《工艺技术（薄膜工艺－淀积）课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工艺技术（薄膜工艺－淀积）课件（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Confidential 引引 言言 随随着着特特征征尺尺寸寸越越来来越越小小，在在当当今今的的高高级级微微芯芯片片加加工工过过程程中中，需需要要6 6层层甚甚至至更更多多的的金金属属来来做做连连接接, ,各各金金属属之之间间的的绝绝缘缘就就显显得得非非常常重重要要，所所以以在在芯芯片片制制造造过过程程中中，淀淀积积可可靠的薄膜材料至关重要。靠的薄膜材料至关重要。 ConfidentialULSI硅片上的多层金属化硅片上的多层金属化Figure 11.3钝化层压点金属p+ Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p- Epita
2、xial layerpp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1Poly gaten+pp+pp+n+n+LI metalConfidential芯片中的金属层芯片中的金属层Photo 11.1 Confidential薄膜特性薄膜特性好的台阶覆盖能力好的台阶覆盖能力填充高的深宽比间隙的能力填充高的深宽比间隙的能力好的厚度均匀性好的厚度均匀性高纯度和高密度高纯度和高密度受控制的化学剂量受控制的化学剂量低的膜应力低的膜应力好的电学特性好的电学特性对衬底材料或下层膜好的黏附性对衬底材料或下层膜好的黏附性Confidential膜对台阶的覆盖膜对台阶的覆盖 如如果果淀淀积
3、积的的膜膜在在台台阶阶上上过过渡渡的的变变薄薄，就就容容易易导导致致高高的的膜膜应应力力、电电短短路路。应应力力还还可可能能导导致致衬底发生凸起或凹陷的变形衬底发生凸起或凹陷的变形。共形台阶覆盖非共形台阶覆盖均匀厚度Confidential制造业制造业Confidential高的深宽比间隙高的深宽比间隙 可以用深宽比来描述一个小间隙（如槽或孔）可以用深宽比来描述一个小间隙（如槽或孔），深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值。，深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值。深宽比 = 深度 宽度=2 1深宽比 = 500 250 500 D250 WConfidential高的深宽比间隙高的深宽比间隙Phot
4、ograph courtesy of Integrated Circuit EngineeringConfidential制备薄膜的方法之一：制备薄膜的方法之一： 化学汽相淀积（化学汽相淀积（CVD） (Chemical Vapor Deposition) 通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。层薄膜材料的过程。产生化学变化产生化学变化反应物必须以气相的形式参加反应反应物必须以气相的形式参加反应膜中所有材料物质都来源于外部的源膜中所有材料物质都来源于外部的源ConfidentialCVD传输和反应步骤Confidential CVD的的反反应
5、应速速度度取取决决于于质质量量传传输输和和表面反应表面反应两个因素。两个因素。Confidential质量传输限制质量传输限制 CVD反应的速率不能超过反应气体反应的速率不能超过反应气体从主气体流传输到硅片表面的速率。从主气体流传输到硅片表面的速率。 在质量传输阶段淀积工艺对温度不在质量传输阶段淀积工艺对温度不敏感，这意味着无论温度如何，传输到敏感，这意味着无论温度如何，传输到硅片表面加速反应的反应气体的量都不硅片表面加速反应的反应气体的量都不足。在此情况下，足。在此情况下，CVDCVD工艺通常是受质量工艺通常是受质量传输所限制的。传输所限制的。Confidential速度限制速度限制 在更低
6、的反应温度和压力下，反应物在更低的反应温度和压力下，反应物到达硅片表面的速度将超过表面化学反应的到达硅片表面的速度将超过表面化学反应的速度。速度。 在更低的反应温度和压力下，由于只在更低的反应温度和压力下，由于只有更少的能量来驱动表面反应，表面反应速有更少的能量来驱动表面反应，表面反应速度会降低。最终反应物达到硅片表面的速度度会降低。最终反应物达到硅片表面的速度将超过表面化学反应的速度。在这种情况下。将超过表面化学反应的速度。在这种情况下。淀积速度是受化学反应速度限制的，此时称淀积速度是受化学反应速度限制的，此时称速度限制。速度限制。 Confidential常压化学汽相淀积常压化学汽相淀积(
