半导体制程概论萧宏chapter10

HongXiao,Ph.D.化學氣相沉積與介電質薄膜HongXiao,[e-mail]目標•辨別至少四種化學氣相沉積的應用•描述化學氣相沉積製程的流程•列出兩種沉積區間並說明他們與溫度之間的關係•列出兩種介電質薄膜•列舉最常使用在介電質化學氣相沉積的矽源材料HongXiao,Ph.D.氧化層vs.加熱成長的氧化層熱成長薄膜沉積薄膜矽裸片晶圓SiO2SiO2SiSiSiHongXiao,Ph.D.氧化層vs.加熱成長的氧化層加熱成長•氧來自氣相的氧•矽來自基片•薄膜成長氧進入基片•品質較高CVD•氧和矽都來自氣相•沉積在基片表面•溫度較低•成長速率較高HongXiao,Ph.D.介電質薄膜的應用•多層金屬連線中當做電器隔離的介電質層•CVD和自旋塗佈介電質加上CVD介電質•淺溝槽絕緣(STI)•多晶金屬矽化物匣即會形成側壁空間層，這是形成低摻雜汲極(LDD)和擴散緩衝層所需要的•鈍化保護介電質層(PD)•當圖形尺寸小於0.25mm，自旋塗佈介電質抗反射層鍍膜(ARC)就不符合解析度需求HongXiao,Ph.D.介電質薄膜的應用•很多公司用介電質層(interlayerdielectric；ILD)代表金屬層間介電質層,包含金屬沉積前的介電質層(PMD)和金屬層間介電質層(IMD)金屬沉積前的介電質層:PMD–通常使用摻雜氧化物PSG或BPSG–溫度受熱積存限制•金屬層間介電質層:IMD–使用USG或FSG–通常在溫度400C沉積HongXiao,Ph.D.氧化矽氮化矽USGWP型晶圓N型井區P型井區BPSGp+p+n+n+USGWMetal2,Al•CuP型磊晶層金屬1,Al•CuAl•CuSTISTIPMD或ILD1IMD或ILD2ARCPD1PD2側壁空間層WCVDTiNCVD介電質薄膜在CMOS電路的應用HongXiao,Ph.D.介電質製程對一個使用STI的N層金屬連線積體電路晶片而言，最小的介電層數量為:介電質層=1+1+1+(N-1)+1=N+3STI側壁空間層PMDIMDPDHongXiao,Ph.D.化學氣相沉積(CVD)•化學氣相沉積(ChemicalVaporDeposition)•化學氣體或蒸氣和晶圓表面的固體產生反應，在表面上以薄膜形式產生固態的副產品，其他的副產品是揮發性的會從表面離開.HongXiao,Ph.D.應用薄膜源材料Si(多晶)SiH4(矽烷)半導體SiCl2H2(二氯矽烷；DCS)Si(磊晶)SiCl3H(三氯矽烷；TCS)SiCl4(四氯矽烷；Siltet)LPCVDSiH4,O2SiO2(玻璃)PECVDSiH4,N2O介電質PECVDSi(OC2H5)4(四乙氧基矽烷，TEOS),O2LPCVDTEOSAPCVD&SACVDTMTEOS,O3(ozone)OxynitrideSiH4,N2O,N2,NH3PECVDSiH4,N2,NH3Si3N4LPCVDSiH4,N2,NH3LPCVDC8H22N2Si(BTBAS)W(鎢)WF6(六氟化鎢),SiH4,H2WSi2WF6(六氟化鎢),SiH4,H2導體TiNTi[N(CH3)2]4(TDMAT)TiTiCl4CuHongXiao,Ph.D.化學氣相沉積•氣體或是氣相源材料引進反應器內•源材料擴散穿過邊界層並接觸基片表面•源材料吸附在基片表面上•吸附的原材料再基片表面上移動•在基片表面上開始化學反應•固態副產物在基片表面上形成晶核•晶核生長成島狀物•島狀物合併成連續的薄膜•其他氣體副產品從基片表面上脫附釋出•氣體副產品擴散過邊界層•氣體副產品流出反應器.HongXiao,Ph.D.製程步驟晶圓反應物副產品氣體噴嘴晶圓座源材料強制對流區邊界層HongXiao,Ph.D.沉積製程源材料到達晶圓表面源材料在表面移動源材料在表面反應成核作用：島狀物形成HongXiao,Ph.D.沉積製程島狀物成長島狀物成長，橫截面圖島狀物合併連續薄膜HongXiao,Ph.D.