半导体制造技术
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(稱之為裂解 (pyrolysis))。
2.薄膜的材料源由外加氣體所供給。 3. CVD製程的反應物必須為氣相的形式
(如氣體)。
15
化學氣相沈積機台
(Photo courtesy of Novellus Systems, Inc.)
照片 11.3
16
CVD化學製程
CVD的5個基本化學反應
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。
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。
2
MSI世代MOS電晶體之薄膜層
頂部
氮化矽
墊
ILD 多晶矽
n+
n+
氧化層
場氧化層
氧化層
多晶矽
22
CVD反應器形式
CVD 反應器形式 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
常壓
低壓
整批
單一晶圓
圖 11.11
23
CVD反應器形式及其主要特性
製程
APCVD (常壓 CVD)
優點
缺點
應用
反應器簡單、沈 階梯覆蓋不佳、微 低溫氧化層 (摻雜及 積快速且低溫。 粒污染及底產能。 未摻雜)。
半導體製造技術
第 11 章
沉積
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。
p井
p 磊晶層 p 矽基板
圖 11.3
6
晶片中之金屬層
(Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering)
照片 11.1
7
薄膜沈積
薄膜特性
❖好的階梯覆蓋能力 ❖具有充填高深寬比間隙之能力 ❖好的厚度均勻性 ❖高的純度及密度 ❖理想配比可控制 ❖具有低應力的高薄膜品質 ❖電性佳 ❖基板材料和薄膜附著性優越
p+
金屬
金屬
p+
金屬前氧化層
n井
側壁氧化層 閘極氧化層
p磊晶層
p+矽基板
圖 11.1
3
晶圓製造流程圖
薄膜沈積之位置
啟始晶圓 未圖案化之晶圓
已完成晶圓
晶圓製造 (前段)
薄膜
研磨
擴散
黃光
蝕刻
測試/分類
植入
(Used with permission of Advanced Micro Devices)
圖 11.2
照片 11.2
12
薄膜成長階段
氣體分子
成核
晶粒聚結
連續薄膜
基板
圖 11.7
13
薄膜沈積技術
化學性製程
化學氣相沈積 (CVD)
電鍍
常壓 CVD (APCVD) 電化學沈積(ECD)
或次常壓
一般稱之為電鍍
CVD(SACVD) 無電極電鍍
低壓 CVD (LPCVD)
電漿有關的 CVD： 電漿 CVD(PECVD) 高密度電漿 CVD
LPCVD (低壓 CVD)
電漿 CVD 電漿增加 CVD
(PECVD) 高密度電漿 CVD
(HDPCVD)
優異的純度及均 勻性、階梯覆蓋 佳及大的晶圓產 能。 低溫、沈積快 速、階梯覆蓋佳 及好的填溝。
高溫、低沈積速 率、須更強的維護 及需真空系統。
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。
8
固態薄膜
厚度
寬度
和基板比較薄膜是非常薄的
氧化層
矽基板
圖 11.4
9
薄膜於步階上覆蓋
厚度均勻
均勻階梯覆蓋
非均勻階梯覆蓋
圖 11.5
10
薄膜沈積之深寬比
深度 深寬比 = 寬度
深寬比 = 500 Å = 2 250 Å 1
D W
500 Å
250 Å
圖 11.6
11
高深寬比間隙
多晶隙閘極
(Micrograph Courtesy of Intergrated Circuit Engineering)
4
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
5
ULSI晶圓的多層金屬化
保護層
ILD-6
接合墊金屬
ILD-5 M-4
ILD-4 M-3
ILD-3
M-2 M-1
ILD-2
Via
LI金屬 多晶矽閘極
ILD-1
LI氧化層
n+
p+
p+
STI
n+
n+
p+
n井
20
晶圓表面上之氣流動態
氣體流 邊界層
氣體流 滯留層
圖 11.10
21
CVD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 電漿增強CVD (PECVD) 高密度電漿CVD (HDPCVD)
光分解：化合物分解，以輻射能的方式破壞鍵結。 還原：由分子與氫作用產生化學反應。 氧化：原子或分子與氧進行化學反應。 氧化還原：結合反應3及4，產生兩種新的化合物。
17
CVD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 –硼磷矽玻璃 –氟矽玻璃
高溫氧化矽 (摻雜及 未摻雜)、氮化矽、 多晶矽以及 WSi2。
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 11.2
24
連續製程的APCVD反應器
反應氣體1
鈍氣 薄膜
反應氣體2 晶圓
(a)氣體注入形式
N2 N2
反應氣體
N2
N2
N2 N2
晶圓
(HDPVCD) 氣相沈積(VPE)及有 機金屬 CVD(MOCVD)
物理性製程
物理氣相沈積 (PVD 或濺鍍)
蒸鍍
旋塗方式
直流二極體 燈絲及電子 旋塗式玻
束
璃 (SOG)
射頻(RF) 直流磁控
分子束磊晶 旋塗式介
(MBE)
電質
(SOD)
離子化金屬 電漿(IMP)
表 11.1
14
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
18
CVD傳輸及反應步驟圖
1)反應物之 質量傳輸
氣體輸送
2)薄膜先前 物反應
3)氣體分子 擴散
4)先前物吸附
CVD反應器
副產物
7)副生成物的吸解 8)副產物移除 出口
5)先前物擴散 進入基板
6)表面反應
連續薄膜
基板
圖 11.8
19
CVD之氣體流
Hale Waihona Puke Baidu
氣體流
反應物擴散 反應產物
沈積之薄膜 矽基板
圖 11.9
加熱器
(b)架構形式
圖 11.12
25
2.薄膜的材料源由外加氣體所供給。 3. CVD製程的反應物必須為氣相的形式
(如氣體)。
15
化學氣相沈積機台
(Photo courtesy of Novellus Systems, Inc.)
