化学气相沉积与介电质薄膜

1、Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm1化學氣相沉積與介電質薄膜Hong Xiao, Ph. Dwww2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmHong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm2目標 辨別至少四種化學氣相沉積的應用 描述化學氣相沉積製程的流程 列出兩種沉積區間並說明他們與溫度之間的關係 列出兩種介電質薄膜 列舉最常使用在介電質化學氣相沉積的矽源材料Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.u

2、s/HongXiao/Book.htm3CVD 氧化層 vs. 加熱成長的氧化層熱成長薄膜沉積薄膜矽裸片晶圓SiO2SiO2SiSiSiHong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm4CVD 氧化層vs. 加熱成長的氧化層加熱成長加熱成長 氧來自氣相的氧 矽來自基片 薄膜成長氧進入基片 品質較高CVD 氧和矽都來自氣相 沉積在基片表面 溫度較低 成長速率較高Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm5介電質薄膜的應用 多層金屬連線中當做電器隔離的介電質層 CVD

3、和自旋塗佈介電質加上CVD介電質 淺溝槽絕緣 (STI) 多晶金屬矽化物匣即會形成側壁空間層，這是形成低摻雜汲極( LDD)和擴散緩衝層所需要的 鈍化保護介電質層 (PD) 當圖形尺寸小於 0.25 mm，自旋塗佈介電質抗反射層鍍膜(ARC)就不符合解析度需求Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm6介電質薄膜的應用 很多公司用介電質層(interlayer dielectric；ILD)代表金屬層間介電質層, 包含金屬沉積前的介電質層(PMD)和金屬層間介電質層(IMD)金屬沉積前的介電質層: PMD 通常使用摻雜氧化物

4、PSG 或 BPSG 溫度受熱積存限制 金屬層間介電質層: IMD 使用USG 或 FSG 通常在溫度400 C沉積Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm7氧化矽氧化矽氮化矽氮化矽USGWP型晶圓型晶圓N型井區型井區P型井區型井區BPSGp+p+n+n+USGWMetal 2, AlCuP型磊晶層型磊晶層金屬金屬 1, AlCu AlCuSTISTIPMD 或 ILD1IMD 或 ILD2ARCPD1PD2側壁空間層WCVDTiN CVD介電質薄膜在CMOS電路的應用Hong Xiao, Ph. D.www2.austin

5、.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm8介電質製程對一個使用STI的N層金屬連線積體電路晶片而言，最小的介電層數量為:介電質層 =1+ 1 + 1 + (N-1) + 1 = N + 3STI側壁空間層PMD IMDPDHong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm9化學氣相沉積(CVD) 化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition) 化學氣體或蒸氣和晶圓表面的固體產生反應，在表面上以薄膜形式產生固態的副產品，其他的副產品是揮發性的會從表面離開. Hong Xiao, Ph. D.www2.a

6、ustin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm10CVD應用 薄膜薄膜 源材料源材料 Si (多晶) SiH4 (矽烷) 半導體半導體 SiCl2H2 (二氯矽烷；DCS) Si (磊晶) SiCl3H (三氯矽烷；TCS) SiCl4 (四氯矽烷；Siltet) LPCVD SiH4, O2 SiO2 (玻璃) PECVD SiH4, N2O 介電質介電質 PECVD Si(OC2H5)4 (四乙氧基矽烷，TEOS), O2 LPCVD TEOS APCVD&SACVDTM TEOS, O3 (ozone) Oxynitride SiH4, N2O, N2, NH3

7、 PECVD SiH4, N2, NH3 Si3N4 LPCVD SiH4, N2, NH3 LPCVD C8H22N2Si (BTBAS) W (鎢) WF6 (六氟化鎢), SiH4, H2 WSi2 WF6 (六氟化鎢), SiH4, H2 導體導體 TiN TiN (CH3) 24 (TDMAT) Ti TiCl4 Cu Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm11化學氣相沉積 氣體或是氣相源材料引進反應器內 源材料擴散穿過邊界層並接觸基片表面 源材料吸附在基片表面上 吸附的原材料再基片表面上移動 在基片表面上開始化

