CVD工艺简介.doc

.1LPCVD（低压CVD）一、LPCVD工艺简介LPCVD（LowPressureChemicalVaporDeposition）：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，重新抽真空回冲N2到常压出炉。二、低压化学气相淀积Si3N4 LPSi3N4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 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：NH3+DCS（SiH2Cl2）。这两种气体的反应生成的Si3N4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。 反应式：3SiH2Cl2+4NH3=Si3N4+6HCl+6H2NH3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，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+1175ASIN和400A的氧化层+1500ASIN，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；C-3上的SiH4由injector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上淀积多 晶的反应压力为200MT,C-3上淀积多晶的反应压力为270MT。 三、低压沉积TEOS LPTEOS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（OC2H5）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（OC2H5）4SiO2+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-layerdiffusion)，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-phaseprocess)，另一类是表面反应(surfaceprocess)。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(concentrationgradient)。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270MT 600-700SemiconductorCo.,Ltd. 半导体有限公司 Title：工艺培训 9速率限制(surface-reactionlimited)，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-transportlimited)。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(activationenergy)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TENCOR6420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LPSIN30A/MIN；LPTEOS50A/MIN；LPPOLY70A/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3SIGMA以内。 5.5折射率通过折射率的检查，我们可以分析LPSi3N4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 6.1LPCVD炉管工艺中断 对策：1根据提示的中断信息，找出中断的真正原因； 2根据具体情况，确定返工