微电子工艺课件Chapter 11(zhang)

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1、1,第十一章 淀积,学习目标： 1、描述多层金属化，叙述并解释薄膜生长的三个阶段； 2、不同薄膜不同淀积技术； 3、化学汽相淀积（CVD）反应的8个基本步骤，包括不 同类型的化学反应； 4、描述CVD反应如何受限制，解释反应动力学以及对 CVD薄膜掺杂的效应； 5、描述不同类型的CVD淀积系统，设备的功能，讨论特 定工具对薄膜应用的优点和局限； 6、解释绝缘材料对芯片技术的重要性； 7、讨论外延技术和三种不同的外延层淀积方法； 8、解释绝缘旋涂介质（SOD）,2,第十一章 淀积,薄膜分类： 1.导电薄膜 2.绝缘薄膜 （11章） 作用： 1.作为器件、电路的一部分（电感） 2.工艺中的牺牲层

2、内容安排： 11章 SiO2 Si3N4 多晶硅层 12章 金属层,3,1、微芯片加工是平面加工工艺，包含在硅片上生 长不同膜层的步骤； 2、淀积工艺是成膜手段之一（还有哪几种？）； 3、导电薄膜（12章）和绝缘薄膜（本章）； 4、结构的一部分或牺牲层； 5、术语：金属层、关键层、介质层,第十一章 淀积11.1 引言,4,第十一章 淀积11.1 引言,金属层,材料：铝 、铜 名称：M1、 M6 金属层：增加一层成本增加：15% 关键层：底层金属M1 非关键层：上层金属 考虑：速度与功耗，寄生参数（电容、电感、电阻）,5,第十一章 淀积11.1 引言,MSI 的MOS晶体管的各层薄膜（不平）,6

3、,第十一章 淀积11.1 引言,7,第十一章 淀积11.1 引言,Multilevel Metallization on a ULSI Wafer,8,第十一章 淀积11.1 引言,9,第十一章 淀积11.1 引言,介质层,ILD 层间介质 interlayer dielectric SiO2介电常数 3.94.0之间 作用： 电学 物理,10,薄膜：在一种衬底上生长的薄固体物质； 薄膜淀积：任何在硅片衬底上物理淀积一层膜 的工艺（半导体、导体或绝缘物质）。,第十一章 淀积11.2 膜淀积,11,第十一章 淀积11.2 膜淀积,12,薄膜所应该具备的特性： 1、好的台阶覆盖能力； 2、填充高的

4、深宽比能隙的能力； 3、好的厚度均匀性； 4、高纯度和高密度； 5、可控的化学计量配比（stoichiometry） 6、高度的结构完整性和低的膜应力； 7、好的电学特性； 8、对衬底材料或下层膜的好的粘附性。,第十一章 淀积11.2.1 薄膜特性,13,第十一章 淀积11.2.1 薄膜特性,14,第十一章 淀积11.2.1 薄膜特性,15,第十一章 淀积11.2.1 薄膜特性,16,薄膜生长三阶段： 1.晶核形成 2.聚集成束（岛生长） 3.形成连续膜 高表面速率、低的成核速度 低表面速率、高的成核速度 无定形膜 单晶 多晶,第十一章 淀积11.2.2 薄膜生长,17,第十一章 淀积11.2

5、.2 薄膜生长,薄膜生长步骤,18,第十一章 淀积11.2.3 膜淀积技术,CVD用于淀积金属膜或介质膜，SOD用来淀积液态介质膜，对金属材料而言，PVD最常用。,19,CVD：通过气体的混合反应在硅片表面淀积一层固体膜的工艺，硅片表面及其邻近的区域被加热来向反应系统提供附加的能量。 1、产生化学变化（化学反应、热分解）； 2、膜中的所有的材料物质来源于外部的源； 3、CVD工艺中的反应物以气相形式参加反应。,第十一章 淀积11.3 化学汽相淀积,20,第十一章 淀积11.3 化学汽相淀积,21,CVD 过程中5种基本化学反应： 1、高温分解（化学键断裂）； 2、光分解； 3、还原反应； 4、

