氮化硅LPCVD工艺及快速加热工艺(RTP)系统详解

铜金属化过程中，氮化硅薄层通常作为金属层间电介质层（IMD）的密封层和刻蚀停止层。而厚的氮化硅则用于作为IC芯片的钝化保护电介质层（Passivation Dielectric, PD）。下图显示了氮化硅在铜芯片中作为金属沉积前的电介质层（PMD）、金属层间电介质层（IMD）和钝化保护电介质层（PD）的应用情况。

第一次铝合金金属层沉积完成后，晶圆就不能在超过450摄氏度的温度下进行任何工艺操作，所以大多数金属层间电介质（IMD）和钝化保护电介质（PD）的氮化硅沉积过程都在400摄氏度左右的温度下通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）进行薄膜生长。PECVD可以在相对低的温度下获得高的沉积速率，这是由于等离子体产生的自由基将在很大程度上增加化学反应速率。PECVD工艺将在后面讨论。

与PECVD生长的氮化硅相比，LPCVD生长的氮化硅薄膜具有好的质量及较少的含氢量，因此LPCVD工艺被广泛用于沉积局部氧化的氮化硅、浅沟槽隔离氮化硅、空间层氮化硅，以及金属沉积前电介质层（PMD）氮化硅阻挡层。此外，LPCVD氮化硅工艺不容易产生等离子体所引起的元器件损坏问题，这一点在PECVD工艺中无法避免。LPCVD工艺通常会使用带有真空系统的高温炉（见下图）。利用二氯硅烷（SiH2Cl2）和氨气（NH3）在700〜800摄氏度的温度下发生化学反应，便可以形成氮化硅沉积。化学反应式可以表示为：

3SiH2Cl2 +4NH3 ->Si3N4 +6HC1 +6H2

利用硅烷（SiH4）和氨气（NH3）在900摄氏度左右产生化学反应也可以形成氮化硅沉积，化学反应式可写成：

3SiH4 +4NH3->Si3N4 +12H2

工艺过程如下：

•载入晶圆

•保持稳定的氮气气流和反应室温度，升高晶圆塔架

•关闭氮气，抽真空将反应室气压降低到基本气压

•重新注入氮气以稳定晶圆温度

•关闭氮气并将气压降到基本气压

•注入氮气和氨气以提升并稳定气压

•关闭氮气并打开二氯硅烷以进行氮化硅沉积

•关闭所有的气流，将反应室气压降到基本气压

•重新注入氮气到反应室，将压力提高到一个大气压

•氮气气流下，降低晶圆塔架并卸载晶圆

氮化硅LPCVD工艺流程如下图所示。

以DCS为主的氮化硅LPCVD过程可能形成的副产品之一就是固体氯化氨（NH4C1）,它将造成微粒污染损伤真空泵。研究的结果表示最有可能取代它的材料就是二三丁基氨硅烷或BTBAS,它是一种沸点为164摄氏度的液体。在550〜600摄氏度之间，这种液体将会和氨气反应形成均匀的氮化硅薄膜沉积，这种薄膜具有 高的质量和好的阶梯覆盖，而且不会造成氯化铉污染。

01快速加热工艺（RTP）系统

高温炉是一种批量工具，一次能处理数百片晶圆。由于热容量很大，所以反应炉管或反应室的温度只能缓慢升高或降低。RTP是一种单晶圆工艺，能够以75摄氏度/S〜200摄氏度/S的速率升温。离子注入退火、硅化物退火和超薄二氧化硅层生长都使用RTP系统。

RTP系统一般都具有一个石英反应室和许多石英件，加热的元件是一个卤素灯，能利用红外线（IR）辐射产生密集的热量，晶圆的温度可以由红外线高温计准确测量。下图是RTP系统的一种类型。

RTP系统中上、下两边的灯垂直放置，为了使红外线辐射能够均匀加热晶圆。晶圆温度由高温计监测后，再通过钨卤素灯管的功率反馈控制。下图显示了RTP系统中的灯管排列情况。

另一种RTP系统是将加热灯管设在蜂巢式结构的镀金灯室中（见下图）。镀金灯室能增强功率的传递效率，加热过程中不断转动晶圆以增强加热的均匀性。整个晶圆的温度由数个高温计监测，它们能将监测的信息反馈并控制各加热区的钨卤素灯的加热功率，进而准确、均匀地对晶圆加热。

审核编辑：汤梓红