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1、1,Chapter5加热制程,王红江，Ph.D,2,目标,列出三种加热制程描述集成电路制造的热制程描述热氧化制程说明快速加热制程(RTP)的优点,3,主题,简介硬设备氧化扩散退火离子注入后退火合金热处理再流动,高温化学气相沉积法(CVD)外延硅沉积多晶硅沉积氮化硅沉积快速加热制程(RTP)系统快速加热退火快速加热氧化未来的趋势,4,定义,热制程是在高温操作的制造程序，其温度经常较铝的熔点高加热制程通常在高温炉进行，一般称之为扩散炉早期的半导体工业已广泛的应用在扩散掺杂的制程,5,简介,硅的优点高丰量,价格便宜稳定且容易与氧化合早期的集成电路制造，氧化和扩散是制程中的支柱,6,集成电路制程流程,
2、集成电路生产厂房,金属化,化学机械研磨,刻蚀去光刻胶,7,硬件设备总览,8,水平式炉管,热制程中一般使用的工具一般称为扩散炉石英管内部有一陶瓷内衬称为马弗(muffle)属于多重管路系统,9,气体输送系统,制程炉管,排气,装载系统,控制系统,水平式炉管的布局图,10,计算机,微控器,微控器,微控器,微控器,微控器,炉管界面电路板,排气界面电路板,气体面板界面电路板,装载站界面电路板,真空系统界面电路板,高温炉控制系统功能图,11,送至工艺炉管,MFC,MFC,MFC,控制阀,调压器,气体钢瓶,气体输送系统示意图,12,源气柜,气体源氧水蒸气氮氢气体控制面板流量控制器流量计,13,氧化的氧来源,
3、干式氧化-高纯度的氧气水蒸气气泡式系统冲洗式系统氢和氧,H2+O2H2O氯源,栅极再氧化过程抑制移动的离子无水氯化氢,HCl三氯乙烯(TCE),三氯乙烷(TCA),14,扩散源,P型掺杂物B2H6,烧焦巧克力和太甜的味道有毒易燃且易爆的N型掺杂物PH3,腐鱼味AsH3,像大蒜的味道有毒易燃且易爆的吹除净化的气体N2,15,沉积源,做为多晶硅和氮化硅沉积的硅源:硅烷,SiH4,会自燃,有毒且易爆炸二氯硅烷,SiH2Cl2,极易燃氮化硅沉积的氮源:NH3,刺鼻的,让人不舒服的味道,具腐蚀性多晶硅沉积的掺杂物B2H6,PH3和AsH3吹除净化的气体N2,16,退火源,高纯度的氮气,大部分的退火制程使
4、用.H2O经常做為PSG或BPSG再流动制程的周围气体.在浅沟绝缘槽制程中的未掺杂硅玻璃化学机械研磨制程，退火制程中使用氧气.较低等级的氮气使用在闲置吹除净化制程.,17,排气系统,再释放前要先移除有害的气体有毒的,易燃的,易爆炸的,具腐蚀性的气体.燃烧室移除大部分有毒的,易燃的,易爆炸的气体洗涤室用水移除燃烧后的氧化物和具腐蚀性的气体.处理后的气体排放到大气.,18,装载晶圆,水平式系统,到排气端,制程炉管,晶舟,承载架,制程气体,晶圆,19,装载晶圆,垂直式系统,晶圆,塔架,20,热制程对温度相当的敏感必要的精密温度控制0.5C,中央区带0.05%在1000C,温度控制,21,温度控制系统
5、,热偶与反应管接触成比例的能带控制器将功率馈入加热线圈加热功率与设定点和测量点的差值成比例,22,反应室,高纯度石英高温稳定性适当基本的清洗缺点易碎的一些金属离子不能作为钠的屏障高于1200C可能产生冰晶雪花般多晶态结构，从而表层产生剥离,23,水平式高温炉,中心带区平坦带区,距离,温度,加热线圈,石英炉管,气流,晶圆,24,垂直式高温炉,制程位置,25,石英炉管,电融合火焰融合两者可用来追踪金属量火焰融合管产生的组件具有较佳的特性.,26,石英管清洗,对沉积高温炉制程避免粒子污染物特别重要在生产工厂外面,反应室外氢氟酸(HF)储存槽每一次移除石英的薄层受限于石英管的生命期反应室内部清洗在管的
6、内部产生等离子体在等离子体中从NF3分解离开污染物产生氟元素自由基,27,碳化硅管,优点较高的热稳定性较好的金属离子阻挡缺点比较重比较贵,28,温度控制反-弯曲法,向制程温度倾斜较低温时慢慢的装载晶圆(闲置温度,800C)在一个较短的稳定周期之后，使温度向制程点倾斜慢速装载1英吋/分钟200片六吋晶圆温度约下降50C的热容量,29,水平式高温炉,包含34个炉管(反应室)每一个炉管的温度控制系统分开,30,水平高温炉,中心带区平坦带区,距离,温度,加热线圈,石英炉管,气流,晶圆,31,高温炉,晶圆清洗站晶圆装载站手动晶圆装载自动晶圆装载氧化制程自动化,32,垂直石英炉,制程管以垂直方向置放较小的
7、占地面积较好的污染物控制较好的晶圆控制较低的维护成本和较高的晶圆处理量,33,制程反应室,晶圆,塔架,加热器,垂直高温炉,装载和卸除的位置,34,较小的占地空间,先进生产工厂的无尘室空间相当昂贵小的占地面积降低建造成本【costofownership(COO)】,35,较好的污染物控制,气体流动从上到下对于层气流的控制有较好的均匀性粒子大部分落在最上面的晶圆，而不会掉到底下的晶圆,36,较好的晶圆控制,当控制较大直径尺寸的晶圆数量时，作用在水平炉管的承载架的力矩也很高在垂直高温炉的晶圆塔架则是零力矩,37,硬件设备综述,高温炉经常使用在加热制程高温炉一般包括控制系统、气体输送系统、制程炉管或反