製程•APCVD：常壓化學氣相沉積法•LPCVD：低壓化學氣相沉積法•PECVD：電漿增強型化學氣相沉積法HongXiao,Ph.D.常壓化學氣相沉積法(APCVD)•CVD製程發生在大氣壓力常壓下•APCVD製程用在沉積二氧化矽和氮化矽•APCVD臭氧—四乙氧基矽烷(O3-TEOS)的氧化物製程被廣泛的使用在半導體工業上，尤其是在STI和PMD的應用•傳送帶系統需要臨場對輸送帶清潔HongXiao,Ph.D.加熱器晶圓N2N2製程氣體排氣晶圓輸送帶輸送帶清潔裝置APCVD反應器示意圖HongXiao,Ph.D.問•一個半導體製造商在海岸線旁有它自己的研發實驗室，而其製造廠在一個高海拔的高原。研發實驗室所發展的製程卻無法被直接應用在特定的製造廠，為什麼?HongXiao,Ph.D.答•在一個高海拔的高原上，常壓要比海平面低很多。早期的APCVD反應器沒有一個壓力控制系統，所以研發室與製造廠的製程狀況有極大的差異，在研發室成效極佳的製程未必能在製造廠運作良好。HongXiao,Ph.D.低壓化學氣相沉積法(LPCVD)•較長的平均自由路徑•好的階梯覆蓋和均勻性•晶圓垂直裝載•較少粒子和提高生產力•和氣體流量的相關性較少•垂直和水平的高溫爐HongXiao,Ph.D.水平式傳導-對流—加熱LPCVD•適合水平高溫爐管–低壓:從0.25到2托–最主要使用多晶矽、二氧化矽和氮化矽薄膜–每批量可處理200片晶圓HongXiao,Ph.D.低壓化學氣相沉積系統加熱線圈石英管至真空幫浦壓力計製程氣體入口晶圓裝載門晶圓中心區均溫區距離溫度晶舟HongXiao,Ph.D.電漿增強型化學氣相沉積(PECVD)•發展氮化矽取代二氧化矽做為鈍化氧化層.•相對低溫下有高的沉積速率.•射頻在沉積氣體中感應電漿場•射頻控制沉積薄膜的應力•反應室電漿清洗.HongXiao,Ph.D.製程反應室製程反應室副產品被幫浦抽走加熱板晶圓電漿RF功率產生器電漿增強型化學氣相沉積(PECVD)HongXiao,Ph.D.階梯覆蓋•對沉積薄膜在基片表面再產生之階梯的斜率所做的一種量測•一種重要的規格–側壁階梯覆蓋–底部階梯覆蓋–似性型(Conformality)–懸突(Overhang)HongXiao,Ph.D.階梯覆蓋性與似型性abcd基片結構CVD薄膜側壁階梯覆蓋=b/a底部階梯覆蓋=d/a似型性=b/c懸突=(c-b)/b深寬比=h/whwHongXiao,Ph.D.影響階梯覆蓋的因素•源材料的到達角度•源材料的表面遷移率HongXiao,Ph.D.到達角度ABC270°90°180°HongXiao,Ph.D.到達角度•角A:270,角C:90•角A有較多的源材料•較多的沉積•形成懸突•懸突會在間隙內部形成空洞或鎖眼HongXiao,Ph.D.空洞形成的步驟金屬介電質介電質介電質空洞金屬金屬HongXiao,Ph.D.到達角度的控制•改變壓力•當源材料的平均自由路徑比間隙深度還要長時，可有效減少到達角度HongXiao,Ph.D.階梯覆蓋性與壓力和表面遷移率的關係APCVD無遷移率LPCVD無遷移率高遷移率HongXiao,Ph.D.矽PSG氮化矽較大到達角度較小到達角度到達角度,接觸窗孔HongXiao,Ph.D.間隙填充•無空洞間隙填充•空洞:引生缺陷和可靠度的問題•沉積/蝕刻/沉積–矽烷和臭氧-四乙氧基矽烷氧化物薄膜•似型性沉積–O3-四乙氧基矽烷和鎢CVD•高密度電漿CVDHongXiao,Ph.D.間隙填充•PMD:對空洞是零容限(zerotolerance)–鎢可以沉積進入空洞之中–引發短路•IMD:金屬表面下的空洞是可容許的–減少金屬線之間的k–製程氣體被捕捉並引起可靠性的問題HongXiao,Ph.D.製程的空洞金屬矽化物空洞金屬矽化物俯視圖WCVD沉積之前接觸窗孔側壁空間層HongXiao,Ph.D.匣極間不想出現的鎢線金屬矽化物鎢金屬矽化物俯視圖WCVD沉積後鎢栓塞側壁空間層HongXiao,Ph.D.沉積/蝕刻/沉積Al·CuAl·CuAl·CuUSGUSGUSG沉積沉積蝕刻HongXiao,Ph.D.