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CVD工艺原理

admin 人造钻石 2020年11月10日

  CVD工艺原理_机械/仪表_工程科技_专业资料。Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 第一章 ,薄膜工艺原理介绍 在超大规模集成电路(ULSI)技术中,有很多沉积薄膜的方法,一般而言这些方法可以分类为

  Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 第一章 ,薄膜工艺原理介绍 在超大规模集成电路(ULSI)技术中,有很多沉积薄膜的方法,一般而言这些方法可以分类为两个不同的反应机构:化学气 相沉积(Chemical vapor deposition,CVD) 和物理气相沉积(Physical vapor deposition,PVD),在此我们仅对化学气相沉积 进行介绍。 化学气相沉积法(CVD) 化学气相沉积法定义为化学气相反应物,经由化学反应,在基板表面形成一非挥发性的固态薄膜。这是最常在半导体制程中使 用的技术。通常化学气相沉积法包含有下列五个步骤: 1. 反应物传输到基板表面 2. 吸附或化学吸附到基板表面 3. 经基板表面催化起异质间的化学反应 4. 气相生成物脱离基板表面 5. 生成物传输离开基板表面 在实际的应用中,化学反应后所生成的固态材料不仅在基板表面(或非常靠近)发生(即所謂的异质间反应),也会在气相中 反应(即所谓的同质反应)。而异质间反应,是我们所想要的,因为这样的反应只会选择性在有加热的基板上发生,而且能生成 品质好的薄膜。相反的,同质反应就不是我们想要的,因为他们会形成欲沉积物质的气相颗粒,造成很差的粘附性及拥有很多 的缺陷,且密度低的薄膜。此外,如此的反应将会消耗掉很多的反应物而导致沉积速率的下降。因此在化学气相沉积法的应用 中,一项很重要的因素是异质间反应远比同质反应易于发生。 最常用的化学气相沉积法有常压化学气相沉积法(Atmospheric-pressure CVD, APCVD)、 低压化学气相沉积法(Low-pressure CVD,LPCVD)和等离子增强化学气相沉积法(Plasma-enhanced CVD,PECVD),而这三种化学气相沉积法的均有各自的优、缺点及 应用的地方。低压化学气相沉积法拥有很均匀的阶梯覆盖性、很好的組成成份和结构的控制、很高的沉积速率及输出量、及很 低的制程成本。再者低压化学气相沉积法並不需要载子气体,因此大大降低了颗粒污染源。因此低压化学气相沉积法被广泛地 应用在高附加价值的半导体产业中,用以作薄膜的沉积。 在硅的成长过程中,使用低压的目的在于減小自掺杂(来自基板本身的杂质)的效应,而这正是常压化学气相成长的最主要问题。 在未来元件尺寸愈作愈小的情況下,制程温度必需降低,而低压化学气相沉积法的最严重问题是他的制程温度稍高,而等离子 增强化学气相沉积法即是一种合适的方法,可以解決这个问题。 化学气相沉积法的反应器的设计和操作,会因不同的要求而不同,因此这些反应器可以不同的方式分类。一种分类法是依 对晶片加热的方式来区別,另一种是依反应腔体內的压力来分类(常压或是低压)。对晶片的加热方式可分成以下四类: 1. 热阻丝加热方式 2. 射频(RF)感应加热方式 3. 等离子增强(Plasma)加热方式 4. 光能加热方式 所加的能量可能转换至反应气体本身或是基板上。当使用反应腔体热阻丝线圈加热方式時,除了晶片本身外,反应腔体的炉壁 也会被加热,因此如此的设计称作“热壁反应器”(hot-wall reactors)。在这种系统中所蒸镀的薄膜,除了会在基板上,也会 在炉壁上生成。这意味著如此的设计,必须經常清洗炉管,以避免微尘粒污染。 另一方面,藉由射频感应或在反应器內裝紅外 线、紫外线加热灯管来引入热源,将只会对晶片和晶片的载具加热,而不会对反应腔的炉壁加热,如此的设计称作“冷壁反应 器”(cold-wall reactors), 然而, 在一些的冷壁反应器的系统中, 还是会发生炉壁被加热的情形, 所以就必须藉著冷却炉壁(通 入冷却循环水)的方式来降低或避免在炉壁上反应或沉积薄膜。反应炉管的几何形状由反应压力和热源供应方式严格限制著,而 且这是影响输出量(throughput)的一个重要因素。因为常压反应器的操作在“物质传输限制”(mass-transport-limit)区域, 因此它的腔体设计必须使每一片晶片表面有相等的流量。所以晶片绝不会以垂直且彼此非常靠近的方式来摆置,而宁可采取平 躺水平的方式来摆置,但是此种设计有一非常严重的问题,即易被掉落的微尘粒污染。而低压化学气相沉积法的炉管设计不会 受到在“物质传输限制”区域內反应的限制,因此它的几何形状可设计成使每批的晶片数达到最大值,晶片可以一片接著一片 垂直摆置,片与片之间的距离可以只有几毫米(mm),因此几个石英制的晶片载舟,加起来可放超过 200 片的晶片,因为低压化 学气相沉积法是操作在“表面反应限制”(surface-reaction-limited)区域,因此它的反应器设计必须有很好的沉积温度控制, 它的加热器是采用三区热阻丝的炉子(3-zone resistance-heated furnace),此种加热器能提供一稳定且均匀的加热源。在集 成电路高产量的需求下,在同一个制程中,每批所能生产的晶片数愈多愈好。因此就会有如图 8-13 所示的热壁、低压化学气相 沉积的反应器被制造出来。在这个反应器中,晶片是被摆置与反应气体之气体流垂直方向的圆形横截面石英炉管中,气体被限 制在晶片与反应腔炉壁的环状空间中流动而且靠层流的方式到达晶片表面。一般在反应腔內的成长压力为 0.1 到 5.0 托耳,反 应的温度从 300℃至 900℃,而气体的流量范围从每分鐘 10 到 1000 标准立方公分(standard cm3/min, sccm)。 1 Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 常压化学气相沉积(APCVD)的反应器是第一个被微电子工业所使用的設备,常压下的化学气相沉积反应器很容易设计,並拥 有很快的反应速率,但是它对气相反应(gas-phase reaction)很敏感,而且它所反应生成的薄膜有很差的阶梯覆盖性(step coverage),又因为常压反应器是操作在“物质传输限制”区域,所以反应物流必须很均匀的传送至所有基板的每一部份 典型等离子增强化学气相沉积系统(PECVD),不像前面所提的常压或低压化学气相沉积系统必须靠唯一的热能来维持反应 的继续进行,它是靠射频感应所产生的灼热放电,並且把能量转换到反应气体上,所以它的基板温度比常压或低压化学气相沉 积法来得低许多,低温沉积是等离子增强化学气相沉积法最主要的优点。事实上,等离子增强化学气相沉积法提供了一种在基 板上镀膜的方法,而且没有在镀膜時热稳定性的问题。此外,等离子增强化学气相沉积法能增进镀膜的速率,比只使用靠热反 应来得更快,而且能提供唯一成份及特性的薄膜,但是生产量、生产力的限制(特別是大尺寸的晶片)、及因松散的粘附性所造 成的微尘物污染仍旧是最大的问题。 接下来我们将探讨等离子增强化学气相沉积的方法,首先藉由引入射频场(RF-field)进入 低压的气体中,在放电区域产生自由电子,于是形成了离子。