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1、1/37,集成电路工艺原理,仇志军 zjqiu 邯郸校区物理楼435室,2/37,大纲,第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 后端工艺与集成 第十一章 未来趋势与挑战,3/37,本节课主要内容,常用的淀积薄膜有哪些？举例说明其用途。,什么是CVD？描述它的工艺过程。,CVD的控制有哪两种极限状态？分别控制什么参数是关键？,单晶硅（外延）器件；多晶硅栅电极；SiO2互连介质；Si3N4钝化。金属,化学气相淀积：反应剂被激活后在衬底表面发生化学反应成膜。1)主气流中的反应
2、剂越过边界层扩散到硅片表面；2)反应剂被吸附在硅片表面；3)反应成核生长；4)副产物挥发。,表面反应控制：温度 质量输运控制：反应器形状，硅片放置,4/37,氮化硅的淀积方法,5/37,等离子增强化学气相淀积（PECVD）,低温下（200350 C）利用非热能来增强工艺过程 反应气体被加速电子撞击而离化。形成不同的活性基团，它们间的化学反应就生成所需要的固态膜。,13.56MHz,6/37,等离子体： 物质存在的第四态 高密度导电粒子构成的气体 极板区域有辉光,上标“ * ” 表示那些能量要远远大于基态的粒子。分离的原子或分子被称为自由基，它们具有不完整的结合状态并且非常活跃。如：SiH3，S
3、iO，F等。,7/37,PECVD：在等离子体反应器中，PECVD最重要的特征是能在更低的温度下淀积出所需要的薄膜。,PECVD淀积的氧化硅和氮化硅膜与较高高温下LPCVD的膜相比有以下特征： 应力较大、含H、非化学比的结构 因而造成膜的性质的不同： 粘附能力较差，有针孔、表面粗糙度增大，介电常数下降，折射率下降，腐蚀速率增加。,PECVD薄膜淀积质量强烈依赖于RF功率、压强、温度等参数,8/37,9/37,10/37,物理气相淀积 （PVD） 蒸发（Evaporation） 溅射（Sputtering）,淀积金属、介质等多种薄膜,淀积金属薄膜,11/37,真空蒸发：在真空中，把蒸发料(金属)
4、加热，使其原子或分子获得足够的能量，克服表面的束缚而蒸发到真空中成为蒸气，蒸气分子或原子飞行途中遇到基片，就淀积在基片上，形成薄膜,加热器：电阻丝或电子束,真空状态,蒸发,12/37,一、真空蒸发淀积薄膜的物理过程 蒸发过程：被蒸发物质从凝聚相（固相或液相）转化为气相的过程所需能量为汽化热Hv 在真空系统中的输运过程 (c) 气相分子在衬底上吸附、成核和生长,P为蒸汽压， A为积分常数， R0为阿夫加德罗常数,13/37,不同元素的平衡蒸气 压与温度的函数关系 为了得到合适的淀积 速率，样品蒸气压至少 为10 mTorr。 Ta，W，Mo和Pt，这些难 熔金属，它们具有很高 的溶化温度，如为达
5、到 10 mtorr 的蒸气压， 钨 需要超过3000 。,14/37,二、真空度与分子平均自由程 ,高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行，因为： 源材料的气相原子和分子在真空中的输运必须直线运动，以保证金属材料原子和分子有效淀积在衬底上，真空度太低，蒸发的气相原子或分子将会不断和残余气体分子碰撞，改变方向。 残余气体中的氧和水气，会使金属和衬底氧化 残余气体和其他杂质原子和分子也会淀积在衬底, 反比于气体压强,r为气体分子的半径,平均自由程,保角差,15/37,三、蒸发速率和淀积速率 单位时间内，通过单位面积的分子数,速率与蒸发的蒸气流(F)和靶（硅片）的几何形状相关,16/37,点源,
6、小平面源,Revap是蒸发速率（g/s） 是源蒸汽的发射角度，对于点源4 N是淀积材料的密度,点源中F与i 无关，小平面源中F 随 cosni 变化,3、小平面源的非理想余弦发射,1、点源的各项同性发均匀发射,2、小平面源的理想余弦发射，即 n=1,17/37,按 归一化后，有 如下图,l 是淀积点至硅片中心的距离 h 是法线长度,18/37,可见蒸发的淀积速率和蒸发材料、温度/蒸汽压、及淀积腔的几何形状决定反应腔内晶片的位置、方向有关。,如坩锅正上方晶片比侧向的晶片淀积得多。 为了得到好的均匀性，常将坩锅和晶片放在同一球面,由Langmuir-Knudsen理论，有,Pe是蒸气压（torr）
