炉管工艺.docx

1、炉管工艺 炉管工艺 引言 IC行业所用的炉管目前主要是垂直式的（水平式的已经很少用了），按使用压力不同分为常压炉管和低压炉管。常压炉管主要用于热氧化制程，热退火，BPSG热回流，热烘烤，合金等诸方面。低压炉管则主要用于LPCVD沉积工艺，包括多晶硅的形成，氮化硅的形成，HTO和TEOS等；HTO和TEOS都是用来生成二氧化硅的。本篇主要介绍炉管的基本知识及有关工艺。 1.常压炉管工艺 硅表面上总是覆盖着一层二氧化硅，即使是刚刚解理的硅，在室温下，只要 在空气中一暴露就会在表面上形成几个原子层的氧化膜。当我们把硅晶片暴露在高温且含氧的环境里一段时间之后，硅晶片的表面会生长（grow）一层与硅附着

2、性良好，且具有高度稳定的化学性和电绝缘性的二氧化硅SiO。正因为二氧2化硅具有这样好的性质，它在硅半导体元件中的应用非常广泛。根据不同的需要，二氧化硅被用于器件（device）的保护层和钝化层，以及电性能的隔离，绝缘材料和电容器的介质膜等。二氧化硅除了可以用硅晶片加热的方法来制备外，还可以用各种化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）来获得，如LPCVD(Low Pressure CVD)及PECVD(Plasma Enhance CVD)等。选择那一种方法来制备二氧化硅层，与元件的制程(Process)有相当大的关系。本章我们介绍热氧化制程(Thermal Oxid

3、ation )。 1.1二氧化硅的结构 SiO是自然界广泛存在的一种物质。按结构特点可分为结晶形（crystal）和2非结晶形（无定形amorphous）。方石英、鳞石英、水晶等都属于结晶形的SiO。2在集成电路生产中经常采用热氧化制备的SiO，是无定形的，它是一种透明的2玻璃体。 无论是结晶形，还是无定形二氧化硅，都是由Si-O四面体组成的，如图1.1所示。四面体的中心是硅原子，四个顶角是氧原子。从顶角上的氧到中心的硅，再到另一个顶角上的氧，称为O-Si-O桥。O-Si-O桥的键角为109.50。相邻的Si-O四面体是靠Si-O-Si桥连接着，对无定形SiO而言，Si-O-Si的角度是不固2

4、 之间。180120定的，一般分布在 也是由SiO结晶形SiO是由Si-O四面体在空间规则排列所构成。无定形22四面体在空间的排列没有一定规律。其中，Si-OSi-O四面体构成的，但是这些四面体中心的硅形成共价键，但也有一部分Si-O大部分氧也都是与相邻的两个四面体的氧称为桥Si-O氧只与一个Si-O四面体中心的硅形成共价键。连接两个的氧大部分是桥联氧，SiO联氧，只与一个硅连接的氧称为非桥联氧。无定形的2四面体无规则地连接起来，构成三维的整个无定形SiO就是依靠桥联氧把Si-O2分子只占无定形网络空间玻璃网络体。网络是疏松的，不均匀，存在空洞。SiO233。的密度为2.65g/cm体积的43

5、%左右，密度为2.15-2.25g/cmSiO，而结晶形2 没有固定的熔点，一般在1700开始软化。无定形SiO2 1.2氧化原理 氧化层的生长1.2.1. SiO Si + O( Dry oxidation) 2(s)2(g)(s)Si + 2HO SiO + 2H (wet oxidation) 2(g)2(s)2(s) 当硅置于含氧气的环境下，氧分子将通过一层边界层（Boundary Layer）到达硅的表面，并与硅原子反应生成SiO1( 1. B.E.Deal and A.S.Grove,Journal of 2所示。当原来纯净的硅表面长出1-2。如图ol.36,1965,p.3770

6、.)VPhysics, Applied SiO之后，以形成的SiO层阻止了氧化剂与Si表面的直接接触。氧化剂以扩散22方式通过SiO层到达SiOSi界面与硅原子反应，生成新的SiO层，使SiO2222膜不断增厚。SiO与Si的界面逐渐由Si表面向下推进，每长出d厚度的SiO，22便需耗掉0.44d厚度Si 1.2.2.热氧化模型 该模型描述的氧化过程分三个主要步骤： 1）氧化剂由气相传输至SiO的表面，其粒子流密度为 2F1 = hg(Cg-Cs) = hg/HKT(C*-C0) C*氧化剂在SiO内的平衡浓度； 2HHENRY定律常数； hg气相质量传输常数； Cg气相氧化剂浓度； Cs-S