8、學反應 固態副產物在基片表面上形成晶核 晶核生長成島狀物 島狀物合併成連續的薄膜 其他氣體副產品從基片表面上脫附釋出 氣體副產品擴散過邊界層 氣體副產品流出反應器.Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm12CVD製程步驟晶圓反應物副產品氣體噴嘴晶圓座源材料強制對流區 邊界層 Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm13沉積製程源材料到達晶圓表面源材料在表面移動源材料在表面反應成核作用：島狀物形成Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.c

9、c.tx.us/HongXiao/Book.htm14沉積製程島狀物成長島狀物成長，橫截面圖島狀物合併連續薄膜Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm15CVD製程 APCVD：常壓化學氣相沉積法 LPCVD：低壓化學氣相沉積法 PECVD ：電漿增強型化學氣相沉積法Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm16常壓化學氣相沉積法(APCVD) CVD製程發生在大氣壓力常壓下 APCVD 製程用在沉積二氧化矽和氮化矽 APCVD臭氧四乙氧基矽烷(O3-TEO

10、S)的氧化物製程被廣泛的使用在半導體工業上，尤其是在 STI 和 PMD的應用 傳送帶系統需要臨場對輸送帶清潔Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm17加熱器晶圓N2N2製程氣體排氣晶圓輸送帶輸送帶清潔裝置APCVD反應器示意圖Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm18問 一個半導體製造商在海岸線旁有它自己的研發實驗室，而其製造廠在一個高海拔的高原。研發實驗室所發展的製程卻無法被直接應用在特定的製造廠，為什麼?Hong Xiao, Ph. D.www2

11、.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm19答 在一個高海拔的高原上，常壓要比海平面低很多。早期的APCVD反應器沒有一個壓力控制系統，所以研發室與製造廠的製程狀況有極大的差異，在研發室成效極佳的製程未必能在製造廠運作良好。Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm20低壓化學氣相沉積法(LPCVD) 較長的平均自由路徑 好的階梯覆蓋和均勻性 晶圓垂直裝載 較少粒子和提高生產力 和氣體流量的相關性較少 垂直和水平的高溫爐Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/Ho

12、ngXiao/Book.htm21水平式 傳導-對流加熱LPCVD 適合水平高溫爐管 低壓: 從 0.25 到 2 托 最主要使用多晶矽、二氧化矽和氮化矽薄膜 每批量可處理200片晶圓Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm22低壓化學氣相沉積系統加熱線圈石英管至真空幫浦壓力計製程氣體入口晶圓裝載門晶圓中心區均溫區距離溫度晶舟Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm23電漿增強型化學氣相沉積(PECVD) 發展氮化矽取代二氧化矽做為鈍化氧化層. 相對低溫下

13、有高的沉積速率. 射頻在沉積氣體中感應電漿場 射頻控制沉積薄膜的應力 反應室電漿清洗.Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm24製程反應室製程反應室副產品被幫浦抽走加熱板晶圓電漿RF功率產生器電漿增強型化學氣相沉積(PECVD)Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm25階梯覆蓋 對沉積薄膜在基片表面再產生之階梯的斜率所做的一種量測 一種重要的規格 側壁階梯覆蓋 底部階梯覆蓋 似性型(Conformality) 懸突(Overhang)Hong Xiao

14、, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm26階梯覆蓋性與似型性abcd基片結構CVD 薄膜側壁階梯覆蓋 = b/a 底部階梯覆蓋 = d/a似型性 = b/c 懸突 = (c - b)/b深寬比 = h/whwHong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm27影響階梯覆蓋的因素 源材料的到達角度 源材料的表面遷移率Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm28到達角度ABC27090180Hong Xiao, P

