Thin Film Process Introduction

1、20222022年年3 3月月6 6日日Thin Film Process IntroductionOutline2 薄膜工藝概括 PVD工藝原理與應(yīng)用 CVD工藝原理與應(yīng)用 熱氧化工藝原理與應(yīng)用Thin Film Process Overview薄膜在集成電路中的應(yīng)用薄膜在集成電路中的應(yīng)用N-WellP-WellP+N+N+P+Lining Oxide Dry oxidation 1000C/200AGate OxidePoly Si Gate LPCVD U-Poly 620C/2KASpacerLPCVD TEOS 700C/150A + LPCVD Si3N4 680C/300ARem

2、oved layers:Thermal pad oxide 920C/110ALPCVD AA Si3N4 780C/1625ASac oxide 920C/110A薄膜在集成電路中的應(yīng)用薄膜在集成電路中的應(yīng)用Thin Film Process Overview5u金屬薄膜：金屬薄膜： 功能： 電極，互連，功函數(shù)層； 種類： Al，Ti，TiN，W，WN, Cu，Ta， TaN，Silicideu半導(dǎo)體薄膜：半導(dǎo)體薄膜： 功能： 有源層，電極，互連； 種類： 單晶硅，Poly-Si，a-Si, SiGe;u絕緣體薄膜：絕緣體薄膜： 功能：介質(zhì)層，隔離層，鈍化層； 種類： SiO2，Si3N4，

3、SiON，BPSG, HighK，LowK；薄膜制程薄膜制程? 通過物理或化學(xué)的方法在襯底上淀積一層單原子到幾微米厚的固體物質(zhì)的過程.Thin Film Process OverviewThin Film Process Overview薄膜的制作方法薄膜的制作方法1.CVD Chemical Vapor Deposition 化學(xué)氣相沉積 （ PECVD, HDPCVD, LPCVD, APCVD, SAPCVD, MOCVD, EPI， ALD） 可以沉積金屬,非金屬,半導(dǎo)體各種類型的薄膜.2.PVD Physical Vapor Deposition 物理氣相沉積 （ 真空蒸鍍（熱蒸發(fā)，

4、E-Beam）濺射（RF, DC, 磁控, 反應(yīng)）, 離子鍍） 理論上可以沉積各種薄膜,比較常用的是金屬薄膜.3.Electro-Chemical Plating 電鍍/化學(xué)鍍 可以沉積多種薄膜,在IC行業(yè)主要是鍍Cu, Au.用在Cu互連和封裝.u 沉積法：沉積法：外來物質(zhì)淀積于基底表面形成薄膜u 生長法生長法：外來物質(zhì)與基底材料表面發(fā)生反應(yīng)生成；熱氧化（Furnace， ISSG）7p薄膜顆粒 p薄膜厚度均勻性p薄膜的純度p薄膜的密度，致密性p薄膜臺階覆蓋/高深寬比孔隙能力（SEM，TEM）p薄膜成分配比，結(jié)構(gòu)（FTIR，XRF，XRD）p應(yīng)力控制p電學(xué)性質(zhì) （電阻，介電常數(shù)，擊穿電壓）p

5、襯底材料和薄膜粘附性p光學(xué)性質(zhì)（反射率，折射率）p薄膜表面粗糙度（AFM）Thin Film Process Overview薄膜的一般特性與評估方法8薄膜的生長模型Thin Film Process Overview 薄膜臺階覆蓋/高深寬比孔隙能力 由于線寬尺寸的縮小，對薄膜的臺階覆蓋能力和空隙填充能力越來越高。Thin Film Process Overview真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)101牛頓/平方米1公斤力/平方厘米10牛頓/平方厘米規(guī)定為101.325kPa1 mmHg Thin Film Process OverviewVacuum Pumps and GaugesPVD制程對腔體真空度要

6、求非常高，它對薄膜的性能有很大的影響。壓力（Torr）1個大氣壓1Torr1mTorr1E-8(Torr)（cm）66.7nm4.72E-034.724.72E+0511Thin Film Process OverviewPhysical Vapor Deposition（PVD） PVD 沉積的定義沉積的定義PVD 沉積的特點沉積的特點PVD 沉積的分類沉積的分類PVD 沉積工藝的原理沉積工藝的原理PVD沉積工藝的應(yīng)用沉積工藝的應(yīng)用Physical Vapor Deposition（PVD） PVD 沉積的定義沉積的定義 物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition, P