7、iO表面氧化剂浓度。 2 界面，其扩散流SiO-SiSiO表面的氧化剂穿透已生成的SiO膜扩散到2）位于222 密度为 Ci)/X0 = D (C0 F2 中的扩散系数。D氧化剂在SiO2 表面的浓度；氧化剂在SiOC02 -Si截面的浓度；Ci氧化剂在SiO2 膜厚度。XoSiO2 Si进行氧化反应，反应流密度为-Si3）到达SiO界面的氧化剂分子与2 = KsCi F3 界面的表面反应速率常数。KsSiO-Si 2 氧化过程主要有扩散及表面反应这两者串联形成氧化反应机构。氧化反应速率快慢由最慢的那一个决定。 平衡时F=F=F由此可以解得： 312Xo + AXo = B (t + ) 2A

8、 = 2D (1/Ks + HKT/hg) B = 2DC*/Ni 22 , SiO 密度(Ni = 2.210) 2 初始氧化层修正系数。 2/4B Xo = B/A (t + At + 扩散速率限制 1.2.3. 影响氧化速率的因素 1 ）.温度对氧化速率的影响 表1-1： B 和B/A在干氧氧化的温度相关性 性抛物性常线性常B/um/B (u/h)氧化温度（A(um)1.1212000.0450.0400.300.09011000.0270.007110000.01170.1650.02080.2359200.0049 0.0030 0.0011 800 0.373 都随温度的增加而变大

9、，也就是氧化速率会随翁度的上升而增大，B/A和B 对干氧氧化和湿氧氧化都是如此。 2）. 硅的晶格方向对氧化速率的影响 氧化速率与硅晶格方向的相关性主要来自于F = KsCi。由于Ks取决于硅表3面的密度和反应的活化能。的硅表面原子密度较高，Ks相对较大。所以的氧化速率比快。 影响Ks（表面电势）的还有：表面掺杂浓度、氧化前表面处理。 3）. 氧化气体对氧化速率的影响 表1-2： C*在1000下的大小 -3）cm 氧化媒介 C*（ 16 5.2 O102 19 H103.0O 2 内的平衡SiOO分子，SiO 虽然水分子在内的扩散系数低于O但H分子在2222值都会大浓度C*值和分子的O个数量

10、级。因此HB B/A3分子的大约高比O22 于分子。O2 的湿氧氧化的温度相关性、表1-3 ：BB/A 线性常数 抛物性常数 ）um/h（B/A ）um2/h（B ）um（A 氧化温度（）14.40 0.720 0.05 1200 4.64 0.11 0.510 1100 1.27 0.226 0.287 1000 0.406 0.203 0.50 920 氧化气体压力对氧化速率的影响4）. ，当氧化气体分压变大时，氧化反应会被加速C*=HPg 与C*成正比，而B 进行。 ）杂质分凝（Impurity Segregation1.2.4这是由于杂质之界面处重新分布。氧化过程中硅内的杂质会在新生长

11、的SiO 2 中的固溶度不同引起的，称为“杂质分凝”。在硅和SiO2m = NSi/NSiO2 0.15 0.3） m 1 ，影响因素为：杂质分凝结果引起硅中杂质的再分布（Redistribution） ；）分凝系数m1 2）氧化速率； 中的扩散系数。SiO）杂质在Si和32 在集成电路制造中的应用1.3 SiO2 Buffer Layer）1 .作为缓冲层（ Isolation Layer作为隔离层（）2. ）Masking Layer作为扩散或注入的掩蔽层（3. PECVD，APCVD）4. 作为绝缘层（Insulator）做金属层之间介质（LPCVD， （PECVD）5. 作为钝化层（P

12、assivation） 1.4氧化层的特性 氧化层的重要特性有很多，以下将针对其中几项重点加以说明。 1.4.1. 电性 电荷在氧化层内的分布 ）电性的的电荷来源主要有： 影响热氧化层（Thermal Oxide Layer (Interface Trapped Charge) Q1）界面陷阱电荷it和）这种电荷的产生是由于界面处氧化过程引起的未饱和键（Dangling Bond晶片可降低与SiO不连续性引起的。适当的退火（Anneal）和选用Si2 其浓度。 Q （Fixed Oxide Charge）2）固定氧化层电荷 f中存在过剩的SiO里，通常带正电，是由于SiO截面约在距离Si-Si

