Thin Film Process Introduction

1、20222022年年3 3月月6 6日日Thin Film Process IntroductionOutline2 薄膜工艺概括 PVD工艺原理与应用 CVD工艺原理与应用 热氧化工艺原理与应用Thin Film Process Overview薄膜在集成电路中的应用薄膜在集成电路中的应用N-WellP-WellP+N+N+P+Lining Oxide Dry oxidation 1000C/200AGate OxidePoly Si Gate LPCVD U-Poly 620C/2KASpacerLPCVD TEOS 700C/150A + LPCVD Si3N4 680C/300ARem

2、oved layers:Thermal pad oxide 920C/110ALPCVD AA Si3N4 780C/1625ASac oxide 920C/110A薄膜在集成电路中的应用薄膜在集成电路中的应用Thin Film Process Overview5u金属薄膜：金属薄膜： 功能： 电极，互连，功函数层； 种类： Al，Ti，TiN，W，WN, Cu，Ta， TaN，Silicideu半导体薄膜：半导体薄膜： 功能： 有源层，电极，互连； 种类： 单晶硅，Poly-Si，a-Si, SiGe;u绝缘体薄膜：绝缘体薄膜： 功能：介质层，隔离层，钝化层； 种类： SiO2，Si3N4，

3、SiON，BPSG, HighK，LowK；薄膜制程薄膜制程? 通过物理或化学的方法在衬底上淀积一层单原子到几微米厚的固体物质的过程.Thin Film Process OverviewThin Film Process Overview薄膜的制作方法薄膜的制作方法1.CVD Chemical Vapor Deposition 化学气相沉积 （ PECVD, HDPCVD, LPCVD, APCVD, SAPCVD, MOCVD, EPI， ALD） 可以沉积金属,非金属,半导体各种类型的薄膜.2.PVD Physical Vapor Deposition 物理气相沉积 （ 真空蒸镀（热蒸发，

4、E-Beam）溅射（RF, DC, 磁控, 反应）, 离子镀） 理论上可以沉积各种薄膜,比较常用的是金属薄膜.3.Electro-Chemical Plating 电镀/化学镀 可以沉积多种薄膜,在IC行业主要是镀Cu, Au.用在Cu互连和封装.u 沉积法：沉积法：外来物质淀积于基底表面形成薄膜u 生长法生长法：外来物质与基底材料表面发生反应生成；热氧化（Furnace， ISSG）7p薄膜颗粒 p薄膜厚度均匀性p薄膜的纯度p薄膜的密度，致密性p薄膜台阶覆盖/高深宽比孔隙能力（SEM，TEM）p薄膜成分配比，结构（FTIR，XRF，XRD）p应力控制p电学性质 （电阻，介电常数，击穿电压）p

5、衬底材料和薄膜粘附性p光学性质（反射率，折射率）p薄膜表面粗糙度（AFM）Thin Film Process Overview薄膜的一般特性与评估方法8薄膜的生长模型Thin Film Process Overview 薄膜台阶覆盖/高深宽比孔隙能力 由于线宽尺寸的缩小，对薄膜的台阶覆盖能力和空隙填充能力越来越高。Thin Film Process Overview真空系统真空系统101牛顿/平方米1公斤力/平方厘米10牛顿/平方厘米规定为101.325kPa1 mmHg Thin Film Process OverviewVacuum Pumps and GaugesPVD制程对腔体真空度要

6、求非常高，它对薄膜的性能有很大的影响。压力（Torr）1个大气压1Torr1mTorr1E-8(Torr)（cm）66.7nm4.72E-034.724.72E+0511Thin Film Process OverviewPhysical Vapor Deposition（PVD） PVD 沉积的定义沉积的定义PVD 沉积的特点沉积的特点PVD 沉积的分类沉积的分类PVD 沉积工艺的原理沉积工艺的原理PVD沉积工艺的应用沉积工艺的应用Physical Vapor Deposition（PVD） PVD 沉积的定义沉积的定义 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, P