8、应室、晶圆装载系统和气体排放系统.垂直高温炉因为有较小的占地面积、较好的污染物控制和较低的维护成本因此被广泛使用.精确的温度控制和均匀性是加热制程成功的首要因素.,38,氧化,39,氧化,简介应用机制制程系统快速加热氧化,40,简介,硅和氧产生反应产生稳定的氧化物广泛的使用在IC制造Si+O2SiO2,41,二氧化硅,硅,O2,O2,O2,O2,O2,O2,O2,O2,O2,O2,原生硅表面,45%,55%,O2,O2,O2,O2,O2,硅氧化制程,42,硅元素的事实,名称,硅,符号,Si,原子序,14,原子量,28.0855,发现者,钟斯、杰可柏、柏塞利尔斯,发现地点,瑞典,发现日期,182
9、4,名称来源,由拉丁字silicis衍生而来，意指火石,单晶硅的键长度,2.352,固体密度,2.33g/cm,3,摩尔体积,12.06cm,3,音速,2200m/sec,硬度,6.5,电阻系数,100,000,mW,cm,反射率,28%,熔点,1414。C,沸点,2900。C,热传导系数,150Wm,-1,K,-1,线性热膨胀系数,2.6X10-6K-1,蚀刻物(湿式),HNO4,HF,KOH,等,.,蚀刻物(干式),HBr,Cl,2,NF,3,等.,CVD源材料,SiH,4,SiH,2,Cl,2,SiHCl,3,SiCl4等,43,氧的一些事实,名称,氧,符号,O,原子序,8,原子量,15
10、.9994,发现者,约瑟夫普瑞斯特莱/卡尔西雷,发现地点,英格兰/瑞典,发现日期,1774,命名起源,从希腊字的“oxy”和“genes”衍生而来,代表酸素形成之意,摩尔体积,17.36cm,3,音速,317.5m/sec,折射系数,1.000271,熔点,54.8K=-218.35,阵,C,沸点,90.2K=-182.95,阵,C,热传导系数,0.02658Wm,-1,K,-1,应用,热氧化,CVD氧化物,反应式溅射及光阻剥除,主要来源,O,2,H,2,O,N,2,O,O,3,44,氧化的应用,扩散的遮蔽层表面钝化屏蔽氧化层,衬垫氧化层,阻挡用的氧化层绝缘全区氧化层和硅的局部氧化栅极氧化层,
11、45,扩散的阻挡,硼(B)和磷(P)在二氧化硅的扩散速率比在硅的扩散速率来的低二氧化硅可做为扩散遮蔽,硅,掺杂物,二氧化硅,二氧化硅,46,表面钝化的应用,硅,二氧化硅,衬垫氧化層屏蔽氧化层牺牲氧化层阻挡用的氧化层,正常薄氧化层厚度(150)以保护受到污染物或过度的应力.,47,光阻,光阻,硅基片,掺杂离子,屏蔽氧化层,屏蔽氧化层,48,USG,硅,衬垫氧化层,氮化硅,硅,衬垫氧化层,氮化硅,硅,USG,阻挡氧化层,槽沟蚀刻,槽沟填充,USGCMP;USG退火;氮化硅和衬垫氧化层剥除,STI制程中的衬垫氧化层和阻挡氧化层,49,衬垫氧化层的应用,硅基片,缓冲氮化硅的高应力张力预防应力产生硅的缺
12、陷,50,组件绝缘的应用,相邻组件间的电性绝缘全区覆盖式氧化层硅的局部氧化(LOCOS)厚的氧化层厚度,通常是3,000到10,000,51,硅,硅,硅,二氧化硅,场区氧化层,晶圆清洗,场区氧化,氧化物蚀刻,活化区,全面场区覆盖氧化制程,52,硅的局部氧化制程,氮化硅,P型基片,P型基片,氮化硅,p+,p+,p+,绝缘掺杂,P型基片,p+,p+,p+,绝缘掺杂,SiO2,衬垫氧化层,衬垫氧化,氮化硅沉积及图案化,LOCOS氧化,氮化硅以及衬垫氧化层剥除,鸟嘴,SiO2,53,硅的局部氧化,和全区覆盖式氧化层比较较好的绝缘效果表面台阶高度较低侧壁坡度较小,缺点表面粗糙的拓璞鸟嘴,被浅沟槽绝缘取代
13、(STI),54,牺牲氧化层的应用,N型井区,P型井区,STI,USG,N型井区,P型井区,STI,USG,N型井区,P型井区,STI,USG,牺牲氧化层,剥除牺牲氧化层,栅极氧化层,牺牲氧化层,栅极氧化层,从硅晶表面移除缺陷,55,组件介电质的应用,栅极氧化层:最薄且多大部分是关键层电容介电质,n,+,栅极,薄氧化层,源极,汲极,P型硅,n,+,V,D,0,电子,V,G,56,80年代至今,浅沟槽绝缘,100-200,阻挡氧化层,氧化层的应用,氧化层名称,厚度,应用,应用的时间,原生氧化层,15-20,不必要的,-,屏蔽氧化层,200,离子注入,70年代中期至今,遮蔽氧化层,5000,扩散,场区及局部氧化层,3000-5000,绝缘,60年代到90年代,衬垫氧化层,100-200,氮化硅应力缓冲层,60年代至今,牺牲氧化层,1000,缺陷移除,70年代至今,栅极氧化层,30-120,匣极介电质,60年代至今,