15、h. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm29到達角度 角 A: 270, 角 C: 90 角 A 有較多的源材料 較多的沉積 形成懸突 懸突會在間隙內部形成空洞或鎖眼Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm30空洞形成的步驟金屬介電質介電質介電質空洞金屬金屬Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm31到達角度的控制 改變壓力 當源材料的平均自由路徑比間隙深度還要長時，可有效減少到達角度Hong Xiao, Ph

16、. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm32階梯覆蓋性與壓力和表面遷移率的關係APCVD 無遷移率LPCVD 無遷移率 高遷移率Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm33矽PSG氮化矽較大到達角度較小到達角度到達角度, 接觸窗孔Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm34間隙填充 無空洞間隙填充 空洞: 引生缺陷和可靠度的問題 沉積/蝕刻/沉積 矽烷和臭氧-四乙氧基矽烷氧化物薄膜 似型性沉積 O3-四乙氧基矽烷

17、和鎢CVD 高密度電漿 CVDHong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm35間隙填充 PMD: 對空洞是零容限(zero tolerance) 鎢可以沉積進入空洞之中 引發短路 IMD: 金屬表面下的空洞是可容許的 減少金屬線之間的 k 製程氣體被捕捉並引起可靠性的問題Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm36PMD製程的空洞金屬矽化物空洞金屬矽化物俯視圖W CVD沉積之前接觸窗孔側壁空間層Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.t

18、x.us/HongXiao/Book.htm37匣極間不想出現的鎢線金屬矽化物鎢金屬矽化物俯視圖俯視圖W CVD沉積後鎢栓塞側壁空間層Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm38沉積/蝕刻/沉積AlCuAlCuAlCuUSGUSGUSG沉積沉積蝕刻Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm39似型性沉積間隙填充Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm40似型性沉積間隙填充Hong Xiao

19、, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm41似型性沉積間隙填充Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm42金屬金屬金屬金屬金屬金屬金屬l金屬金屬高密度電漿CVD間隙填充Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm43表面吸附 決定源材料表面遷移率 影響階梯覆蓋性和間隙填充 物理吸附 (physisorption) 化學吸附 (chemisorption)Hong Xiao, Ph. D.www2.austin

20、.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm44化學吸附 吸附的源材料分子和表面形成一個實際的化學鍵 鍵結能量通常超過2 eV 表面遷移性很低 PECVD 製程的離子轟擊(10 to 20 eV)可以提供足夠的能量打斷化學鍵，將源材料從表面釋放Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm45物理吸附 源材料和表面間吸附的力量屬弱鍵能 鍵能通常小於0.5 eV 氫鍵 凡得瓦力 離子轟擊和攝氏400 C 的加熱都能提供足夠能量，造成物理吸附的遷移 較高的表面遷移率Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.c

21、c.tx.us/HongXiao/Book.htm46至基片表面的距離 束縛能積片表面化學吸附源材料物理吸附源材料吸附Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm47介電質CVD 源材料 矽烷 (SiH4) 四乙氧基矽烷 (tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS ,Si(OC2H5)4)Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm48CVD 源材料: 矽烷 介電質 CVD PECVD 鈍化作用的介電質沉積 PMD 阻擋用氮化矽層 介電質抗反射層鍍

22、膜 (DARC) 高密度電漿CVD氧化物製程 LPCVD 多晶矽與氮化矽 金屬CVD W CVD製程的鎢成核步驟 WSix 矽化物沉基的矽源Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm49介電質CVD 源材料: 矽烷 自燃性的 (自己會燃燒), 易爆的, 以及有毒的 打開沒有徹底吹除淨化的矽烷氣體管路，可能引以火災或是小爆炸，並形成微細的二氧化矽粒子使氣體管路佈滿灰塵Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm50HSiHHHSiHHHH矽烷分子結構Hong Xi

23、ao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm51CVD源材料吸附: 矽烷 矽烷分子完全對稱的四面體 不會形成化學吸附或物理吸附 矽烷高溫分解或電漿分解的分子碎片, SiH3, SiH2, or SiH, 很容易與基片表面形成化學鍵 表面遷移率低, 通常會產生懸突和很差的階梯覆蓋Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm52CVD 源材料吸附:四乙氧基矽烷 (TEOS) 四乙氧基矽烷 (tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS ,Si(OC2H5)4) 大型有機