6、氧化反应； 5、氧化还原反应。,第十一章 淀积11.3.1 CVD化学过程,22,异类反应（表面）、同类反应（表面上方）,第十一章 淀积11.3.2 CVD反应,23,第十一章 淀积11.3.2 CVD反应,11.3.2.1 CVD工艺特点 1、CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软化点，因而减轻了衬底片的热形变，减小了沾污，抑制了缺陷生成，减轻了杂质的再分布，适于制造浅结分立器件以及VLSI电路； 2、薄膜的成分精确可控、配比范围大，重复性好； 3、淀积速率一般高于 PVD（ 物理气相淀积，如蒸发、溅射等）；厚度范围从几百至数毫米，生产量大； 4、淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好，台阶覆盖

7、性能好。,24,第十一章 淀积11.3.2 CVD反应,CVD 传输和反应步骤,25,第十一章 淀积11.3.2 CVD反应,速度限制阶段：温度升高会促进表面反应速度的增加，反应速度最慢的阶段将决定淀积过程的速度。 质量传输限制淀积工艺：CVD速率不可能超过反应气体传输到硅片表面的速率（温度不敏感性）。 在更低的反应温度和压力下，表面反应速度会降低，此时为反应速度限制淀积工艺。,26,第十一章 淀积11.3.2 CVD反应,速度限制：最慢过程决定 质量传输限制：反应速度快，反应气体不足 反应速度限制：反应物都能够达到硅片表面，反应速度慢,27,第十一章 淀积11.3.2 CVD反应,主要因素：

8、反应气体输运到表面的速度以及表面的化学反应速度,28,第十一章 淀积11.3.2 CVD反应,CVD反应中的压力：低压下反应物更快地到达衬底表面-反应速度限制,硅片表面的气流,29,第十一章 淀积11.3.2 CVD反应,CVD过程中的掺杂,磷硅玻璃（P2O5小于4%，防止吸潮）,硼硅玻璃 硼磷硅玻璃 氟硅玻璃,30,第十一章 淀积11.4 CVD淀积系统,CVD工艺具有不同的反应腔设计，常压CVD（APCVD）和减压CVD，减压CVD分为LPCVD（热能）和等离子体辅助减压CVD（热能和等离子体，PECVD和HDPCVD）,31,第十一章 淀积11.4 CVD淀积系统,CVD反应器加热（热壁

9、还是冷壁） LPCVD：反应速度限制；APCVD：质量输运限制,32,第十一章 淀积11.4 CVD淀积系统,33,第十一章 淀积11.4.2 APCVD,11.4.1 APCVD工艺 化学反应在常压下进行，气流的作用明显。 APCVD的设备比较简单，但是产量低，片内及片间均匀性较差，台阶覆盖能力差，易产生雾状颗粒、粉末等。为提高均匀性，必须提高稀释气体流量，同时降低淀积温度。目前普遍采用 LTCVD（常压下低温化学气相淀积）来淀积 SiO2 和掺杂 SiO2 膜如磷硅玻璃（PSG） 。,34,第十一章 淀积11.4.2 APCVD,1、基本化学反应 稀释的SiH4（硅烷）同过量 O2 反应在

10、热衬底上生长SiO2 ： SiH4+ O2 SiO2 +2H2 稀释的SiH4和PH3（磷烷）同过量O2反应生成磷硅玻璃（PSG），PSG是一种两元玻璃质化合物： (1-x)SiH4+2xPH3+3O2 (SiO2)1-x(P2O5)x+ H2,35,第十一章 淀积11.4.2 APCVD,2、常压LTCVD工艺特点 （1）温度升高，淀积速率增大，淀积温度选择在400450； （2）SiH4或O2流量增大，淀积速率增大； （3）在保证足够淀积速率下，应选择足够大的稀释气体（N2）流量，避免大量SiO2白色粉末的形成，同时提高均匀性； （4）淀积的 SiO2 或PSG膜均需在7001000温度下

11、（N2 或惰性气体）处理 515 min，目的在于提高膜的密度、抗蚀性及介电击穿强度。,36,第十一章 淀积11.4.2 APCVD,气体注入类型,37,第十一章 淀积11.4.2 APCVD,通气类型,38,第十一章 淀积11.4.2 APCVD,APCVD TEOS-O3好的台阶覆盖性,39,第十一章 淀积11.4.2 APCVD,掺杂SiO2,Planarized Surface after Reflow of PSG,40,第十一章 淀积11.4.3 LPCVD,更低的成本、更高的产量以及更好的膜性能温度均匀性（反应速度限制型）,41,第十一章 淀积11.4.3 LPCVD,42,第十

