Furnace工艺简介讲解

Furnace工艺简介1提纲outline立式炉在工艺上的优点氧化扩散工艺原理；氧化扩散在半导体的应用；LPCVD工艺原理；LPCVD在半导体的应用。2Furnace工艺简介立式炉在工艺上的优点1.卧式炉结构简介.图1-13Furnace工艺简介炉管本身主要是以经退火（Anneal）后的石英（Quartz）所构成的。环绕石英炉管外围的是一组用来对炉管进行加热的加热器（Heater），通常分为三个加热区（ThreeZone）或四个加热区（FourZone）。如图所示，气体通常从炉管的前端，于距离炉门（Door）不远处，送入炉管内。被淀积的硅片，则置于同样以石英或碳化硅（SiC）所制成的小舟（Boat）上，并随着小舟，放入炉管内的适当位置，以便进行淀积。淀积反应所剩下的废气，则经由真空系统(LPCVD采用真空,而Diffusion采用的弱负压,通常是工厂排气)而从Furnace设备里被排出。如图所示的三区加热器首先把整个石英炉管的温度提升到一定的温度，然后通过对流，幅射等热传导方式将炉管内的小舟和硅片加热到与炉管温度相当的温度，因此这是一种热壁式的反应装置.

4Furnace工艺简介2.立式炉结构简介.隔热材HeaterTubeExhaustGasin舟保温筒Forkshutter图1-25Furnace工艺简介如图1-2所示的是东京电子生产的α-8S型直立式（Vertical）furnace的炉体结构示意图和反应气体流向图。该装置主要由气体控制系统，压力控制系统，温度控制系统和传送系统四大部分组成。与图1-1所示的卧式炉（Horizontal）的构造相比有几个显着的不同点。最大的区别是原来卧式炉设备的体积相当的大，占据了很大的洁净室（cleanroom）的空间，而现在的立式炉所占的洁净室的空间要小的多。

6Furnace工艺简介3.为什么选用立式炉?良好的温度控制系统。直立式furnace采用了五区加热的“五区加热器”，并采用了5段控温的方式。这种控温方式可以让炉内温度的控制更加地均匀，在正常工艺条件下的均热场（FlatZone）的长度达到了860mm以上（工艺温度±0.5℃以内）。由于其炉内温度良好的控制效果，其内部的硅片的片内均一性和片间均一性性较原来三区控温的卧式炉有很大改善。目前采用139个槽的小舟（TEL提供的一种标准型的小舟），可以保证其硅片的片间（Wafertowafer）均一性（Uniformity）控制在一个较好的状态下。小舟可以旋转，改善淀积均一性。由于采用了立式结构，使位于炉管中心部分的小舟可以进行旋转，使硅片周边的各个部分都能与反应气流进行充分的接触，避免了气流从硅片的一端到另一端的过程中由于反应气体的消耗而造成的浓度降低，最终导致离反应气流近的一端的硅片表面的淀积速率比离反应气流远的一端的硅片表面的淀积速率高的多。这使其硅片的片内（WithinWafer）均一性性得到了很大的改善。

7Furnace工艺简介(3)减少机械摩擦。由于采用了立式结构，小舟通过其底部的炉门（Cap）及其下部的升降机（Elevator）将小舟控制在炉管的中央，从而使其得以自动的入出炉，避免了以往每次进出炉都需要人工手动进行，减少了产品处理上产生的差异。而且由于小舟采用的是非接触式的入出炉方式，避免了由于机械摩擦而产生的颗粒。(4)抑制杂质进入和自然氧化膜的形成。卧式炉在炉门打开时容易产生气流的对流而立式炉由于其炉管的上部处于密封状态，在打开炉门的瞬间由于炉内保持了一定的正气压，炉体外部的空气不易混入到炉体内部，除了减少了由于空气对流而造成的热量损失外，也减少了水气和氧气进入的可能性，使其自然氧化膜不易产生（可以控制在3Å以内）。