24、分子 TEOS分子不是完整對稱的 可以與表面形成氫鍵並物理吸附在基片表面 表面遷移率高 好的階梯覆蓋、似型性 與間隙填充 廣泛使用在氧化物的沉積上Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm53SiHHHHHHHHCCOOHHHHCCCCOCCOHHHHHHHHTEOS分子結構Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm54TEOS的應用 淺溝槽絕緣,側壁空間層, PMD 和 IMD 大部分的介電質 CVD製程都是以 TEOS為基礎的氧化物製程Hong Xiao,

25、 Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm551310301001020 30 40 50 60 70 80 90 100 110蒸氣壓 (托)溫度 (C)131030100TEOS蒸氣壓Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm56TEOS輸送 室溫是液體，海平面沸點是168 C 用水做參考，水 (H2O)在海平面的沸點是100 C 需要用特殊的輸送氣體將其蒸氣送進製程反應室 熱沸式, 氣泡式, 和注入式系統Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.

26、us/HongXiao/Book.htm57MFC製程反應室幫浦TEOS橫溫烤箱加熱氣體管線加熱抽氣管線熱沸式系統Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm58液態 TEOS橫溫烤箱MFCMFM製程反應室幫浦載氣載氣氣泡加熱氣體管線氣泡式系統Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm59LFC製程反應室幫浦MFC載氣注入閥液態TEOS加壓氣體液態TEOS流動加熱氣體管線, TEOS蒸氣和載氣注入式系統Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.c

27、c.tx.us/HongXiao/Book.htm60黏附係數 源材料原子和基片表面產生一次碰撞的過程中，能與基片表面形成一個化學鍵並被表面吸附的機率 藉著比較在一個有100% 黏附係數的平坦表面上所算出的理論沉積速率，以及在表面上所量測到的真實沉積率，就可以計算出黏附係數Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm61黏附係數源材料源材料黏附係數黏附係數SiH43x10-4至3x10-5SiH30.04 至 0.08SiH20.15SiH0.94TEOS10-3WF610-4Hong Xiao, Ph. D.www2.aust

28、in.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm62TEOS矽烷TEOS和矽烷所成長的二氧化矽階梯覆蓋性Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm63問 為什麼我們不使用TEOS當作氮化矽沉積的矽來源氣體以獲得較好的階梯覆蓋？Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm64答 TEOS分子中，矽原子與四個氧原子鍵結。要將所有的氧原子剝離而使矽只與氮鍵結幾乎是不可能的。因此TEOS主要是用在氧化物沉積上，而氮化物沉積通常是用矽烷當作矽的來源氣體Hong

29、Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm65化學反應速率DHEa源材料副產品C.R. = A exp (-Ea/kT)Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm66沉積速率的區間 1/Tln D.R.質量傳輸控制區間表面反應限制區間斜率 = -Ea/k氣相成核區間Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm67表面反應控制區間 化學反應速率無法與源材料的擴散以及吸附速率配合；源材料會累積在基片表面上並等

30、待反應. D.R. = C.R. B C 沉積速率對溫度是非常敏感的Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm68質量傳輸控制區間 當表面化學反應速率夠高時，化學源材料會在它們吸附於基片表面上就立即產生反應 沉積速率 = D dn/dx B C 沉積速率對溫度並不敏感 主要由氣體的流量所控制Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm69 溫度沉積速率沉積速率對溫度不敏感沉積速率對溫度極為敏感沉積速率與溫度的關係Hong Xiao, Ph. D.www2.aus

