【正文】 1150 176。C)后，浸在加熱的浸泡槽中 . 氧化前晶圓的清洗 無(wú)機(jī)污染物移除 63 ? HF:H2O. ? 在以去離子水洗滌 , 旋干 且 / 或 烘干 (100 到 125 176。C)后，以高壓凈化或浸在加熱的浸泡槽中 ， . 氧化前晶圓的清洗 粒子移除 61 ? 強(qiáng)氧化劑可以移除有機(jī)殘留的污染物 . ? 去離子水清洗后，使用 H2SO4:H2O2 或NH3OH:H2O2溶液 ? 在以去離子水洗滌 , 旋干 且 / 或 烘干 (100 到 125 176。 缺陷移除 70年代至今 柵 極氧化層 30 120197。 絕緣 60年代到 90年代 襯墊氧化層 100 200197。 離子注入 70年代中期至今 遮蔽氧化層 ~ 5000197。 阻擋氧化層 氧化層的應(yīng)用 氧化層名稱 厚度 應(yīng)用 應(yīng)用的時(shí)間 原生氧化層 15 20197。 氮化硅 和 襯墊氧化層剝除 STI制程中的襯墊氧化層和阻擋氧化層 49 襯墊氧化層的應(yīng)用 氮化硅 硅基片 襯墊氧化層 ? 緩沖氮化硅的高應(yīng)力張力 ? 預(yù)防應(yīng)力產(chǎn)生硅的缺陷 50 組件絕緣的應(yīng)用 ? 相鄰組件間的電性絕緣 ? 全區(qū)覆蓋式氧化層 ? 硅的局部氧化 (LOCOS) ? 厚的氧化層厚度 , 通常 是 3,000到 10,000197。)以保護(hù)受到污染物或過(guò)度的應(yīng)力 . 47 光阻 光阻 硅基片 摻雜離子 屏蔽氧化層 屏蔽氧化層 48 USG 硅 襯墊氧化層 氮化硅 硅 襯墊氧化層 氮化硅 硅 USG 阻擋氧化層 槽溝蝕刻 槽溝填充 USG CMP。 C 沸點(diǎn) 2900。C) – 在一個(gè)較短的穩(wěn)定周期之后，使溫度向制程點(diǎn)傾斜 ? 慢速裝載 – 1英吋 / 分鐘 – 200片六吋晶圓溫度約下降 50 176。C 溫度控制 21 溫度控制系統(tǒng) ? 熱偶與反應(yīng)管接觸 ? 成比例的能帶控制器將功率饋入加熱線圈 ? 加熱功率與設(shè)定點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)的差值成比例 22 反應(yīng)室 ? 高純度石英 – 高溫穩(wěn)定性 – 適當(dāng)基本的清洗 ? 缺點(diǎn) – 易碎的 – 一些金屬離子 – 不能作為鈉的屏障 – 高于 1200 176。1 Chapter 5 加熱制程 王紅江， Ph. D. 2 目標(biāo) ? 列出三種加熱制程 ? 描述集成電路制造的熱制程 ? 描述熱氧化制程 ? 說(shuō)明快速加熱制程 (RTP)的優(yōu)點(diǎn) 3 主題 ? 簡(jiǎn)介 ? 硬設(shè)備 ? 氧化 ? 擴(kuò)散 ? 退火 – 離子注入 后退火 – 合金熱處理 – 再流動(dòng) ? 高溫化學(xué)氣相沉積法 (CVD) – 外延硅沉積 – 多晶硅沉積 – 氮化硅沉積 ? 快速加熱制程(RTP)系統(tǒng) – 快速加熱退火 – 快速加熱氧化 ? 未來(lái)的趨勢(shì) 4 定義 ? 熱制程是在高溫操作的制造程序，其溫度經(jīng)常較鋁的熔點(diǎn)高 ? 加熱制程通常在高溫爐進(jìn)行，一般稱之為擴(kuò)散爐 ? 早期的半導(dǎo)體工業(yè)已廣泛的應(yīng)用在擴(kuò)散摻雜的制程 5 簡(jiǎn)介 ? 硅的優(yōu)點(diǎn) – 高豐量 , 價(jià)格便宜 – 穩(wěn)定且容易與氧化合 ? 早期的集成電路制造，氧化和擴(kuò)散是制程中的支柱 6 集成電路制程流程 材料 設(shè)計(jì) 光 刻 集成電路生產(chǎn)廠房 測(cè)試 封裝 最后測(cè)試 加熱 制程 光刻 離子注入 去光刻膠 金屬化 化學(xué)機(jī)械研磨 介質(zhì)沉積 晶圓 刻蝕去 光刻膠 7 硬件 設(shè)備 總覽 8 水平式爐管 ? 