微电子工艺学课件_3

《微电子工艺学课件_3》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微电子工艺学课件_3（64页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2011-03-151在微电子器件中广泛使用着各种薄膜，这些薄膜可以粗略地分为 五大类：热氧化薄膜、电介质薄膜、外延薄膜、多晶硅薄膜以及金属 薄膜。其特点是：一、在微电子器件中用途各异，例如：热氧化薄膜和电介质薄膜 导电层之间的绝缘层，扩散和离子注 入的掩模，防止掺杂杂质损失而覆盖在掺杂膜上的覆盖膜或钝化膜；外延薄膜 器件工作区；多晶硅薄膜 MOS 器件中的栅级材料，多层金属化的导电材料 以及浅结器件的接触材料；金属膜和金属硅化物薄膜 形成低电阻内连、欧姆接触及用来调 整金属与半导体之间的势垒。薄膜制备技术薄膜制备技术2011-03-152二、用于制备薄膜的材料种类繁多，例如：硅和砷化镓等半导

2、体材料；金和铝等金属材料；二氧化硅、磷硅玻璃、氮化硅、氧化铝等无机绝缘材料；多晶硅和非晶硅等无机半绝缘材料；钼、钨等难熔金属硅化物及重掺杂多晶硅等非金属低阻材料；聚亚酰胺类有机绝缘树脂材料等等。正因为如此，微电子工艺中的薄膜制备方法千差万别，特点各异。 薄膜淀积技术一直在飞速进步，发展出了很多种类，已经成为一门独 立的工艺技术学科，相应的理论研究非常深入和广泛，从经典的热力 学理论到建立在原子级观测的成核理论，几乎涉及到薄膜科学的每个 方面。2011-03-153物理淀积物理淀积化学淀积化学淀积溅溅射射真真 空空 蒸蒸 发发电电 阻阻 式式 蒸蒸 发发电电 子子 束束 蒸蒸 发发偏偏 压压 溅

3、溅 射射激激 光光 蒸蒸 发发反反 应应 溅溅 射射磁磁 控控 溅溅 射射射射 频频 溅溅 射射LP/AP/PECVD MOCVD 化化 学学 气气 相相 淀淀 积积薄膜淀积薄膜淀积MOD 化化 学学 液液 相相 淀淀 积积溶溶 胶胶 凝凝 胶胶直直 流流 溅溅 射射外外延延低低 压压 外外 延延选选 择择 外外 延延分分 子子 束束 外外 延延离离 子子 束束 溅溅 射射高高 频频 感感 应应 蒸蒸 发发2011-03-154薄膜制备技术部分主要内容： 热生长二氧化硅 物理淀积（PVD） 化学气相淀积（CVD） 外延生长技术2011-03-1553.1 二氧化硅的结构和性质结晶形和非结晶形（

4、无定形）二氧化硅都是SiO 正四面体结构组成的。这些四面体通过各种不同的桥键氧原子连接起 来，形成各种不同状态和结构的二氧化硅。由热氧化法生长的二氧化 硅是无定形结构。结晶形SiO2无定形SiO2第三章热生长二氧化硅2011-03-156二氧化硅的主要性质 密度：密度是SO2致密程度的标志。无定形二氧化硅的密度一般为2.21 g/cm3，结晶形SO2的密度为2.65 g/cm3。 折射率：折射率是表征SO2薄膜光学性质的重要参数。不同方法制备的SO2薄膜由于密度不同，折射率也稍有差别。一般来说，密度大的SO2薄膜具有较大的折射率。波长为550 nm 时， SO2折射率约为1.46。 电阻率：S

5、O2电阻率高低与制备方法及所含杂质数量等因素有关。高温干氧氧化制备的SO2，电阻率高达1017cm以上。 介电强度：当SO2薄膜被用作绝缘介质时，常用介电强度即用击穿电压参数来表示耐压能力。 SO2薄膜的介电强度与致密程度、均匀性、杂质含量等因素有关，一般为106107 V/cm。2011-03-157 介电常数：介电常数是表征电容性能的重要参数。对于 MOS 电容器，其电容量与结构参数的关系为：，其中为SO2的相对介电常数，其值为3.9。 腐蚀： SO2化学性质非常稳定，基本不与除氢氟酸外的其它酸发生化学反应：因此，微电子工艺中利用HF完成对二氧化硅的腐蚀。SO2的腐蚀速率与HF的浓度、温度

