1、CVD 工艺基础CVD Process 介绍Chemical Vapor Deposition化学汽相淀积化学材料在 某种激励条件下，在硅片表面成膜的过程。SiH4,TEOS,TEB,PH3,SiH2CL2热能;RF射频电磁能;光能SiH4 Si H2例：WaferSiH4SiH4SiH4H2H2SiH2Si 向硅片表面移动 在硅片表面被吸附 在硅片表面移动 副生成物脱离 膜形成一些简单的英文缩写CVDChemical Vapor DepositionAPCVDAtmosphere Pressure CVDLPCVDLow Pressure CVDPECVDPlasma Enhanced CV
2、DSACVDSub-Atmosphere CVDNSGNone-doped Silicon GlassBPSGBoron Phosphine doped Silicon GlassSOGSpin-On-GlassHDPHigh Density PlasmaRTPRapid Thermal ProcessingARAspect RatioHSGHemi-Spherical GrainNPWNone Production WaferDCS、TMP、TMB、TEOS、TEPO、TEBCVD的物理分类1.按照提供反应的能量来源:热能、等离子、光能2.按照反应形成的物质种类:绝缘膜:SiO2、SiN、S
3、iON、PSG、BPSG 半导体膜:单结晶Si、多结晶Si、非晶硅 导体膜:W、Wsi、Ti、TiNCVD Process 种类(产业分类)S i O 2B P S GN SGS A C V DA P C V DP ol yD O P O SS i NN SGLP C V DN SGS i NS i O NH D PP EC V DWW SiTi/Ti NM-C V DH SGR TNS O GO TH ERC V D关于 CVD 的几个基本概念 What is step-coverage?What is aspec-ratio?What is gap-fill and void?abStep
4、-coverage=b/aabAR=a/bGood gap-fillno voidHave void gap-fill is no goodAPCVD 原理及其应用成膜原理:SiH4 O2 SiO2+Byproducts TEOS O2/O3 NSG By Products TEOS O2/O3 TMB(TEB)TMP(TEPO)BPSG By Products工艺条件:常压 760Torr;温度 350 500工艺应用:层间绝缘膜;注入掩膜 BPSG膜具有良好的填孔性及在一定高温下回流的特点,与EtchBack 工程或者CMP工程构成平坦化工艺。但其具有吸水性,膜质也较疏松,不宜用于金属间的
5、绝缘膜。主要工艺装置:WJ-1000H;CANON APT-5850;AMAT Gigafill,ProducerSACVD:Sub Atmospheric CVD (次常压CVD)工艺压力 200orr；温度 480 APCVD设备 APM:常压氧化硅，主要用于注入掩膜、层间膜等。SiH4 O2 SiO2+Byproducts APT:常压BPSG，NSG淀积，主要用于层间膜。TEOS O2/O3 NSG By Products TEOS O2/O3 TMB TMP BPSG By Products SAT:次常压BPSG淀积，主要用于金属配线前的层间膜。TEOS O2/O3 TEB TEP
6、O BPSG By ProductsAPCVD 主要工艺参数及其特点主要参数:温度;气体流量;排气量;GAP(气体喷头到硅片的距离)压力(SACVD)主要特点:气体分子的平均自由程小 淀积速率受气体扩散制约 气体的消耗量大 粉尘多 排气量影响淀积速率及Particle装置特点:单片式、semi-batch、beltWJ-1000H排気WaferGasWhy SACVD?工艺压力低淀积速率 350045005500650075008500950050100150200250300350PressureTorrThicknessA 工艺温度高 B 高浓度化 8.09.010.011.012.045