电子即从电场中获得能量,当帶有能量的电子和气体分子碰撞后, 反应的气体如硅烷(SiH4)、笑气(N2O)、氧气、氮气等就会分解,並且离子化,这些充满能量的反应物就会彼此在基板表面吸附。 这些激发的原子团,在被吸收后有很高的黏附系数,而且也很容易在基板表面上迁移,这两个因素使得镀出来的薄膜有很好的 一致性。这些被吸附到基板表面的激发原子团受到离子、电子的撞击,重新排列,並且和其他被吸附的反应物反应,形成新的 键结,于是薄膜因而生成。原子的重新排列包括了被吸附原子的扩散到稳定的位置上去並且把反应后的副产物(废物)脱离基板 表面,而这脱离的速率由基板的温度決定,基板的温度愈高,所镀上的藉膜拥有愈少的副产物(这些副产物在薄膜里面将造成缺 陷)。另外要注意的是要避免同质的气相成核反应(homogeneous gas-phase nucleation),因为这将造成微尘物的污染。 另外一种沉积薄膜的方式是光激发化学气相沉积法(Photo-induced Chemical Vapor Deposition, PHCVD or photo CVD), 此种方法能满足需要极低温沉积薄膜的制程,而且没有等离子增强化学气相沉积法在低温沉积時所引发的问题,光激发化学气 相沉积法使用高能量、高密度的光子来加热基板表面,或分解並激发气化的反应物。在基板表面被加热的情況下,光子对反应 物不起作用,亦即光子能量对气相反应,完全不会发生。另一方面, 在反应气被激发的情況下,光子能量,可以有效地转换到 反应气体分子本身或转换到中介物质,如水银蒸气。这个技术,可使沉积薄膜在极低的温度下进行,如室温。不像等离子增强 化学气相沉积法沉积出的薄膜,利用光激发化学气相沉积法所沉积出的薄膜,拥有很低的缺陷密度,另外它也有好的阶梯覆盖 性。但是它也必会受到低温沉积薄膜所帶来的低密度及分子污染的困扰。 物理气相沉积(PVD)技术 物理气相沉积是通过蒸发,电离或溅射等过程,产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面。物 理气象沉积方法有真空镀,真空溅射和离子镀三种 第一节 概述 物理气相沉积技术早在 20 世纪初已有些应用,但在最近 30 年迅速发展,成为一门极具广阔应用前景的新技术。 , 并向着环保型、清洁型趋势发展。20 世纪 90 年代初至今,在钟表行业,尤其是高档手表金属外观件的表面处理方面 达到越来越为广泛的应用。 物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)技术表示在真空条件下,采用物理方法,将材料源 ——固体或 液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体 (或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特 殊功能的薄 膜的技 术。 物 理气相沉积 的主要 方法有, 真空蒸镀、 溅射镀 膜、电弧 等离子体镀 、离子 镀膜,及 分子束 外延等。发展到目前,物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜 等。 真空蒸镀基本原理是在真空条件下,使金属、金属合金或化合物蒸发,然后沉积在基体表面上,蒸发的方法常用 电阻加热,高频感应加热,电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料,使蒸发成气相,然后沉积在基体表面,历史上, 真空蒸镀是 PVD 法中使用最早的技术。 溅 射镀膜 基本 原理 是充 氩 (Ar)气的真空 条件下 ,使 氩气进 行辉光 放电 ,这 时氩 (Ar)原子电离成 氩离子 (Ar+),氩 离子在电场力的作用下,加速轰击以镀料制作的阴极靶材,靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。如果采用直流辉光 放电,称直流(Qc)溅射,射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。 电弧等离子体 镀膜基本原理是在真空条件下,用引弧针引弧,使真空金壁 (阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电,阴极表面快速移 动着多个阴极弧斑,不断迅速蒸发甚至 “异华”镀料,使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体,并能迅速将镀 料沉积于基体。因为有多弧斑,所以也称多弧蒸发离化过程。 离子镀基本原理是在真空条件下,采用某种等离子体电离技术,使镀料原子部分电离成离子,同时产生许多高能 2 Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 量的中性原子,在被镀基体上加负偏压。这样在深度负偏压的作用下,离子沉积于基体表面形成薄膜。 物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤: (1)镀料的气化:即使镀料蒸发,异华或被溅射,也 就是通过镀料的气化源。 (2)镀料原子、分子或离子的迁移:由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后,产生多种反应。 (3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积。 物理气相沉积技术工艺过程简单,对环境改善,无污染,耗材少,成膜均匀致密,与基体的结合力强。该技术广 泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域,可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、 绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。 随着高科技及新兴工业发展, 物理气相沉积技术出现了不少新的先进的亮点, 如多弧离子镀与 磁控溅射兼容技术, 大型矩形长弧靶和溅射靶,非平衡磁控溅射靶,孪生靶技术,带状泡沫多弧沉积卷绕镀层技术,条状纤维织物卷绕镀 层技术等,使用的镀层成套设备,向计算机全自动,大型化工业规模方向发展。 第二节 真空蒸镀 (一)线) 真空蒸镀是在真空条件下,将镀料加热并蒸发,使大量的原子、分子气化并离开液体镀料或离开固体镀料表 面(升华)。 (2)气态的原子、分子在真空中经过很少的碰撞迁移到基体。 (3)镀料原子、分子沉积在基体表面形成薄膜。 (二)蒸发源 将镀料加热到蒸发温度并使之气化,这种加热装置称为蒸发源。最常用的蒸发源是电阻蒸发源和电子束蒸发源, 特殊用途的蒸发源有高频感应加热、电弧加热、辐射加热、激光加热蒸发源等。 (三)真空蒸镀工艺实例 以塑料金属化为例,真空蒸镀工艺包括:镀前处理、镀膜及后处理。 真空蒸镀的基本工艺过程如下: (1)镀前处理 ,包 括清 洗镀件和 预处 理。具 体清洗 方法有清 洗剂 清洗、 化学溶 剂清洗、 超声 波清洗 和离子 轰击清 洗等。具体预处理有除静电,涂底漆等。 (2)装炉,包括真空室清理及镀件挂具的清洗,蒸发源安装、调试、镀件褂卡 。 (3)抽线Pa 以上,更早打开扩散泵的前级维持真空泵,加热扩散泵,待预热足够后,打开 高阀,用扩散泵抽至 6×10-3Pa 半底线)烘烤,将镀件烘烤加热到所需温度。 (5)离子轰击,线kV 负高压,离击时间为 5min~30min, (6)预熔,调整电流使镀料预熔,调整电流使镀料预熔,除气 1min~2min。 (7)蒸发沉积,根据要求调整蒸发电流,直到所需沉积时间结束。 (8)冷却,镀件在真空室内冷却到一定温度。 (9)出炉, .取件后,关闭真空室,抽线Pa,扩散泵冷却到允许温度,才可关闭维持泵和冷却水。 (10)后处理,涂面漆。 第三节 溅射镀膜 溅射镀膜是指在真空条件下,利用获得功能的粒子轰击靶材料表面,使靶材表面原子获得足够的能量而逃逸的过 程称为溅射 。被溅 射的靶材 沉积到基材 表面, 就称作溅 射镀膜。 溅 射镀膜中 的入 射离子,一 般采用 辉光放电 获得, 在 l0-2Pa~10Pa 范围,所以溅射出来的粒子在飞向基体过程中,易和真空室中的气体分子发生碰撞,使运动方 向随 3 Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 机,沉积的膜易于均匀。近年发展起来的规模性磁控溅射镀膜,沉积速率较高,工艺重复性好,便于自动化,已适当 于进行大型建筑装饰镀膜,及工业材料的功能性镀膜,及 TGN-JR 型用多弧或磁控溅射在卷材的泡沫塑料及纤维织物 表面镀镍 Ni 及银 Ag。 第四节 电弧蒸发和电弧等离子体镀膜 这里指的是 PVD 领域通常采用的冷阴极电弧蒸发,以固体镀料作为阴极,采用水冷、使冷阴极表面形成许多亮斑, 即阴极弧斑。弧斑就是电弧在阴极附近的弧根。在极小空间的电流密度极高,弧斑尺寸极小,估计约为 1μ m~100μ m, 电流密度高达 l05A/cm2~107A/cm2。每个弧斑存在极短时间,爆发性地蒸发离化阴极改正点处的镀料,蒸发离化后 的金属离子 ,在阴 极表面也 会产生新的 弧斑, 许多弧斑 不断产生和 消失, 所以又称 多弧蒸发。 最早设计 的等 离子体 加速器型多弧蒸发离化源,是在阴极背后配置磁场,使蒸发后的离子获得霍尔 (hall)加速效应,有利于离子增大能量 轰击量体, 采用这 种电弧蒸 发离化源镀 膜,离 化率较高 ,所以又称 为电弧 等离子体 镀膜。 由于 镀料的蒸 发离 化靠电 弧,所以属于区别于第二节,第三节所述的蒸发手段。 第五节 离子镀 离子镀技术最早在 1963 年由 D.M.Mattox 提出,1972 年,Bunshah &Juntz 推出活性反应蒸发离子镀(AREIP), 沉积 TiN,TiC 等超硬膜,1972 年 Moley&Smith 发展完善了空心热阴极离子镀, l973 年又发展出射频离子镀(RFIP)。 20 世纪 80 年代,又发展出磁控溅射离子镀(MSIP)和多弧离子镀(MAIP)。 (一) 离子镀 离子镀的基本特点是采用某种方法(如电子束蒸发磁控溅射,或多弧蒸发离化等 )使中性粒子电离成离子和电子, 在基体上必 须施加 负偏压, 从而使离子 对基体 产生轰击 ,适当降低 负偏压 后,使离 子进而沉积 于基体 成膜。 离子镀 的优点如下:①膜层和基体结合力强。②膜层均匀,致密。③在负偏压作用下绕镀性好。④无污染。⑤多种基体材料 均适合于离子镀。 (二)反应性离子镀 如果采用电子束蒸发源蒸发,在坩埚上方加 20V~100V 的正偏压。在真空室中导人反应性气体。如 N2、02、C2H2、 CH4 等代替 Ar,或混入 Ar,电子束中的高能电子(几千至几万电子伏特),不仅使镀料熔化蒸发,而且能在熔化的镀料 表面激励出二次电子,这些二次电子在上方正偏压作用下加速,与镀料蒸发中性粒子发生碰撞而电离成离子,在 工件 表面发生离化反应,从而获得氧化物 (如 Te02:Si02、Al203、Zn0、Sn02、Cr203、Zr02、In02 等)。其特点是沉积率 高,工艺温度低。 (三)多弧离子镀 多弧离子镀又称作电弧离子镀,由于在阴极上有多个弧斑持续呈现,故称作 “多弧”。多弧离子镀的主要特点如 下: (1)阴极电弧蒸发离化源可从固体阴极直接产生等离子体,而不产生熔池,所以可以任意方位布置,也可采用多 个蒸发离化源。 (2)镀料的离化率高,一般达 60%~90%,显著提高与基体的结合力改善膜层的性能。 (3)沉积速率 高,改善镀膜的效率。 (4)设备结构简单,弧电源工作在低电压大电流工况,工作较为安全。 英文指phisical vapor deposition 简称 PVD.是镀膜行业常用的术语. PVD(物理气相沉积)镀膜技术主要分为三类,真空蒸发镀膜、真空溅射镀和真空离子镀膜。对应于 PVD 技术的三 个分类,相应的真空镀膜设备也就有真空蒸发镀膜机、真空溅射镀膜机和真空离子镀膜机这三种。 近十多年来,真空离子镀膜技术的发展是最快的,它已经成为当今最先进的 表面处理方式之一。我们通常所说的 PVD 镀膜 ,指的就是真空离子镀膜;通常所说的 PVD 镀膜机,指的也就是线 Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 第二章 基础知识及应用 CVD 介质膜的性质 一、 CVD SiO2 (1) CVD SiO2 膜的折射率(n=1.43~1.46) 、密度(ρ =2.05~2.20g/cm3) )都低于热 SiO2 膜。 (2) CVD SiO2 膜的 WER 远远高于热 SiO2,近 10 倍。 (3) CVD SiO2 膜不经致密处理,其膜特性(击穿,漏电,等)较差。 (4) CVD SiO2 主要被用于: (a) 做场氧(Field oxide) 。 (b) 用作杂质阻挡层。 (c) 用作杂质源的上掩盖层,防止杂质溢出。 (d) 用作金属间的介质层。 二、 PSG: (1) PSG 的主要优点: (a) PSG 比 USG 有更好的抗划伤能力。 (b) PSG 能够吸附可能损坏管芯的 Na 杂质。 (c) PSG 有比 USG 更低的压应力。 (d) 磷杂质的加入将降低 SiO2 膜的熔点(回流)温度。 (2) 加磷(PSG)存在的问题: (a) 增加了 AL 侵蚀的风险。 (b) 磷扩散到圆片的其它区域。 (c) 比 USG 更糟的淀积均匀性。 (d) 比 USG 的台阶覆盖能力略差。 (e) 比 USG 有更高的腐蚀速率(WER、DER) 。 (3) 磷含量被控制在 8wt%以下,在 P5000 上,典型值为 2--6wt%。 (a) 用作钝化层及层间绝缘的 PSG,磷含量不应超过 8%,最佳含量为 4%。含磷量过高, (1)PSG 会发生极化,引起表面漏 电, 影响器件的稳定性; (2) 磷与水汽反应生成偏磷酸, 腐蚀 AL; (3) 加速器件失效; 膜的黏附性变坏, 易脱胶, ??。 (b) 含磷量过低, (1)会降低 PSG 对 Na+的提取、固定和阻挡作用; (2)PSG 的的本征张应力大,热处理时易龟裂,??。 三、 BPSG: BPSG 膜内加入硼,更有利降低 BPSG 的熔点(回流温度) 。 BPSG 膜中, 的掺入能降低回流温度, 能起到抗碱离子的作用。 B P 通常 BPSG 膜中, P 含量约为 4%, B、 回流温度在 800^950℃, 比 PSG 膜的低 150^300℃。P 含量的降低对减轻 AL 腐蚀,改善台阶陡度有易。 四、 SiN (1) 常规 SiN(SiH4、N2、NH3) : (a) 主要用于钝化。 (b) 氢的含量在 20—25%。 (c) 氢加速器件的老化、开启电压漂移。 (d) 紫外光(UV)不能透过。 (2) 低氢 SiN(no NH3) : (a) 氢含量在 8—10%。 (b) 提高器件寿命。 (c) 紫外光可透过。 (d) 淀积速率低。 (e) 台阶覆盖差。 (3) 低 Si-H 的 SiN: (a) 氢含量在 10—15%。 (b) 紫外光(UV)能透过.。 (c) 器件抗老化能力强。 淀积速率及台阶覆盖没有普通 SiN 好。 CVD 的基本特征 一、 CVD 工艺的主要参数: (1) 衬底温度:主要影响 CVD 膜的密度、应力、淀积速率、折射率、腐蚀速率等。 (2) 气压(各工艺气体的分压):主要影响 CVD 膜的均匀性、折射率等。 (3) 功率:主要影响 CVD 膜的应力、折射率等。 (4) 流量:主要影响 CVD 膜的膜厚、均匀性等。 5 Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 二、 CVD 膜的主要参数: (1) 淀积速率:单位时间内,所淀积的 CVD 膜厚(A/Min) 。 (2) 台阶覆盖: (a) Sidewall step coverage (b) Bottom step coverage (c) Conformality(相似、保角性) (3) 应力(张应力+/压应力-) : (a) external stresses (b) thermal stress (c) intrinsic stress(thickness, dep rate, dep temperature, impurities, porosity etc) (4) 密度(g/cm3) :单位体积 CVD 膜的质量,其主要取决于膜的组分及结构的致密性。 (5) 折射率:n=speed of light in a vacuum/speed of light in the film Material Refractive Index SiO2 1.46 Si3N4 2.01 Silicon 3.42 Poly 4.1 SOG 211 1.39 折射率直接依赖于膜密度。 (6) 腐蚀速率:单位时间内,腐蚀掉 CVD 膜的厚度(A/Min) 。S CVD 各种薄膜比较 6 Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 CVD 注意事项: 一、 CVD 膜的增密: CVD 膜结构疏松、密度较低,膜的其它性质均受其低密度影响。在较高温度下,经过一定时间的热处理,可使 CVD 膜增密,使 CVD 膜的密度及其它性质达到或接近体材料的指标。 增密影响最显著的是化学腐蚀速率(增密后的腐蚀速率一般降低到刚淀积膜的 1/5)(2)增密后膜的损耗角、介电 。 击穿强度、表面电阻等介电性质也有很大提高。 (3)增密释放了键合应力和机械应力,堵塞了空洞及针孔,降低了透水性, 提高了膜的密度及抗腐蚀性。 二、 回流: 为了使 CVD 膜有缓平而均匀的台阶覆盖, 常对 PMD 膜进行回流处理。 过高的回流温度会产生杂质再扩散和硅片变 形等不利的影响。 BPSG 膜中,B 的掺入能降低回流温度,P 能起到抗碱离子的作用。通常 BPSG 膜中,B、P 含量约为 4%,回流温度在 800^950℃,比 PSG 膜的低 150^300℃。P 含量的降低对减轻 AL 腐蚀,改善台阶陡度有益。 PMD(BPTEOS)工艺完成后,需在短时间内进行回流,若间隔时间过长,含 B、P 较高浓度的 BPTEOS 表面吸杂、吸 潮,严重影响回流效果。 2.1 LPCVD(低压 CVD) 一 LPCVD 工艺简介 ? LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition ) :低压气相淀积,是在 27-270Pa 的反应压力下进行 的化学气相淀积。它的特点是:膜的质量和均匀性好,产量高,成本低,易于实现自动化。 ? 一般工艺流程:装片——进舟——对反应室抽真空——检查设备是否正常——充 N2 吹扫并升温——再抽真 空——保持压力稳定后开始淀积——关闭所有工艺气体,重新抽线 到常压——出炉。 二、低压化学气相淀积 Si3N4 LP Si3N4 在工艺中主要作为局部氧化的掩蔽膜, 电容的介质膜等。CMOS 工艺最常用的隔离技术就是 LOCOS(硅的选择氧 化) ,它以氮化硅为掩膜实现了硅的选择氧化,在这种工艺中除了形成有源晶体管的区域外,其他所有重掺杂硅区上均生长一层 NH (SiH2Cl2) 这两种气体的反应生成的 Si3N4 。 厚的氧化层, 该厚氧化层通常称为场氧。 在工艺中我们通常使用的气体是: 3+ DCS 质量高,副产物少,膜厚均匀性极佳,而且是气体源便于精确控制流量,是目前国内外普遍采用的方法。 3SiH2Cl2 + 4NH3 = Si3N4 + 6HCl + 6H2 反应式: NH3 在过量的情况下,HCl 与 NH3 继续反应: HCl+ NH3 = NH4Cl 合并为: 10NH3+ 3SiH2Cl2 = Si3N4 + 6H2 + 6NH4Cl 目前我们生产使用的温度是 780℃,压力为 375mt。 在 VLSL 工艺中,由于沿器件有源区方向上的场氧侵蚀和场注入杂质的横向扩散,使得 LOCOS 工艺受到很大的限制, 7 Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 场氧的横向侵蚀使 LOCOS 氧化层和栅氧的交界面形成类似鸟嘴的结构,随着工艺条宽的不断减少,鸟嘴的大小必须加以控制, 而 SI3N4 与硅之间的应力很大,为了避免对硅表面的应力损伤,在硅表面与 SI3N4 膜之间插入一层薄的 SIO2 作为应力缓冲层。 因此我们常用的方法是通过改变 SIN 与二氧的厚度比来减少鸟嘴大小,其中鸟头的高度和鸟嘴的宽度与 SI3N4 的厚度成反比, 与应力缓冲层 SIO2 的厚度成正比。一般来说该比例越大,鸟嘴越小,但比例过大又影响到硅岛侧壁和表面的缺陷密度而引起漏 电等不良后果。 处于不同工艺要求的考虑, 不同公司有各自的做法。 我们公司最常用的搭配有: 200A 的氧化层+ 1175A SIN 和 400A 的氧化层 + 1500A SIN,还有很多其他减少鸟嘴大小的办法,例如隔离槽填充等。 二、 低压淀积多晶硅(LPPOLY) ? ? 20 世纪 60 年代作为初期生产的铝栅 MOSFET,它的速度,集成度,电源电压,与双极电路的兼容性都已无法满足应用的需 要,因此开始使用多晶硅薄膜作为自对准 绝缘栅场效应晶体管的栅极材料和互连材料。随着集成电路的发展,多晶的应用也越 来越广,如用于差值氧化以简化工艺流程;用于负载电阻以缩小电路单元等等 。 ★ 多晶硅薄膜的特性: a. 多晶硅薄膜的物理和机械特性: 多晶硅的结构与掺杂剂或杂质, 淀积温度及随后的热处理等因素有密切关系。 低于 575℃所淀积的硅是无定形非晶硅;高于 625℃淀积的硅是多晶,具有针状结构;当非晶或针状结构多 晶硅经高温退火后,会产生结晶,同时晶粒要长大。多晶硅的晶粒大小与生长温度,多晶硅膜厚及掺杂情况 有关。在 600℃-650℃之间淀积的多晶硅,具有针状结构,晶粒尺寸在 0.03 至 0.3UM 之间,具有{110}晶向。 多晶硅的腐蚀速率及热氧化速率与掺杂剂浓度有关, 腐蚀及氧化的反应速率由掺杂多晶硅的表面自由载流子 浓度有关。 b. 多晶硅薄膜的电学性质:多晶硅的电阻率或薄层电阻随淀积温度的增加而降低。