7、VD)是指利用物理过程实现是指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到物质转移，将原子或分子由源转移到 衬底表面上的过程。衬底表面上的过程。 该过程的实现一般是在真空状态下实现PVD 沉积的特点沉积的特点 源物质经过物理过程进入气相; 需要相对较低的气体压力环境; 要使用固态的或者融化态的物质作为沉积过程的源物质；应用：应用： 金属薄膜的沉积（主要） 介质薄膜的沉积Physical Vapor Deposition（PVD） PVD 的分类的分类u 真空蒸发沉积( Evaporation) 电阻式加热（热蒸发） 电子束蒸发u 溅射沉积(Sputtering) 直流溅射 （DC-Sput

8、ter） 射频溅射 （RF-Sputter） 磁控溅射 （Reactive-Sputter) 反应溅射 (Magnetron Sputter)Physical Vapor Deposition（PVD） 原理：原理：在真空状态下，加热源材料，使原子或分子从源材料表面逸出从而在衬底上生长薄膜的方法。优点：优点： 设备简单、操作容易、成膜速率快缺点： 薄膜与衬底附着力小、重复性不好，台阶覆盖差真空蒸发沉积真空蒸发沉积( Evaporation)蒸发成膜过程（岛状生长）蒸发成膜过程（岛状生长） 加热源材料，通常至熔点气化原子或分子从蒸发源向衬底输运飞到衬底上的原子或分子在表面凝结（成核）核再捕获到飞

9、抵的原子分子或表面扩散原子分子（晶核长大）核与核合成而形成网络结构（晶粒合并）网络被填实即生成连续的薄膜（连续成膜）Physical Vapor Deposition（PVD） 薄膜厚度和质量的影响因素薄膜厚度和质量的影响因素l真空度： 减少气体分子间碰撞，抑制蒸发分子与残余气体之间的反应；l蒸发速率：单位时间内从蒸发源单位面积离开的分子/原子数；l沉积速率：淀积速率正比于蒸发速率，快膜层结构松散，慢结构较紧密，但缺陷增加；l衬底位置：薄膜的沉积速率与衬底和蒸发源距离平方成反比；l衬底温度：高的衬底温度，易于排除衬底表面吸附的气体分子，使膜层在衬底上附着更牢，减少膜层的内应力，但容易被再次蒸发

10、和形成大的晶粒。Physical Vapor Deposition（PVD） 原理：原理：利用电流通过加热源时所产生的焦耳热来加热蒸发材料。优点：优点：结构简单、装置便宜、操作方便、蒸发速率快、广泛用于Au、Ag、Cu、Ni等导体材料。缺点：缺点：坩埚或其它加热体以及支撑部件可能的污染，不适用于高纯或难容物质的蒸发。电阻加热蒸发装置电阻加热蒸发装置Physical Vapor Deposition（PVD） Physical Vapor Deposition（PVD） 原理：原理：阴极产生的电子在电场加速下，获得足够的动能轰击处于阳极的蒸发材料，使之受热气化优点：优点：a.电子束轰击能量密度高

11、，可使熔点3000以上的材料熔化, 可蒸发：W、Mo、Al2O3等； b. 提高纯度：坩埚用水冷却，避免容器材料的污染及与蒸发材料的反应; c. 热效率高，热量直接加在蒸发材料表面，热传导和热辐射损失少;缺点：缺点：a. 化合物受轰击会分解; b.结构复杂、设备昂贵; c.电离气体分子，影响膜质量。E-beam蒸发装置蒸发装置利用石英晶体振荡频率的变化来测量薄膜的质量厚度，然后根据相应材料的密度转换显示为几何厚度。e+eee-+e+-eAtom/molecule/radicalIonNegative ionElectronPlasma introduction19等离子体又称电浆,是物质第四态

12、,占了整个宇宙的99%;Physical Vapor Deposition（PVD） 1. Neutral Ar gas enters into PVD chamber2. Ar becomes energized ion Ar+ by free electrons created by plasma3. Energized Ar+ ions bombard the target surface5. Released Metal atom deposits onto wafer and forms a thin film4. Atomic Bonds are broken by Ar+ spu

13、tter and metal atom is releasedNeutral ArAr ion (Ar+)Sputtered MetalSputtering Basics20腔体靶材晶圆Physical Vapor Deposition（PVD） 21工艺基本原理工艺基本原理溅射三要素溅射三要素: Target, Gas, Plasma；轰击target气体，通常用Ar. (价廉，分子量较大。)溅射成膜溅射成膜 溅射沉积薄膜主要由高能量粒子（通常为由电场加速的正电荷离子）对固态靶材表面进行撞击，使靶材表面的原子或分子（团）被撞击出来，进而结合或凝聚在基材上形成薄膜。Physical Vapor