7、0460470480490500510TemperatureB Concentrationmol%提高填孔性提高生产性LPCVD 原理及其应用成膜原理:SiH4 Si+Byproducts (Poly)SiH4 PH3 DOPOS Byproducts (DOPOS)SiH4 N2O SiO2 Byproducts(SiO2)TEOS SiO2 By Products (NSG)SiH2CL2 NH3 SiN By Products(SiN)工艺条件:压力 0.1 1Torr;温度 500 800工艺应用:Poly膜可用于器件的栅极;配线;电容极板 DOPOS又称自搀杂多晶Si,其作用与Pol
8、y大致相同 TEOS NSG用于侧壁保护膜 SiN具有阻挡氧气及水气的作用,可用于局部氧化工艺 也可用于侧壁保护膜主要工艺装置:TEL 8S 立式炉LPCVD设备 LPH:高温氧化膜淀积、主要用于侧壁保护膜。SiH4 N2O SiO2 Byproducts(SiO2)LPT:低压TEOSNSG淀积、主要用于侧壁保护膜。TEOS SiO2 By Products (NSG)LPN:低压SiN淀积、主要用于电容介质、氧化掩膜。SiH2CL2 NH3 SiN By Products(SiN)LPP:低压多晶硅淀积、主要用于栅极、配线和电阻。SiH4 Si+Byproducts (Poly)LPC:低
9、压自掺杂多晶硅淀积、主要用于栅极、配线和电容极板。SiH4 PH3 DOPOS Byproducts (DOPOS)LPCVD 主要工艺参数及其特点主要参数:温度;气体流量;压力;回转速;入出炉速度及温度主要特点:气体分子的平均自由程大 淀积速率受温度制约 气体的消耗量小 由于炉内气体经过的路线较长、存在气体耗尽，需要进行温度补正 装置特点:BATCH 式 可以同时处理100枚左右的制品 装置大致分为 气体控制系;温度控制系;压力控制系;传输系Gas In排気TC外管内管BoatSide dummy参考片製品回転製品製品製品关于 LPCVD 的几点问题 Why can use batch mo
10、de?Why 回转 and 温度补正?目的:提高Throughput由于LPCVD是反应律速,反应速度决定于硅片的温度,只要能控制好炉内硅片的温度均匀性,则能很好地控制成膜的均匀性。目的:提高成膜均匀性由于气体存在耗尽,靠近气源处DR高,采用温度补正使炉内上下位置的DR相同,采用回转使气体均匀地接触硅片。Why 卧式 立式?自动Load Unload可能回转可能温度控制较好 Why DUMMY 使用?消除进气侧与排气侧气体的影响消除两端制品片的温度不均匀性PECVD 原理及其应用成膜原理:SiH4 O2 SiO2 Byproducts(SiO2)TEOS O2 SiO2 Byproducts
11、(NSG)SiH4 NH3 +N2O SiON Byproducts(SiON)工艺条件:压力 1 4Torr;温度 350 400;RF power;气体流量工艺应用:气体在RF的作用下形成等离子体,在较低的温度下即可进行成膜,因而可用于金属布线后的层间膜。由于SiON膜既具有SiN的性质对碱金属离子具有阻挡作用,又具有SiO2膜的特性对水气具有阻挡作用,因此可作为器件的钝化膜。主要工艺装置:AMAT Centura;NOVELLUS C-1,C-2;ASM Eagle-10等PECVD设备 PCO:等离子NSG、氧化硅、氮氧化硅淀积，主要用于金属配线间的层间膜，抗反射膜。TEOS O2 S
12、iO2 Byproducts (NSG)SiH4 N2O N2 SiON Byproducts (SiON)SiH4 N2O SiO2 Byproducts (SiO2)PNS:等离子氮氧化硅淀积，主要用于芯片表面钝化层。SiH4 NH3 +N2O SiON Byproducts(SiON)PHO:高密度等离子体氧化硅淀积，主要用于STI，IMD。SiH4 O2 SiO2 Byproducts(SiO2)*相对于普通等离子CVD的等离子密度(1010cm3)，高密度等离子CVD的等离子密度要高2个数量级。更低压力(mT order)，更高功率(kw order)PECVD 主要工艺参数及其特点
