半导体制程概论chapter5萧宏.ppt

Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,1,Chapter 5 加熱製程,Hong Xiao, Ph. D. ,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,2,目標,列出四種加熱製程 描述積體電路製造的熱製程 描述熱氧化製程 說明快速加熱製程(RTP)的優點 本製程與你的工作或產品的相關性,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,3,主題,簡介 硬體設備 氧化 擴散 退火 佈植後退火 合金熱處理 再流動,高溫化學氣相沉積法(CVD) 磊晶矽沉積 多晶矽沉積 氮化矽沉積 快速加熱製程(RTP)系統 快速加熱退火 快速加熱氧化 未來的趨勢,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,4,定義,熱製程是在高溫操作的製造程序，其溫度經常較鋁的熔點高 加熱製程通常在高溫爐進行，一般稱之為擴散爐 早期的半導體工業已廣泛的應用在擴散摻雜的製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,5,簡介,矽的優點 高豐量, 價格便宜 穩定且容易與氧化合 早期的積體電路製造，氧化和擴散是製程中的支柱,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,6,積體電路製程流程,積體電路生產廠房,金屬化,化學機械研磨,蝕刻與光阻剝除,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,7,硬體總覽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,8,水平式爐管,熱製程中一般使用的工具 一般稱為擴散爐 石英管內部有一陶瓷內襯稱為蒙浮(muffle) 屬於多重管路系統,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,9,氣體輸送系統,製程爐管,排氣,裝載系統,控制系統,水平式爐管的佈局圖,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,10,電腦,微控器,微控器,微控器,微控器,微控器,爐管界面電路板,排氣界面電路板,氣體面板界面電路板,裝載站界面電路板,真空系統界面電路板,高溫爐控制系統功能圖,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,11,至製程爐管,MFC,MFC,MFC,控制閥,調壓器,氣體鋼瓶,氣體輸送系統示意圖,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,12,源氣櫃,氣體源 氧 水蒸氣 氮 氫 氣體控制面板 流量控制器 流量計,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,13,氧化的氧來源,乾式氧化-高純度的氧氣 水蒸氣 氣泡式系統 沖洗式系統 氫和氧, H2 + O2 H2O 氯源,再匣極氧化過程抑制移動的離子 無水氯化氫,HCl 三氯乙烯 (TCE),三氯乙烷 (TCA),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,14,擴散源,P型摻雜物 B2H6, 燒焦巧克力和太甜的味道 有毒易燃且易爆的 N型摻雜物 PH3, 腐魚味 AsH3, 像大蒜的味道 有毒易燃且易爆的 吹除淨化的氣體 N2,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,15,沉積源,做為多晶矽和氮化矽沉基的矽源: 矽烷, SiH4, 會自燃, 有毒且易爆炸 二氯矽烷, SiH2Cl2, 極易燃 氮化矽沉積的氮源: NH3, 刺鼻的, 讓人不舒服的味道, 具腐蝕性 多晶矽沉基的摻雜物 B2H6, PH3 和 AsH3 吹除淨化的氣體 N2,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,16,退火源,高純度的氮氣 ,大部分的退火製程使用. H2O 經常做為PSG 或 BPSG 再流動製程十的周圍氣體. 在淺溝絕緣槽製程中的未摻雜矽玻璃化學機械研磨製程，氧氣用退火製程中使用. 較低等級的氮氣使用在閒置吹除淨化製程.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,17,排氣系統,再釋放前要先移除有害的氣體 有毒的,易燃的,易爆炸的,具腐蝕性的氣體. 燃燒室移除大部分有毒的,易燃的,易爆炸的氣體 洗滌室用水移除燃燒後的氧化物和具腐蝕性的氣體. 處理後的氣體排放到大氣.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,18,裝載晶圓, 水平式系統,到排氣端,製程爐管,晶舟,承載架,製程氣體,晶圓,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,19,裝載晶圓, 垂直式系統,晶圓,塔架,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,20,熱製程對溫度相當的敏感 必要的精密溫度控制 0.5 C ,中央區帶 0.05% 在 1000 C,溫度控制,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,21,溫度控制系統,熱偶與反應管接觸 成比例的能帶控制器將功率饋入加熱線圈 加熱功率與設定點和測量點的差值成比例,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,22,反應室,高純度石英 高溫穩定性 適當基本的清洗 缺點 易碎的 一些金屬離子 不能作為鈉的屏障 高於1200 C可能產生冰晶雪花般多晶態結構,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,23,水平式高溫爐,中心帶區 平坦帶區,距離,溫度,加熱線圈,石英爐管,氣流,晶圓,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,24,垂直式高溫爐, 製程位置,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,25,石英爐管,電融合 火焰融合 兩者可用來追蹤金屬量 火焰融合管產生的元件具有較佳的特性.