7、VD)是指利用物理過程實現(xiàn)是指利用物理過程實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，將原子或分子由源轉(zhuǎn)移到物質(zhì)轉(zhuǎn)移，將原子或分子由源轉(zhuǎn)移到 襯底表面上的過程。襯底表面上的過程。 該過程的實現(xiàn)一般是在真空狀態(tài)下實現(xiàn)PVD 沉積的特點沉積的特點 源物質(zhì)經(jīng)過物理過程進(jìn)入氣相; 需要相對較低的氣體壓力環(huán)境; 要使用固態(tài)的或者融化態(tài)的物質(zhì)作為沉積過程的源物質(zhì)；應(yīng)用：應(yīng)用： 金屬薄膜的沉積（主要） 介質(zhì)薄膜的沉積Physical Vapor Deposition（PVD） PVD 的分類的分類u 真空蒸發(fā)沉積( Evaporation) 電阻式加熱（熱蒸發(fā)） 電子束蒸發(fā)u 濺射沉積(Sputtering) 直流濺射 （DC-Sput

8、ter） 射頻濺射 （RF-Sputter） 磁控濺射 （Reactive-Sputter) 反應(yīng)濺射 (Magnetron Sputter)Physical Vapor Deposition（PVD） 原理：原理：在真空狀態(tài)下，加熱源材料，使原子或分子從源材料表面逸出從而在襯底上生長薄膜的方法。優(yōu)點：優(yōu)點： 設(shè)備簡單、操作容易、成膜速率快缺點： 薄膜與襯底附著力小、重復(fù)性不好，臺階覆蓋差真空蒸發(fā)沉積真空蒸發(fā)沉積( Evaporation)蒸發(fā)成膜過程（島狀生長）蒸發(fā)成膜過程（島狀生長） 加熱源材料，通常至熔點氣化原子或分子從蒸發(fā)源向襯底輸運飛到襯底上的原子或分子在表面凝結(jié)（成核）核再捕獲到飛

9、抵的原子分子或表面擴(kuò)散原子分子（晶核長大）核與核合成而形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（晶粒合并）網(wǎng)絡(luò)被填實即生成連續(xù)的薄膜（連續(xù)成膜）Physical Vapor Deposition（PVD） 薄膜厚度和質(zhì)量的影響因素薄膜厚度和質(zhì)量的影響因素l真空度： 減少氣體分子間碰撞，抑制蒸發(fā)分子與殘余氣體之間的反應(yīng)；l蒸發(fā)速率：單位時間內(nèi)從蒸發(fā)源單位面積離開的分子/原子數(shù)；l沉積速率：淀積速率正比于蒸發(fā)速率，快膜層結(jié)構(gòu)松散，慢結(jié)構(gòu)較緊密，但缺陷增加；l襯底位置：薄膜的沉積速率與襯底和蒸發(fā)源距離平方成反比；l襯底溫度：高的襯底溫度，易于排除襯底表面吸附的氣體分子，使膜層在襯底上附著更牢，減少膜層的內(nèi)應(yīng)力，但容易被再次蒸發(fā)

10、和形成大的晶粒。Physical Vapor Deposition（PVD） 原理：原理：利用電流通過加熱源時所產(chǎn)生的焦耳熱來加熱蒸發(fā)材料。優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、裝置便宜、操作方便、蒸發(fā)速率快、廣泛用于Au、Ag、Cu、Ni等導(dǎo)體材料。缺點：缺點：坩堝或其它加熱體以及支撐部件可能的污染，不適用于高純或難容物質(zhì)的蒸發(fā)。電阻加熱蒸發(fā)裝置電阻加熱蒸發(fā)裝置Physical Vapor Deposition（PVD） Physical Vapor Deposition（PVD） 原理：原理：陰極產(chǎn)生的電子在電場加速下，獲得足夠的動能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料，使之受熱氣化優(yōu)點：優(yōu)點：a.電子束轟擊能量密度高