8Furnace工艺简介(5)降低了对部件材料要求，并使硅片自动搬送得以实现。采用了立式炉后，硅片在小舟上处于水平状态，避免了过去在卧式炉上，硅片由于其本身的自重而造成的倾斜，避免由此而造成的硅片的轻微的划伤和因此产生的形变。所以，在200mm及200mm以上的工艺制程中，均采用了立式炉结构的装置。此外，由于卧式炉的小舟需要保持较高的水平度，因而对其主轴材料的强度的要求较高，而采用了立式炉后，由于硅片是水平放置在各个槽口上，其主轴承受的力与主轴平行，因而其对材料的强度要求没有卧式炉这幺高。其次由于硅片在小舟上处于水平放置状态，将硅片的自动搬送至小舟也比较容易实现。(6)采用了双管结构。如图1-2所示，其采用一个钟罩式的外管（OuterTube）和一个两端开口的直筒式的内管（InnerTube）组成。气流从炉管下部的集气管（Manifold）通入，反应气体通过气体喷嘴（Injector）通到内管中，从内管的底部沿着管壁和小舟向炉管的上部流动，最后通过内管和外管之间，从排气管路被真空泵抽出。而还有一路氮气（N2）通过气体喷嘴通入到内管和外管之间，用于防止从内管和外管间被抽出的反应气体的尾气有逆流的情况发生，从而有效地控制颗粒（Particle）的产生。另外，由于采用了双管结构，减少了炉管加热器中的各种杂质穿过石英管壁影响到硅片的可能性。其对炉管内温度的均匀性也有很大的改善作用

9Furnace工艺简介二.氧化扩散工艺原理1.氧化:在一定的温度和气体条件下,使硅氧化成一定厚度的SiO2。1)氧化种类:

A)干法氧化:O2+SiSiO2

B)水蒸气氧化:2H2O+SiSiO2+2H2

H2-O2点火氧化:2H2+O22H2O2H2O+SiSiO2+2H2

C)氯系氧化:DCE(C2H2Cl2)氧化、HCl氧化､Cl2氧化等等DCE:ＤｉＣｌｏｒｏＥｔｈｙｌｅｎｅ（分子式：Ｃ２Ｈ２Ｃ２）,HCL替代物.液体源,在纯氧的条件下反应,生成HCL,CO2.Ｃ２Ｈ２Ｃｌ２＋２Ｏ２→２ＨＣｌ＋２ＣＯ２４ＨＣｌ＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋２Ｃｌ２CL离子和重金属结合,生成氯化物,高温状态下气化,用以去除金属杂质.10Furnace工艺简介※各氧化的特点比较干法氧化

氧化速率慢,氧化膜厚容易控制.湿法氧化。

氧化膜膜质好

。氯系氧化

氧化膜质好,可以去除金属离子沾污。

A)优点B)缺点与改善干法氧化

氧化膜质差。湿法氧化

氧化速率快､薄膜氧化控制困难。

改进

:稀释氧化、H2-O2点火生成H2O后用氮气稀释。氯系氧化

气体腐蚀性､危险性大。11Furnace工艺简介从Qbd

的结果来看:Dilutewetoxide=wetoxide>DCEoxide>dryoxide測定電圧（Ｖ）判定電圧QBD値注入電流固定QBD=I(電流)×Ｔ（時間）12Furnace工艺简介2)氧化过程Step1氧气(O2)或者水(H2O)等吸附到氧化硅表面。

吸附Step2氧气(O2)或者水(H2O)等扩散到硅表面。

扩散Step3氧气(O2)或者水(H2O)等与硅反应生成氧化硅。

反应O2orH2O吸附扩散反应SiO2SiNewSiO213Furnace工艺简介3)氧化特征A)热氧化和CVD淀积不同､它是通过O2或H2O扩散到Si表面并进行化学反应形成SiO2。B)热氧化形成SiO2时，会消耗相当于SiO2膜厚45%的硅。氧化前氧化后氧化膜刻蚀后SiSiSiSiO255％45%14Furnace工艺简介2､扩散将所需要的杂质(硼､磷等)､在一定的温度和气氛下扩散到硅或者多晶硅中。1)扩散原理

