次45奈米以下的一種低溫LPCVD氮化矽製程
E. Chiu, A. Kolessov, K. Mohamed, J. Su, Aviza Technology Inc., Scotts Valley, California, United States
現在，使用DCS和氨氣所形成的氮化物薄膜已經能達到更低的溫度限制的界限，那是在大約攝氏630度。在溫度低於攝氏630度時，低的沉積率和大量的氯化銨凝結物所形成之粒子使得以該DCS氮化物為主的製程是不能被量產的。在45奈米及以下世代，甚至需更低的製程溫度，新的化學品是必需的以能提供高品質的介電質薄膜來維持基本的氮化矽薄膜的特性[1-3]；次45奈米的元件新的氮化矽薄膜製程可以符合低的熱預算要求在此提出來。
由於在45奈米及以下的元件尺寸，熱預算在低壓化學氣相沉積(LPCVD)的氮化矽薄膜裡要維持其好品質的薄膜特性中扮演一個重要的角色。針對前段的生產線(FEOL)應用[1,2]，這樣的氮化矽薄膜已經被廣泛地使用來沉積間隔層、蝕刻阻擋層、氧-氮化物-氧化物(ONO)堆疊或氧化物罩膜等應用。針對45奈米以下的IC製造為了達到使用更低的熱預算，一種氮化矽(SiN)薄膜在300毫米可變換的批式爐管中已被發展出來；針對該新的氮化物製程，其沉積溫度是在攝氏510度至攝氏630度的範圍之間，該新的薄膜是一種無氯製程以消除在二氯矽甲烷SiH2Cl2(DCS)和六氯二矽甲烷(HCD)氮化物等製程中很普遍形成之氯化銨粒子；濕式蝕刻測試中顯示出該新的氮化物薄膜，稱作SATIN是一種比其他傳統的氮化矽薄膜來得更密化的薄膜，藉由被動式數據蒐集(PDC)的數據顯示了該薄膜一致的製程效能。一種在臨場的乾式潔淨製程已開發來維持低的和穩定的粒子表現，並且減少昂貴的硬體濕式潔淨的次數。使用相同的先驅物，氧化物薄膜也正在研發，以作為雙重氧化物-氮化物間隔層應用。
背景
直到目前，針對<低溫>氮化物的應用已經有兩種替換物：六氯二矽甲烷(Si2Cl6，HCD)和二三階四碳氨基矽甲烷(BTBAS)。關於HCD和BTBAS兩者的製程則有以下的製程挑戰，該HCD製程反應室和排氣由於氯化銨的形成而深受苦惱，那直接地關連到大量的粒子形成；而BTBAS製程則有厚沉積薄膜裂開的潛在問題。再者，該BTBAS薄膜有一種結合大量氫氣[4]的傾向。以HCD-和BTBAS-為主的兩種氮化物導致不同的生產挑戰，包括低的沉積率、高的薄膜不均勻性、不良的薄膜一致性以及非常昂貴的化學品成本。而且，HCD和BTBAS需要求經常的臨場乾式潔淨以保持粒子數在規格內，那會大大地降低系統的利用率和生產力，於是增加了整體的單位製造成本。
由暐貰(Aviza)科技所研發出的專屬的製程，其針對45奈米及以下運用低溫氮化矽所製造的焊墊、間隔層和介電線層等應用[2]提供了一種可行的方法。該製程是可以符合低的熱預算需求和提供一種氮化矽薄膜以對付大多數傳統的氮化物薄膜所面對先天的問題點；作為一種無氯的先驅者，該新的製程消除氯化銨的形成，那是大量顆粒形成的來源。
實驗
使用該新的先驅物，一個300毫米可變換的批式、直立式爐管系統是被用來沉積氮化矽薄膜。此等氣體是藉由在反應室內部石英注入器所導入的，被設計可允許氣體自該注入器至排氣孔溝平行流過該晶圓表面-其模擬著在一個批次晶圓製程中的一個單晶圓環境，該反應室有五個由熱電偶所監測的溫度區域和允許25至100晶圓片數使用相同的製程。
此新的氮化物製程是被最佳化的，使用該製程在不同的溫度設定點下沉積不同厚度薄膜；針對一個薄膜品質的研究，濕式蝕刻率的測試結果用來與DCS氮化矽作比較的，PDC是針對顆粒和薄膜厚度均勻性而實行的；而且，在PDC期間一種在臨場的乾式潔淨是被發展及施行以維持一致的顆粒表現。
結果和討論
為了研究該SATIN氮化物薄膜品質，圖一顯示介於該新的薄膜和DCS氮化矽薄膜兩者之濕式蝕刻率數據比較。由100：1氫氟酸溶液研究指出該新的薄膜是來得更為密化，因與在類似溫度時所沉積出的DCS氮化矽薄膜比較下，則它具有更低的濕式蝕刻率。該新的氮化物可以在攝氏630度或更低的溫度下沉積，且無損其薄膜的特性，該濕式蝕刻率在攝氏550度時是小於8.5埃/分。
但是其他的氮化矽薄膜顯示一種高濃度的氯、碳或氫，此新的氮化矽薄膜是無氯的和無碳的且具有低的氫濃度。無氯氮化矽薄膜消除了氯化銨的形成和在底下的或附近的矽的坑窪或不平滑[5]。一個無碳薄膜也避免因為碳擴散進入此閘電極所造成的濕式蝕刻和導電率的問題。低的和一致的氫濃度使其能夠有一個穩定的氮化物蝕刻效能。