6、、 SO2的质量以及所含杂质数量等因素有关。不同方法制备的SO2，腐蚀速率可能相差很大。此外， SO2可与强碱发生极慢的反应，生成相应硅酸盐。SO2能带宽度约9 eV。20/SiOCA d 2SiO2262SiO + 6HFH SiF + 2H O2011-03-158二氧化硅的主要作用二氧化硅具有良好的化学稳定性和电绝缘性，而且能对某些杂质起到隔离和掩蔽作用。 正是因为能够比较容易地在硅上形成性能独特的二氧化硅层，硅才逐渐成为微电子器件衬底材料的首选。人们利用各种方法制 备二氧化硅，可以作为：MOS 器件的绝缘栅介质选择性掺杂的掩蔽器件隔离多层互连的层间绝缘介质缓冲层 / 垫氧化层保护器件和

7、电路的钝化层2011-03-159采用二氧化硅薄膜作为栅极氧化层，是利用其高电阻率（1017 cm ）和介电强度（107 V/cm ）。只有热氧化法可以提供最低界 面缺陷密度的高质量氧化层，所以通常采用热氧化生成栅氧化层。 一般厚度为十到数百。MOS 器件的绝缘栅介质选择性掺杂的掩蔽二氧化硅在微电子器件制造中的重要用途之一，就是作为选择掺杂的掩蔽膜。选择性扩散和离子注入是根据某些杂质 （例如 B 、P）在二氧化硅中的扩散速度远小于在硅中的扩散 速度这一性质来实现的。通常采用热氧化生成。2011-03-1510降低离子注入的沟道效应器件隔离2011-03-1511n 衬底衬底p 阱阱n+ p+多

8、晶硅多晶硅高密度器件如果不在 电学上一一隔离，各器件 之间会通过衬底相互影响 和干扰，甚至无法正常工 作。在同一基片上制备的 多个器件，可以采用一个 厚的场氧化层实现有效隔 离。通常采用热氧化生成， 厚度 0.251.5m。2011-03-1512多层互连的层间绝缘介质（ILDIMD）隔离相邻金属层之间电连接的绝缘材 料。金属线传导信号，介质层则保证信号 不受临近金属线影响。通常采用 CVD 方 法制备。缓冲层 / 垫氧化层当氮化硅直接沉积在硅衬底上时，界 面存在极大应力和界面态密度，多采用 Si3N4/SiO2/Si 结构。场氧化时，二氧化硅 会有软化现象，可消除氮化硅与衬底之间 的应力。通

9、常采用热氧化生成，厚度很薄。鸟嘴原来的掩模版Si3N4Si3N4缓冲氧化层缓冲氧化层Si3N4Si3N4场氧化层场氧化层场氧化层场氧化层2011-03-15133.2 热氧化过程半导体材料的氧化膜：热氧化、化学气相淀积、阴极溅射、真空 蒸发、外延、电化学阳极氧化等等。热氧化法制备的二氧化硅：a. 具有很高的重复性和化学稳定性，其物理和化学性质不受潮湿 度和中等热处理温度影响。b. 能够很好地控制界面陷阱和固定电荷，这些特性对 MOS 器件 和其他器件至关重要。硅的热氧化：硅与氧化剂在高温下经化学反应生成二氧化硅的过 程。通常使用的氧化气氛为：水蒸汽、干燥的氧气（干氧）和携带水 蒸汽的氧气（湿氧

10、）。不同氧化气氛下制备的二氧化硅薄膜的生长速 率以及致密度等物化性能有所不同。2011-03-1514一个电阻加热氧化炉，一个圆筒形熔融石英管，开槽的石英舟放在石 英管中（石英槽用来垂直摆放硅片），一个注入口用来注入高纯干燥氧气 和高纯水蒸气。炉管的装片端臵于具有垂直流向的过滤空气保护罩中，以 减少周围空气中的灰尘和微粒数，使装片时可能受到的污染减至最小。热氧化基本装臵用于热工艺的基本设备有三种：卧式炉、立式炉和快速热处理炉（RTP）。卧式炉热处理炉2011-03-1515石英管水平放臵，是 广泛使用的热工艺设备。 90年代以后逐渐被立式炉 和 RTP 取代。 在扩散炉口径变大以后，恒温区的横

11、截面温度差卧式炉比立式 大得多，立式炉更能满足工艺要求； 能够控制氧气浓度达 20 30ppm，为达到特殊工艺要 求甚至更低，使之满足薄膜 工艺要求； 有利于实现自动装卸片； 工艺过程中硅片在高温状 态易变形，水平放臵硅片变 形小； 高温扩散及硅片破碎时， 不需要清洗反应管和石英舟， 反应部位的粘附物、颗粒少。立式炉热处理炉2011-03-1516快速热处理炉（RTP）2011-03-1517快速热处理炉用功率密度很高的物质作 用于晶片表面，在非常短的时 间内（10-11102秒），将单个 硅片加热至 400 1300 的 热处理方法。主要优点： 减少热预算； 硅中杂质再分布小； 冷壁加热，减