11、，可使熔點3000以上的材料熔化, 可蒸發(fā)：W、Mo、Al2O3等； b. 提高純度：坩堝用水冷卻，避免容器材料的污染及與蒸發(fā)材料的反應(yīng); c. 熱效率高，熱量直接加在蒸發(fā)材料表面，熱傳導(dǎo)和熱輻射損失少;缺點：缺點：a. 化合物受轟擊會分解; b.結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備昂貴; c.電離氣體分子，影響膜質(zhì)量。E-beam蒸發(fā)裝置蒸發(fā)裝置利用石英晶體振蕩頻率的變化來測量薄膜的質(zhì)量厚度，然后根據(jù)相應(yīng)材料的密度轉(zhuǎn)換顯示為幾何厚度。e+eee-+e+-eAtom/molecule/radicalIonNegative ionElectronPlasma introduction19等離子體又稱電漿,是物質(zhì)第四態(tài)

12、,占了整個宇宙的99%;Physical Vapor Deposition（PVD） 1. Neutral Ar gas enters into PVD chamber2. Ar becomes energized ion Ar+ by free electrons created by plasma3. Energized Ar+ ions bombard the target surface5. Released Metal atom deposits onto wafer and forms a thin film4. Atomic Bonds are broken by Ar+ spu

13、tter and metal atom is releasedNeutral ArAr ion (Ar+)Sputtered MetalSputtering Basics20腔體靶材晶圓Physical Vapor Deposition（PVD） 21工藝基本原理工藝基本原理濺射三要素濺射三要素: Target, Gas, Plasma；轟擊target氣體，通常用Ar. (價廉，分子量較大。)濺射成膜濺射成膜 濺射沉積薄膜主要由高能量粒子（通常為由電場加速的正電荷離子）對固態(tài)靶材表面進(jìn)行撞擊，使靶材表面的原子或分子（團(tuán)）被撞擊出來，進(jìn)而結(jié)合或凝聚在基材上形成薄膜。Physical Vapor

14、 Deposition（PVD） 22工藝基本原理工藝基本原理Physical Vapor Deposition（PVD） Sputter 腔體結(jié)構(gòu)腔體結(jié)構(gòu)23Physical Vapor Deposition（PVD） 24工藝原理- RF PVD等離子體的產(chǎn)生：等離子體的產(chǎn)生：在兩極之間不斷振蕩運動的電子將可從高頻電場中獲得足夠的能量并使得氣體分子電離，而由電極過程產(chǎn)生的二次電子對于維持放電的重要性相對下降。常用頻率13.56 MHz；濺射原理濺射原理: : 在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，這導(dǎo)致氣體離子對其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射。(當(dāng)靶處于正半周時，由于電子質(zhì)量比離子質(zhì)量小，故速率高，在很短時間內(nèi)

15、飛向靶面，中和其表面累積的正電荷，并在靶表面迅速累積大量電子，使靶材表面呈負(fù)電位，吸引正離子繼續(xù)轟擊靶表面產(chǎn)生濺射) RFRF PVDPVD 特點：特點：1.高頻電場可以耦合進(jìn)入沉積室，而不再要求電極一定要是導(dǎo)體,適用于金屬和非金屬材料濺射沉積;2. 射頻濺射損傷相比直流濺射小; 3.輻射大;Physical Vapor Deposition（PVD） 原理原理: : 在濺射裝置中的靶材附近加入磁場，受洛倫磁力的影響, 垂直方向分布的磁力線將電子約束在靶材表面附近，延長其在等離子體中的運動軌跡，增加電子運動的路徑，提高電子與氣體分子的碰撞幾率和電離過程。;特點特點: : 1. 所需維持等離子體

16、電壓低; 2. 濺射效率高; 3.不均勻刻蝕,使靶材利用率低; 4. 濺射損傷小;工藝原理-磁控濺射25Physical Vapor Deposition（PVD） 工藝原理- 反應(yīng)濺射DC/RF powerMN “poisoned” layerMetal Target+Ar + N2 gas plasmaArArArArMMWaferM+ N reaction on wafer surfaceProcess：-Reactive gas (N2 /O2) is added to the plasma and poisons the target with a MN compound.-Argo

