p+矽基板 p+ Silicon substrate
圖 11.3
26
PSG再熱流後之平坦表面
再熱流前
再熱流後
PSG
PSG
金屬或多晶矽
圖 11.14
27
晶圓表面之邊界層
連續氣體流
反應物擴散 邊界層 沈積之薄膜
矽基板
圖 11.15
28
LPCVD反應室
三區段加熱線圈 壓力閥
由真空幫浦抽出
氣體進入 輪廓熱電偶 (內部) 尖峰熱電偶 (外部、控制)
22
CVD反應器形式
CVD 反應器形式 熱壁式 冷壁式 連續動作式 磊晶式 充滿式 噴嘴式 直桶式 冷壁平面式 電漿式 垂直流量等溫式 常壓

低壓

整批

單一晶圓


圖 11.11
23
CVD反應器形式及其主要特性
2.0
延 遲 時 間 (109 秒 )
1.5
閘極延遲
1.0
0.5
0 0 .5 1.0 1.5 2.0
大小尺寸 (m)
圖 11.24
44
總內連線電容
7 6
電 容 (1012 farads/cm)
5 4 K=4 3 K=3 2 1 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 K=2 K= 1
3.蝕刻材料再沈積，重複此製程 使「底部－上部」輪廓相等
圖 11.21
38
HDPCVD製程的 5 個步驟
1. 離子感應沈積 2. 濺鍍蝕刻 3. 再沈積
4. 熱中性CVD
5. 反射
39
在HDPCVD中晶圓在渦輪幫浦之頸部
微波 2.45 GHz
電磁鐵
氣體注入源
晶圓在靜電平盤上 閘閥
渦輪幫浦 至粗抽幫浦
反應物擴散
反應產物
沈積之薄膜 矽基板
圖 11.9
20
晶圓表面上之氣流動態
氣體流 氣體流
邊界層
滯留層
圖 11.10
21
CVD沈積系統
CVD設備設計
– CVD反應器加熱 – CVD反應器構造 – CVD反應器摘要
常壓CVD (APCVD) 低壓CVD (LPCVD) 電漿CVD 電漿增強CVD (PECVD) 高密度電漿CVD (HDPCVD)
電漿 CVD 電漿增加 CVD (PECVD) 高密度電漿 CVD (HDPCVD)
表 11.2
24
連續製程的APCVD反應器
反應氣體1
鈍氣
薄膜
反應氣體2 晶圓 (a)氣體注入形式 反應氣體
N2 N2
N2
N2
N2 N2
晶圓
加熱器 (b)架構形式
圖 11.12
25
APCVD TEOS-O3之改善的階梯覆蓋
(Photo courtesy of Applied Materials, Inc.)
照片 11.4
37
沈積－蝕刻－沈積製程
上面堆積效應 SiO2 金屬 主洞缺陷 從這裡開始解決
PECVD沈積薄膜在 間隙口夾止形成孔洞
1.薄膜先前物之離子感應沈 積
蓋層
2.薄膜於間隙開口處因氬離 子濺鍍蝕刻過度而呈現斜 形
以化學氣相沈積充填溝渠 Trench fill by chemical vapor deposition TEOS-O3
溝渠CVD氧化物 Trench CVD oxide 氮化物 Nitride
n井 n-well
Liner oxide 內側氧化層
p井 p-well p磊晶層 p- Epitaxial layer
–硼矽玻璃 –硼磷矽玻璃 –氟矽玻璃
18
CVD傳輸及反應步驟圖
1)反應物之 質量傳輸 氣體輸送 CVD反應器 7)副生成物的吸解
2)薄膜先前 物反應
3)氣體分子 擴散 4)先前物吸附
副產物 5)先前物擴散 6)表面反應 進入基板
8)副產物移除 出口 連續薄膜
基板
圖 11.8
19
CVD之氣體流
氣體流
2.9
＜0.10
350 至 450
聚芳烯醚 (PAE) aCF (摻氟之非晶 碳或 FLAC)* 聚對二甲苯
2.6 至 2.8 2.8
＜0.15 ＜0.18
375 至 425 250 至 350
2.5
＜0.18
420 至 450
表 11.4
43
內連線延遲 (RC) 和大小尺度 (m)
2.5
內連線延遲(RC)