7、APCVD) 质量传输限制，相对简单质量传输限制，相对简单低压化学汽相淀积低压化学汽相淀积(LPCVD) 反应速度限制，更好的膜性能反应速度限制，更好的膜性能等离子增强化学汽相淀积等离子增强化学汽相淀积(PECVD)等离子体辅助等离子体辅助 CVD等离子体增强等离子体增强 CVD（PECVD）高密度等离子体高密度等离子体 CVD（HDPCVD）CVD的种类的种类Confidential各种类型各种类型 CVD 反应器及其主要特点反应器及其主要特点Table 11.2Confidential连续加工的连续加工的APCVD 反应炉反应炉硅片膜反应气体 2反应气体 1惰性分隔气体(a) 气体注入类型
8、N2反应气体加热器N2N2N2N2N2硅片(b) 通气类型ConfidentialLPCVD 为为了了获获得得低低压压，必必须须在在中中等等真真空空度度下下（约约0.15托托），反反应应温温度度一一般般在在300900。 LPCVD的的反反应应室室通通常常是是反反应应速速度度限限制制的的。在在这这种种低低压压条条件件下下，反反应应气气体体的的质质量量传传输不再限制反应的速度。输不再限制反应的速度。 与与APCVD相相比比，LPCVD系系统统有有更更低低的的成本、更高的产量成本、更高的产量及及更好的膜性能更好的膜性能。 ConfidentialLPCVD三温区加热部件钉式热电偶 (外部，控制)压
9、力表抽气至真空泵气体入口热电偶 (内部)ConfidentialLPCVD 淀积氧化硅淀积氧化硅压力控制器三温区加热器加热器TEOSN2O2真空泵气流控制器LPCVD炉温度控制器计算机终端工作接口炉温控制器尾气中等真空度下（约中等真空度下（约0.15托）托）反应温度一般在反应温度一般在650-750载气载气载气载气气态源气态源液态源液态源固态源固态源前前驱驱物物气气体体前驱物前驱物前驱物前驱物/ / / /源源源源 挥发挥发挥发挥发Confidential等离子体等离子体 等离子体是一种高能量、离子化的气体。等离子体是一种高能量、离子化的气体。 当当从从中中性性原原子子中中去去除除一一个个价价
10、电电子子时时，形形成成正离子和自由电子。正离子和自由电子。 在在一一个个有有限限的的工工艺艺腔腔内内，利利用用强强直直流流或或交交流流磁磁场场或或用用某某些些电电子子源源轰轰击击气气体体原原子子都都会会导导致致气气体原子的离子化。体原子的离子化。 等离子体辅助等离子体辅助CVDConfidential 离子的形成离子的形成 F +9离子是质子（）与电子（）数不等地原子电子从主原子中分离出来.少一个电子的氟原子到原子失去一个电子时产生一个正离子 F +9具有质子（9）和电子（9）数目相等地中性粒子是原子氟原子总共有7个价电子价层环最多能有8个电子价层电子（）内层电子（）在原子核中的质子（未显示电
11、子）ConfidentialCVD 过程中使用等离子体的好处过程中使用等离子体的好处1. 更低的工艺温度更低的工艺温度 (250 450)；2. 对高的深宽比间隙有好的填充能力对高的深宽比间隙有好的填充能力 (用高密用高密度等离子体度等离子体)；3. 淀积的膜对硅片有优良的黏附能力；淀积的膜对硅片有优良的黏附能力；4. 高的淀积速率；高的淀积速率；5. 少的针孔和空洞，因为有高的膜密度；少的针孔和空洞，因为有高的膜密度；6. 工艺温度低，因而应用范围广。工艺温度低，因而应用范围广。 Confidential在等离子体辅助在等离子体辅助 CVD 中膜的形成中膜的形成PECVD 反应室连续膜 8)
12、 副产物 去除 1) 反应物进 入反应室衬底 2) 电场使反 应物分解 3) 薄膜初始 物形成 4) 初始物吸附 5) 初始物扩散到衬底中 6) 表面反应 7) 副产物的解 吸附作用排气气体传送RF 发生器副产物电极电极RF 场ConfidentialPECVDProcess gasesGas flow controllerPressure controllerRoughingpumpTurbopumpGas panelRF generatorMatching networkMicrocontroller operator InterfaceExhaustGas dispersion scre
13、enElectrodesConfidential化学气相淀积的设备化学气相淀积的设备ConfidentialChemical Vapor Deposition (CVD) TungstenOutputCassetteInputCassetteWaferHanderWafersWater-cooledShowerheadsMultistation SequentialDeposition ChamberResistivelyHeated PedestalConfidential高密度等离子体淀积腔高密度等离子体淀积腔Photo 11.4 ConfidentialCVD单晶硅单晶硅 (外延外延)：
14、 最初的最初的外延生长外延生长技术是指：技术是指： 利用利用化学气相淀积化学气相淀积的方法在的方法在单晶衬底单晶衬底上生长一薄层上生长一薄层单晶硅单晶硅的技术。的技术。 P-silicon epi layerP+silicon substrate用用CVD淀积不同的材料薄膜淀积不同的材料薄膜Confidential硅片上外延生长硅硅片上外延生长硅SiSiClClHHSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiClHClH化学反应副产物淀积的硅外延层多晶硅衬底Confidential外延的主要优点外延的主要优点可根据需要方便地控制薄层单晶的电阻率、电导可根据需要方便地控制薄层单晶的电阻率、电导类