17、n sputter ejects Ti from the MN film on the target.-Chemically active Metal is then deposited on the substrate. -Nitrogen then reacts with the deposited Metal atoms on the wafer to form MN. -Reactive gas decreases sputter rate。26Physical Vapor Deposition（PVD） Only Ar on, 生長生長Ti；Ar,N2 both on, 可沉積可沉積

18、TiN；根據(jù)毒化程度：可以分為兩種模式（金屬模式和中毒模式）；根據(jù)毒化程度：可以分為兩種模式（金屬模式和中毒模式）；TaN Hysterisis CurveTaN Hysterisis Curve300320340360380400420440N2051015202530354045505560Voltage 1Voltage 2TaN Hysterisis Test (Ar Flow 65 sccm)300350400450500020406080100N2 Flow, sccmTarget DC Voltage, VVoltage (ascending)Voltaget (descendi

19、ng)Metallic modePoison mode27Physical Vapor Deposition（PVD） 工藝原理- RF-DC 濺射28特點特點: : 1. RF射頻用來產(chǎn)生等離子體; 2. DC power 用來調(diào)節(jié)濺射速率.PVD 技術(shù)進(jìn)展技術(shù)進(jìn)展PVD (Physical Vapor Deposition): High deposition rate Good film quality(high purity, low resistivity) Bad step coverage 29Step coverage Collimated Collimated PVD PVDT

20、argetWaferCollimatorOnly Metal which has a “vertical” path gets through the coherent plate.30Physical Vapor Deposition（PVD） 31Physical Vapor Deposition（PVD） SIP: Self Ionized Plasma1.High density plasma； 2.Good bottom/Sidewall coverage 3. Asymmetric sputter；1.High Power; 2.Strong Asymmetric magnet;

21、3.Bias Pedestal 4. Long-through; SIP PVD腔體特征腔體特征:SIP PVD 制程特點制程特點:Physical Vapor Deposition（PVD） IMP Ti (Ionized metal plasma)(Attracts ionized metal atoms to substrate)(Ionizes sputtered targets atoms)Better efficiency ! Low sidewall dep ! Physical Vapor Deposition（PVD） 34薄膜濺射過程薄膜濺射過程薄膜濺射一般有三個步驟：薄膜

22、濺射一般有三個步驟： Step1： Degas ,作用：作用：去除wafer表面水汽，可揮發(fā)物，以及殘留PR； 有多種Degas 模式 Lamp加熱（八寸）； Heater 加熱； Dual Mode Degas； Step2： PreClean 作用：作用：去除wafer表面氧化物，以及殘留PR，polymer； 有多種Pre Clean 模式 Ar+ sputter clean（普通）; H+ chemical PreClean（Cu制程）; Siconi Preclean（Ni Salicide）; Aktiv Preclean（先進(jìn)銅制程） 上面兩步的目的就是為了降低接觸電阻，提高沉積

23、的金屬膜質(zhì)量 Step3： PVD濺射各種薄膜 Physical Vapor Deposition（PVD） 35PVD Process Application： AL interconnect line Metal Gate material( TiAL, TiN, TaN, Ti etc.) Silicide ( Ni, Co, Ti) Contact Hole liner and Barrier ( Ti, TiN) Cu interconnect Barrier/Seed Bond PADPhysical Vapor Deposition（PVD） v Bottom TTN Layer

24、1)Ti:a)Buffer; Ti =TiO+Si (Rs low);2) TiN: 隔開AL : AL+Ti=TiAL3 (Rs )ARCALTINTiARCTIALTINTiTop TTN-Dep : AL+Ti+TiN Rs high& AL+Ti=TiAL3 (AL Rough);2) Ti: a. if no Ti layer:AL+N+= ALN3 b. if has Ti layer: AL+Ti+ N+ =ALTi3+TiN ALTi3(Rs) c. Ti can prevent EM.Physical Vapor Deposition（PVD） 37 Metal Ga

25、te 用金屬柵取代傳統(tǒng)的多晶硅柵Physical Vapor Deposition（PVD） Contact & Via Liner and Barrier 沉積一層阻擋層，TiN由于其良好的阻擋性能和穩(wěn)定性；沉積一層粘附層 Ti，用來降低接觸電阻和增加結(jié)合力； Contact ： IMP Ti + CVD TiN 或 TCL Ti + TCL TiN Via： SIP Ti/ TiN 或 IMP Ti + CVD TiN Physical Vapor Deposition（PVD） 39Silicide ProcessPhysical Vapor Deposition（PVD） 40