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,26,石英管清洗,對沉積高溫爐製程避免粒子污染物特別重要 在生產工廠外面, 反應室外 氫氟酸 (HF)儲存槽 每一次移除石英的薄層 受限於石英關的生命期 反應室內部清洗 在管的內部產生電漿 在電漿中從 NF3 分解離開污染物產生氟元素自由基,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,27,碳化矽管,優點 較高的熱穩定性 較好的金屬離子阻擋 缺點 比較重 比較貴,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,28,溫度控制 反-彎曲 法,向製程溫度傾斜 較低溫時慢慢的裝載晶圓 (閒置溫度, 800 C) 在一個較短的穩定週期之後，使溫度向製程點傾斜 慢速裝載 1 英吋 / 分鐘 200 片六吋晶圓溫度約下降50 C的熱容量,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,29,水平式高溫爐,包含34個爐管 (反應室) 每一個爐管的溫度控制系統分開,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,30,水平高溫爐,中心帶區 平坦帶區,距離,溫度,加熱線圈,石英爐管,氣流,晶圓,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,31,高溫爐,晶圓清洗站 晶圓裝載站 手動晶圓裝載 自動晶圓裝載 氧化製程自動化,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,32,垂直石英爐,製程管以垂直方向置放 較小的佔地面積 較好的污染物控制 較好的晶圓控制 較低的維護成本和較高的晶圓處理量,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,33,製程反應室,晶圓,塔架,加熱器,垂直高溫爐,裝載和卸載的位置,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,34,較小的佔地空間,先進生產工廠的無塵室空間相當昂貴 小的佔地面積降低建造成本 【cost of ownership (COO)】,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,35,較好的污染物控制,氣體流動從上到下 對於層氣流的控制有較好的均勻性 粒子大部分落在最上面的晶圓，而不會掉到底下的晶圓,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,36,較好的晶圓控制,當控制較大直徑尺寸的晶圓數量時，作用在水平爐管的承載架的力矩也很高 在垂直高溫爐的晶圓塔架則是零力矩,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,37,硬體概要,高溫爐經常使用在加熱製程 高溫爐一般包括控制系統、氣體輸送系統、製程爐管或反應室、晶圓裝載系統和氣體排放系統. 垂直高溫爐因為有較小的佔地面積、較好的污染物控制和較低的維護成本因此被廣泛使用. 精確的溫度控制和均勻性是加熱製程主要成功的必要因素.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,38,氧化,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,39,氧化,簡介 應用 機制 製程 系統 快速加熱氧化,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,40,簡介,矽和氧產生反應 產生穩定的氧化物 廣泛的使用在 IC 製造 Si + O2 SiO2,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,41,二氧化矽,矽,O2,O2,O2,O2,O2,O2,O2,O2,O2,O2,原始的矽表面,45%,55%,O2,O2,O2,O2,O2,矽氧化製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,42,矽元素的事實,名稱,矽,符號,Si,原子序,14,原子量,28.0855,發現者,鍾斯、傑可柏、柏塞利爾斯,發現地點,瑞典,發現日期,1824,名稱來源,由拉丁字silicis衍生而來，意指火石,單晶矽的鍵長度,2.352 ,固體密度,2.33 g/cm,3,摩爾體積,12.06 cm,3,音速,2200 m/sec,硬度,6.5,電阻係數,100,000,mW,cm,反射率,28%,熔點,1414。C,沸點,2900 。