1、2目的目的研讀本章內容後，你將可學習到：1.描述多層金屬化。討論薄膜的特性需求。敘述和解釋薄膜成長的3個階段。2.簡述不同的薄膜沈積技術。3.列出和描述化學氣相沈積的8個基本步驟，包括不同形式的化學作用。4.描述CVD反應限制及說明動態反應及CVD薄膜摻入雜質的影響。5.描述不同形式的CVD沈積系統，解釋設備的功用及討論薄膜應用特殊工具的優點限制。6.解釋晶片技術中介電材料的重要性，列舉出應用例子。7.討論磊晶及3種不同的磊晶沈積方法。8.解釋旋塗式介電質。 3 MSI MSI世代世代MOSMOS電晶體之薄膜層電晶體之薄膜層 p+矽基板p磊晶層場氧化層n+n+p+p+n井ILD氧化層墊 氧化層
2、氮化矽頂部 閘極氧化層側壁氧化層金屬前氧化層多晶矽金屬 多晶矽金屬 圖 11.14晶圓製造流程圖晶圓製造流程圖 測試測試/分類分類植入植入擴散擴散 蝕刻蝕刻研磨研磨黃光黃光已完成晶圓薄膜沈積之位置未圖案化之晶圓啟始晶圓薄膜薄膜晶圓製造 (前段)(Used with permission of Advanced Micro Devices) 圖 11.25簡介簡介 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 6ULSIULSI晶圓的多層金屬化晶圓的多層金屬化 圖 11.3保護層接合墊金屬p 矽基板ViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p
3、 磊晶層p+ILD-6LI氧化層STIn井 p井 ILD-1多晶矽閘極n+p+p+n+n+LI金屬7晶片中之金屬層晶片中之金屬層 (Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering) 照片 11.1 8薄膜沈積薄膜沈積 薄膜特性v好的階梯覆蓋能力v具有充填高深寬比間隙之能力v好的厚度均勻性v高的純度及密度v理想配比可控制v具有低應力的高薄膜品質v電性佳v基板材料和薄膜附著性優越 9固態薄膜固態薄膜 矽基板氧化層寬度 長度 厚度 和基板比較薄膜是非常薄的圖 11.410薄膜於步階上覆蓋薄膜於步階上覆蓋 均勻階梯覆蓋 非均勻階梯覆蓋 厚度均
4、勻圖 11.511薄膜沈積之深寬比薄膜沈積之深寬比 500 D250 W圖 11.6=2 1深寬比 = 500 250 深寬比 = 深度寬度12高深寬比間隙高深寬比間隙 (Micrograph Courtesy of Intergrated Circuit Engineering) 照片 11.2多晶隙閘極13薄膜成長階段薄膜成長階段 連續薄膜氣體分子成核晶粒聚結 基板圖 11.714 化學性製程 物理性製程 化學氣相沈積化學氣相沈積 (CVD) 電鍍電鍍 物理氣相沈積物理氣相沈積 ( (PVD或濺鍍或濺鍍) ) 蒸鍍蒸鍍 旋塗方式旋塗方式 常壓 CVD (APCVD) 或次常壓CVD(SAC
5、VD) 電化學沈積(ECD) 一般稱之為電鍍 直流二極體 燈絲及電子束 旋塗式玻璃 (SOG) 低壓 CVD (LPCVD) 無電極電鍍 射頻(RF) 分子束磊晶(MBE) 旋塗式介電質 (SOD) 電漿有關的 CVD： 電漿 CVD(PECVD) 高密度電漿 CVD (HDPVCD) 直流磁控 氣相沈積(VPE)及有機金屬CVD(MOCVD) 離子化金屬 電漿(IMP) 薄膜沈積技術薄膜沈積技術 表 11.115化學氣相沈積化學氣相沈積 CVD的重要觀念 1.包含化學作用，經由化學作用或熱分解 (稱之為裂解 (pyrolysis)。2.薄膜的材料源由外加氣體所供給。3.CVD製程的反應物必須
6、為氣相的形式(如氣體)。 16化學氣相沈積機台化學氣相沈積機台 (Photo courtesy of Novellus Systems, Inc.) 照片 11.317CVD化學製程化學製程CVD的5個基本化學反應q熱裂解：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。q光分解：光分解：化合物分解，以輻射能的方式破壞鍵結。q還原：還原：由分子與氫作用產生化學反應。q氧化：氧化：原子或分子與氧進行化學反應。q氧化還原：氧化還原：結合反應3及4，產生兩種新的化合物。 18CVD反應反應 CVD反應步驟 速率限制步驟 CVD氣體流動力學 CVD壓力 CVD製程中摻雜 硼矽玻璃 硼磷