26、Cu Barrier/Seed Cu具有比Al更低的電阻率，且具有更好的電遷移性；但Cu沒有一種很好的刻蝕方法，所以不能用常規(guī)濺射的方法；隨著通過大馬士結(jié)構(gòu)和化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)的發(fā)明并與傳統(tǒng)電鍍技術(shù)的結(jié)合，很好的解決了Cu不能刻蝕的問題。Physical Vapor Deposition（PVD） 41xx04xx_xxBondpad ApplicationsPhysical Vapor Deposition（PVD） ECP : (Electrochemical plating)Electrode(cathode: wafer, anode: Cu) and electrolyte( Bath

27、)Anode(copper)= release electron (Oxidation) Cu=Cu(2+) + 2e(-) Cathode(wafer)=obtain electron (Reduction) Cu(2+) +2(e-)=Cu(0)Electrochemical plating （ECP） Plating CellAnnealing ChamberPost Plating Module Plating CellNVLS ECP 機(jī)臺Electrochemical plating （ECP） ECP tool and process - Plating CellBottom-u

28、p Fill Mechanism Diagram Copper annealing has 3 main purposes: Accelerate the recrystallization process Increase CMP rate Improve electromigration resistance decrease copper resistivityCool StationBake StationLift-Rotate ArmECP制程 Anneal200C Anneal 3min 2.0 Resistivity1.75 Nominal CMP Rate+20-30%Slig

29、ht 111 Texture Mostly random1.0 umChemical Vapor Deposition（CVD） CVD 沉積的定義沉積的定義 CVD 沉積的特點沉積的特點 CVD 沉積的分類沉積的分類 CVD 沉積工藝的原理沉積工藝的原理 CVD沉積工藝的應(yīng)用沉積工藝的應(yīng)用Chemical Vapor Deposition（CVD） CVD 沉積的定義沉積的定義化學(xué)氣相沉積（化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, PVD)是通過化學(xué)反應(yīng)的方式， 利用熱能、等離子體放電、光輻射等形式的能量，使氣態(tài)物質(zhì)在固體的表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在該表面上沉積，形成

30、穩(wěn)定的固態(tài)薄膜的過程。 CVD 沉積的特點沉積的特點 a. 反應(yīng)物和副產(chǎn)物為氣體; b. 成膜速度快 c. 淀積膜結(jié)構(gòu)完整、致密，與襯底粘附性好； d. 極佳的臺階覆蓋能力 e. 可以獲得平滑的沉積表面 f. 薄膜的成分精確可控 g. CVD 某些成膜溫度遠(yuǎn)低于體材料的熔點，可得到高純度、結(jié)晶完全的膜層 應(yīng)用：應(yīng)用： 介質(zhì)薄膜 （例如：SiO2、SiNx等） 半導(dǎo)體薄膜 （例如： Si、GaAs、GaN等） 導(dǎo)體薄膜 （例如： W， TiN，TaN）Chemical Vapor Deposition（CVD） u APCVD (Atmospheric Pressure CVD)u SACVD

31、(Sub-atmospheric Pressure CVD)u LPCVD (Low Pressure CVD)u PECVD (Plasma Enhanced CVD)u HDP-CVD (High Density Plasma CVD)u MOCVD (Metal-organic CVD)u ALD ( Atom layer Deposition)u EPI (Epitaxy) CVD 的分類的分類Chemical Vapor Deposition（CVD） CVD 制程的工藝步驟制程的工藝步驟1. Transport of reacting gaseous species to the

32、substrate surface2. The reactants are adsorbed on the substrate.3. The adatoms undergo migration and film-forming chemical reactions.4. Desorption of gaseous reaction by-products5.Transport of reaction by-products away from the substrate surfaceChemical Vapor Deposition（CVD） 1.Heterogeneous Reaction