C,熱傳導係數,150 W m,-1,K,-1,線性熱膨脹係數,2.6 X 10-6K-1,蝕刻物 (濕式),HNO4 , HF, KOH, 等,.,蝕刻物 (乾式),HBr, Cl,2, NF,3, 等.,CVD 源材料,SiH,4, SiH,2,Cl,2, SiHCl,3, SiCl4等,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,43,氧的一些事實,名稱,氧,符號,O,原子序,8,原子量,15.9994,發現者,約瑟夫普瑞斯特萊 / 卡爾西雷,發現地點,英格蘭 / 瑞典,發現日期,1774,命名起源,從希臘字的 “oxy”和“genes” 衍生而來,代表酸素形成之意,摩爾體積,17.36 cm,3,音速,317.5 m/sec,折射係數,1.000271,熔點,54.8 K = -218.35,陣,C,沸點,90.2 K = -182.95,陣,C,熱傳導係數,0.02658 W m,-1,K,-1,應用,熱氧化, CVD氧化物,反應式濺射及光阻剝除,主要來源,O,2, H,2,O, N,2,O, O,3,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,44,氧化的應用,擴散的遮蔽層 表面鈍化 屏蔽氧化層, 襯墊氧化層, 阻擋用的氧化層 絕緣 全區氧化層和矽的局部氧化 匣極氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,45,擴散的阻擋,硼(B)和磷(P)在二氧化矽的擴散速率比在矽的擴散速率來的低 二氧化矽可做為擴散遮蔽,矽,摻雜物,二氧化矽,二氧化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,46,表面鈍化的應用,矽,二氧化矽,襯墊氧化層 屏蔽氧化層 犧牲氧化層 阻擋用的氧化層,正常薄氧化層厚度 (150)以保護受到污染物或過度的應力.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,47,光阻,光阻,矽基片,摻雜離子,屏蔽氧化層,屏蔽氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,48,USG,矽,襯墊氧化層,氮化矽,矽,襯墊氧化層,氮化矽,矽,USG,阻擋氧化層,槽溝蝕刻,槽溝填充,USG CMP; USG 退火; 氮化矽 和 襯墊氧化層剝除,STI製程中的襯墊氧化層和阻擋氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,49,襯墊氧化層的應用,矽基片,緩衝氮化矽的高應力張力 預防應力產生矽的缺陷,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,50,元件絕緣的應用,相鄰元件間的電性絕緣 全區覆蓋式氧化層 矽的局部氧化 (LOCOS) 厚的氧化層厚度, 通常是 3,000 到 10,000 ,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,51,矽,矽,矽,二氧化矽,場區氧化層,晶圓清洗,場區氧化,氧化物蝕刻,活化區,全面場區覆蓋氧化製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,52,矽的局部氧化製程,氮化矽,P型基片,P型基片,氮化矽,p+,p+,p+,絕緣摻雜,P型基片,p+,p+,p+,絕緣摻雜,SiO2,襯墊氧化層,襯墊氧化, 氮化矽沉積及圖案化,LOCOS 氧化,氮化矽以及襯墊氧化層剝除,鳥嘴,SiO2,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,53,矽的局部氧化,和全區覆蓋式氧化層比較 較好的絕緣效果 表面台階高度較低 側壁坡度較小,缺點 表面粗糙的拓璞 鳥嘴,被淺溝槽絕緣取代 (STI),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,54,犧牲氧化層的應用,N型井區,P型井區,STI,USG,N型井區,P型井區,STI,USG,N型井區,P型井區,STI,USG,犧牲氧化層,剝除犧牲氧化層,匣極氧化層,犧牲氧化層,匣極氧化層,從矽晶表面移除缺陷,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,55,元件介電質的應用,匣極氧化層: 最薄且多大部分是關鍵層 電容介電質,n,+,匣極,薄氧化層,源極,汲極,P型矽,n,+,V,D, 0,電子,V,G,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,56,80年代至今,淺溝槽絕緣,100 - 200 ,阻擋氧化層,氧化層的應用,氧化層名稱,厚度,應用,應用的時間,原生氧化層,15 - 20 ,不必要的,-,屏蔽氧化層, 200 ,佈植,70年代中期至今,遮蔽氧化層, 5000 ,擴散,場區及局部氧化層,3000 - 5000 ,絕緣,60年代到90年代,襯墊氧化層,100 - 200 ,氮化矽應力緩衝層,60年代至今,犧牲氧化層,1000 ,缺陷移除,70年代至今,匣極氧化層,30 - 120 ,匣極介電質,60年代至今,60年代到70年代中期,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,57,不當清洗的矽表面上生成的二氧化矽結構,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,58,粒子 有機殘留物 無機殘留物 原生氧化層,氧化前的清洗,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,59,美國無線電公司(RCA)的清洗,1960年RCA公司的克恩和布歐迪南首先發展出來 積體電路場最常使用的清洗製程 SC-1 在70 80 C將 NH4OH:H2O2:H2O 按 1:1:5 到 1:2:7的比例混合，移除有機污染物. SC-2-在70 80 C 將HCl:H2O2:H2O按 1:1:6 到1:2:8 比例混合，移除無機污染物 去離子水沖洗 HF 溶液或是在輕氟酸蒸氣蝕刻機中移除原生氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,60,高純度去離子水或是去離子水清洗後使用H2SO4:H2O2 溶液. 在去離子水洗滌, 旋乾 且 / 或 烘乾 (100 到 125 C) 後，以高壓淨化或浸在加熱的浸泡槽中，.,氧化前晶圓的清洗 粒子移除,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,61,強氧化劑可以移除有機殘留的污染物. 