7、矽玻璃 氟矽玻璃 19CVD傳輸及反應步驟圖傳輸及反應步驟圖 CVD反應器基板連續薄膜 8)副產物移除 1)反應物之質量傳輸副產物 2)薄膜先前 物反應 3)氣體分子 擴散 4)先前物吸附 5)先前物擴散進入基板 6)表面反應 7)副生成物的吸解 出口 氣體輸送圖 11.820CVD之氣體流之氣體流 氣體流沈積之薄膜矽基板反應產物反應物擴散圖 11.921晶圓表面上之氣流動態晶圓表面上之氣流動態 氣體流邊界層氣體流滯留層圖 11.1022CVD沈積系統沈積系統 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
8、電漿增強CVD (PECVD) 高密度電漿CVD (HDPCVD) 23CVD反反應器形式應器形式 C CV VD D 反反應應器器形形式式 常常壓壓 低低壓壓 整整批批 單單一一晶晶圓圓 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 圖 11.1124CVD反應器形式及其主要特性反應器形式及其主要特性 製程 優點 缺點 應用 APCVD (常壓 CVD) 反應器簡單、沈積快速且低溫。 階梯覆蓋不佳、微粒污染及底產能。 低溫氧化層 (摻雜及未摻雜)。 LPCVD (低壓 CVD) 優異的純度及均勻性、階梯覆蓋佳及大的晶圓產能。 高溫、低沈積速率
9、、須更強的維護及需真空系統。 高溫氧化矽 (摻雜及未摻雜)、氮化矽、多晶矽以及 WSi2。 電漿 CVD 電漿增加 CVD (PECVD) 高密度電漿 CVD (HDPCVD) 低溫、沈積快速、階梯覆蓋佳及好的填溝。 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。 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)。 表 11.225連續製程的連續製程的APCVD反應器反應器 晶圓薄膜反應氣體2反應氣體1鈍氣(a)氣體注入形式N2反應氣體加熱器 N2N2N2N2N2晶圓 (b)架構形式圖 11.1226APCVD TEOS-
10、O3之改善的階梯覆蓋之改善的階梯覆蓋 圖 11.3Liner oxidep Silicon substratep Epitaxial layern-wellp-wellTrench CVD oxideTEOS-O3Trench fill by chemical vapor depositionNitride-+以化學氣相沈積充填溝渠溝渠CVD氧化物氮化物n井 p井 內側氧化層p磊晶層p+矽基板27PSG再熱流後之平坦表面再熱流後之平坦表面 再熱流後PSG再熱流前 PSG金屬或多晶矽圖 11.1428晶圓表面之邊界層晶圓表面之邊界層 連續氣體流沈積之薄膜矽基板邊界層反應物擴散圖 11.1529L
11、PCVD反應室反應室 三區段加熱線圈尖峰熱電偶 (外部、控制)壓力閥由真空幫浦抽出氣體進入輪廓熱電偶(內部)圖 11.1630用用TEOS LPCVD的氧化物沈積的氧化物沈積 壓力控制器加熱器TEOSN2O2真空幫浦氣體流控制器LPCVD爐管三區段加熱器 電腦端操作介面爐管微控制器抽出 圖 11.17溫度控制器31MOS元件經摻雜的多晶矽元件經摻雜的多晶矽作為閘極電極作為閘極電極 之之重要原因重要原因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)。 32摻雜
12、的多晶矽作為閘極電極摻雜的多晶矽作為閘極電極 n-wellp-wellp- Epitaxial layerp+ Silicon substratePolysilicon gatep+p+p+n+n+n+圖 11.18 多晶矽閘極 n井 p井 p 磊晶層p 矽基板33在在CVD中使用電漿的優點中使用電漿的優點 1.低的製程溫度(250至450)。2.對於高深寬比間隙有很好的填溝(使用 高密度電漿)。3.對晶圓有好的薄膜附著。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。 34電漿電漿CVD之薄膜形成之薄膜形成 PEVCD反應器連續薄膜8. 副產物去除1.