12、一章 淀积11.4.3 LPCVD,43,第十一章 淀积11.4.3 LPCVD,2、LPCVD工艺主要优点 （1）较低的化学反应温度 （2）良好的阶梯覆盖和均匀性 （3）采用垂直方式的晶圆装载，提高了生产效率和降低了在微粒中的暴露 （4）对气体流动的动态变化依赖性低 （5）气相反应中微粒的形成时间减少 （6）反应可在标准的反应炉内完成,44,第十一章 淀积11.4.3 LPCVD,二氧化硅：在大规模集成电路中LPCVD SiO2有许多应用。 LPCVD制备SiO2的方法： 1 低压650-750度下，热分解TEOS（正硅酸乙脂），可以加氧气，也可以不加。膜的生长率约100-150/min.

13、2 用硅烷制备SiO2：在较低温度下（450度）氧化硅烷的方法LPCVD淀积SiO2,45,第十一章 淀积11.4.3 LPCVD,氮化硅 用做最终的钝化层，抑制杂质和潮气的扩散,多晶硅作为栅电极的原因：1、通过掺杂可得到特定的电阻；2、与二氧化硅的优良的界面特性；3、后续高温工艺的兼容性；4、比金属电极（Al）更高的可靠性；5、在陡峭的结构上淀积的均匀性；6、实现栅的自对准工艺。,46,第十一章 淀积11.4.3 LPCVD,47,第十一章 淀积11.4.3 LPCVD,掺杂多晶硅及对比,1.扩散： 高温过程电阻率很低，掺杂浓度超过固溶度极限。1021，迁移率3040cm2/Vs 2.离子注

14、入： 剂量大时，1020，电阻率高10倍 迁移率3040cm2/Vs 低温过程 3.淀积过程中加入杂质气体：1020 1021， 迁移率3040cm2/Vs 低温过程 多晶硅温度系数：110-3/C,48,第十一章 淀积11.4.3 LPCVD,氧化氮化硅：含氧的氮化硅称为氧化氮化硅（SiOxNy），它具有氧化硅和氮化硅的优点。与氮化硅相比，氧化氮化硅改善了热稳定性、抗断裂性、降低膜的应力。对薄栅氧来说，在Si/SiO2界面处的氧化氮化硅可以改进器件的电学性能。 可以用不同的技术来制备氧化氮化硅膜，氧化Si3N4，用NH3氮化SiO2，或者直接生长SiOxNy。还可以通过SiH4、N2O、NH

15、3来反应制备。,49,第十一章 淀积11.4.3 LPCVD,3、LPCVD工艺分类 （1）水平对流热传导LPCVD （2）超高真空CVD（UHV/CVD）,50,第十一章 淀积11.4.4 PECVD,依赖于等离子体的能量和热能来触发CVD淀积所需的化学反应。,使用等离子体的好处：1、更低的工艺温度；2、高深宽比间隙填充能力（高密度等离子体）；3、膜与硅片的优良粘附能力；4、高淀积速率；5、少的针孔和空洞高的膜密度；6、工艺温度低因而应用范围广。,51,第十一章 淀积11.4.4 PECVD,淀积介质的反应温度,52,第十一章 淀积11.4.4 PECVD,53,第十一章 淀积11.4.4

16、PECVD,54,第十一章 淀积11.4.4 PECVD,55,第十一章 淀积11.4.4 PECVD,HDPCVD：等离子体在低压下以高密度混和气的形式直接接触到反应腔的表面，主要优点在于在低温下可以填充高深款比间隙的膜，用来ILD，ILD-1，浅槽隔离，刻蚀终止层以及低k介质的淀积。,同步淀积与刻蚀：淀积刻蚀比为3：1。1、离子诱导淀积2、溅射刻蚀3、再次淀积4、热中性CVD5、反射,56,第十一章 淀积11.4.4 PECVD,高密度等离子 体淀积腔,57,第十一章 淀积11.4.4 PECVD,1.Ion-induced deposition 2.Sputter etch 3.Redeposition 4.Hot neutral CVD 5.Reflection,HDPCVD 工艺（同步淀积-刻蚀）的五个步骤,58,第十一章 淀积11.4.4 PECVD,59,第十一章 淀积11.4.4 PECVD,HDPCVD 特点：低温300400C,60,第十一章 淀积11.4.4 P