去離子水清洗後，使用H2SO4:H2O2 或 NH3OH:H2O2溶液 在以去離子水洗滌, 旋乾 且 / 或 烘乾 (100 到 125 C)後，以高壓淨化或浸在加熱的浸泡槽中.,氧化前晶圓的清洗 有機污染物移除,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,62,HCl:H2O. 在去離子水洗滌, 旋乾 且 / 或 烘乾 (100 到 125 C)後，浸在加熱的浸泡槽中.,氧化前晶圓的清洗 無機污染物移除,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,63,HF:H2O. 在以去離子水洗滌, 旋乾 且 / 或 烘乾 (100 到 125 C)之後，浸在加熱的浸泡槽中或單晶矽蒸氣蝕刻.,氧化前晶圓的清洗 原生氧化層移除,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,64,氧化反應機構,Si + O2 SiO2 氧氣來自於氣體 矽來自於基片 氧分子必須擴散穿過氧化層，才能和底下的矽原子產生化學反應 越厚的薄膜成長速率越低,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,65,氧化速率區域的說明圖,氧化層厚度,氧化時間,線性成長區域,擴散限制區域,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,66,矽乾氧氧化反應,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,0.2,0,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,氧化時間 (小時),氧化層厚度 (微米),1200 C,1150 C,1100 C,1050 C,1000 C,950 C,900 C, 矽乾氧氧化反應,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,67,濕 (蒸氣) 氧氧化反應,Si + 2H2O SiO2 + 2H2 高溫狀態下，H2O 會解離成 H 和 H-O H-O 在二氧化矽比在氧擴散較快 濕氧氧化反應比乾氧氧化反應的成長速率高.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,68,矽 濕氧 氧化反應,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,0.5,0,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,氧化時間 (小時),氧化層厚度 (微米),1150 C,1100 C,1050 C,1000 C,950 C,900 C, 矽濕氧氧化反應,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,69,影響氧化速率的因素,溫度 化學反應, 濕氧氧化或乾氧氧化 厚度 壓力 晶圓方位 ( vs. ) 矽的摻雜物,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,70,氧化速率 溫度,氧化速率對溫度具高敏感性(指數相關) 溫度越高，氧化速率越高. 溫度越高，氧和矽之間的化學反應速率和氧在二氧化矽的擴散速率也都較高.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,71,氧化速率 晶圓方位, 表面比 的表面有較高的演化速率. 表面上有更多的矽原子.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,72,濕氧氧化速率,1,2,3,4,0,氧化時間 (小時),0.4,0.8,1.2,1.6,0.2,0.6,1.0,1.4,1.8,氧化層厚度 (微米),方位 95 C 水,1200 C,1100 C,1000 C,920 C,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,73,氧化速率 摻雜物濃度,纏雜務元素和濃度 高度非晶矽摻雜矽有較高的成長速率，較少的緻密薄膜，蝕刻也較快. 一般高度摻雜區域比低度摻雜區有較高的成長速率. 線性階段(薄氧化層)的氧化速率較快.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,74,N型摻雜物(P, As, Sb)在Si中比在SiO2中有較高的溶解度, 當SiO2 成長，他們會移動滲入矽中，像鏟雪機把雪堆高一樣，稱為堆積效應. 硼傾向被吸到SiO2,造成硼濃度匱乏，稱為空乏效應.,氧化：摻雜物 N型摻質的堆積效應和P型摻質的空乏效應,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,75,Si-SiO2 界面,SiO2,摻雜物濃度,Si,Si-SiO2界面,SiO2,摻雜物濃度,Si,P型摻雜物的堆積現象,N型摻雜物的堆積現象,原始的矽表面,原始的矽表面,原始分佈,空乏效應和堆積效應,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,76,HCl 用來減少移動的離子污染物. 廣泛的使用在匣極氧化層的製程. 成長速率可增加1%5%,氧化速率 摻雜氧化 (HCl),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,77,氧化膜越厚，氧化速率越慢. 氧分子需要更多的時間擴散穿越氧化層和矽基片進行反應.,氧化速率 相異的氧化,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,78,氧化前的清洗,熱成長的二氧化矽是非晶態物質. 容易交叉結合而形成結晶構造 自然界是以石英和石英砂的型態存在 缺陷和粒子會成為結晶化過程中的成核點 結晶的 SiO2 遮蔽能力較差. 