14、 Deposition（PVD） 22工艺基本原理工艺基本原理Physical Vapor Deposition（PVD） Sputter 腔体结构腔体结构23Physical Vapor Deposition（PVD） 24工艺原理- RF PVD等离子体的产生：等离子体的产生：在两极之间不断振荡运动的电子将可从高频电场中获得足够的能量并使得气体分子电离，而由电极过程产生的二次电子对于维持放电的重要性相对下降。常用频率13.56 MHz；溅射原理溅射原理: : 在靶材上产生自偏压效应，这导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。(当靶处于正半周时，由于电子质量比离子质量小，故速率高，在很短时间内

15、飞向靶面，中和其表面累积的正电荷，并在靶表面迅速累积大量电子，使靶材表面呈负电位，吸引正离子继续轰击靶表面产生溅射) RFRF PVDPVD 特点：特点：1.高频电场可以耦合进入沉积室，而不再要求电极一定要是导体,适用于金属和非金属材料溅射沉积;2. 射频溅射损伤相比直流溅射小; 3.辐射大;Physical Vapor Deposition（PVD） 原理原理: : 在溅射装置中的靶材附近加入磁场，受洛伦磁力的影响, 垂直方向分布的磁力线将电子约束在靶材表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，增加电子运动的路径，提高电子与气体分子的碰撞几率和电离过程。;特点特点: : 1. 所需维持等离子体

16、电压低; 2. 溅射效率高; 3.不均匀刻蚀,使靶材利用率低; 4. 溅射损伤小;工艺原理-磁控溅射25Physical Vapor Deposition（PVD） 工艺原理- 反应溅射DC/RF powerMN “poisoned” layerMetal Target+Ar + N2 gas plasmaArArArArMMWaferM+ N reaction on wafer surfaceProcess：-Reactive gas (N2 /O2) is added to the plasma and poisons the target with a MN compound.-Argo

17、n sputter ejects Ti from the MN film on the target.-Chemically active Metal is then deposited on the substrate. -Nitrogen then reacts with the deposited Metal atoms on the wafer to form MN. -Reactive gas decreases sputter rate。26Physical Vapor Deposition（PVD） Only Ar on, 生长生长Ti；Ar,N2 both on, 可沉积可沉积

18、TiN；根据毒化程度：可以分为两种模式（金属模式和中毒模式）；根据毒化程度：可以分为两种模式（金属模式和中毒模式）；TaN Hysterisis CurveTaN Hysterisis Curve300320340360380400420440N2051015202530354045505560Voltage 1Voltage 2TaN Hysterisis Test (Ar Flow 65 sccm)300350400450500020406080100N2 Flow, sccmTarget DC Voltage, VVoltage (ascending)Voltaget (descendi

19、ng)Metallic modePoison mode27Physical Vapor Deposition（PVD） 工艺原理- RF-DC 溅射28特点特点: : 1. RF射频用来产生等离子体; 2. DC power 用来调节溅射速率.PVD 技术进展技术进展PVD (Physical Vapor Deposition): High deposition rate Good film quality(high purity, low resistivity) Bad step coverage 29Step coverage Collimated Collimated PVD PVDT

20、argetWaferCollimatorOnly Metal which has a “vertical” path gets through the coherent plate.30Physical Vapor Deposition（PVD） 31Physical Vapor Deposition（PVD） SIP: Self Ionized Plasma1.High density plasma； 2.Good bottom/Sidewall coverage 3. Asymmetric sputter；1.High Power; 2.Strong Asymmetric magnet;

21、3.Bias Pedestal 4. Long-through; SIP PVD腔体特征腔体特征:SIP PVD 制程特点制程特点:Physical Vapor Deposition（PVD） IMP Ti (Ionized metal plasma)(Attracts ionized metal atoms to substrate)(Ionizes sputtered targets atoms)Better efficiency ! Low sidewall dep ! Physical Vapor Deposition（PVD） 34薄膜溅射过程薄膜溅射过程薄膜溅射一般有三个步骤：薄膜