13、反應物進入反應室基板 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5.先前物擴 散入基板6.表面反應7.副產物吸解抽出 氣體傳送RF產生器副產物電極電極RF場圖 11.19 35一般一般PECVD構造構造 製程氣體氣體流量控制器壓力控制器粗抽幫浦渦輪幫浦氣體盤RF產生器匹配之網路微控制器操作介面抽出 氣體傳播遮幕電極圖 11.20 36性質 LPCVD PECVD 沈積溫度 () 700 800 300 400 組成 Si3N4 SixNyHz 階梯覆蓋 正確 均勻 於 23在 Si 上之應力 (達因/cm2) 1.2 1.8 1010 (張力) 1 8 109 (張力或壓
14、縮力) LPCVD和和PECVD氮化矽性質氮化矽性質 表 11.3 37高密度電漿沈積反應室高密度電漿沈積反應室 (Photo courtesy of Applied Materials, Inc.) 照片 11.4 1900年代中期被廣泛使用 高密度的混合氣體朝向晶圓表面 所沈積的薄膜可充填高深寬比間隙有各種不同高密度電漿源 晶圓偏壓及熱負載同時沈積及蝕刻 38沈積蝕刻沈積製程沈積蝕刻沈積製程 PECVD沈積薄膜在間隙口夾止形成孔洞主洞缺陷上面堆積效應 金屬 SiO2從這裡開始解決 1.薄膜先前物之離子感應沈積2.薄膜於間隙開口處因氬離子濺鍍蝕刻過度而呈現斜形3.蝕刻材料再沈積，重複此製程使
15、底部上部輪廓相等蓋層圖 11.21 39HDPCVD製程的製程的 5 個步驟個步驟 1.1.離子感應沈積離子感應沈積 2.2.濺鍍蝕刻濺鍍蝕刻 3.3.再沈積再沈積 4.4.熱中性熱中性CVD 5.5.反射反射 40在在HDPCVD中晶圓在渦輪幫浦之頸部中晶圓在渦輪幫浦之頸部 至粗抽幫浦微波 2.45 GHz電磁鐵渦輪幫浦閘閥氣體注入源晶圓在靜電平盤上圖 11.22 41介電質及特性介電質及特性v介電常數填溝晶片特性低K介電質要求高K介電常數v元件隔離區域氧化淺溝渠隔離 42介電質填溝的三個步驟介電質填溝的三個步驟 2)PECVD蓋層 蓋層1)HDPCVD填溝 SiO2鋁 3)化學機械平坦化
16、圖 11.23 43有 潛 力 的 低 k 介 電 質 介 電 常數 (k) 填 溝 ( m) 溫 度 ( ) 註 解 FSG (氟 氧 化 矽 ，SixOFy) 3.4 至 4.1 0.35 無 問 題 FSG 的 k 值 和 SiO2相 近 。 氟會 侵 襲 及 腐 蝕 鉭 阻 障 層 金屬 。 HSQ (氫 倍 半 矽 氮烷 ) 2.9 0.10 350 至 450 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 。 奈 米 多 孔 矽 1.3 至
17、 2.5 0.25 400 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 。 聚 芳 烯 醚 (PAE) 2.6 至 2.8 0.15 375 至 425 旋 塗 的 自 動 高 分 子 具 有 優 越的 附 著 性 適 於 CMP 研 磨 。 aCF (摻 氟 之 非 晶碳 或 FLAC)* 2.8 0.18 250 至 350 用 高 密 度 電 漿 CVD (HDPCVD) 以 產 生 熱 穩 定 性及 附 著 性 佳 之 薄