13、主要参数:温度;气体流量;压力;RF;GAP(反应源到Wafer的距离)主要特点:由于采用了RF，工艺可以在较低的温度下（400以下)进行。RF通常分为 HF和LF HF的频率 13.56MHz 固定，LF 数百KHz不等 反应的压力较低 由于使用了RF，RF Damage是装置需要克服的装置特点:单片式 semi-batch式PlasmaRF 電源IMD形成的几种方法PECVD Cap SOG EB Furnace Cure SOG PECVD liner CMP PECVD CAP SA/APCVD PECVD liner CMP HDP CVD PECVDSOGAP/SACVDHDPSt
14、epcoverageGap FillQualityPlanization几种工艺的比较Metal-CVD 原理及其应用成膜原理:WF6 +H2 W +HF （WCVD）WF6 +SiH2CL2 WSi +byproducts （WSi CVD)TiCL4 +H2 Ti+HCL （TiCVD）TiCL4 +NH3 TiN +HCL (TiN CVD）工艺条件:压力 0.1100Torr;温度 400 700;RF power 工艺应用:WSi 因其具有耐高温性,所以可以与 Poly一起构成栅电极或布线;WCVD主要应用于W-Plug工艺,有时也作为布线;Ti/TiN CVD主要用于高宽比大的W-
15、Plug工艺的Barrier层。主要工艺装置:AMAT Centura;NOVELLUS ;TEL MB2;TEL UNITY等MCVD设备 LPW:W膜淀积，用于W plug和金属配线。WF6 +SiH4 W +byproducts(成核)WF6 +H2 W +byproducts(体淀积)用SiH4还原WF6作为成核反应是为了消除主淀积对下地情况的依存性。LPG:Wsi膜淀积，用于栅极和下层配线。WF6 +SiH2CL2 WSi +byproducts CME:Ti/TiN膜淀积，用于金属配线前的contact barrier TiCL4 +H2 Ti+HCL TiCL4 +NH3 TiN
16、 +HCL 由于淀积温度高于Al线熔解温度，所以只适用于Al线前。具有目前CVD工艺中最优异的台阶覆盖率。etal-CVD 主要工艺参数及其特点主要参数:温度;气体流量;压力;RF;GAP(反应源到Wafer的距离)主要特点:使用金属CVD工艺的主要考虑是因为其具有良好的台阶覆盖及填孔能力。CVD WSi比SPT WSi具有小的电阻率。W-Plug在多层布线工艺中被广泛运用。Ti/TiN CVD是最新的工艺技术，对于高宽比在10以上的孔也能有较好的Stepcoverage。装置特点:单片式 与 PECVD 类似StepcoverageSPTCVDWSiTi/TiNReactorChamberA
17、ReactorChamberBReactorChamberDChF(Orientation)ChE(cooling)not-used用力室LoadlorkALoadlorkBSlit valveMetal cassatteVacuum robotBladeAMAT Centura IsolateValveThrottleValvePumpLidCooling WaterGas feedthroughBlocker plateFace plateWaferShield platePumping plateLift pin(4本)HeaterEdge gas(Ar、H2)Backside ArSO
18、G 原理及其应用成膜原理:无机 有机工艺应用:主要用于局部平坦化及GAP-FILL工艺，材料有无机有机两种,有机材料中由于含有CH基团,形成的薄膜中含有一定的C从而改变了抗裂性,但其存在脱水的问题,需要进行EB工艺。无机不需要EB但由于抗裂性差,因而一次不能涂太厚的膜。不过随着工艺的发展以及新材料的不断开发,材料的某些缺点正在被一点点克服。另外LOW k的SOG材料也在被逐渐应用到0.25um以下的工艺中。主要材料供应商:东京应化(日);住友化学(日);Honeywell(美)等主要设备供应商:TEL(日);DNS(日);SVG(美)等 O O Si O Si H2O O O OH OH Si