31、tin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm70CVD反應器沉積區間 大部分單晶圓製程反應器都是設計在質量傳輸控制區間操作 控制氣體流量比控制晶圓溫度來的容易 電漿或不穩定的化學反應物(像是臭氧)也會在低溫時達到質量傳輸控制區間所要求的高反速化學反應速率Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm71介電質薄膜的應用 淺溝槽絕緣 (STI, USG) 側壁空間層 (USG) 金屬沉積前的介電質層(PMD, PSG 或 BPSG) 金屬層間介電質層 (IMD, USG 或 FSG) 抗反射層鍍膜 (ARC, SiO

32、N) 鈍化保護介電質層 (PD, Oxide/Nitride)Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm72介電質CVD,氧化矽與氮化矽的特性氧化矽氧化矽 (SiO2)氮化矽氮化矽 (Si3N4)高介電強度, 1 x 107 V/cm高介電強度, 1 x 107 V/cm低介電常數, k = 3.9高介電常數, k = 7.0紫外線可穿透氮化物紫外線無法穿透可以被P或B摻雜對水氣與可移動離子的阻擋性不佳(Na+)對水氣與可移動離子的阻擋性佳(Na+)Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/H

33、ongXiao/Book.htm73淺溝槽絕緣(STI)成長襯墊氧化層沉積氮化矽蝕刻氮化矽，氧化矽與矽基片成長阻擋氧化層 CVD USG 溝槽填充CMP USGUSG 退火SiSiSiSiSi剝除氮化矽與氧化矽USGUSGUSGHong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm74淺溝槽絕緣 (STI)Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm75側壁空間層形成基片多晶矽匣極二氧化矽基片多晶矽匣極二氧化矽側壁空間層低摻雜汲極 (LDD)自我對準的金屬矽化物製程 (Sa

34、licide)Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm76金屬沉積前的介電質層(PMD) 摻雜的氧化物 PSG 或 BPSG 磷： 捕捉可移動的鈉離子以及減少矽玻璃的加熱回流溫度. 硼：可以進一步減低再流動的圓滑溫度而磷的濃度不會過量Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm77鈉離子在MOSFET中的影響源極汲極p-Sin+n+金屬匣極SiO2源極汲極p-SiVDVG = 0正常下是關閉的MOSFET金屬匣極薄氧化層VD 0VG = 0+ + + + +

35、+ + +- - - - - - - -電子流鈉離子電子MOSFET被鈉離子打開n+n+Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm78金屬沉積前的介電質層(PMD) 磷越低,再流動的溫度越低 磷濃度太高(7wt% ), 高吸水性的表面產生化學反應P2O5 + 3H2O 2H3PO4 H3PO4 蝕刻鋁導致金屬腐蝕 硼濃度太高將生成硼酸晶體(H3BO3) 摻雜物上限, P% + B% 2 mm PSG 再流動圓滑 1100。C 2 - 0.35 mm BPSG 再流動圓滑 850 - 900。C 0.25 mm BPSG 再流動

36、圓滑+ CMP 750。C 0.18 mm PSG CMP - Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm85晶圓尺寸 (mm)0.80.51500.350.250.18200300PE-TEOS BPSG熱回流 或 RTP/CMPO3-TEOS PSG + PE-PSGCMPHDP PSG + PE-PSGCMPLPCVD BPSGO3-TEOS BPSG圖形尺寸 (mm)19951998199219892000年代熱回流APCVD 矽烷 BPSG低介電係數介電質CMPPMD發展的路徑圖Hong Xiao, Ph. D.ww

37、w2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm86金屬層間介電質層(IMD) 金屬層間介電質 未摻雜的矽玻璃 (USG) 或 FSG 自旋塗佈氧化矽(SOG) 間隙填充和平坦化 溫度受限於鋁金屬熔化 通常是 400 C 電漿增強-四乙氧基矽烷, 臭氧-四乙氧基矽烷 和 高密度電漿Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm87四乙氧基矽烷(TEOS) 四乙氧基矽烷,Tetraethyloxysilane, Si(OC2H5)4 液態的矽源 通常用在SiO2 沉積 好的階梯涵蓋性和間隙填充SiHHHHHH