22、溅射一般有三个步骤： Step1： Degas ,作用：作用：去除wafer表面水汽，可挥发物，以及残留PR； 有多种Degas 模式 Lamp加热（八寸）； Heater 加热； Dual Mode Degas； Step2： PreClean 作用：作用：去除wafer表面氧化物，以及残留PR，polymer； 有多种Pre Clean 模式 Ar+ sputter clean（普通）; H+ chemical PreClean（Cu制程）; Siconi Preclean（Ni Salicide）; Aktiv Preclean（先进铜制程） 上面两步的目的就是为了降低接触电阻，提高沉积

23、的金属膜质量 Step3： PVD溅射各种薄膜 Physical Vapor Deposition（PVD） 35PVD Process Application： AL interconnect line Metal Gate material( TiAL, TiN, TaN, Ti etc.) Silicide ( Ni, Co, Ti) Contact Hole liner and Barrier ( Ti, TiN) Cu interconnect Barrier/Seed Bond PADPhysical Vapor Deposition（PVD） v Bottom TTN Layer

24、1)Ti:a)Buffer; Ti =TiO+Si (Rs low);2) TiN: 隔开AL : AL+Ti=TiAL3 (Rs )ARCALTINTiARCTIALTINTiTop TTN-Dep : AL+Ti+TiN Rs high& AL+Ti=TiAL3 (AL Rough);2) Ti: a. if no Ti layer:AL+N+= ALN3 b. if has Ti layer: AL+Ti+ N+ =ALTi3+TiN ALTi3(Rs) c. Ti can prevent EM.Physical Vapor Deposition（PVD） 37 Metal Ga

25、te 用金属栅取代传统的多晶硅栅Physical Vapor Deposition（PVD） Contact & Via Liner and Barrier 沉积一层阻挡层，TiN由于其良好的阻挡性能和稳定性；沉积一层粘附层 Ti，用来降低接触电阻和增加结合力； Contact ： IMP Ti + CVD TiN 或 TCL Ti + TCL TiN Via： SIP Ti/ TiN 或 IMP Ti + CVD TiN Physical Vapor Deposition（PVD） 39Silicide ProcessPhysical Vapor Deposition（PVD） 40

26、Cu Barrier/Seed Cu具有比Al更低的电阻率，且具有更好的电迁移性；但Cu没有一种很好的刻蚀方法，所以不能用常规溅射的方法；随着通过大马士结构和化学机械研磨技术的发明并与传统电镀技术的结合，很好的解决了Cu不能刻蚀的问题。Physical Vapor Deposition（PVD） 41xx04xx_xxBondpad ApplicationsPhysical Vapor Deposition（PVD） ECP : (Electrochemical plating)Electrode(cathode: wafer, anode: Cu) and electrolyte( Bath

27、)Anode(copper)= release electron (Oxidation) Cu=Cu(2+) + 2e(-) Cathode(wafer)=obtain electron (Reduction) Cu(2+) +2(e-)=Cu(0)Electrochemical plating （ECP） Plating CellAnnealing ChamberPost Plating Module Plating CellNVLS ECP 机台Electrochemical plating （ECP） ECP tool and process - Plating CellBottom-u

28、p Fill Mechanism Diagram Copper annealing has 3 main purposes: Accelerate the recrystallization process Increase CMP rate Improve electromigration resistance decrease copper resistivityCool StationBake StationLift-Rotate ArmECP制程 Anneal200C Anneal 3min 2.0 Resistivity1.75 Nominal CMP Rate+20-30%Slig

29、ht 111 Texture Mostly random1.0 umChemical Vapor Deposition（CVD） CVD 沉积的定义沉积的定义 CVD 沉积的特点沉积的特点 CVD 沉积的分类沉积的分类 CVD 沉积工艺的原理沉积工艺的原理 CVD沉积工艺的应用沉积工艺的应用Chemical Vapor Deposition（CVD） CVD 沉积的定义沉积的定义化学气相沉积（化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, PVD)是通过化学反应的方式， 利用热能、等离子体放电、光辐射等形式的能量，使气态物质在固体的表面上发生化学反应，并在该表面上沉积，形成