13、O30?222）可以原子引起的。高温退火（Anneal）和加速氧化层的冷却（Cooling的Si 较小。晶片，Q降低Q。选用ff (Mobile Ion Charge) Q3）移动性离子电荷m+。来源于石英材料，化学品来自氧化层内的存在的碱金属离子（Na等），K有极强地腐，但由于HCL以及操作人员污染。掺HCl氧化可有效地减小Qm 蚀性，现在多用反式二氯乙烷（trans-LC）等含氯的化合物。 2HO + CL +4CO 5OCL 2C H + 222222 2HO + 2CL 4HCL + O 222+- Na + Cl NaClg ）（ (Oxide Trapped Charge) Q4）

14、氧化层陷阱电荷 ot这类电荷没有特定的分布位置，主要式因为晶片制造过程中其他工艺，如离）等引起的电子和Sputter，干法刻蚀（Dryer etch），溅射（子注入（Implant）所造成的。带正电或负Trapped空穴被氧化层内的杂质或未饱和键所捕捉（ 电则不一定。利用退火工艺也可降低这类电荷。 ）1.4.2. 应力（Stress）不同，当晶片在高Thermal Expansion Coefficient与Si的热膨胀系数（ SiO2的热膨胀系Si以上）进行热氧化并恢复到室温状态后，由于温下（通常在800。衬底的压缩应力（Compressive Stress）高，数比SiOSiO层将承受一股

15、来自Si22并使衬底Warpage），如果工艺控制不当，这股压缩应力会使晶片表面发生弯曲（。所以氧化工艺中的温度控制与调整必须十分注意，特表面产生缺陷（Defect）时速度不能太快，以免晶片表面受热不均匀而产别是晶片进出炉管（Furnace 生变形或弯曲。 氧化层针孔（Pin Hole）1.4.3. Deep 米（是深亚微发缩小的方向展，特别来 氧化层的应用越越朝或更薄的厚度。?Gate Oxide）发展到只有40（Sub-micrometer）的工艺，栅氧化层都让氧化层留下一些针孔。杂质或氧化缺陷，（Particle）、由于氧化过程中的微尘 ）的根源。这些氧化层的针孔是栅氧化层漏电流（Lea

16、kage并且在氧化前只有让氧化炉管内的微尘及杂质降低，减小这类的针孔密度， 将晶片加以清洗，保持晶片表面的洁净。 氧化层密度1.4.4. 。热氧化Refractive Index）来反映。典型值是1.46的密度可由折射率（ SiO2密SiO的折射率会随着下降，但下降值很小。通常这种SiO温度升高，长出的22的工艺不同，HF +H2O溶液刻蚀的速率来检验。当生成SiO度特性，可以通过2的化学的密度会随之改变，刻蚀速率也跟着改变。由此我们可以知道SiOSiO22也会对接下组成是否有变化。这不但表示其电性以及机械性质也受到影响之外，热氧化层的刻蚀速度应定期的接受来的氧化层刻蚀的刻蚀终点造成误差。所以

17、， 检查。 作用 SiO有极高的化学稳定性，不溶于水，只能和HF 2 SiF 4HF SiO + + 2HO 224SiF + 2HF HSiF 624 2.低压炉管工艺 2.1 LPCVD技术概述 2.1.1 CVD的定义及其优点：技术是指一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表1.定义：CVD（注意：是沉积在衬底上面发生化学反应并沉积出所需的固体薄膜的生长技术。 的，而不是与衬底发生反应生成的。）优点：沉积温度低，薄膜成分和厚度易控，薄膜厚度与沉积时间呈正比，均匀2.其中沉积温度低和台阶覆盖能力好性与重复性好，台阶覆盖能力好，操作方便。 VLSI不可缺少的关键工艺。对VLSI的要求

18、非常有利。因而，CVD技术已成为 2.1.2.CVD原理 CVD反应可分为五个步骤：2.1.2.1.典型的参与反应的气体，将从反应器的主气流里，借着反应气体在主气流及晶片表）.1 面间的浓度差，以扩散的方式，经过边界层，扩散到晶片的表面。 .这些到达晶片表面的气体分子，一部分将被吸附在晶片的表面上。2）当参与反应的气体在表面相会后，借着晶片表面所提供的能量，将发生沉积）.3 反应，包括气体间的化学反应、反应生成物在晶片表面上的运动及沉积等。）当沉积反应完成之后，反应的副产物及部分未参加反应的气体，将从晶片表4 面上解吸，并进入边界层，最后流入主气流里。设备里CVD5）这些未参与反应的气体、副产