38、HHCCOOHHHHCCCCOCCOHHHHHHHHHong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm88電漿增強-四乙氧基矽烷(PE-TEOS) 電漿增強 TEOS CVD 製程 TEOS 和 O2 經常用在介電質CVD製程 在攝氏400 C 沉積 USG 主要在金屬層間介電質層(IMD)Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm89金屬金屬 3金屬金屬 4金屬層間介電質金屬層間介電質3金屬層間介電質金屬層間介電質2自旋塗佈氧化矽 (SOG) 製程Hong Xiao

39、, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm90電漿增強-四乙氧基矽烷(PE-TEOS) 電漿增強-TEOS 濺射蝕刻 電漿增強-TEOS照片來源: Applied MaterialsHong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm91臭氧-四乙氧基矽烷(O3- TEOS) TEOS 和臭氧 O3 O2 + O (22 C半衰期: 86 hours， 400 C半衰期 3000 模態角度的差異以可以決定薄膜的厚度Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us

40、/HongXiao/Book.htm106厚度測量 介電質薄膜製程最重要的測量 決定 薄膜沉積速率 濕式蝕刻速率 薄膜收縮Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm107介電質薄膜厚度測量 t21基片介電質薄膜, n(l)入射光人眼或光檢測器Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm108介電質薄膜厚度測量 不同的厚度會有不同的色彩 傾斜的晶圓也會改變顏色Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.h

41、tm109問 假如你在一個CVD介電質層的晶圓上看見一個美麗的色環，你的結論是什麼?Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm110答 色彩的改變表示介電質薄膜厚度的改變；因此我們可以知道有色環的薄膜必有厚度均勻性的問題，而這最有可能的原因是由於非均勻性的薄膜沉積製程所引起的Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm111問 為什麼晶圓的薄膜從不同角度察看，色彩會有所改變?Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXi

42、ao/Book.htm112答 當我們從不同的角度察看晶圓，相位也會改變，建設性干涉的波長將會不同，這會引起色彩變化 當使用色彩對照表來量測薄膜厚度時，將晶圓直握是很重要的 傾斜的晶圓會使得薄膜看起來似乎比真實的還厚一點Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm113反射光分光計 測量不同波長的反射光強度 從反射光的強度與光線波長之間的關係計算薄膜的厚度. 光感測器在偵測光譜的強度與波長時要比人類的眼睛更為敏感 反射光分光計可以得到較高的解析度而獲得精確的厚度量測Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.

43、tx.us/HongXiao/Book.htm114l1l2l3358417476535594653712771折射率 (%)05101520253035404550波長 (nm)建設性干涉破壞性干涉ntmm21111-ll反射率與波長的關係Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm115反射光分光計示意圖基片UV 燈感測器薄膜Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm116問 很多先進的量測薄膜厚度的工具允許使用者選擇膜膜的折射率。假如有人不小心選擇PE-T

44、EOS USG薄膜的折射率來量測O3-TEOS USG薄膜的厚度，有什麼會影響量測結果?Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm117答 因為nt 通常是結合在一起的 錯的的折射率n 將會引起不正確的厚度量測 O3-TEOS USG 通常是多小孔的多孔薄膜，折射率約1.44 比PE-TEOS USG薄膜的折射率 1.46 稍低 所測量的 O3-TEOS薄膜厚度將會比實際的值稍為薄一些Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm118沉積薄膜厚度沉積時間 沉積速

45、率, DR = 沉積速率Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm119CVD薄膜厚度變化量 濕式蝕刻速率比例 = 加熱成長的二氧化矽薄膜厚度變化量蝕刻前厚度蝕刻後厚度 濕式蝕刻速率 = 蝕刻時間濕式蝕刻速率Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm120均勻性 多點測量 定義 平均: 標準差: 非均勻性標準差: s/xNxxxxxN 3211)()()()(2232221- -NxxxxxxxxNsHong Xiao, Ph. D.www2.austin.c