多晶硅的电阻率随厚度增加 而明显减少,而外延单晶硅的电阻率与厚度无关。 ★ 多晶的淀积: 600-700℃ 化学反应式为:SiH4------------- Si + 2H2 270MT 影响淀积的主要工艺参量是温度,硅烷流量及反应压力。 ★ 目前 VTR-2 和 C-3 设备上淀积多晶的条件: a. 淀积温度:由于 LPPOLY 的淀积温度限制在 600℃-650℃之间,因为温度过高,气相反应会生成粗糙, 疏松的沉积物,并可能由于硅烷的输送不足,使淀积不均匀。在温度低于 600℃时形成的为无定形硅。 多晶膜厚随温度的变化较敏感,VTR-2 上每变化 1℃膜厚约变化 100A 左右。生长速率约 94A/min。C-3 上三温区的淀积速率都为 620℃,温度每变化 1℃膜厚约变化 70-80A,淀积速率约 70A/min。 b. SiH4 流量:多晶硅的淀积速率随 SiH4 流量的增加而增加,但通常不是硅烷流量的线性函数。这种性质 可能是由于质量迁移效应或表面吸附效应所引起。当 SiH4 浓度过高时,容易出现气相成核,这就限制 了硅烷浓度和淀积速率的提高。目前我们淀积多晶硅所使用的是 100%的 SiH4。VTR-2 上的 SiH4 通过 injector 管分两路通入, BOTTOM 和 TOP 端各一路, 流量分别为 125CC 和 180CC; 上的 SiH4 由 injector C-3 分三路通入炉管,口,中,尾的流量分别为 32CC,48CC,53CC。 c. 反应压力:多晶硅的淀积速率随反应压力的增加而加大。目前 VTR-2 上淀积 晶的反应压力为 200MT,C-3 上淀积多晶的反应压力为 270MT。 ? 多 ? ? ? ? 三、 低压沉积 TEOS ? ? LP TEOS 主要用于 SPACER 层及电容氧化层。 在工艺中,由于注源,漏时杂质的横向扩散会产生短沟道效应,使 MOS 管的开启电压产生变化,而且会使高能量的离子注 入会令多晶侧壁损伤, 因此我们经常使用 LDD 注入和 SPACER 层保护来减少短沟道效应的影响和对多晶侧壁的损伤, 具体步骤为: 1,在源,漏注入前先进行 LDD 注入,通常注入浓度为 10E+13,2 然后淀积一层 LPTEOS,3 去 TEOS,由于台阶的影响,会在多晶 侧壁保留有一层 TEOS,将起到保护的作用,3 再开出源,漏的窗口,进行源,漏注入(浓度一般为 10E+15) 。 我们在工艺时使用的气体为 TEOS 也就是 Si(O C2H5)4 学名正硅酸乙脂,又称四乙氧基硅烷,常温下为液态,由携带气 体 N2 带入炉管内,TEOS 分压及流量分别由 TEOS 源瓶的温度及通过源瓶的小 N2 流量来控制。 Si(O C2H5)4 → SiO2 +4C2H4 +2H2O 四、LPCVD 工艺参数? 沉积的影响参数 一般而言,因为化学气相沉积的制程,包含了热的传达、边界层的扩散(boundary-layer diffusion),吸附于基板表面, 反应物分解、表面扩散、副产物脱离表面等许多步骤,所以有很多个参数会影响沉积作用,如反应温度、压力、反应物流量、 晶片摆置的位置和反应物的混合比例都是对是否能沉积出高品质的薄膜非常重要的因素。因为上述的化学气相沉积制程的几个 步骤是连续的,那个步骤是最慢的速率,将会決定此化学气相沉积的速率,亦即是速率決定步骤。速率決定步骤,一般可分成 两大类,一类是气相质量输运(gas-phase process),另一类是表面反应(surface process)。 对于气相质量输运最主要的考量 点是反应气体撞击到基板。这个模型要考虑气体横越过边界层(boundary-layer)的速度。而此边界层就是气体大量流动和基板 表面之间的范围。反应物的传输过程是藉著气相的扩散来达成,而此气相扩散的速率,正比于扩散系数和横越此边界层的的浓 度梯度(concentration gradient)。因此物质传输的速率受沉积温度的影响比较小。另外一方面,在比较低的沉积温度時,表 面反应的速率会降低,最后导致反应物到达的速率比它们因表面反应所消耗的还要多,在这种沉积情況之下,就称为表面反应 8 ? ? ? Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 速率限制(surface-reaction limited),反之在比较高的沉积温度下,表面反应速率会提高,最后导致反应物到达的速率远少 于因在表面反应所消耗的,在这种沉积情況下,就称为物质传输限制(mass-transport limited)。在实际的制程中,从一种限 制区域到另外一种限制区域的温度決定于这个反应的活化能(activation energy)和在反应器內反应物的流量。 一个制程当它 是在表面反应速率限制的条件下,沉积的温度就是一个很重要的参数,要在整个反应器內有一很均匀的沉积速率,需要有一个 能保持固定沉积速率的条件,也就是說,在任何地方,任一片晶片上的表面温度必须保持固定。此外,在这个情況下,反应物 到达晶片表面的速度就不是非常重要,因为它们的浓度不会限制沉积的速率,因此它的反应器的设计就不是那么必要设计成能 在每一片晶片上有相等的反应物流量。因此我们可以看出在低压化学气相沉积系统中,欲沉积的晶片可以垂直摆置而片与片之 间的距离,可以很小,那是因为这个系统是操作在表面反应速率限制的模式下。 在低压化学气相沉积法的反应器中,反应压力 約为 1 托耳以下,在此压力下,反应物气体的扩散系数约为在常压下的一千倍,而这是部份由于压力降低的平方根的调整,因 此这净效应是反应物传输至基板表面的速率增加超过十倍,所以速率限制步骤是表面反应。通常表面反应速率会随著表面反应 物浓度的增加而增加,及气相浓度分布不均匀而增加。而这气相浓度不均匀是因为某处反应物被空乏掉所造成的,举一个例子 說明这个效应,当晶片被放置在靠反应物的出气端時,因而曝露在较低的反应物浓度环境中,比进气端低许多,而造成炉管的 前后端沉积的厚度不均匀,因此为了沉积薄膜的均匀性,在反应炉管的前后两端,沉积的温度必须正确的调整。 沉积的制程是落在物质传输限制的范围時,制程温度的精密控制就不那么必要,沉积速率的限制和温度的关系不是那么有 关,另一方面,在控制反应物于各晶片的摆置点有相等的气体流量是最重要的,因为反应物的到达晶片表面速率,直接正比于 反应腔內的浓度梯度,所以要保证在同一片的每个位置有相同的薄膜厚度,反应器的设计必需使所有晶片的每一点,都有相等 的反应物流量,因此沉积二氧化硅的常压反应器,操作温度約为 400℃,是落在物质传输限制的区域,所以被应用的反应器设计 是水平摆置晶片的方式,以提供一均匀的气体供应。 五、 LPCVD 工艺控制? ? ? ? ? ? ? 5.1 拉恒温区控制温度 定期拉恒温区以得到好的温度控制,保证炉管内各处的生长速率趋向平衡,基本上我们安排一个月拉一次恒温,每 次清洗炉管后再拉一次 5.2 颗粒检查 颗粒是 LP 淀积工艺的大敌,颗粒多就会使腐蚀产生膜的残余,给光刻对位造成影响,严重影响产品质量。我们目前 通过使用 TENCOR 6420 监控颗粒,规范是(颗粒数〈300 个/0.5um 以上). 5.3 淀积速率 淀积速率从膜厚与沉积时间计算得出,这个数值可以直接反映炉管内压力,温度或气体比例的变化。在工艺保持不变的条 件下,LP 的淀积速率不太大的变化。卧式炉目前的淀积速率是 LPSIN 30A/MIN ;LPTEOS 50A/MIN;LPPOLY 70A/MIN。 