物质会从高浓度的地方向低浓度的地方扩散。

Gas1Gas2Gas1→Gas2Gas1←Gas2挡板隔离挡板去除挡板15Furnace工艺简介2)扩散过程

(多晶硅磷扩散为例)A)POCL3蒸气和氧气供给

(注:POCL3常温下是液体)B)POCl3和氧气反应生成P2O5淀积在多晶硅表面。并形成PSG膜。STEP1:4POCL3+3O26CL2+2P2O5STEP2P2O5+SiO2P2O5-SiO2(PSG磷硅玻璃)多晶硅POCl3O2多晶硅磷PSG气体供给气体反应淀积16Furnace工艺简介C)磷向多晶硅扩散

2P2O5+5Si4P+5SiO2D)磷扩散后不须要的PSG膜除去E)磷扩散后方块电阻测定(单位:Ω／□）磷扩散PSG除去方块电阻测定17Furnace工艺简介3)液态源供给通过携带氮气将液态源转换成气体态的反应物。注意点:1)安全(LEAK)2)防止气化反应物变回液态。(管道需要保温甚至加热)3)影响电阻因素:温度,掺杂浓度,初期氧化膜,喷管孔经和喷射水平度等.N2N2+气化反应气体POCL3DCE(C2H2Cl2)注意安全具有很强的腐蚀性具有很强的毒性18Furnace工艺简介三.氧化扩散在半导体的应用1.氧化的用途A)作为晶体管的栅氧化膜源漏栅栅氧B)作为晶体管等分离用硅氮化硅硅场氧19Furnace工艺简介C)作为注入的阻挡层和缓冲层硅厚氧化硅薄氧化硅注入阻挡层D)形成Pattern氧化硅硅氧化硅氧化膜刻蚀硅20Furnace工艺简介E)表面杂质､Damage去除硅硅硅氧化硅氧化氧化膜刻蚀21Furnace工艺简介A)PN结的形成B)表面掺杂物的浓度控制C)降低多晶硅的电阻率､作为电极使用。3､热处理用途A)注入后的活性化B)注入后的扩散(控制掺杂物的分布)C)层间膜的回流(平坦化处理)D)合金形成(降低接触电阻)E)CVD膜､Polyamide膜的固化。BPSG膜回流后2､扩散用途22Furnace工艺简介超薄膜工艺(FTPS):CurrentDilutionPYROCurrentPyroH2/O2=3L/3L~10L/10LDiluteN2NewDilutionAdvancedPYRONewPyroH2/O2=0.6L/0.6~L3L/3LDiluteN2LowH2OPartialPressureControl23Furnace工艺简介800C(B/Espeed=100mm/min.)300C(B/Espeed=300mm/min.)N2/O2=10L/0.1LLoadingCondition2Å800CLoad300CLoad11ÅConventionalOperationFTPSOperationOxideGrowthDuringBoatLoad24Furnace工艺简介0123456012345678910111213141516GasConditionH2/O2/N21.5IgnitionSequenceB/ELoad+Rampup+Temp.stb.10L/10L/0LThickness(nm)Method3L/3L/15LN2dilution3L/3L/30LN2dilution1L/1L/20LN2Dilution+AdvancedPyro0.5L/0.5L/20LN2Dilution+AdvancedPyroDifficultToControlForUltraThinOxideEasyToControlForUltraThinOxideOxidationTime(min.)OxidationRateContributetoThinFilmControl25Furnace工艺简介超薄膜工艺要点Summary:设备方面:

1)有快速升降温系统(DDCM121)

2)快速升舟双层炉芯管

3)小流量点火控制(M362)

4)可旋转舟

5)强制风冷系统6)N2LoadLock.工艺方面:

低温入出炉,低温.小流量H2/O2+大流量N2稀释氧化.26Furnace工艺简介所谓LPCVD(LowPressureCVD),就是将一种或几种反应气体导入由加热器加热的低压状态的反应器,通过热能,进行热分解反应或化学反应,最终在硅片表面形成形成薄膜。如图1-1所示.四.LPCVD工艺原理27Furnace工艺简介LPCVD的反应的能量源是热能,通常其温度在500℃到800℃之间,压力在0.1Torr–2Torr以内.影响其淀积反应的主要参数是温度,压力和气体流量.它的主要特征是因为在低压环境下,反应气体的平均自由程及扩散系数变大,膜厚均一性及膜质良好,台阶覆盖性好。目前采用LPCVD工艺制作的材料主要有:导电材料:多晶硅(Poly),单晶硅(Epi),非晶硅(α-Si),钨(W),硅化钨(Wsi),钛(Ti),氮化钛(TiN)等;介质材料:二氧化硅(SiO2),氮化硅(Si3N4),硼磷硅玻璃(BPSG).28Furnace工艺简介主气流界面边界层硅片表面反应(a)(b)(c)(d)(e)图1-1显示化学气相淀积的五个主要的机构。(a)反应物以扩散通过界面边界层;(b)反应物吸附在硅片的表面;(c)化学淀积反应发生;(d)部分生成物藉扩散通过界面边界层;(e)生成物与未反应物进入主气流里，并离开系统。化学气相淀积的过程

29Furnace工艺简介图1-1显示一个典型的CVD反应的反应机构分解。首先，参与反应的反应气体（或反应物），将从反应器的主气流（MainStream）里，借着反应气体在主气流及硅片表面间的浓度差，以扩散（Diffusion）的方式，经过边界层，传递到硅片的表面，如图1-1（a）所示。这些到达硅片表面的反应气体分子在历经表面扩散运动而失去部分的动能之后，有一部分被吸附（Adsorbed）在硅片表面上（如图1-1（b））。当参与反应的反应物在表面相会后，借着硅片表面所提供的能量，淀积反应的动作将发生，这包括反应物的化学反应，及产生的生成物在硅片表面的表面迁移和生成物的淀积等。当淀积反应完成后，反应的副生成物（By-Products）及部分未参与反应的反应气体，将从硅片的表面上吸解（Desorption），并进入边界层，最后流入主气流里，如图1-1（d）。这些未参与反应的反应物及生成物，将一起被CVD设备里的抽气（Exhaust）装置或真空系统（VacuumSystem）所抽离，如图1-1（e）。也就是说，CVD反应的反应物和生成物，都必须经由主气流和硅片表面间的边界层来传递。而图1-1的CVD反应分解图，基本上就是告诉我们CVD的反应，是由这五个主要的步骤所构成的。因为进行这五个步骤的发生顺序呈串联，因此，CVD反应的速率决定步骤，将由这五个步骤里面，最慢的一个所决定。通常LPCVD的反应属于表面反应限制（Surface-ReactionLimited）”

