纯度去离子水或是去离子水清洗后使用H2SO4:H2O2溶液.•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，.氧化前晶圆的清洗粒子移除61•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H2SO4:H2O2或NH3OH:H2O2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.氧化前晶圆的清洗有机污染物移除62•HCl:H2O.•在去离子水洗涤,旋干且/或烘干(100到125°C)后，浸在加热的浸泡槽中.氧化前晶圆的清洗无机污染物移除63•HF:H2O.•在以去离子水洗涤,旋干且/或烘干(100到125°C)之后，浸在加热的浸泡槽中或单晶硅蒸气蚀刻.氧化前晶圆的清洗原生氧化层移除64氧化反应机构•Si+O2SiO2•氧气来自于气体•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65氧化速率区域的说明图氧化层厚度氧化时间线性成长区域BAX=t扩散限制区域X=Bt66100硅干氧氧化反应24681012141618200.200.40.60.81.01.2氧化时间(小时)氧化层厚度(微米)1200°C1150°C1100°C1050°C1000°C950°C900°C100硅干氧氧化反应67湿(蒸氣)氧氧化反应•Si+2H2OSiO2+2H2•高温状态下，H2O会解离成H和H-O•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.68100硅湿氧氧化反应24681012141618200.501.01.52.02.53.0氧化时间(小时)氧化层厚度(微米)1150°C1100°C1050°C1000°C950°C900°C100硅湿氧氧化反应69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•压力•晶圆方位(100vs.111)•硅的掺杂物70氧化速率温度•氧化速率对温度具高敏感性(指数相关)•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