5.4 均匀性检,;查 保证硅片中每个芯片和每个硅片的重复性良好,在发现均匀性变差时及时进行调整,一般比较片内与片间均匀性 两种,每个星期作一次颗粒均匀性试炉。均匀性控制在3 SIGMA以内。 ? ? ? 5.5 折射率 通过折射率的检查,我们可以分析 LP Si3N4 炉管气体的流量掌握 MFC 的 状态,保证膜的成分保持稳定,确保质量。否则就会使腐蚀时的腐蚀速率难以控制(折射率越大,腐蚀速率越小) 六、常见问题及处理 6.1 LPCVD 炉管工艺中断 对策: 1 根据提示的中断信息,找出中断的线.根据具体情况,确定返工时间的多少,将返工时间减去 1-2 分钟,作为气体开关时的补偿。特 别注意的是:在返工以前园片必须经清洗,以防产生颗粒。 6.2 LPCVD 炉管颗粒问题 对策:1 分析测量结果,排除测量的影响; 2.若是 Si3N4 颗粒,要看颗粒片前是否放了挡片,挡片是否干净; 3.对炉管进行 PURGE 后再做颗粒试炉; 4. 检查设备状态,清洗炉管和陪片. 6.3 均匀性问题 对策:1 检查温度、压力、气体流量等是否正常,否则更换流量计、清洗压力计、重新拉恒温区。 2 可以调整各区的温度,气体的流量,淀积时间以调整均匀性 2.2 APCVD(常压 CVD) APCVD 工艺简介 ? 常压化学气相淀积( Atmospheric Pressure CVD)是指在大气压下进行的一种化学气相淀积的方 法,这是 化学 气相淀 积最初 所采用的 方法 。这种 工艺所 需的系统 简单 ,反应 速度快 , 但是均 匀性 较差,台阶覆盖能力差,所以一般用于厚的介质淀积 。 9 Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 ? 一般工艺流程:链条式的运载热板作匀速循环运动,片子从设备的一端放入,另一端取出,经历的是 400-500 ℃的加热,并有硅烷磷烷和氧气从片子上边喷下反映沉积到片子表面。剩余气体抽走(反应气体 有剧毒) 。属于常压 CVD 系统 APCVD 最经常的应用是淀积 SIO2 和掺杂的氧化硅(如 psg、BPSG、FSG 等) 。传统上这些膜通常作为层间介质(ILD) ,保护性 覆盖物或者表面平坦化。 一、常压化学气相淀积 USG 用 O2 氧化 SIH4 来淀积 sio2,纯 SIH4 在空气中极其易燃且不稳定,因此为了更安全地使用 SIH4,通常在氩气或氮气中将 SIH4 稀释到很低含量(体积百分比一般是 2%-10%) 。这一反应可以在 450 至 500 度的低温下进行,他的优势在于铝连线上作为 ILD 的 SIO2 淀积。然而小的平均自由程和整个界面层差的表面迁移能力,这种方法的台阶覆盖能力和间隙填充能力都很差。因 此,对于关键的 ULSI 应用来说,APCVD 方法并不适用。 反应式: SiH4+O2 SiO2+2H2 二、常压化学气相淀积 PSG 10 Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 APCVD SIO2 通常采用磷、 硼等化学物质来掺杂。 如果 SIO2 中未掺杂, 就称为无掺杂硅玻璃 (USG) 或者无掺杂 SIO2 (UDOX) 。 SIO2 中掺磷称为磷硅玻璃(PSG) 。在传统的淀积工艺中,高温回流(950 度,15-30 分钟)用来加热软化掺杂的 SIO2,使其表 面平坦(见图 11.14) 。用硅烷作为基础的硼磷硅玻璃(BPSG) ,在低温下(400-450 度)淀积,然后立即在 800 度下约 1 小时, 使膜致密并坚固。一个平坦的表面对于下一步的淀积或者图形制作都是有利的。需要指出的是,对于 ULSI 器件工艺,回流平坦 化被 CMP 所取代。 反应式: 三、常压化学气相淀积 TEOS-臭氧淀积 SIO2 ?四、APCVD 工艺参数?? 沉积的影响参数 一般而言,因为化学气相沉积的制程,包含了热的传达、边界层的扩散(boundary-layer diffusion),吸附于基板表面, 反应物分解、表面扩散、副产物脱离表面等许多步骤,所以有很多个参数会影响沉积作用,如反应温度、压力、反应物流量、 晶片摆置的位置和反应物的混合比例都是对是否能沉积出高品质的薄膜非常重要的因素。因为上述的化学气相沉积制程的几个 步骤是连续的,那个步骤是最慢的速率,将会決定此化学气相沉积的速率,亦即是速率決定步骤。速率決定步骤,一般可分成 两大类,一类是气相质量输运(gas-phase process),另一类是表面反应(surface process)。 对于气相质量输运最主要的考量 点是反应气体撞击到基板。这个模型要考虑气体横越过边界层(boundary-layer)的速度。而此边界层就是气体大量流动和基板 表面之间的范围。反应物的传输过程是藉著气相的扩散来达成,而此气相扩散的速率,正比于扩散系数和横越此边界层的的浓 11 Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 度梯度(concentration gradient)。因此物质传输的速率受沉积温度的影响比较小。另外一方面,在比较低的沉积温度時,表 面反应的速率会降低,最后导致反应物到达的速率比它们因表面反应所消耗的还要多,在这种沉积情況之下,就称为表面反应 速率限制(surface-reaction limited),反之在比较高的沉积温度下,表面反应速率会提高,最后导致反应物到达的速率远少 于因在表面反应所消耗的,在这种沉积情況下,就称为物质传输限制(mass-transport limited)。在实际的制程中,从一种限 制区域到另外一种限制区域的温度決定于这个反应的活化能(activation energy)和在反应器內反应物的流量。 一个制程当它 是在表面反应速率限制的条件下,沉积的温度就是一个很重要的参数,要在整个反应器內有一很均匀的沉积速率,需要有一个 能保持固定沉积速率的条件,也就是說,在任何地方,任一片晶片上的表面温度必须保持固定。此外,在这个情況下,反应物 到达晶片表面的速度就不是非常重要,因为它们的浓度不会限制沉积的速率,因此它的反应器的设计就不是那么必要设计成能 在每一片晶片上有相等的反应物流量。因此我们可以看出在低压化学气相沉积系统中,欲沉积的晶片可以垂直摆置而片与片之 间的距离,可以很小,那是因为这个系统是操作在表面反应速率限制的模式下。 在低压化学气相沉积法的反应器中,反应压力 約为 1 托耳以下,在此压力下,反应物气体的扩散系数约为在常压下的一千倍,而这是部份由于压力降低的平方根的调整,因 此这净效应是反应物传输至基板表面的速率增加超过十倍,所以速率限制步骤是表面反应。通常表面反应速率会随著表面反应 物浓度的增加而增加,及气相浓度分布不均匀而增加。而这气相浓度不均匀是因为某处反应物被空乏掉所造成的,举一个例子 說明这个效应,当晶片被放置在靠反应物的出气端時,因而曝露在较低的反应物浓度环境中,比进气端低许多,而造成炉管的 前后端沉积的厚度不均匀,因此为了沉积薄膜的均匀性,在反应炉管的前后两端,沉积的温度必须正确的调整。 