33、 (多相反應(yīng)多相反應(yīng))Reaction occurs on heated surfaceHigher quality of filmTypes of NucleationTypes of Nucleation2.Homogenous Reaction(單相單相反應(yīng)反應(yīng))Gas Phase Reaction (Clusters)Poor AdhesionLower DensityDecreased Deposition RateParticle GenerationReaction TypeReaction TypeMass transport Limited(質(zhì)量傳輸控制) Higher te

34、mperature/High PressureSurface Reaction Rate Limited(表面控制/化學(xué)動力學(xué)控制) Lower temperature/Low Pressure 反應(yīng)熱為吸熱很大時,低溫時反應(yīng)熱力學(xué)也有影響;Reaction thermodynamic Limited 進(jìn)氣控制/熱力學(xué)控制 反應(yīng)熱為放熱時,高溫時反應(yīng)熱力學(xué)也有影響; Chemical Vapor Deposition（CVD） 指在大氣壓下進(jìn)行的一種化學(xué)氣相淀積的方法，這是化學(xué)氣相淀積最初所采用的方法。APCVD (Atmospheric Pressure CVD)u APCVD的缺點：的缺點

35、： 1硅片水平放置，量產(chǎn)受限，易污染; 2反應(yīng)速度受反應(yīng)室尺寸、氣體流速、硅片位置等多種因素影響; 3均勻性不太好， 質(zhì)地較為松散,所APCVD一般用在厚的介質(zhì)淀積;u APCVD的優(yōu)點的優(yōu)點: 具有高沉積速率； 在集成電路制程中應(yīng)用比較少, APCVD 制程主要用來在淀積二氧化硅和參硼磷的二氧化硅，應(yīng)用于生長保護(hù)鈍化層。u APCVD的應(yīng)用的應(yīng)用:SiH4 + O2 - SiO2 + 2H2（760Torr，430左右）Si(OC2 H5)4+O3SiO2 +副產(chǎn)物（760Torr，510左右）Chemical Vapor Deposition（CVD） SACVD (Sub-Atmosph

36、eric Pressure CVD)，顧名思義就是次常壓化學(xué)汽相沉積。在此基礎(chǔ)上又開發(fā)出了HARP工藝，采用經(jīng)過優(yōu)化的SACVD工藝, 在STI工藝中采用了三步沉積法，與HDP相比,它的填充能力更強(qiáng),并且不存在等離子體損傷。SACVD (Sub-Atmospheric Pressure CVD)u SACVD的應(yīng)用的應(yīng)用: STI , Spacer OX,SAB OX,ILD IMD Gap-Fillu TEOS 和臭氧和臭氧反應(yīng)：反應(yīng)： Si(OC2 H5)4+O3SiO2 +副產(chǎn)物（400600Torr，510左右）u SACVD的特點：的特點：優(yōu)良的臺階覆蓋性和間隙填充 No Plasm

37、a damage HARP STI 工藝工藝Chemical Vapor Deposition（CVD） 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)是指在高頻等離子體驅(qū)動的的情況下，反應(yīng)氣體從等離子體中獲得激活能，激活并增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)，從而實現(xiàn)化學(xué)氣象淀積。u PECVD工藝特點工藝特點： PECVD (Plasma Enhanced CVD)u PECVD的應(yīng)用的應(yīng)用: Spacer, ILD, IMD,Passivation ,. 1. 低的工藝溫度(250 450)，高的沉積速率；2. 射頻RF可以控制淀積薄膜的應(yīng)力；3. 反應(yīng)室可用Plasma清洗；4. Plasma的離子轟擊能夠去除表面雜

38、質(zhì)，增強(qiáng)黏附性；5. 對高的深寬比間隙有好的填充能力；工藝壓力 10010000 mTorr；6. 沉積各種薄膜： SiO2, SRO,PSG, BPSG, Nitride, Oxynitride, a-Si , 7. 少的針孔和空洞，因為有高的膜密度；8. 工藝溫度低，應(yīng)用范圍廣。u缺點缺點： 設(shè)備成本高； 對氣體純度要求高； 化學(xué)配比差； Chemical Vapor Deposition（CVD） PECVD 中的化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)反應(yīng)56uPECVD SiO2: SiH4 + 2N2O SiO2 + 2H2 + 2N2 400 , Dopant Source: PH3, B2F6 TEO