30、稳定的固态薄膜的过程。 CVD 沉积的特点沉积的特点 a. 反应物和副产物为气体; b. 成膜速度快 c. 淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好； d. 极佳的台阶覆盖能力 e. 可以获得平滑的沉积表面 f. 薄膜的成分精确可控 g. CVD 某些成膜温度远低于体材料的熔点，可得到高纯度、结晶完全的膜层 应用：应用： 介质薄膜 （例如：SiO2、SiNx等） 半导体薄膜 （例如： Si、GaAs、GaN等） 导体薄膜 （例如： W， TiN，TaN）Chemical Vapor Deposition（CVD） u APCVD (Atmospheric Pressure CVD)u SACVD

31、(Sub-atmospheric Pressure CVD)u LPCVD (Low Pressure CVD)u PECVD (Plasma Enhanced CVD)u HDP-CVD (High Density Plasma CVD)u MOCVD (Metal-organic CVD)u ALD ( Atom layer Deposition)u EPI (Epitaxy) CVD 的分类的分类Chemical Vapor Deposition（CVD） CVD 制程的工艺步骤制程的工艺步骤1. Transport of reacting gaseous species to the

32、substrate surface2. The reactants are adsorbed on the substrate.3. The adatoms undergo migration and film-forming chemical reactions.4. Desorption of gaseous reaction by-products5.Transport of reaction by-products away from the substrate surfaceChemical Vapor Deposition（CVD） 1.Heterogeneous Reaction

33、 (多相反应多相反应)Reaction occurs on heated surfaceHigher quality of filmTypes of NucleationTypes of Nucleation2.Homogenous Reaction(单相单相反应反应)Gas Phase Reaction (Clusters)Poor AdhesionLower DensityDecreased Deposition RateParticle GenerationReaction TypeReaction TypeMass transport Limited(质量传输控制) Higher te

34、mperature/High PressureSurface Reaction Rate Limited(表面控制/化学动力学控制) Lower temperature/Low Pressure 反应热为吸热很大时,低温时反应热力学也有影响;Reaction thermodynamic Limited 进气控制/热力学控制 反应热为放热时,高温时反应热力学也有影响; Chemical Vapor Deposition（CVD） 指在大气压下进行的一种化学气相淀积的方法，这是化学气相淀积最初所采用的方法。APCVD (Atmospheric Pressure CVD)u APCVD的缺点：的缺点

35、： 1硅片水平放置，量产受限，易污染; 2反应速度受反应室尺寸、气体流速、硅片位置等多种因素影响; 3均匀性不太好， 质地较为松散,所APCVD一般用在厚的介质淀积;u APCVD的优点的优点: 具有高沉积速率； 在集成电路制程中应用比较少, APCVD 制程主要用来在淀积二氧化硅和参硼磷的二氧化硅，应用于生长保护钝化层。u APCVD的应用的应用:SiH4 + O2 - SiO2 + 2H2（760Torr，430左右）Si(OC2 H5)4+O3SiO2 +副产物（760Torr，510左右）Chemical Vapor Deposition（CVD） SACVD (Sub-Atmosph

36、eric Pressure CVD)，顾名思义就是次常压化学汽相沉积。在此基础上又开发出了HARP工艺，采用经过优化的SACVD工艺, 在STI工艺中采用了三步沉积法，与HDP相比,它的填充能力更强,并且不存在等离子体损伤。SACVD (Sub-Atmospheric Pressure CVD)u SACVD的应用的应用: STI , Spacer OX,SAB OX,ILD IMD Gap-Fillu TEOS 和臭氧和臭氧反应：反应： Si(OC2 H5)4+O3SiO2 +副产物（400600Torr，510左右）u SACVD的特点：的特点：优良的台阶覆盖性和间隙填充 No Plasm

37、a damage HARP STI 工艺工艺Chemical Vapor Deposition（CVD） 等离子体增强化学气相淀积(PECVD)是指在高频等离子体驱动的的情况下，反应气体从等离子体中获得激活能，激活并增强化学反应，从而实现化学气象淀积。u PECVD工艺特点工艺特点： PECVD (Plasma Enhanced CVD)u PECVD的应用的应用: Spacer, ILD, IMD,Passivation ,. 1. 低的工艺温度(250 450)，高的沉积速率；2. 射频RF可以控制淀积薄膜的应力；3. 反应室可用Plasma清洗；4. Plasma的离子轰击能够去除表面杂