熱制程中一般使用的工具 ? 一般稱為擴(kuò)散爐 ? 石英管內(nèi)部有一陶瓷內(nèi)襯稱為馬弗 (muffle) ? 屬于多重管路系統(tǒng) 9 氣體輸送系統(tǒng) 制程爐管 排氣 裝載系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 水平式爐管的布局圖 10 計(jì)算機(jī) 微控器 微控器 微控器 微控器 微控器 爐管界面電路板 排氣界面電路板 氣體面板界面電路板 裝載站界面電路板 真空系統(tǒng)界面電路板 高溫爐控制系統(tǒng)功能圖 11 送至工藝 爐管 MFC MFC MFC 控制閥 調(diào)壓器 氣體鋼瓶 氣體輸送系統(tǒng)示意圖 12 源氣柜 ? 氣體源 – 氧 – 水蒸氣 – 氮 – 氫 ? 氣體控制面板 ? 流量控制器 ? 流量計(jì) 13 氧化的氧來(lái)源 ? 干式氧化 高純度的氧氣 ? 水蒸氣 – 氣泡式系統(tǒng) – 沖洗式系統(tǒng) ? 氫和氧 ,H2 + O2 ?H2O ? 氯源 , 柵極再氧化過(guò)程抑制移動(dòng)的離子 – 無(wú)水氯化氫 ,HCl – 三氯乙烯 (TCE),三氯乙烷 (TCA) 14 擴(kuò)散源 ? P型摻雜物 – B2H6,燒焦巧克力和太甜的味道 – 有毒易燃且易爆的 ? N型摻雜物 – PH3,腐魚(yú)味 – AsH3,像大蒜的味道 – 有毒易燃且易爆的 ? 吹除凈化的氣體 – N2 15 沉積源 ? 做為多晶硅和氮化硅沉積的硅源 : – 硅烷 ,SiH4,會(huì)自燃 , 有毒且易爆炸 – 二氯硅烷 ,SiH2Cl2,極易燃 ? 氮化硅沉積的氮源 : – NH3,刺鼻的 , 讓人不舒服的 味道 ,具腐蝕性 ? 多晶硅沉積的摻雜物 – B2H6, PH3 和 AsH3 ? 吹除凈化的氣體 – N2 16 退火源 ? 高純度的氮?dú)?,大部分的退火制程使用 . ? H2O經(jīng)常做為 PSG或 BPSG再流動(dòng)制程的周?chē)鷼怏w . ? 在淺溝絕緣槽制程中的未摻雜硅玻璃化學(xué)機(jī)械研磨制程，退火制程中使用氧氣 . ? 較低等級(jí)的氮?dú)馐褂迷陂e置吹除凈化制程 . 17 排氣系統(tǒng) ? 再釋放前要先移除有害的氣體 ? 有毒的 ,易燃的 ,易爆炸的 ,具腐蝕性的氣體 . ? 燃燒室移除大部分有毒的 ,易燃的 ,易爆炸的氣體 ? 洗滌室用水移除燃燒后的氧化物和具腐蝕性的氣體 . ? 處理后的氣體排放到大氣 . 18 裝載晶圓 , 水平式系統(tǒng) 到排氣端 制程爐管 晶舟 承載架 制程氣體 晶圓 19 裝載晶圓 , 垂直式系統(tǒng) 晶圓 塔架 20 ? 熱制程對(duì)溫度相當(dāng)?shù)拿舾? ? 必要的精密溫度控制 ? ? 176。C,中央?yún)^(qū)帶 ? ?%在 1000 176。C可能產(chǎn)生冰晶雪花般多晶態(tài)結(jié)構(gòu)，從而表層產(chǎn)生剝離 23 水平式高溫爐 中心帶區(qū) 平坦帶區(qū) 距離 溫度 加熱線圈 石英爐管 氣流 晶圓 24 制程反應(yīng)室 晶圓 塔架 加熱器 垂直式高溫爐 , 制程位置 25 石英爐管 ? 電融合 ? 火焰融合 ? 兩者可用來(lái)追蹤金屬量 ? 火焰融合管產(chǎn)生的組件具有較佳的特性 . 26 石英管清洗 ? 對(duì)沉積高溫爐制程避免粒子污染物特別重要 ? 在生產(chǎn)工廠外面 , 反應(yīng)室外 – 氫氟酸 (HF)儲(chǔ)存槽 – 每一次移除石英的薄層 – 受限于石英管的生命期 ? 