氧化之前需要清洗矽表面.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,79,氧化製程,乾氧氧化, 薄氧化層 匣極氧化層 襯墊氧化層,屏幕氧化層, 犧牲氧化層等. 濕氧氧化,厚氧化層 全區氧化層 擴散遮罩氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,80,往製程管,MFC,MFC,MFC,控制閥,調壓閥,製程氮氣,吹除淨化氮氣,O2,HCl,MFC,乾氧氧化系統示意圖,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,81,乾氧氧化,乾仰是主要的製程氣體 匣極氧化層用HCl 來移除移動的離子 高純度的氮氣做為製程吹除淨化的氣體 等級較低的氮氣做為閒置吹除淨化的氣體,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,82,匣極氧化層的步驟,閒置時通入吹除淨化氮氣氣流 閒置時通入製程氮氣氣流 在製程氮氣氣流下把晶舟推入爐管 在製程氮氣氣流下昇高溫度 在製程氮氣氣流下穩定溫度 關閉氮氣氣流，通入氧化製程用的氧氣和氯化氫,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,83,懸浮鍵引起的界面狀態電荷,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,84,匣極氧化層的步驟(續),關閉氧氣開始通入氮氣，進行氧化物退火 在製程氮氣氣流下開始降溫 在製程氮氣氣流下將晶舟拉出 閒置時通入吹除淨化氮氣氣流 對下一批晶舟重複上述製程 閒置狀態下通入吹除淨化氮氣氣流,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,85,濕氧氧化製程,較快, 生產量較高 較厚的氧化層, LOCOS氧化層 乾氧氧化有較好的品質,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,86,水蒸氣源,煮沸式 氣泡式 沖洗式 氫氧燃燒式,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,87,MFC,製程爐管,水,加熱器,加熱的氣體管路,加熱的前段管路,排氣,蒸氣氣泡,煮沸式系統,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,88,加熱器,MFC,製程爐管,排氣,氮氣,氮氣氣泡,加熱的氣體管路,N2 + H2O,水,氣泡式系統,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,89,MFC,製程爐管,水,N2,熱平板,加熱器,沖洗式系統,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,90,H2,O2,熱偶計,到排氣端,氫氣燃燒, 2 H2 + O2 2 H2O,製程爐管,晶舟,承載架,氫氧燃燒蒸氣系統,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,91,氫氧燃燒蒸氣系統,優點 全氣體系統 可以準確的控制氣流的流量 缺點 必須使用易燃且易爆的氫氣 典型的H2:O2 比例介於 1.8:1 到 1.9:1.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,92,燃燒蒸氣濕氧氧化系統,MFC,MFC,MFC,控制閥,調壓器,製程氮氣,吹除淨化氮氣,O,2,H,2,洗滌室,排氣,製程爐管,晶圓,燃燒室,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,93,濕氧氧化製程步驟,閒置時通入吹除淨化氮氣氣流 閒置時通入製程氮氣氣流 通入製程氮氣氣流以及大量的氧氣 通入製程氮氣氣流和氧氣：把晶舟推入爐管 通入製程氮氣氣流和氧氣： 開始升高溫度 通入製程氮氣氣流和氧氣：穩定爐管溫度 注入大量氧氣並關掉氮氣氣流 穩定氧氣氣流,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,94,濕氧氧化製程步驟,打開氫氣流並將之點燃；穩定氫氣氣流 利用氧氣和氫氣氣流進行蒸氣氧化反應 關閉氫氣，氧氣氣流繼續通入 關閉氧氣，開始通入製程氮氣氣流 在製程氮氣氣流下開始降溫 在製程氮氣氣流下將晶舟拉出 閒置時通入製程氮氣氣流 對下一批晶舟重複上述製程 閒置時通入吹除淨化氮氣氣流,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,95,次微米深度元件的匣極氧化層 非常薄的氧化薄膜, 30 在高溫時有較佳的溫度控制, 晶圓內以及晶圓對晶圓的均勻性. 為達到元件的需求使用快速加熱氧化製程.,快速加熱氧化,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,96,時間,升溫 1及 升溫 2,降溫,RTA,裝載晶圓,卸載晶圓,RTO,O2 流量,N2 流量,HCl 流量,溫度,快速加熱氧化(RTO)製程示意圖,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,97,高壓氧化,較快的成長速率 降低氧化的溫度: 1 大氣壓. = 30 C 較高的介電質強度,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,98,高壓氧化系統示意圖,高壓惰性氣體,高壓氧化物氣體,不鏽鋼套管,石英製程反應室,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,99,高壓氧化,溫度,壓力,時間,1 大氣壓,5 小時,1000,。C,5大氣壓,1小時,25大氣壓,12 分鐘,成長10,000 厚的濕氧氧化層的氧化時間,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,100,高壓氧化,時間,壓力,溫度,1 大氣壓,1000,。