19、物和部分解吸的生成物将一起被 的抽气装置或真空系统所抽离。反应的反应物和生成物，都必须经由主气流和晶片表面间的边界层来CVD 反应的速率，将由这CVD传递。而且，这五个步骤的发生顺序成串联，因此， 五个步骤里面最慢的那一步所决定。 反应的五个步骤图1-9：CVD 5）1）扩散 2）吸附 3）反应并沉积 4） 解吸扩散 1） 2） 3） 4） 5）抽离系统 反应 底 衬 2.1.2.2. 沉积速率 1）Cg-Cs（反应气体流入边界层的流量为：F1=D/ 主气流里反应气体的浓度Cg 其中，Cs 晶片表面反应气体的浓度 边界层厚度 2）反应气体在晶片表面进行化学反应所消耗的量为：K2=KrCs 其中

20、，Kr 反应速率常数 3）平衡时，F1=F2 则 Cs=Cg /（1+Kr/D）=Cg（1+Sh） 其中，Sh=Kr/D Sherwood Number a.当Sh1时，Cs=0，表面反应扩散快的多，沉积速率取决于扩散速率，称为“扩散限制”。 沉积速率V=DCg/=DoEXP（-Ed/Kt）（Cg/） 一般而言，当反应温度较低时，CVD将为表面反应限制情况；当反应温度较高时，则为扩散限制所控制（但并不是绝对的）。 2.1.3 低压技术及工艺 2.1.3.1 低压的定义、常用单位及其分类 1）低压是指在一定空间内低于一个大气压的气体状态，即真空（在下文中，用真空来代替低压）。一般用真空度来描述真

21、空状态下气体的稀薄程度。但是真空度所计量的不是真空状态下气体分子的数密度，而是用压强单位来度量的，即单位面积上的压力。常用的单位有：Pa，mmHg，mmHO，Torr，mbar等。它们2之间的换算关系见下表。 表1-4：用于真空计量的压力单位之间的换算对照表 单位名称Pa 之间的换算关系 与符号 标准大气压1atm=101325Pa atm 托 1Torr=133.3Pa Torr 毫米汞柱1mmHg=133.3Pa mmHg 毫米水柱1mmH mmHg O=9.8Pa 2毫巴 mbar 1mmbar=100Pa 2）真空区域的划分 在真空技术中，通常根据真空度的高低， 把整个真空范围划分成若

22、干个区域。随着真空度的变化，气体往往表现出许多不同的性质，同时，检测的仪表也不同。 53Pa10a.粗真空：一般指10。粗真空的应用领域主要是由于它与大气压力之间有一定的压力差，例如：真空输送，吸尘，铸造技术中的真空成型等。粗真空的 检测仪表主要是液柱高度差的真空计、机械变形指示的真空计等。-13。低真空一般用在高真空泵机组的前级机械泵组的10Pab.低真空：一般指10（其作用是即工艺真空入口处，是从大气环境到高真空或超高真空的过度阶段， 。采用真空吸取器吸附晶片）-6-1 10。高真空一般用在工艺设备反应条件的真空环境。c.高真空：一般指10Pa-6这一真空度一般用于工艺设备的背景真空环境，

23、Pad.超高真空：一般指低于10即做工艺之前，先要将反应室内的真空抽到这一真空度，然后在充入反应气体， 进行工艺加工。 低压的获得2.1.3.2. 真空泵是获得真空的主要工具。利用气体可以压缩、或膨胀的原理，应用于 活塞泵、罗茨泵等；利用气体扩散的原理，应用于蒸汽扩散泵；利用气体分子的低温泵。应用于吸附泵、利用物理、化学吸附的原理，电离效应，应用于离子泵； 工艺用真空系统，如高真空、超高真空，一般用涡轮分子泵。就IC 2.2 多晶硅的制作 2.2.1 未搀杂多晶硅 2.2.1.1. 多晶硅的定义）的小单Crystal Orientation多晶硅（Poly-Silicon）是由多种不同结晶方向

24、（ Single Crystal of Silicon Grains）所组成的纯硅物质。晶硅晶粒（ 2.2.1.2. 多晶硅的沉积方法 SiH Si+2H g4gg2）（）1）.优点：反应温度低（600650），均匀性好，台阶覆盖能力好，生产率高，成本低。 2）.主要工艺参数： a.温度（T）：T改变1，沉积速率改变22.5%。 当反应温度低于700时，Si的沉积速率与反应温度呈正比，当反应温度高于900时，Si的沉积速率将随着温度的上升而减缓。 当反应温度低于575时，因为吸附原子在沉积薄膜表面的扩散能力不佳，所沉积的Si将为长程无序(Long-Range Disorder or No Lo

