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1、集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 集成电路工艺原理 仇志军 zjqiu 邯郸校区物理楼435室 1 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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 2 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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。
2、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 3 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 氮化硅的淀积方法 LPCVD： 质量好，产量高 PECVD：等离子体中 或 SiNxHy膜对水和钠有极强的阻挡 能力，可作为最终的钝化层或多 层布线中
3、的介质。 4 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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 5 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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，SiO，F等。 原子激发
4、e* + A A*+e 分子激发 e* + AB AB*+e e* + AB A*+B*+e 原子离子化 e* + A A+e+e 分子离子化 e* + AB AB + +e+e 激发裂解离化 等离子体由电子、离化分子、中性分 子、中性或离化的分子片断、激发的 分子和自由基组成。假设流进的气体 是由原子A和原子B组成的分子AB, 在辉光放电中可出现的过程可有: 6 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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
5、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 7 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 8 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 9 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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 10 集成电路工艺原
6、理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 真空蒸发：在真空中 ，把蒸发料(金属)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 11 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 一、真空蒸发淀积薄膜的物一、真空蒸发淀积薄膜的物 理过程理过程 (a)(a) 蒸发过程：被蒸发物质从凝聚相蒸发过程：被蒸发物质从凝聚相 （固相或液相）转化为气相的过（固相或液相）转化为气相的过 程程所需能量为所需能量为汽化热Hv (
7、b)(b) 在真空系统中的输运过程在真空系统中的输运过程 (c) (c) 气相分子在衬底上吸附、成核和气相分子在衬底上吸附、成核和 生长生长 P为蒸汽压， A为积分常数， R0为阿夫加德罗常数 12 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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，如为达到 10 mtorr 的蒸气压， 钨 需要超过3000 。 13 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 二、真空度与
8、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： 1. 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。 2. 残余气体中的氧和水气，会使金属和衬底氧化 3. 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 14 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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 点源小平面源 速率与蒸发的蒸气流(F)和靶（硅片）的几何形状相关 1
9、5 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 点源小平面源 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 16 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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 17 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 可见蒸发的淀积速率和蒸发 材
10、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 点源 小平面源 由Langmuir-Knudsen理论，有 Pe是蒸气压（torr），As是源面 积，m为克分子质量，T为温度 18 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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（eb
11、eam） 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 19 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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 20 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜
12、淀积原理 (下) 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 21 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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 . 22 集成电路工艺原理INFO130024.0
13、2 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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） 23 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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
14、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 torr以上） 24 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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 阴极 辉光 阳极鞘区 等离子体阴极 暗区( 鞘区) 25 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 溅 射 中 的 主 要 过
15、 程 阴极暗区 26 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 大面积溅射靶要较点源会提供更宽范围 的到达角（arrival angles） 27 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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 28 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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（ 电流密度大）有更大 电压降，并有关系: V2 V1 Une
16、qual area electrodes (left electrode smaller)m=12（实验值） 29 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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 30 集成电路工艺原理INFO130024.02 第八章 薄膜淀积原理 (下) 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