7、，As是源面积，m为克分子质量，T为温度,19/37,加热器,a) 必须在蒸发温度提供所需热量，但本身结构仍保持稳定。熔点高于被蒸发金属熔点 b) 不能与处于熔融状态的蒸发料合金化或化合 c) 蒸气压很低 d) 易加工成形 例：难熔钨丝螺旋式蒸发源,电子束蒸发（ebeam） a) 电流通过螺旋状灯丝，使其达到白炽状态后发射电子 b) 电子向阳极孔方向发射形成电子束，加速进入均匀磁场 c) 电子在均匀磁场洛仑兹力作用下作圆周运动 d) 调节磁场强度控制电子束偏转半径，使电子束准确射到蒸发源 e) 蒸发源熔融汽化，淀积到硅片表面,优点： 淀积膜纯度高，钠离子污染少,电 子 偏 转 枪,电阻丝,20
8、/37,为了实现球形结构， 晶片放在一个行星 转动的半球罩内 有公转和自转。淀积的均匀性可以得到很大改善,电子束蒸发系统,21/37,蒸发工艺中的一些问题: 对某些元素淀积速率很慢 合金和化合物很难采用 台阶覆盖差 目前大生产很少采用,溅射的优点： 台阶覆盖比蒸发好 辐射缺陷远少于电子束蒸发 制备复合材料和合金性能较好 可以淀积介质材料,22/37,溅射Sputtering - 溅射淀积Sputter deposition,利用高能粒子（通常是由电场加速的正离子如Ar+）撞击固体表面，使表面离子（原子或分子）逸出的现象,溅射的种类: 直流溅射 射频溅射 反应溅射 磁控溅射 准直溅射 .,23/
9、37,不同元素的平衡蒸气 压与温度的函数关系,而不同元素的溅射产率（yield） 相差不大（0.1-3 per incident ion）,24/37,1、直流（DC）溅射,只能溅射导电物质 a）阳极（anode）上放硅片，阴极（cathode）是靶，真空室作为放电二极管，通入放电气体（如Ar） b）阴极加110 kV负高压，产生辉光放电，形成等离子体 c）正离子被加速至数百-数千伏，撞击在靶材上，将靶材中原子剥离 d）这些原子形成蒸汽并自由地穿过等离子体区到达硅表面 e）溅射淀积时反应腔里压力在10 mtorr左右。在引入放电气体前，真空室base pressure要达高真空（106 tor
10、r以上）,25/37,直流溅射系统中等离子体结构和电压分布（系统中通入氩气）,等离子体中包含同等数量的正氩离子和电子以及中性氩原子 大部分的电压降在阴极暗区 氩离子轰击阴极靶（如Al）, Al原子被溅射出，通过等离子区淀积到阳极硅片上,26/37,溅射中的主要过程,阴极暗区,27/37,大面积溅射靶要较点源会提供更宽范围 的到达角（arrival angles）,28/37,2、射频溅射 也可溅射介质 如靶是绝缘材料，不能采用直流溅射，因为绝缘靶上会有正电荷积累。此时可以使用交流电源。,13.56 MHz,29/37,RF溅射系统中稳态时的电压分布,当两边面积不等时，面积小的电极一边（电流密度
11、大）有更大电压降，并有关系:,V2,V1,m=12（实验值）,30/37,一般将靶电极的面积设计得较小，电压主要降在靶电极，使溅射 在靶上发生。硅片电极也可以和反应腔体相连，以增加电压降比值,硅片电极也可以单独加上RF偏压，这样在实际淀积前可 预先清洁晶片或“溅射刻蚀”. 另外一种应用是偏压-溅射淀积（bias-sputter deposition）， 在晶片上溅射和淀积同时进行。这可以改善淀积台阶覆盖性,31/37,3、反应溅射,在溅射气体中引入反应活性气体如氧或氮气，可改变或控制溅射膜的特性。 如在低温下可制作SiOx、SiNx等钝化膜或多属布线中的绝缘层；TiN、TaN等导电膜或扩散阻挡
12、层,32/37,4、磁控溅射,直流溅射和RF溅射中，电子和气体分子碰撞的离化效率较低，电子的能量有许多消耗在非离化的碰撞和被阳极收集。通过外加磁场提高电子的离化率, 磁控溅射可以提高溅射效率。,可溅射各种合金和难熔金属，不会像蒸发那样，造成合金组分的偏离 阴极表面发射的二次电子由于受到磁场的束缚,使得高密度等离子体集中在靶附近, 而不再轰击硅片，避免了硅片的升温 均匀性、重复性好，有良好的台阶覆盖 溅射效率提高,33/37,5、准直溅射,34/37,薄膜淀积总结,35/37,36/37,CVD versus PVD (coarse comparison),37/37,本节课主要内容,CVD的原理，制作的典型薄膜,DG1/P ，hGDG hG升高低温反应，淀积均匀性增加，产率增加。外延硅（单晶生长，多晶硅， SiO2， Si3N4，淀积温度较高；反应源来源有限,PECVD的原理，制作的典型薄膜,激活能部分来自于等离子体 反应气体被加速电子撞击而离化，形成不同的活性基团，低温下反应生成固态膜。非化学配比的氧化硅、氮化硅,蒸发的原理，两种加热方式,在真空中加热蒸发材料，使其原子或分子蒸发到真空，转移、冷凝在基片上，形成薄膜。加热：电阻丝或电子束,溅射淀积的原理,利用高能粒子撞击固体表面，使表面离子（原子或分子）沉积到基片表面,