沉积的制程是落在物质传输限制的范围時,制程温度的精密控制就不那么必要,沉积速率的限制和温度的关系不是那么有 关,另一方面,在控制反应物于各晶片的摆置点有相等的气体流量是最重要的,因为反应物的到达晶片表面速率,直接正比于 反应腔內的浓度梯度,所以要保证在同一片的每个位置有相同的薄膜厚度,反应器的设计必需使所有晶片的每一点,都有相等 的反应物流量,因此沉积二氧化硅的常压反应器,操作温度約为 400℃,是落在物质传输限制的区域,所以被应用的反应器设计 是水平摆置晶片的方式,以提供一均匀的气体供应。 五、 APCVD 工艺控制?? 5.1 拉恒温区控制温度 温度控制在 400±10℃. 5.2 颗粒检查 颗粒是 AP 淀积工艺的大敌,颗粒多就会使腐蚀产生膜的残余,给光刻对位造成影响,严重影响产品质量。我们目前 通过使用颗粒度测试仪监控颗粒, ,规范是(颗粒数〈200 个/0.5um 以上). 5.3 淀积速率 从膜厚与沉积时间计算得出,这个数值可以直接反映设备内温度或气体比例的变化。在工艺保持不变的条件下,AP 的 淀积速率不会有太大的变化。WJ999 目前的淀积速率是?A/MIN。 5.4 均匀性检查 保证硅片中每个芯片和每个硅片的重复性良好,在发现均匀性变差时及时进行调整,一般比较片内与片间均匀性 两种,均匀性控制在3 SIGMA以内。 ? 5.5 折射率 通过折射率的检查,我们可以分析气体的流量掌握 MFC 的状态,保证膜的成分保持稳定,确保质量。否 则就会使腐蚀时的腐蚀速率难以控制(折射率越大,腐蚀速率越小) 六、常见问题及处理 6.1 APCVD 工艺中断 对策: 1 根据提示的中断信息,找出中断的线.根据具体情况,确定返工时间的多少。特别注意的是:在返工以前园片必须经清洗,以防产生 颗粒。 6.2 APCVD 炉管颗粒问题 对策:1.检查排风压力是否在正常范围内。 2.检查环境氮气浮子流量计是否偏离设定值。 3.检查喷网是否老化或者清洗不干净。 6.3 均匀性问题 对策:1 检查温度、压力、气体流量等是否正常,否则更换流量计、清洗压力计、重新拉恒温区。 2 可以调整各区的温度,气体的流量,带速以调整均匀性 3 更换喷网来调整均匀性。 2.3PECVD(等离子体增强化学气相沉积法) PECVD 工艺简介 12 Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 ? PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ) :是借助微波或射频等使含有薄膜组成原 子的气体 电离 ,在局 部形成 等离子体 ,而 等离子 化学活 性很强, 很容 易发生 反应, 在基片上 沉积 出所期望 的薄 膜。为 了使化 学反应能 在较 低的温 度下进 行,利用 了 等 离子体 的活性 来促进反 应, 因而这种 CVD 称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD).优点:基体温度低;沉积速率快;成膜质 量好,针孔较少,不易龟裂。 一般工艺流程:装片——对反应室抽真空——检查设备是否正常——预淀积——保持压力稳定后开始淀积 ——关闭所有工艺气体,重新抽线 到常压——出片。 ? 一、等离子体增强化学气相沉积 Si3N4 二、等离子体增强化学气相淀积 SIO2 13 Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 四、PECVD 工艺参数? 等离子体增强化学气相沉积技术原理是利用低温等离子体作能量源,样品置于低气压下辉光放电的阴极上,利用辉光放电(或 另加发热体)使样品升温到预定的温度,然后通入适量的反应气体,气体经一系列化学反应和等离子体反应,在样品表面形成 固态薄膜。PECVD 方法区别于其它 CVD 方法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电子,它们可以提供化学气相沉积过程 所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程,生成活性很高的各种化学基团,因 而显著降低 CVD 薄膜沉积的温度范围,使得原来需要在高温下才能进行的 CVD 过程得以在低温实现。由于 PECVD 方法的主 要应用领域是一些绝缘介质薄膜的低温沉积, 因而 PECVD 技术中等离子体的产生也多借助于射频的方法。 本实验室使用射频等 离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD),射频电源采用电容耦合方式,射频频率为 27.12MHz。 五、 PECVD 工艺控制? ? ? ? ? ? ? 5.1 控制温度 温度控制在 400±10℃ 5.2 颗粒检查 颗粒是 PE 淀积工艺的大敌,颗粒多就会使腐蚀产生膜的残余,给光刻对位造成影响,严重影响产品质量。我们目 前通过使用颗粒度测试仪监控颗粒,规范是(颗粒数〈200 个/1um 以上) 5.3 淀积速率 淀积速率从膜厚与沉积时间计算得出,这个数值可以直接反映腔体内淀积压力、气体流量和衬底温度变化,目前的 淀积速率是?A/MIN。 5.4 均匀性检查 保证硅片中每个芯片和每个硅片的重复性良好,在发现均匀性变差时及时进行调整,一般比较片内与片间均匀性 两种。均匀性控制在3 SIGMA以内。 ? ? ? 5.5 折射率 通过折射率的检查,我们可以分析气体的流量掌握 MFC 的状态,保证膜的成分保持稳定,确 保质量。否则就会使腐蚀时的腐蚀速率难以控制(折射率越大,腐蚀速率越小) 六、常见问题及处理 6.1 PECVD 工艺中断 对策: 1 根据提示的中断信息,找出中断的线 PECVD 颗粒问题 对策:1.检查气路是否泄漏,是否有其他气体混入反应气体内。 2.检查机械手是否挂大盘。 6.3 均匀性问题 对策:1 检查温度、压力、气体流量等是否正常,否则更换流量计、清洗压力计。 第三章 本公司 LPCVD 设备介绍 首先在生产线上用到的扩散炉有 BTI 卧式扩散炉、KFI 卧式扩散炉和 VTR 立式炉,在这里我们只对 BTI 卧式扩散炉做个简 单的介绍。BTI 卧式扩散炉分为常压炉管和低压炉管,一般的氧化炉管都属于常压炉管;低压炉管包括 LPSIN、LPPOLY、LPTEOS。 低压炉管在工艺时对压力有严格控制, 而常压炉管在工艺时对压力无严格要求。BTI 扩散炉主要包括四大部分: 控制柜、装舟台、 炉体、源柜。控制柜对设备的运行进行统一控制;装舟台是园片放置的区域,由控制柜控制运行;炉体是园片进行高温作业的 区域,由控制柜控制升降温;源柜是供源、供气区域,由控制柜控制气体阀门的开关。 一.BTI 扩散炉控制系统 BTI 扩散炉控制系统主要包括 APEX、7355X、BOATLOAD MODULE、TEMP MODULE、GAS MODULE。 常压炉管与低压炉管一样都是通过这几个模块来控制,低压炉管和常压炉管在结构上大致相同,因为低压炉管在工艺时 对压力有严格的要求,所以低压炉管在结构上比常压炉管多了一套真空系统。该真空系统包括泵、冷阱、旁路、主阀、蝶阀和 真空管路。低压炉管是靠泵不断的抽气使炉管在工艺时保持一定的压力;冷阱是用来俘获副产物的,这样可以减少真空管道的 堵塞。例如 A2 和 D3 的冷阱是用来俘获 NH4CL 的;在压力大于 900MT 时,抽真空是从旁路抽,而当压力小于 900MT 时主阀打开, 利用主阀来抽真空;蝶阀是用来控制炉管内的压力的,它利用自己的开启角度来保证炉管内工艺时的恒压。低压炉管有很多安 全要求: 1) 在压力大于 900MT 时,特气不能通入炉管。 