30Furnace工艺简介五.LPCVD在半导体的应用多晶硅成长其结晶时具有方向性,是由不同晶向的许多小晶粒组成的.使用的反应气体:SiH4,O2反应式:SiH4->Si+2H2↑工艺条件:淀积温度-约620℃～650℃真空度-0.35Torr～0.55Torr(46.7Pa～86.6Pa)主要特征:1.是一种半导体膜,若膜中混有杂质,在扩散后,其电阻会下降;2.通过氧化会形成氧化硅;3.和二氧化硅的黏附性很高;4.台阶覆盖率(Stepcoverage)好.主要用途:1.栅极(gate)或电容(capacity)的电极;2.配线(gatetogate)或电阻.31Furnace工艺简介薄膜结晶性与成长温度,淀积速率的关系(见图1-2):图1-2单晶,多晶和无定型硅的生长区与淀积速率和温度的关系[*2]32Furnace工艺简介O2leak的作用:在polysilicon膜的成长过程中,通入低浓度的氧气,形成很薄的氧化膜层,如下图1-3所示.它可以降低polysilicon表面的粗糙度,控制其晶粒(grainsize)的大小.在实际的应用中通常会在recipe进行1次,2次的O2leak,或者不进行O2leak图1-3O2leak在gate电极处应用的示意图33Furnace工艺简介2.非晶硅(AmorphousSi)成长成长时不具有方向性,Si原子呈不规则排列.使用的反应气体:Si2H6反应式:Si2H6->2Si+3H2↑工艺条件:淀积温度-约500℃真空度-约0.2Torr(26.7Pa)主要特征:1.与polysilicon所述特征一样;2.α-Si成长后经过退火(Anneal)后的晶粒大小较polysilicon的要小;3.表面比polysilicon光滑,粗糙度较低.34Furnace工艺简介主要用途:1.低温薄膜晶体管(TFT:ThinFilmTransistor)[*1],TFTtransistor的gate电极,body部使用见图1-4.图1-4TFTTransistor结构图35Furnace工艺简介3.DOPOS(DopedPolysilicon的简写)DOPOS的工艺是在进行非晶硅成长时搀入磷的一种工艺.由于在生长非晶硅的同时,掺杂了P,所以对于原先在POLY-SI生长后进行P注入或扩散来说,具有工程简化的优点。使用的反应气体:SiH4,PH3,O2,ClF3,(In-situCleaning时使用)反应式:SiH4+PH3->Si+P+3H2↑工艺条件:淀积温度-约530℃真空度-约1.8Torr(240Pa)主要特征:1.不需要进行P注入或是P扩散,工程简化;2.通过热处理后,由于晶格重新排列,由于P原子被排入硅原子的阵列中,导致其可动电子增加,最终降低电阻;3.由于其成长的膜为非晶硅态,在其后面的工程必须要有热处理的过程,让其再结晶.36Furnace工艺简介主要用途:1.栅极(gate)或电容(capacity)的电极;2.配线(gatetogate)或电阻.O2leak的作用:除了和Poly-Silicon一样的控制晶粒大小的作用以外,还有一个重要的作用是防止P穿透栅氧化膜及电容氮化硅(O2LEAK层就如同一层挡板)->防止P穿透37Furnace工艺简介4.HSG成长HSG就是HemiSphericalGrainedSilicon的简写,这是一种半球状的结晶,如图1-5所示.图1-5HSG膜的SEM照片38Furnace工艺简介使用的反应气体:SiH4反应式:SiH4->Si+2H2↑工艺条件:淀积温度-约560℃真空度-成核STEP约5.0E-6Torr退火STEP约1.1E-7Torr主要特征:1.是一种半导体膜;2.电容极板的表面积增大,引起电容增加.电容=介质膜的介电常数×介质膜的表面积/绝缘膜的厚度主要用途:1.电容(capacity)的电极.39Furnace工艺简介5.HTO(highTemperatureOxide的简称)HTO就是指高温氧化膜,目前还有温度略低一点的叫做MTO-中温氧化膜.使用的反应气体:SiH4,N2O(通常被称为MS-HTO)DCS,N2O(通常被称为DCS-HTO)反应式:SiH4+2N2O->SiO2+2N2↑+2H2↑工艺条件:淀积温度-约790℃～800℃真空度-约0.7～0.9Torr主要特征:1.是一种绝缘膜;2.台阶覆盖率比常压的要好的多;3.若SiH4与N2O的比值下降则其折射率会升高,HTO的膜中Si没有完全被氧化,当中还有部分的Si存在.4.MS-HTO的膜厚面内均一性较差,所以采用一种叫Ring-boat的小舟,降低其周边膜厚,改善其面内均一性.但由于采用了这种舟,其每炉处理量较少,所以Throughput较低.40Furnace工艺简介主要用途:1.gate电极的侧墙(SideWall),通常用在LDDTransistor上,见图1-6所示;2.层间绝缘膜(Al配线前的工程中使用).图1-6LDDTransistor形成过程41Furnace工艺简介6.NSG成长(NondopedSilicateGlass的简称)这是一种用TEOS热分解形成的不搀杂氧化膜.使用的反应气体:TEOS(Tetraethyl

Orthosilicate,四乙基正硅酸盐),O2反应式:Si(OC2H5)4+12O2->SiO2+8CO2↑+3H2O↑Si(OC2H5)4->SiO2+4C2H4↑+2H2O↑工艺条件:淀积温度-约690℃真空度-约0.5Torr～1.1Torr(66.7Pa～146.7Pa)主要特征:1.属于一