46、c.tx.us/HongXiao/Book.htm121應力 應力是不同材料間的不匹配所造成 有兩種不同的應力：本質應力(intrinsic)和異質應力(extrinsic) 本質應力是在薄膜成核與成長製程期間產生的 異質應力則是因為薄膜與基片間的熱膨脹係數不同而造成的 張力: 假如太大會引起薄膜破裂 收縮力: 太強會形成尖突現象Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm122裸晶圓薄膜沉積後收縮式應力負曲率伸張式應力正曲率基片基片基片薄膜應力Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/Hong

47、Xiao/Book.htm123熱應力 SiO2SiDLSiO2Si在攝氏400度室溫下L DL = a DT LHong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm124熱膨脹係數a(SiO2) = 0.510-6 C-1a(Si) = 2.510-6 C-1a(Si3N4) = 2.810-6 C-1a(W) = 4.510-6 C-1a(Al) = 23.210-6 C-1Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm125應力測量)11(61122RRthE-s量測

48、晶圓曲率在薄膜沉積前後的改變量計算出來雷射光掃描晶圓表面，反射光標釋出晶圓的曲率Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm126雷射面鏡感測器應力測量Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm127介電質CVD 製程 加熱矽烷的 CVD 製程 加熱 TEOS CVD 製程 PECVD矽烷製程 PECVD TEOS製程 介電質回蝕刻製程 O3-TEOS製程 自旋塗佈矽玻璃 高密度電漿 CVDHong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.u

49、s/HongXiao/Book.htm128加熱矽烷的CVD製程 矽烷通常在APCVD 和LPCVD製程中，被使用在二氧化矽的沉積上 加熱SiH4 + 2 O2 SiO2 + 2 H2O APCVD 通常使用稀釋的矽烷 (在氮中佔3%) 和 LPCVD 使用純矽烷 先進製程已較少使用Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm129加熱TEOS CVD 製程 TEOS：物理吸附，高表面遷移率 TEOS 薄膜有較好的階梯覆蓋性 在高溫時LPCVD TEOS會分解形成二氧化矽 700 CSi(OC2H5)4 SiO2 + 揮發性有機

50、物 使用TEOS與TMB和TMP，來沉積BPSG以作為PMD的應用 溫度太高無法用在IMD應用的USG沉積上Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm130PECVD 矽烷製程 矽烷和 N2O (笑氣) 電漿中分解形成SiH2 和 O 自由基很快的反應形成二氧化矽 電漿 SiH4 + N2O SiOxHy + H2O + N2 + NH3 + 加熱 N2O會過量，因此沉積速率主要是矽烷的流量控制Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm131問 我們可以使用過

51、量矽烷並以N2O的流量來控制沉積速率嗎?Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm132答 理論上我們可以，但是實際上，沒有人會這樣嚐試 因為這樣做很危險而且沒有成本效益 過量的矽烷可能會引起有危險性的火災與爆炸 而且矽烷要比N2O來的貴Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm133鈍化保護作用: 氮化矽 氮化矽對濕氣和可移動離子是一個很好的阻擋層 PECVD氮化矽被用在這個製程中 低沉積溫度 (450C) 高沉積速率 矽烷， 氨氣，和氮氣 電漿SiH4 +

52、 N2 + NH3 SiNxHy + H2 + N2 + NH3 + 加熱 需要有好的階梯覆蓋性，高沉積速率，好的均勻性與應力控制Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm134鈍化保護介電質沉積 穩定期 1 (穩定的壓力) 氧化矽沉積 (作為氮化矽應力緩衝) 幫浦(氣體抽離) 穩定期 2 (穩定的壓力) 氮化矽沉積 (鈍化保護層) 電漿清潔 (除去 SiH4) 反應室氣體抽離Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm135EPROM 鈍化保護介電質 需要一個