19、 OH Si OH OH OH加熱 OEt Si OEt H2O OEt OH Si OH OH加熱SOG 主要工艺参数主要参数:SOG温度;环境温度;旋转速度;药液滴下量;排气;后处理工艺 SOG对储存温度有严格的要求，同时也有严格的使用期限 在药液量足够的情况下，涂布的厚度取决于旋转速度，温度与排气也有一定的影响。需要注意的是制品上的药液用量较参考片要多。0100020003000400012345678SOG 量Thickness1500200025003000350040004500500700900110013001500回転 Speedhickness后处理过程也很重要,一般采用温
20、度由低到高循序渐进的方式,以避免激剧脱气造成Mist 生产工艺管理 NPW对产品情况的模拟及产品上的直接测定 颗粒管理(mechanical particle and in-film particle)膜厚管理 (all-points management and average-unif.management)膜质管理 Refractive Index(n+ik)、stress、etch rate 电阻率管理 浓度管理 长期的安定性管理(SPC、Cp、Cpk)CVD 工艺主要成膜控制参数(1)膜厚及其均一性(1)点测定与点测定的算法 (uniformity与standard deviatio
21、n)(2)面内倾向与刻蚀或CMP的配合(3)测量中去边大小的问题颗粒(1)气相反应产生的颗粒(2)排气能力不足产生的颗粒(3)in-situ clean不足产生的颗粒(4)部件劣化及维护频度不足产生的颗粒(5)气体间置换不足产生的颗粒CVD 工艺主要成膜控制参数(2)浓度(BPSG PSG B/P浓度;DOPOS P浓度;FSG F浓度)(1)BPSG中、浓度对填孔能力的影响(2)DOPOS表面浓度对HSG成长的影响及体浓度对体电阻率的影响(3)PSG中P浓度对吸杂效果的影响(4)FSG中F浓度对介电常数的影响 方块电阻 (导电膜)(1)四探针法为破坏性测试、制品上应用有限制(2)要注意电阻参
22、数的监控与膜厚参数监控的一致性 应力(tensile or compressive)(1)叠层结构的应力匹配问题(2)硅片翘曲度与光刻机焦深的关系(3)硅片翘曲度对受热的影响CVD 工艺主要成膜控制参数(3)折射率和吸收系数(1)反映膜中成分及化学键的情况(2)抗反射膜的应用中与膜厚共同影响抗反射效果 表面反射率(1)反映表面粗糙度及晶粒尺寸、是原子力显微镜测量的简化(2)对光刻的影响 刻蚀速率(wet or dry)(1)表征与理想化学配比的接近程度、晶格结构的完整程度(2)注意点:湿法刻蚀速率与干法刻蚀速率的非一致性 台阶覆盖率(1)表征表面反应对气相反应的优势程度(2)一般而言、同一种工
23、艺往低压高温方向走、台阶覆盖率会变好WBPSG層間膜SiNP WELLWSiPoly-SiGATE OXIDE PSIO2 Re-Flow ALAL2 I M D PCO+無機厚膜+PCO1 I M D PCO+SOG EB+PCOMASK OXIDE(SiON+SiO2)ARLDOPOSDOPOSDOPOSSTI（HDP酸化膜）STIBPSG層間膜TiN/TiTi/BPSGBPSGBPSGSiO2BPSGARL Re-Flow ALSiO2PAD AREAPhoto sensitive PI WELLP 配線TiN/TiTi/周辺回路部一些术语 ARL(Anti-Reflective Layer)与ARC(Anti-Reflective Coating)USG、NSG、PSG、BPSG、FSG、HSG PMD(Pre-Metal Dielectric)、IMD(Inter-Metal Dielectric)FEOL(Front-End Of Line)与BEOL(Back-End Of Line)HDP(High Density Plasma)与普通CVD的区别 RC delay、时间常数、low k材料 High k材料的应用THE END谢谢大家!