2) 当炉管内压力小于 1 个大气压时,BOATLOAD 不能移动。 3) 当真空阀(SOFT START AND MAIN VACCUM VALVES)打开时才能通特气。 4) 当门关紧后线) 当门关紧后才能通特气。 14 Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 二.设备常见问题 1. MODULE OFFLINE 把相应的 MODULE 的通讯线重新插一下,如果不行再把 7355X 复位一下。 2. 膜厚异常 1) 如果是用控制片监控的线) 检查温度是否有异常。 3) 检查 MFC 流量是否正常。 4) 检查压力控制是否正常。 5) 检查炉门的密封性。 3. 蝶阀位置波动大 检查压力控制是否正常,清洗蝶阀和前门线. 抽真空较慢 检查泵的能力,检查炉管是否漏,清洗旁路和主阀。 5. 回冲速度慢 清洗 1000T 压力计真空管道,检查主阀能否关紧。 6. 压力控制不好 检查气体流量是否正常,清洗蝶阀和前门。 7. 洗炉管后捡漏通不过 1) 检查热电偶是否拧紧,并检查热电偶 O-RING 是否变形。 2) 检查前门 O-RING 是否变形和前门是否有副产物。 3) 重装冷阱和旁路。 4) 重新紧一下前后门。 5) 如果捡漏还通不过,回冲接捡漏仪,找出漏点。 8. 颗粒异常 1) 检查假片、舟和挡片。 2) PURGE2 小时后做试炉。 3) 检查冷阱并清洗。 4) 检查旁路并清洗。 5) 检查主阀并清洗。 6) 检查气体过滤器。 7) 检查 MFC。 八 工艺使用特气及规范 LPCVD 生长 SIN,TEOS,POLY 时,我们使用了 NH3,DCS(SIH2CL2) ,SIH4,TEOS 等特种气体,下面是各种工艺特气的规 范: ▲ NH3 SPECIFICATION 适用范围: 本品适用于 MOS IC 的圆片生产中 CVD 工艺 PECVD Si3N4 生长(VTR、BTI 适用) 。 技术指标: ITEM 4.1 GENERAL SPECIFICATION Molecular Weight: Toxicity: 0 Specific Volume at 21.1 C and 1 atm: Fire Potential: Flammable limit: DOT Hazard Class: 4.2 PURITY Purity: Impurities(molar ppm) : 4.3 CYLINDER 钢瓶尺寸: 钢瓶压力: 钢瓶重量: 钢瓶接口: SPECIFICATION 17.03 Toxic;irritating and destructive to tissues 3 22.5ft /lb Flammmable 15—28% Noflammable Gas(2.2) 5N CH40.5 N23.0 CO1.0 CO21.0 H2O2.0 直径:9 in. 114 psig 16 Kg/B CGA 660 SS 15 REMARK O2+Ar1.0 高度:51 in. Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 包装与标志: 包装:钢瓶。确保在运输、保存及使用过程中不会出现泄漏。 标志:气瓶标危险标志!标明气体名称、容积、装填压力、生产日期、批号、生产厂家。 存储条件:室温、防热、禁火。 材料有效期:6 个月或按质保书要求。 安全要求:本品为无色、有刺激性气体。 定点生产厂家:AIR PRUDUCTS ▲ SiH2Cl2 SPECIFICATION 适用范围: 本品适用于 MOS IC 的圆片生产中 CVD 工艺 LPCVD Si3N4 生长(BTI 适用) 。 技术指标: ITEM 4.1 GENERAL SPECIFICATION Molecular Weight: Toxicity: 0 Specific Volume at 21.1 C And 1 atm: Fire Potential: Flammable limit: DOT Hazard Class: Resistivity Electronic 4.2 PURITY Purity Impurities(weight ppb) SPECIFICATION 101.01 Highly toxic 3 3.83ft /lb Flammmable 4.1—98.8% Poison Gas(2.3) 150 ohm? cm 2.0 2.0N AL1.0 Fe25.0 As0.5 C5 ppmw Monochlorosilane0.2% Trichlorosilane0.8% Silicontetrachloride0.1% Other Chlorosilanes1 wt% REMARK P0.3 B0.3 4.3 CYLINDER 钢瓶尺寸: 直径:7 in. 高度:19 in. 钢瓶压力: 9.5 psig 钢瓶接口: CGA 678 包装与标志: 包装:钢瓶.。确保在运输、保存及使用过程中不泄漏气体。 标志:气瓶标危险标志!标明气体名称、容积、装填压力、生产日期、批号、生产厂家。 存储条件:室温、防热、禁火。 材料有效期:6 个月或按质保书要求。 安全要求:本品为剧毒、无色、有刺激性液化气体,易燃易爆,易分解,腐蚀性强。 定点生产厂家:AIR PRUDUCTS ▲ SIH4 SPECIFICATION 适用范围: 本品适用于 MOS IC 的圆片生产中 CVD 工艺 PECVD SI3N4 生长和 LPCVD POLY 生长(P5000、BTI、VTR 适用) 。 技术指标: ITEM 4.1 GENERAL SPECIFICATION Molecular Weight: Toxicity: 0 Specific Volume at 21.1 C and 1 atm: Fire Potential: Flammable limit: SPECIFICATION 17.03 Toxic;irritating and destructive to tissues 3 22.5ft /lb Flammmable 15—28% 16 REMARK Semiconductor Co., Ltd. 半导体有限公司 Title:工艺培训 DOT Hazard Class: 4.2 PURITY Purity: Impurities(molar ppm) : Noflammable Gas(2.2) 4N N210.0 CO2.0 O2+Ar5.0 CO22.0 H2O1.0 H280.0 THC1.0 Totle Chlorides10.0 Resistivity1000ohm? cm 直径:9 in. 5 Kg/B CGA 350 高度:51 in. HE10.0 4.3 CYLINDER 钢瓶尺寸: 钢瓶重量: 钢瓶接口: 包装与标志: 包装:钢瓶。确保在运输、保存及使用过程中不会出现泄漏。 标志:气瓶标危险标志!标明气体名称、容积、装填压力、生产日期、批号、生产厂家。 存储条件:室温、防热、禁火。 材料有效期:按质保书要求。 安全要求:本品为无色、有刺激性气体。 定点生产厂家:AIR PRUDUCTS 参考资料:1.《LPCVD 设备的 OCAP 处理操作标准》 2. 《扩散关键设备故障时的关键参数检查表》 17


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