18、膜 。 聚 對 二 甲 苯 2.5 0.18 420 至 450 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 。 用於用於ULSI內連接內連接ILD有潛力的低有潛力的低k材料材料 表 11.444內連線延遲內連線延遲 ( (RC) RC) 和大小尺度和大小尺度 ( ( m) m) 圖 11.24 2.52.01.51.00.500.51.01.52.0大小尺寸 (m)內連線延遲(RC)閘極延遲延遲時間 (109秒)45總內連線電容總內連線電容 7654321000.51.0
19、1.52.02.53.0K = 4K = 3K = 2K= 1Redrawn with permission from Semiconductor International, September 1998圖 11.25 間距 (m)電容 (1012 farads/cm)46電性 機械性 熱性 化學性 製程 金屬化 低介電常數 附著性 熱穩定 抗酸及鹼 圖案化能力 接觸電阻低 低介電損耗 低收縮 熱延展係數低 選擇性蝕刻 填溝佳 低電遷移(腐蝕) 低漏電 抗破裂 高傳導率 雜質低 平坦化 低應力 高可靠度 低應力 無腐蝕性 針孔少 小丘(平滑表面) 硬度佳 低水氣吸收 微粒少 適於阻障層金屬
20、(Ta, TaN, TiN等) 儲存有效期長 低低k介電質薄膜之要求介電質薄膜之要求 表 11.5 47一般一般DRAM堆疊式電容之圖形堆疊式電容之圖形 SiO2介電質經摻雜的多晶矽電容板經摻雜的多晶矽電容板埋入式接觸擴散SiO2介電質經摻雜的多晶矽電容板經摻雜的多晶矽電容板埋入式接觸擴散圖 11.26 48淺溝渠隔離淺溝渠隔離 (Micrograph courtesy of Intergrated Circuit Engineering)照片 11.5 閘極氧化物溝渠氧化物多晶矽化物49旋塗式介電質旋塗式介電質 旋塗式玻璃 (SOG) 旋塗式介電質 (SOD) 磊晶磊晶成長方法 氣相磊晶(V
21、PE) 有機金屬CVD(MOCVD)分子束磊晶(MBE) CVD品質測量 CVD問題解決 50以旋塗式玻璃以旋塗式玻璃 (SOG) 填溝填溝 2)處理後之SOG 1)初始SOG填溝 3)CVD氧化層蓋層 蓋層圖 11.27 51主要操作 製程步驟 參數 轉速 50 rpm 最大轉速 8001500 rpm 背側清洗 800 rpm, 5 sec 上側邊緣珠滴去除 1000 rpm, 10 sec 旋轉塗佈 旋乾 1000 rpm, 5 sec 初始軟烤處理 200, 60sec, N2清洗 處理 內部處理 475, 60 sec, N2氣體下 HSQ低低k介電質製程參數介電質製程參數 表 11
22、.6 52磊晶磊晶 磊晶成長模式磊晶成長方法氣相磊晶(VPE) 有機金屬CVD(MOCVD) 分子束磊晶(MBE) 53矽晶圓上之矽磊晶成長矽晶圓上之矽磊晶成長 SiSiClClHHSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiClHClH化學反應副產物 沈積之矽磊晶層單一矽基板圖 11.28 54氣相磊晶圖氣相磊晶圖 摻質(AsH3或B2 H3)H2SiH2 Cl2 RF感應加熱線圈 承座 晶圓真空幫浦圖 11.29 55矽氣相磊晶反應器矽氣相磊晶反應器 抽出 抽出 抽出 RF加熱 RF加熱 氣體進入 氣體進入水平式反應器直桶式反應器垂直式反應器圖 11.30 56金屬階梯覆蓋ILD之主洞缺陷 (a)以PECVD沈積SiO2 (b)SiO2平坦化 (c)下一層鋁沈積由SiO2主洞缺陷造成金屬孔洞SiO2層間介電質中主洞缺陷鋁 圖 11.31