C,5 小時,10大氣壓,700,在五小時內成長10,000 厚的濕氧氧化層的氧化溫度,。C,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,101,高壓氧化,複雜系統 安全爭點 先進半導體生產工廠並不愛用高壓氧化技術,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,102,測量氧化層,厚度 均勻性 色彩對照表 橢圓光譜儀 反射光譜儀,匣極氧化層 崩潰電壓 C-V曲線特徵,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,103,線性偏極入射光,橢圓偏極反射光,n,1, k,1, t,1,n,2,k,2,s,p,橢圓光譜儀系統,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,104,t,2,1,基片,介電質薄膜, n(l),入射光,人眼或光感測器,反射光及相差(反射光譜儀),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,105,C-V測試結構,電容計,鋁,金屬平台,矽,氧化層,大電阻,加熱器,加熱器,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,106,氧化層概要,矽的氧化反應 高穩定度及相對容易 應用 絕緣, 遮蔽,襯墊,阻擋, 匣極氧化層和其他等. 濕式氧化過程和乾式氧化過程 先進的IC晶片多使用乾式氧化過程 在超薄匣極氧化層使用快速加熱氧化和退火製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,107,擴散,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,108,擴散,擴散是常見的物理現象 物質散佈方向是從高濃度到低濃度 二氧化矽做為擴散的遮蔽層 在半導體製程的摻雜中廣泛的使用 “擴散爐” 和 “擴散區間”,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,109,擴散摻雜製程說明,摻雜物,矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,110,擴散摻雜製程說明,摻雜物,矽,接面深度,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,111,接面深度的定義,摻雜物的背景濃度,接面深度, xj,到晶圓表面的距離,摻雜物濃度,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,112,擴散,N型矽,遮蔽氧化層,N型矽,p,+,p,+,遮蔽氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,113,擴散,基於較少製程控制的因素，被離子佈植製程取代 仍被使用在形成井(well)的製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,114,熱積存,高溫下摻雜物的原子擴散較快 D = D0 exp (EA/kT) 較小的圖形尺寸, 較少的空間提供摻雜物熱擴散，較少的熱積存 熱積存在驅入階段決定離子佈植後熱製程的溫度和時間,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,115,S/D 佈植,過量的熱積存,匣極,熱積存的說明,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,116,1 mm,1,10,100,1000,104/T (K),7,8,9,10,1000,1100,900,800,2 mm,0.5 mm,0.25 mm,熱積存 (sec),T (C),資料來源: Chang and Sze, ULSI Technology,熱積存,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,117,擴散摻雜製程,摻雜物濃度與接面深度兩者與溫度相關 沒有方法可以單獨控制兩個因素 摻雜物等向擴散的剖面 1970年代中期被離子佈植製程取代,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,118,擴散摻雜製程,二氧化矽做為不易通過的遮蔽 沉積摻雜物氧化層 覆蓋層氧化反應 預防摻雜物擴散到氣態 驅入,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,119,擴散摻雜製程,氧化, 微影製程技術 和 氧化蝕刻 預積: B2H6 + 2 O2 B2O3 + 3 H2O 覆蓋層氧化反應: 2 B2O3 + 3 Si 3 SiO2 + 4 B 2 H2O + Si SiO2 + 2 H2 驅入 硼擴散到矽基片,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,120,擴散摻雜製程,氧化, 微影製程技術 和 氧化蝕刻 沉積擴散物氧化: 4POCl3 + 3O2 2P2O5 + 3Cl2 覆蓋氧化反應 2P2O5 + 5Si 5SiO2 + 4P 磷集中在矽表面 驅入 磷擴散的矽基片,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,121,MFC,MFC,MFC,控制閥,調壓器,製程氮氣,吹除淨化氮氣,O,2,POCl3,洗滌室,排氣,製程爐管,晶圓,燃燒室,磷擴散系統,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,122,矽基片,晶圓清洗,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,123,矽基片,氧化,二氧化矽,Hong Xiao, Ph