12、少玷污； 腔体小，可达清洁气氛； 缩短加工时间。2011-03-1518传统立式炉传统立式炉RTP整批整批单片单片热壁热壁冷壁冷壁长时间加热和冷却长时间加热和冷却短时间加热和冷却短时间加热和冷却硅片较小热梯度硅片较小热梯度硅片较大热梯度硅片较大热梯度长周期长周期短周期短周期测量气氛温度测量气氛温度测量硅片温度测量硅片温度结果：结果：结果：结果：大的热预算大的热预算温度均匀温度均匀颗粒污染颗粒污染杂质再分布小杂质再分布小气氛控制气氛控制工艺重复性低工艺重复性低产量低产量低快速加热产生应力快速加热产生应力绝对温度测量绝对温度测量2011-03-1519氧化温度一般保持在 9001200 1C，典型

13、气体流速约为 1L/min。氧化系统用微处理器调节气流顺序，控制硅片的自动装 入和送出，控制温度以一定速率从低温线性上升到氧化所需温度， 并在氧化完成后线性降温。硅与氧和水蒸气反应的化学方程式为：硅与氧化剂之间经化学反应形成具有四个SiO 键的SiO 四面体是热氧化的基本过程。SO2的生长速率有两种控制机制：表面化学反应的快慢氧化剂通过二氧化硅层的扩散速率22222Si (s) + O (g)SiO (s) Si (s) + 2H O (g)SiO (s) + 2H (g) 热氧化的基本过程2011-03-1520在氧化过程中，硅与二氧化硅界面不断向硅内移动，使硅表面 的玷污移到氧化层内，形成

14、一个新的洁净界面。热氧化生成二氧化硅SiSiO2 表面SiO2原始硅界面原始硅界面硅与二氧化硅界面变化2011-03-1521计算：如果通过热氧化生成的二氧化硅层厚度为x，那么被消耗掉的硅的 厚度是多少？已知硅的摩尔质量为28.9 g/mol，密度为2.33 g/cm3，二 氧化硅摩尔质量为60.08 g/mol，密度为2.21 g/cm3。解：1 mol 硅的摩尔体积为：同样，1 mol 二氧化硅的摩尔体积为：当1mol 硅转化为1mol 二氧化硅时：即：例如产生100 nm 的二氧化硅需消耗 44 nm 的硅。3 328.9/12.06/2.33/Sig molVcmmolg cm23 3

15、60.08/27.18/2.21 /SiOg molVcmmolg cm2212.060.4427.18SiSiSiOSiOVAd VAd20.44SiSiOdd2011-03-1522根据氧化剂的不同，热氧化可分为：a. 干氧氧化高温下，干燥纯净的氧气与硅反应生成二氧化硅：优点：结构致密、干燥、均匀性和重复性好，掩蔽能力强，与 光刻胶黏附力好，同时也是一种理想的钝化膜。缺点：生长速度慢，因此经常同湿氧氧化结合使用。b. 水汽氧化高温下，高纯水产生的蒸汽与硅反应生成二氧化硅：优点：水汽氧化的生长速度较快（水在二氧化硅中的扩散系数 和溶解度比氧要大）。缺点：致密性相对较低。22Si+OSiO22

16、2Si+2H OSiO2H2011-03-1523c. 湿氧氧化将氧气通入加热到95C左右的高纯水，携带一定水蒸汽的氧气与硅反应生成二氧化硅。湿氧氧化的生长速率和薄膜致密度介于干氧和水汽氧化之间，取决于氧气流量和水汽的含量（水汽含量与水温及氧气流量有关）。实际生产中，对于制备较厚的二氧化硅层，一般采用干氧湿氧干氧结合的分段氧化方式，每段的时间长短根据需要进行选择。这种氧化方式既保证了SiO2 表面和 SiSiO2 界面质量，又解决了生长速率问题。2011-03-1524基本工艺步骤硅片清洗硅片清洗湿法（湿法（RCA） 干法（超声波）干法（超声波）氧化炉氧化炉O2、H2、N2、Cl 流量流量 抽气抽气 温度分布温度分布 时间时间检查检查膜厚膜厚 均匀性均匀性 颗粒颗粒 缺陷缺陷2011-03-1525步步 骤骤时间时间 (min)温度温度 ()净化净化N2 (slm)保压保压N2 (slm)工艺工艺O