38、质，增强黏附性；5. 对高的深宽比间隙有好的填充能力；工艺压力 10010000 mTorr；6. 沉积各种薄膜： SiO2, SRO,PSG, BPSG, Nitride, Oxynitride, a-Si , 7. 少的针孔和空洞，因为有高的膜密度；8. 工艺温度低，应用范围广。u缺点缺点： 设备成本高； 对气体纯度要求高； 化学配比差； Chemical Vapor Deposition（CVD） PECVD 中的化学反应中的化学反应56uPECVD SiO2: SiH4 + 2N2O SiO2 + 2H2 + 2N2 400 , Dopant Source: PH3, B2F6 TEO

39、S + O2 SiO2 + “others” 400 , Dopant Source : TMP, TMB uPECVD Nitride: SiH4+N2(Carrier gas)+NH3 SixNyHz + H2 400 ,uPECVD SiON SiH4 + N2O+ NH3 SiOxNyHz + “others” 400 SiH4+N2O+He SiOxNy(Hz) + other volatiles 400 uPECVD a-Si: SiH4 Si + 2H2 PEOX (TEOS) PEOX (SiH4)Chemical Vapor Deposition（CVD） HDP CVD是指

40、等离子体在低压下以高密度混合气体的形式直接接触到反应腔中硅片的表面, 在同一个反应腔中同步地进行化学气象淀积和刻蚀的工艺。u HDPCVD工艺特点工艺特点：HDP CVD (High Density Plasma CVD)u HDP CVD的应用的应用: STI, ILD, IMD,. 1. Plasma Density高 : 101112 /cm3 (PECVD: 10810 /cm3 ) ；2. In-situ deposition and sputtering（Ar or O2）3. Low SiH and SiOH concentration ；4. Lower pressure (0

41、.550 mTorr) ；5. Excellent gap fill properties ；6. Films denser than PECVD；7. Lower deposition rate ；PECVDHDPCVDChemical Vapor Deposition（CVD） SiH4 (g) +O2 (g) SiO2(s)+H2(g) Material: TDMAT Ti N(CH3)24MOCVD：TiNChemical Vapor Deposition（CVD） uReaction during WCVDuReaction during clean NF3 N2+xF2+YF W

42、+ xF2 +yF WFx Substrate attack: WF6 + Ti TiFx + W Si + WF6 W(s) + SiFx WCVD Basic ReactionChemical Vapor Deposition（CVD） 低压化学气相淀积LPCVD (Low Pressure CVD)是指系统工作在较低的压强下(一般在100Pa以下)的一种化学气相淀积的方法。LPCVD (Low Pressure CVD)u LPCVD的应用的应用:Spacer OX, Spacer SiN, PAD SiN, Poly Gate1. 好的台阶覆盖和均匀性 2. 具有优异的薄膜均匀度3.

43、较佳的阶梯覆盖能力 4. 薄膜具有较优良的性质（高纯度，致密） 温度较高，大部分高于660 ，限制了在后段使用； 沉积薄膜速率慢,一般都用炉管沉积。uLPCVD的优点：的优点：uLPCVD的缺点：的缺点：Chemical Vapor Deposition（CVD） LPCVD 中的化学反应中的化学反应61uLPCVD SiO2: LTO SiH4 (g) +O2 (g) SiO2(s)+H2(g) 300400 台阶覆盖和颗粒的差，很少用 HTO SiH2Cl2 (g) +2N2O (g) SiO2(s)+ N2 (g) +2HCl (g) 720900 0.18 Torr LPTEOS Si

44、(OC2H5)4(g) SiO2（s）+H2O(g)+C2H4 (g) 600-730 0.10.2 TorruLPCVD Nitride: 3SiH4(g)+4NH3(g) Si3N4(s) + 12H2(g) 均匀性较差，很少用 SiH2Cl2(g)+NH3(g) Si3N4(s)+3HCl(g) + 6H2(g) 650800 0.2 Torr uLPCVD Si: SiH4 Si(amorphous) + 2H2 550; 0.085 Torr SiH4 Si(poly) + 2H2 600; 0.10.2 TorrSiH4 Si(Dope-poly) + 2H2 530oC, 540