照片 11.3
16
CVD化學製程
CVD的5個基本化學反應
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。
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。
2
MSI世代MOS電晶體之薄膜層
頂部
氮化矽
墊
ILD 多晶矽
n+
n+
氧化層
場氧化層
氧化層
多晶矽
22
CVD反應器形式
CVD 反應器形式 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
常壓
低壓
整批
單一晶圓
圖 11.11
23
CVD反應器形式及其主要特性
製程
APCVD (常壓 CVD)
優點
缺點
應用
反應器簡單、沈 階梯覆蓋不佳、微 低溫氧化層 (摻雜及 積快速且低溫。 粒污染及底產能。 未摻雜)。
半導體製造技術
第 11 章
沉積
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。
p井
p 磊晶層 p 矽基板
圖 11.3
6
晶片中之金屬層
(Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering)
照片 11.1
7
薄膜沈積
薄膜特性
❖好的階梯覆蓋能力 ❖具有充填高深寬比間隙之能力 ❖好的厚度均勻性 ❖高的純度及密度 ❖理想配比可控制 ❖具有低應力的高薄膜品質 ❖電性佳 ❖基板材料和薄膜附著性優越
p+
金屬
金屬
p+
金屬前氧化層
n井
側壁氧化層 閘極氧化層
p磊晶層
p+矽基板
圖 11.1
3
晶圓製造流程圖
薄膜沈積之位置
啟始晶圓 未圖案化之晶圓
已完成晶圓
晶圓製造 (前段)
薄膜
研磨
擴散
黃光
蝕刻
測試/分類
植入
(Used with permission of Advanced Micro Devices)
圖 11.2
照片 11.2
12
薄膜成長階段
氣體分子
成核
晶粒聚結
連續薄膜
基板
圖 11.7
13
薄膜沈積技術
化學性製程
化學氣相沈積 (CVD)
電鍍
常壓 CVD (APCVD) 電化學沈積(ECD)
或次常壓
一般稱之為電鍍
CVD(SACVD) 無電極電鍍
低壓 CVD (LPCVD)
電漿有關的 CVD： 電漿 CVD(PECVD) 高密度電漿 CVD
LPCVD (低壓 CVD)
電漿 CVD 電漿增加 CVD
(PECVD) 高密度電漿 CVD
(HDPCVD)
優異的純度及均 勻性、階梯覆蓋 佳及大的晶圓產 能。 低溫、沈積快 速、階梯覆蓋佳 及好的填溝。
高溫、低沈積速 率、須更強的維護 及需真空系統。
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。
8
固態薄膜
厚度
寬度
和基板比較薄膜是非常薄的
氧化層
矽基板
圖 11.4
9
薄膜於步階上覆蓋
厚度均勻
均勻階梯覆蓋
非均勻階梯覆蓋
圖 11.5
10
薄膜沈積之深寬比
深度 深寬比 = 寬度
深寬比 = 500 Å = 2 250 Å 1
D W
500 Å
250 Å
圖 11.6
11
高深寬比間隙
多晶隙閘極
(Micrograph Courtesy of Intergrated Circuit Engineering)
4
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
5
ULSI晶圓的多層金屬化
保護層
ILD-6
接合墊金屬
ILD-5 M-4
ILD-4 M-3
ILD-3
M-2 M-1
ILD-2
Via
LI金屬 多晶矽閘極
ILD-1
LI氧化層
n+
p+
p+
STI
n+
n+
p+
n井
20
晶圓表面上之氣流動態
氣體流 邊界層
氣體流 滯留層
圖 11.10
21
CVD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 電漿增強CVD (PECVD) 高密度電漿CVD (HDPCVD)
光分解：化合物分解，以輻射能的方式破壞鍵結。 還原：由分子與氫作用產生化學反應。 氧化：原子或分子與氧進行化學反應。 氧化還原：結合反應3及4，產生兩種新的化合物。
17
CVD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 –硼磷矽玻璃 –氟矽玻璃
高溫氧化矽 (摻雜及 未摻雜)、氮化矽、 多晶矽以及 WSi2。
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 11.2
24
連續製程的APCVD反應器
反應氣體1
鈍氣 薄膜
反應氣體2 晶圓
(a)氣體注入形式
N2 N2
反應氣體
N2
N2
N2 N2
晶圓
(HDPVCD) 氣相沈積(VPE)及有 機金屬 CVD(MOCVD)
物理性製程
物理氣相沈積 (PVD 或濺鍍)
蒸鍍
旋塗方式
直流二極體 燈絲及電子 旋塗式玻
束
璃 (SOG)
射頻(RF) 直流磁控
分子束磊晶 旋塗式介
(MBE)
電質
(SOD)
離子化金屬 電漿(IMP)
表 11.1
14
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
18
CVD傳輸及反應步驟圖
1)反應物之 質量傳輸
氣體輸送
2)薄膜先前 物反應
3)氣體分子 擴散
4)先前物吸附
CVD反應器
副產物
7)副生成物的吸解 8)副產物移除 出口
5)先前物擴散 進入基板
6)表面反應
連續薄膜
基板
圖 11.8
19
CVD之氣體流
Hale Waihona Puke Baidu
氣體流
反應物擴散 反應產物
沈積之薄膜 矽基板
圖 11.9
加熱器
(b)架構形式
圖 11.12
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