25、ng-Range order)，即非晶硅（Amorphous Silicon）。 当反应温度介于650到575之间时，沉积的薄膜为多晶硅。（Poly-Silicon）。 当温度高于 700时，为磊晶硅（Epitaxial Silicon），即外延硅。 b.压力及控制方式：0.30.6Torr之间。输入气体流量恒定，由泵速控制压力时， 沉积的重复性最好。浓度与沉积速率存在一上c.SiH浓度（分压强）：在一定温度及总压力下，SiH44 限，即SiH浓度增加，沉积速率改变不太大了。4 2.2.2 掺杂多晶硅沉积的多晶硅，本身的电阻率很高，为了降低它的电阻率，我们 以LPCVD如果在生长多晶硅的同时进

26、必须对它进行搀杂，以便将它转变为一种电的导体。的化或B2H等。掺PH行搀杂（In-Situ），则需在系统中同时加入PH、AsH3633 学反应方程式如下： SiH Si +2H g4g2g）（）（2PH+4O PO+3HOg2g3s2g 2 5）（）（）（2PO+5Si 5SiO+ 4Ps 25s2ss）（）（但是因为搀杂的含量会对多晶硅的沉积速率产生影响，因此沉积薄膜的杂质含量与沉积厚度的均匀性，将比较难以控制。因此，通常情况下多采用先沉积再用扩散或注入法搀杂。 2.2.3 多晶硅在IC工艺中的应用及质量评估 1.多晶硅的主要用途是做金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semico

27、nductor：MOS）器件的栅（Gate）材料，重搀杂的多晶硅可做互连材料，轻搀杂的多晶硅可做电阻，掺O（NO）得到的掺O半绝缘多晶硅（O-SIPOS）是高压硅器件的较理222想的钝化膜。另外，对渠沟结构（Trench Structure）,也可以用LPCVD多晶硅加以填入，以作为DRAM的电容器，或是作为不同元件间的隔离之用。 2.多晶硅膜的质量评估 1）.表面颗粒数（Particle） 2）.厚度均匀性（Uniformity） 3）. 搀杂性能，多晶硅晶粒大小。一般来说，晶粒小，导电性能差。 2.3. 氮化硅的形成 2.3.1氮化硅的沉积方法 在LPCVD SiN的沉积工艺中，通常都使用

28、SiHCl（DCS）为主进行2423SiN沉积。温度约700800，压力约数百mTorr 43 + 6HN+3HClSi +NH SiHCl 2(g) g2g34sg32）（）（）（）用此法所沉积的SiN膜的组成较纯，因此被用在SiO层之蚀刻，或场243氧化层氧化的幕罩上。 早期是用SiH与NH 反应。但均匀性较差。34 + 12HN Si 3SiH+4NH 2(g) 4gs4g33）（）（但是因为LPCVD 沉积所需要的反应温度太高，因此有些SiN膜（如43金属层间介质，钝化层等）是用PECVD的方式来沉积的。 + 3H（0.8x1.2） SiH+NH RF+N SiNH 2(g) sx4g

29、23g）（）（）反应温度250400。PECVD SiN中含有氢，依工艺条件不同，含43氢量约在7%30%之间。这是因为等离子体（PLASMA）中的氢原子在沉积过程中分别与未饱和硅原子及氮原子键形成Si-H及N-H等键的结果。 2.3.2 SiN在IC工艺中的应用及质量评估 431）. SiN对HO、O、Na、Al、Ga、In等有极强的扩散阻挡能力，是理想的钝2423化材料；也可做局部氧化的掩膜；扩散掩膜（可以比SiO薄一个数量级）；2绝缘介质（击穿强度比SiO大，热传导性好）。 22）. PECVD SiN可以通过调节RF POWER来控制离子对沉积薄膜的轰击，从43而减少SiN的拉伸应力。

30、在作为钝化保护层时，用PECVD方法可以将膜43沉积的比较厚而不致发生龟裂。这样可以保证用PECVD沉积的钝化膜有更好的阻挡水气、碱金属离子及抗机械刮伤的能力。 3）.折射率与腐蚀速率是衡量SiN的常用参数 43 膜富硅时（NH/DCS低），折射率上升；膜含氧，折射率下降。通常1.982.20。 3 腐蚀速率：缓冲HF中，腐蚀速率（拉伸）dyne/cm应力（） 二氧化硅的形成 2.4 LPCVD SiO的沉积按所用原料不同分为SiH，DCS和 TEOS。以SiH为原442料的反应又称为低温热氧化（Low Temperature Oxidation），以DCS为原料的反 。）High Temperature Oxidation应又称为高温热氧化（ 的沉积方法2.4.1 SiO2 ）2.4.1.1.