製程 APCVD (常壓 CVD) LPCVD (低壓 CVD) 優點 缺點 應用 低溫氧化層 (摻雜及 未摻雜)。 高溫氧化矽 (摻雜及 未摻雜)、氮化矽、 多晶矽以及 WSi2。 高深寬比填溝，金屬 上方之低溫氧化物、 ILD-1、ILD、雙鑲嵌 之銅晶種層及保護層 (氮化物)。 反應器簡單、沈 階梯覆蓋不佳、微 積快速且低溫。 粒污染及底產能。 優異的純度及均 勻性、階梯覆蓋 佳及大的晶圓產 能。 低溫、沈積快 速、階梯覆蓋佳 及好的填溝。 高溫、低沈積速 率、須更強的維護 及需真空系統。 需 RF 系統、成本 高、應力很高為張 力及含化學物 (如 H2) 及微粒污染。
測試/分類
植入
(Used with permission of Advanced Micro Devices)
圖 11.2
4
簡介
• 晶圓之薄膜層
– 擴散 – 薄膜
• 薄膜的專門用語 • 多層金屬化
– 金屬層 – 介電層
5
ULSI晶圓的多層金屬化
保護層
ILD-6
接合墊金屬
ILD-5 M-4 ILD-4 M-3 ILD-3 M-2 ILD-2 M-1 Via ILD-1
照片 11.2
12
薄膜成長階段
氣體分子
成核
晶粒聚結
連續薄膜
基板
圖 11.7
13
薄膜沈積技術
化學性製程
化學氣相沈積 (CVD) 常壓 CVD (APCVD) 或次常壓 CVD(SACVD) 低壓 CVD (LPCVD) 電漿有關的 CVD： 電漿 CVD(PECVD) 高密度電漿 CVD (HDPVCD) 氣相沈積(VPE)及有 機金屬 CVD(MOCVD)
介電常 數 (k)
3.4 至 4.1
填溝 (m)
＜0.35
溫度 (℃)
無問題
註解
FSG 的 k 值和 SiO2 相近。氟 會侵襲及腐蝕鉭阻障層金 屬。 以矽為主的樹脂高分子可用 於旋塗流動性氧化物(FOX)。 可能需表面保護以降低水氣 吸附。其修補是在氮氣下操 作。 無機材質，其介電常數可依 多孔密度調整。增加多孔密 度降低機械完整性多孔 材料必須抗研磨、蝕刻及熱 處理且特性不退化。 旋塗的自動高分子具有優越 的附著性適於 CMP 研磨。 用高密度電漿 CVD (HDPCVD) 以產生熱穩定性 及附著性佳之薄膜。 CVD 薄膜符合附著力和介質 孔電阻要求需要於 200℃控制 氣體傳送，以控制聚對二甲 苯先前物之流量。
4.高的沈積速率。
5.由於針孔及孔洞小，有高的薄膜密度。
6.由於製程溫度低，應用範圍廣。
33
電漿CVD之薄膜形成
RF產生器 電極
1.反應物進入反應室
氣體傳送
RF場
PEVCD反應器 7.副產物吸解 副產物 8. 副產物 去除 抽出 連續薄膜
2.藉由電場將 反應物分解
3.薄膜先前物 形成 4. 先前物吸附
MSI世代MOS電晶體之薄膜層
氮化矽 頂部 氧化層 墊
ILD
金屬
氧化層 場氧化層
多晶矽 p+
多晶矽
n+
金屬
p+
n+
金屬前氧化層
側壁氧化層 閘極氧化層
n井 p磊晶層
p+矽基板
圖 11.1
3
晶圓製造流程圖
薄膜沈積之位置 晶圓製造 (前段) 啟始晶圓
薄膜
未圖案化之晶圓 已完成晶圓 擴散 黃光
研磨
蝕刻
8
固態薄膜
厚度
寬度
和基板比較薄膜是非常薄的
氧化層
矽基板
圖 11.4
9
薄膜於步階上覆蓋
厚度均勻
均勻階梯覆蓋
非均勻階梯覆蓋
圖 11.5
10
薄膜沈積之深寬比
深寬比 = 深度 寬度 深寬比 = 500 Å 250 Å 2 1
=
D
500 Å
W
250 Å
圖 11.6
11
高深寬比間隙
多晶隙閘極
(Micrograph Courtesy of Intergrated Circuit Engineering)
圖 11.16
29
用TEOS LPCVD的氧化物沈積
電腦端操作介面
氣體流控制器
爐管微控制器
LPCVD 爐管三 區段加 熱器
N2 O2
加熱器
溫 度 控 制 器
壓力控制器 抽出
TEOS
真空幫浦
圖 11.17
30
MOS元件經摻雜的多晶矽 作為閘極電極 之重要原因
1.電阻率可由摻雜而定。
2.和SiO2的介面品質佳。 3.可適合於後續的高溫製程。 4.比金屬電極 (如鋁) 可靠度高。 5.於陡峭外形上沈積均勻。 6.可用於自我對準閘極製程 (見第12章)。
CVD的5個基本化學反應
熱裂解：化合物分解 (破壞鍵結或分解)，以熱的 方式通常無氧氣。
光分解：化合物分解，以輻射能的方式破壞鍵結。 還原：由分子與氫作用產生化學反應。 氧化：原子或分子與氧進行化學反應。