53、紫外線可穿透的鈍化保護層 紫外線可以抹除記憶體訊號 氮氧矽化合物 (SiOxNy) 通常被使用 源氣體: SiH4, N2, NH3, 和 N2O 電漿 SiH4 + N2 + NH3 + N2O SiOxNy + H2O + N2 + 加熱 具有介於氧化物與氮化矽之間的特性 UV 穿透率高，相當好的阻擋層Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm136PMD阻擋層 PSG 或 BPSG需要一個擴散阻擋層 USG (需要厚度 1000 ) LPCVD 氮化矽，在攝氏700 C (厚度 300 ) PECVD 氮化矽，在攝氏55

54、0 C (厚度200 ) 在較高的溫度, PECVD氮化矽薄膜有較高的沉積速率，較低的氫濃度以及較好的薄膜品質 未來的可能性: 遙控電漿 CVDHong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm137介電質抗反射層鍍膜(D-ARC) 為了在微影技術製程中達到高的解析度 抗反射層用來減少來自鋁和多晶矽表面的高反射率 金屬的 ARC層: TiN, 反射係數大約為30% 到 40% 無法滿足導線線寬小於0.25 mm時，微影技術的解析度要求 介電質ARC層用來 在光阻塗佈之前自旋塗佈 CVDHong Xiao, Ph. D.www2.aus

55、tin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm138 t21鋁合金介電質 ARC, n, k紫外線 (l)光阻D = 2nt = l/2介電質抗反射層鍍膜Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm139介電質抗反射層鍍膜 PECVD 矽烷製程 N2O 作為氧和氮的來源氣體 電漿SiH4 + N2O + He SiOxNy + H2O + N2 + NH3 + He + 加熱Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm140電漿增強-四乙氧基矽烷(P

56、E-TEOS) 通常使用在介電質CVD製程 快 好的均勻性 好的階梯覆蓋性 主要用在IMD製程 Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm141電漿增強-四乙氧基矽烷(PE-TEOS) USG製程 電漿Si(OC2H5)4 + O2 SiO2 + 其他揮發性副產品 400 C FGS 製程 電漿FSi(OC2H5)3 + Si(OC2H5)4 + O2 SiOxFy +其他揮發性副產品 (FTES) (TEOS) 加熱 (FSG)Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Bo

57、ok.htm142 SiO2 SiOxFy (FSG) SiF4 固體 固體 氣體 k = 3.9 3.8 k 3.2 k 1 k較高F較少 F較多 K較低,F易逸氣 FSG的製程趨勢Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm143介電質回蝕刻製程 間隙填充和平坦化 在薄膜區域和DCVD製程同時進行 群集工具 臨場 沉積/蝕刻/沉積 製程Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm144沉積沉積蝕刻金屬臨場 沉積/蝕刻/沉積 製程CDBA機械手臂晶舟處理室 傳送

58、室CVD 成長反應室濺射蝕刻反應室濺射蝕刻反應室Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm145濺射去除間隙角落處的薄膜Ar+Ar+Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm146問 為什麼濺射蝕刻製程通常使用氬氣當作製程氣體?Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm147答 惰性、很重，且廉價 與矽的28和氦的4比較，氬的原子量是40, 氬氣是地球大氣成份中含量第三多的氣體 ( 1%)僅次

59、於氮 (78%) 和氧 (20%) 可以直接從濃縮的空氣中純化Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm148濺射蝕刻反應室示意圖製程氣體電漿反應室副產品被幫浦抽走夾盤RF功率 磁場線圈Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm149回蝕刻反應 使用CF4 和 O2 重離子轟擊和化學反應的組合 應用 介電質表面的平坦化 SOG回蝕刻Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm1502 mm PE

60、-TEOS 氧化矽沉積1 mm平坦化回蝕刻平坦化回蝕刻製程反應Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm151O3-TEOS製程 臭氧是非常不穩定的分子, O3 O2 + O 在攝氏400 C， O3的半衰期 : 1ms 作為氧自由基的載體 臭氧和TEOS反應形成氧化矽 極好的似型性和間隙填充能力 應用在次微米IC晶片的介電質薄膜沉積 常壓CVD(APCVD) 和 次常壓CVD(SA-CVD)Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm152 電漿O2 O + OO +