反應(yīng)室內(nèi)部清洗 – 在管的內(nèi)部產(chǎn)生等離子體 – 在 等離子體 中從 NF3 分解離開(kāi)污染物產(chǎn)生氟元素自由基 27 碳化硅管 ? 優(yōu)點(diǎn) – 較高的熱穩(wěn)定性 – 較好的金屬離子阻擋 ? 缺點(diǎn) – 比較重 – 比較貴 28 溫度控制 反 彎曲 法 ? 向制程溫度傾斜 – 較低溫時(shí)慢慢的裝載晶圓 (閑置溫度 , ~ 800 176。C的熱容量 29 水平式高溫爐 ? 包含 3~4個(gè)爐管 (反應(yīng)室 ) ? 每一個(gè)爐管的溫度控制系統(tǒng)分開(kāi) 30 水平高溫爐 中心帶區(qū) 平坦帶區(qū) 距離 溫度 加熱線圈 石英爐管 氣流 晶圓 31 高溫爐 ? 晶圓清洗站 ? 晶圓裝載站 – 手動(dòng)晶圓裝載 – 自動(dòng)晶圓裝載 ? 氧化制程自動(dòng)化 32 垂直石英爐 ? 制程管以垂直方向置放 ? 較小的占地面積 ? 較好的污染物控制 ? 較好的晶圓控制 ? 較低的維護(hù)成本和較高的晶圓處理量 33 制程反應(yīng)室 晶圓 塔架 加熱器 垂直高溫爐 ,裝載和卸除的位置 34 較小的占地空間 ? 先進(jìn)生產(chǎn)工廠的無(wú)塵室空間相當(dāng)昂貴 ? 小的占地面積降低建造成本 【 cost of ownership (COO)】 35 較好的污染物控制 ? 氣體流動(dòng)從上到下 ? 對(duì)于層氣流的控制有較好的均勻性 ? 粒子大部分落在最上面的晶圓，而不會(huì)掉到底下的晶圓 36 較好的晶圓控制 ? 當(dāng)控制較大直徑尺寸的晶圓數(shù)量時(shí)，作用在水平爐管的承載架的力矩也很高 ? 在垂直高溫爐的晶圓塔架則是零力矩 37 硬件 設(shè)備綜述 ? 高溫爐經(jīng)常使用在加熱制程 ? 高溫爐一般包括控制系統(tǒng)、氣體輸送系統(tǒng)、制程爐管或反應(yīng)室、晶圓裝載系統(tǒng)和氣體排放系統(tǒng) . ? 垂直高溫爐因?yàn)橛休^小的占地面積、較好的污染物控制和較低的維護(hù)成本因此被廣泛使用 . ? 精確的溫度控制和均勻性是加熱制程成功的首要因素 . 38 氧化 39 氧化 ? 簡(jiǎn)介 ? 應(yīng)用 ? 機(jī)制 ? 制程 ? 系統(tǒng) ? 快速加熱氧化 40 簡(jiǎn)介 ? 硅和氧產(chǎn)生反應(yīng) ? 產(chǎn)生穩(wěn)定的氧化物 ? 廣泛的使用在 IC制造 Si + O2 ? SiO2 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 硅元素的事實(shí) 名稱 硅 符號(hào) Si 原子序 14 原子量 發(fā)現(xiàn)者 鐘斯、杰可柏、柏塞利爾斯 發(fā)現(xiàn)地點(diǎn) 瑞典 發(fā)現(xiàn)日期 1824 名稱來(lái)源 由拉丁字 silicis衍生而來(lái)，意指火石 單晶硅的鍵長(zhǎng)度 固體密度 摩爾體積 3 音速 2200m/sec 硬度 電阻系數(shù) 100,000 mW ?cm 反射率 28% 熔點(diǎn) 1414。 C 熱傳導(dǎo)系數(shù) 150W m 1 K 1 線性熱膨脹系數(shù) 106K1 蝕刻物 (濕式 ) HNO4, HF, KOH,等 . 蝕刻物 (干式 ) HBr, Cl 2 ,NF 3 , 等 . CVD源材料 SiH 4 ,SiH 2 Cl 2 ,SiHCl 3 , SiCl4等 43 氧的一些事實(shí) 名稱 氧 符號(hào) O 原子序 8 原子量 發(fā)現(xiàn)者 約瑟夫 ?普瑞斯特萊 / 卡爾西雷 發(fā)現(xiàn)地點(diǎn) 英格蘭 / 瑞典 發(fā)現(xiàn)日期 1774