39、S + O2 SiO2 + “others” 400 , Dopant Source : TMP, TMB uPECVD Nitride: SiH4+N2(Carrier gas)+NH3 SixNyHz + H2 400 ,uPECVD SiON SiH4 + N2O+ NH3 SiOxNyHz + “others” 400 SiH4+N2O+He SiOxNy(Hz) + other volatiles 400 uPECVD a-Si: SiH4 Si + 2H2 PEOX (TEOS) PEOX (SiH4)Chemical Vapor Deposition（CVD） HDP CVD是指

40、等離子體在低壓下以高密度混合氣體的形式直接接觸到反應(yīng)腔中硅片的表面, 在同一個反應(yīng)腔中同步地進(jìn)行化學(xué)氣象淀積和刻蝕的工藝。u HDPCVD工藝特點工藝特點：HDP CVD (High Density Plasma CVD)u HDP CVD的應(yīng)用的應(yīng)用: STI, ILD, IMD,. 1. Plasma Density高 : 101112 /cm3 (PECVD: 10810 /cm3 ) ；2. In-situ deposition and sputtering（Ar or O2）3. Low SiH and SiOH concentration ；4. Lower pressure (0

41、.550 mTorr) ；5. Excellent gap fill properties ；6. Films denser than PECVD；7. Lower deposition rate ；PECVDHDPCVDChemical Vapor Deposition（CVD） SiH4 (g) +O2 (g) SiO2(s)+H2(g) Material: TDMAT Ti N(CH3)24MOCVD：TiNChemical Vapor Deposition（CVD） uReaction during WCVDuReaction during clean NF3 N2+xF2+YF W

42、+ xF2 +yF WFx Substrate attack: WF6 + Ti TiFx + W Si + WF6 W(s) + SiFx WCVD Basic ReactionChemical Vapor Deposition（CVD） 低壓化學(xué)氣相淀積LPCVD (Low Pressure CVD)是指系統(tǒng)工作在較低的壓強(qiáng)下(一般在100Pa以下)的一種化學(xué)氣相淀積的方法。LPCVD (Low Pressure CVD)u LPCVD的應(yīng)用的應(yīng)用:Spacer OX, Spacer SiN, PAD SiN, Poly Gate1. 好的臺階覆蓋和均勻性 2. 具有優(yōu)異的薄膜均勻度3.

43、較佳的階梯覆蓋能力 4. 薄膜具有較優(yōu)良的性質(zhì)（高純度，致密） 溫度較高，大部分高于660 ，限制了在后段使用； 沉積薄膜速率慢,一般都用爐管沉積。uLPCVD的優(yōu)點：的優(yōu)點：uLPCVD的缺點：的缺點：Chemical Vapor Deposition（CVD） LPCVD 中的化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)反應(yīng)61uLPCVD SiO2: LTO SiH4 (g) +O2 (g) SiO2(s)+H2(g) 300400 臺階覆蓋和顆粒的差，很少用 HTO SiH2Cl2 (g) +2N2O (g) SiO2(s)+ N2 (g) +2HCl (g) 720900 0.18 Torr LPTEOS Si

44、(OC2H5)4(g) SiO2（s）+H2O(g)+C2H4 (g) 600-730 0.10.2 TorruLPCVD Nitride: 3SiH4(g)+4NH3(g) Si3N4(s) + 12H2(g) 均勻性較差，很少用 SiH2Cl2(g)+NH3(g) Si3N4(s)+3HCl(g) + 6H2(g) 650800 0.2 Torr uLPCVD Si: SiH4 Si(amorphous) + 2H2 550; 0.085 Torr SiH4 Si(poly) + 2H2 600; 0.10.2 TorrSiH4 Si(Dope-poly) + 2H2 530oC, 540

45、oC; 1 Torr, 0.375 Torr PH3Chemical Vapor Deposition（CVD） IC行業(yè)所用的爐管目前主要是立式的,臥式的已經(jīng)不是主流.占地面積小，微粒污染較低，能夠處理大量的晶圓，均勻性較佳，維修成本較低 爐管種類爐管種類: :臥式臥式立式立式LPCVD 制程主要用在制程主要用在LP爐管，下面介紹的熱氧化主要用在爐管，下面介紹的熱氧化主要用在AP爐管。爐管。Chemical Vapor Deposition（CVD） Thermal Oxidation Process（熱氧化工藝）（熱氧化工藝）熱氧化工藝的定義熱氧化工藝的定義熱氧化工藝的特點熱氧化工藝的特點