15、型、厚度及杂质分布等参数，增加了工艺设计类型、厚度及杂质分布等参数，增加了工艺设计和器件制造的灵活性。和器件制造的灵活性。 ConfidentialConfidentialConfidential硅气相外延炉硅气相外延炉排气排气排气RF加热RF 加热气体入口气体入口卧式反应炉桶式反应炉立式反应炉ConfidentialCVD二氧化硅：二氧化硅： 可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜等。可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜等。低温低温CVD氧化层：低于氧化层：低于500中等温度淀积：中等温度淀积：500800高温淀积：高温淀积：900左右左右薄
16、膜掺杂薄膜掺杂PSG、BSG、BPSG、FSGConfidentialTEOSSourceConfidential多晶硅的化学汽相淀积：多晶硅的化学汽相淀积：利用多晶硅替代利用多晶硅替代金属铝作为金属铝作为MOS器件的栅极是器件的栅极是MOS集成集成电路技术的重大突破之一。电路技术的重大突破之一。氮化硅的化学汽相淀积：氮化硅的化学汽相淀积：中等温度中等温度(780820)的的LPCVD或低温或低温(300) PECVD方法淀积。方法淀积。金属的淀积金属的淀积ConfidentialChemical Vapor Deposition (CVD) TungstenChemical Reaction
17、s WF6 + 3 H2 W + 6 HFProcess Conditions Flow Rate: 100 to 300 sccm Pressure: 100 mTorr Temperature: 400 degrees C.Confidential小小 结结薄膜特性要求薄膜特性要求CVD反应步骤和原理反应步骤和原理CVD分类分类APCVD、LPCVD、PECVDCVD淀积不同材料淀积不同材料s si i 、s si io o2 2、多晶硅、氮化硅、金属多晶硅、氮化硅、金属ConfidentialCMOSn/p-well FormationGrow Thin OxideDeposit Nit
18、rideDeposit Resistsilicon substrateUV ExposureDevelop ResistEtch Nitriden-well ImplantRemove ResistConfidentialsilicon substratep-welln-wellGrow Gate OxideCMOSTransistor FabricationDeposit PolySiPolySi ImplantpolySipolySiDeposit ResistUV ExposureDevelop ResistEtch PolySiRemove ResistFoxConfidentials
19、ilicon substratep-welln-wellCMOSContacts & InterconnectsDeposit BPTEOSBPTEOSBPSG ReflowPlanarization EtchbackDeposit ResistUV ExposureDevelop ResistContact EtchbackRemove ResistFoxpolySipolySin+n+p+p+Confidentialsilicon substratep-welln-wellCMOSContacts & InterconnectsDepost Metal 1Metal 1Deposit Re
20、sistUV ExposureDevelop ResistEtch Metal 1Remove ResistFoxpolySipolySip+p+n+n+BPTEOSConfidentialsilicon substratep-welln-wellCMOSContacts & InterconnectsDeposit IMD 1IMD1Deposit SOGSOGPlanarization EtchbackDeposit ResistUV ExposureDevelop ResistVia EtchRemove ResistFoxpolySipolySip+p+Metal 1n+n+BPTEOSConfidentialsilicon substratep-welln-wellCMOSContacts & InterconnectsDeposit Metal 2Metal 2Metal 2Deposit ResistUV ExposureDevelop ResistEtch Metal 2Remove ResistDeposit PassivationFoxpolySipolySip+p+Metal 1n+n+BPTEOSIMD1SOGPassivation