45、oC; 1 Torr, 0.375 Torr PH3Chemical Vapor Deposition（CVD） IC行业所用的炉管目前主要是立式的,卧式的已经不是主流.占地面积小，微粒污染较低，能够处理大量的晶圆，均匀性较佳，维修成本较低 炉管种类炉管种类: :卧式卧式立式立式LPCVD 制程主要用在制程主要用在LP炉管，下面介绍的热氧化主要用在炉管，下面介绍的热氧化主要用在AP炉管。炉管。Chemical Vapor Deposition（CVD） Thermal Oxidation Process（热氧化工艺）（热氧化工艺）热氧化工艺的定义热氧化工艺的定义热氧化工艺的特点热氧化工艺的特点

46、热氧化工艺的分类热氧化工艺的分类热氧化工艺的原理热氧化工艺的原理热氧化工艺的应用热氧化工艺的应用Thermal Oxidation 热氧化工艺的定义热氧化工艺的定义 热氧化法是在高温下（750-1200）使置于含氧气环境的硅片表面形成二氧化硅膜的方法。热氧化的目的是在硅片上制作出一定质量要求的二氧化硅膜，对硅片或器件起保护、钝化、绝缘、缓冲介质等作用。硅片氧化前的清洗、热氧化的环境及过程是制备高质量二氧化硅膜的重要环节。 热氧化工艺的特点热氧化工艺的特点 a. 靠氧化剂的扩散成膜； b. 氧化膜质量最好； c. 氧化速率慢; d.消耗衬底的Si材料。生长生长1um的的SiO2薄膜薄膜,约消耗约

47、消耗0.44um的沉底的沉底Si 应用：应用： Zero-OX，PAD-OX， Field-OX，Sac-OX，Gate-OXThermal Oxidation 热氧化工艺的分类热氧化工艺的分类u 干氧氧化（Dry Oxide）u 水汽氧化u 湿氧氧化 （Wet Oxide）u 掺氯氧化u 原位水汽生成氧化（ISSG）常压炉管低压快速氧化热退火技术Thermal Oxidation 干氧氧化干氧氧化u化学反应式：Si+O2 SiO2 (Temp: 7001200oC) 干氧化制作的SiO2结构致密，均匀性、重复性好，掩蔽能力强，对光刻胶的粘附性较好，但生长速率较慢；一般用于高质量的氧化，如栅氧

48、等；厚层氧化时用作起始和终止氧化；薄层缓冲氧化也使用此法。 水汽氧化水汽氧化u化学反应式：2H2O+Si SiO2+2H2 水汽氧化生长速率快，但结构疏松，掩蔽能力差，有较多缺陷。对光刻胶的粘附性较差，Thermal Oxidation 湿氧氧化湿氧氧化u化学反应式： Si + 2H2O SiO2 + 2H2 Si+O2 SiO2 湿氧氧化反应气体中包括O2 和H2O ，实际上是两种氧化的结合使用,在今天的工艺中H2O的形成通常是由H2和O2的反应得到。在高温时，H2O 解离为H+和H-O-，与O2相比，H-O-在SiO2中扩散更快, 湿法氧化的生长速率比干法快得多 ,因此在厚层氧化中得到了较

49、为广泛的应用，如场氧化等。 掺氯氧化掺氯氧化 氧化气体中掺入HCL或DCE（C2H2Cl2）后，氧化速率及氧化层质量都有提高。原因，其一：掺氯氧化时反应产物有H2O，加速氧化；其二：氯积累在Si-SiO2界面附近，氯起催化剂的作用，在有氧的情况下易转变成SiO2，同时能消除钠离子的沾污，提高器件的电性能和可靠性。此次能减少SiO2中的缺陷，降低SiO2中的固定电荷和界面态密度。Thermal Oxidation ISSG (In-Situ Steam Generation) 原位水汽生成氧化原位水汽生成氧化u化学反应式： H2 + O2 2OH H2 + OH H2O + H O2 + H OH + O H2 + O OH + H 该工艺中低含量的氢气对提高氧化速