圖二則顯示在攝氏550度和攝氏630度下所最佳化製程沉積薄膜之PDC表現，沉積厚度和均勻性是穩定的且在更低的熱預算下符合該製程要求。由於氯的消除，在0.12微米或以上粒子的增加量是小於50個。長時間的低粒子表現程度乃是由於沒有氯化銨的形成，其減少了在BTBAS或DCS氮化矽沉積時經常的硬體濕式潔淨要求。
當降低硬體濕式清洗頻率至最少的期間，一種在臨場的乾式潔淨已開發和施行以維持其一致的粒子表現；一種未完全的蝕刻方法被用來減低石英的過度蝕刻，圖三則顯示此粒子的表現和在多次的NF3清潔之後，無需覆蓋層步驟下，迅速的復原。
使用該相同的先驅物，氧化物薄膜是可以被沉積，用於氧化物－氮化物雙重間隔層應用。在攝氏550度和攝氏600度時，分別展示1埃/分和5埃/分的沉積率，那提供了一個機會以實行在相同的爐管中，且沒有破壞真空下，臨場的氧化物/氮化物沉積得到更好的薄膜完整性。
結論
該低溫(大約是攝氏510度~攝氏630度)氮化矽的薄膜特性使用一種專屬的LPCVD製程討論的。濕式蝕刻率的測試顯示該新的薄膜是較傳統的以DCS為主的氮化物薄膜來得更為密化的。PDC數據則確認製程和粒子表現的穩定性，由於具有此無氯氮化物製程消除了氯化銨的形成下，在大於0.12微米粒子的增加量是小於50個。一種在臨場的NF3乾式潔淨是用來減少硬體清潔的頻率至最低和維持穩定的製程表現。而且，在相同的反應室內沉積一種SATIN氧化物製程則正在開發中，以針對臨場的雙重間隔層應用，因此提供了一種替代解決方案，以符合攝氏550度以下氮化物和氧化物的諸多應用。SST-AP/Taiwan
參考文獻
1. K. Ibrahim, T.Y. Teik, T.W. Teik, V. Umasangar, J.H. Joung, “Robust Silicon Nitride LPCVD Recipe Development,” Proc. ICSE, Penang, Malaysia, pp. 268–269, 2002.
2. M. Shenasa, M. Moninpour, B. O ‘Toole, Bill Stueve, R. Wilkes, J. Reece, et al., “Optimization of LPCVD Silicon Nitride Process in a Vertical Thermal Reactor: Use of Design of Experiments,”Proc. IEEE/SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference, pp. 216-219, 1992.
3. K. Williams, E. Brenniman, J. Su, H. Lee, X. Zhao, J. Sun, “A Variable Batch Size DCS Nitride Process Using Low-temperature LPCVD,”Solid State Technology, pp. 41-44, Aug 2007.
4. J. Gumpher, W. Bather, N. Mehta, D. Wedel, J. Electrochem. Soc., 151 (5) G353–G359, 2004.
5. C. Dussarrat, J-M Girard, T. Kimura, N. Tamaoki, Y. Sato, “The Cl & C-free TRISILYLAMINE (TSA): A Promising Solution For Low-temperature CVD of Silicon Nitride,” 2003 SEMI Technical Symposium, ISBN#1-892568-78-0.
致謝
針對他們的研究活動和模擬工作，作者們想要感謝他們在暐貰科技的同事們：Karl Williams, Sergio Luna, Helmuth Treichel, Thomas Qiu, Billy；SATIN是暐貰科技股份有限公司的一個商標。
作者
E. Chiu是暐貰科技股份有限公司原子層沉積(ALD)和熱能商業單位的製程經理，95050美國加州史考特斯山谷國王村莊路440號，電子郵件信箱：eddie.chiu@aviza.com。
A. Kolessov是暐貰科技股份有限公司的一位製程工程師。
K. Mohamed是暐貰科技股份有限公司原子層沉積(ALD)和熱能商業單位的一位製程工程師。
J. Su是暐貰科技股份有限公司原子層沉積(ALD)和熱能商業單位的技術處長。
圖一：該新的製程與具有一種DCS氮化物薄膜兩者之間氫氟酸(100：1)溶液濕式蝕刻率的比較。
圖二：SATIN氮化物PDC數據蒐集，製程重現性是在兩個不同的製程溫度下被驗證的。