46、熱氧化工藝的分類熱氧化工藝的分類熱氧化工藝的原理熱氧化工藝的原理熱氧化工藝的應(yīng)用熱氧化工藝的應(yīng)用Thermal Oxidation 熱氧化工藝的定義熱氧化工藝的定義 熱氧化法是在高溫下（750-1200）使置于含氧氣環(huán)境的硅片表面形成二氧化硅膜的方法。熱氧化的目的是在硅片上制作出一定質(zhì)量要求的二氧化硅膜，對硅片或器件起保護(hù)、鈍化、絕緣、緩沖介質(zhì)等作用。硅片氧化前的清洗、熱氧化的環(huán)境及過程是制備高質(zhì)量二氧化硅膜的重要環(huán)節(jié)。 熱氧化工藝的特點熱氧化工藝的特點 a. 靠氧化劑的擴(kuò)散成膜； b. 氧化膜質(zhì)量最好； c. 氧化速率慢; d.消耗襯底的Si材料。生長生長1um的的SiO2薄膜薄膜,約消耗約

47、消耗0.44um的沉底的沉底Si 應(yīng)用：應(yīng)用： Zero-OX，PAD-OX， Field-OX，Sac-OX，Gate-OXThermal Oxidation 熱氧化工藝的分類熱氧化工藝的分類u 干氧氧化（Dry Oxide）u 水汽氧化u 濕氧氧化 （Wet Oxide）u 摻氯氧化u 原位水汽生成氧化（ISSG）常壓爐管低壓快速氧化熱退火技術(shù)Thermal Oxidation 干氧氧化干氧氧化u化學(xué)反應(yīng)式：Si+O2 SiO2 (Temp: 7001200oC) 干氧化制作的SiO2結(jié)構(gòu)致密，均勻性、重復(fù)性好，掩蔽能力強(qiáng)，對光刻膠的粘附性較好，但生長速率較慢；一般用于高質(zhì)量的氧化，如柵氧

48、等；厚層氧化時用作起始和終止氧化；薄層緩沖氧化也使用此法。 水汽氧化水汽氧化u化學(xué)反應(yīng)式：2H2O+Si SiO2+2H2 水汽氧化生長速率快，但結(jié)構(gòu)疏松，掩蔽能力差，有較多缺陷。對光刻膠的粘附性較差，Thermal Oxidation 濕氧氧化濕氧氧化u化學(xué)反應(yīng)式： Si + 2H2O SiO2 + 2H2 Si+O2 SiO2 濕氧氧化反應(yīng)氣體中包括O2 和H2O ，實際上是兩種氧化的結(jié)合使用,在今天的工藝中H2O的形成通常是由H2和O2的反應(yīng)得到。在高溫時，H2O 解離為H+和H-O-，與O2相比，H-O-在SiO2中擴(kuò)散更快, 濕法氧化的生長速率比干法快得多 ,因此在厚層氧化中得到了較

49、為廣泛的應(yīng)用，如場氧化等。 摻氯氧化摻氯氧化 氧化氣體中摻入HCL或DCE（C2H2Cl2）后，氧化速率及氧化層質(zhì)量都有提高。原因，其一：摻氯氧化時反應(yīng)產(chǎn)物有H2O，加速氧化；其二：氯積累在Si-SiO2界面附近，氯起催化劑的作用，在有氧的情況下易轉(zhuǎn)變成SiO2，同時能消除鈉離子的沾污，提高器件的電性能和可靠性。此次能減少SiO2中的缺陷，降低SiO2中的固定電荷和界面態(tài)密度。Thermal Oxidation ISSG (In-Situ Steam Generation) 原位水汽生成氧化原位水汽生成氧化u化學(xué)反應(yīng)式： H2 + O2 2OH H2 + OH H2O + H O2 + H OH + O H2 + O OH + H 該工藝中低含量的氫氣對提高氧化速