复旦集成电路工艺课件-12

1、集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)1集成电路工艺原理 仇志军邯郸校区物理楼435室集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)2大纲大纲 第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶体生长晶体生长第第三章三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 热氧化热氧化第六章第六章 热扩散热扩散第七章第七章 离子注入离子注入第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积第九章第九章 刻蚀刻蚀第十章第十章 后端工艺与集成后端工艺与集成第十一章第十一章 未来趋势与挑战未来趋势与挑战集成电路工

2、艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)3半导体薄膜：半导体薄膜：Si介质薄膜：介质薄膜：SiO2，Si3N4, BPSG，金属薄膜：金属薄膜：Al，Cu，W，Ti， 在集成电路制在集成电路制备中，很多薄备中，很多薄膜材料由淀积膜材料由淀积工艺形成工艺形成单晶薄膜：单晶薄膜：Si, SiGe（外延）（外延）多晶薄膜：多晶薄膜：poly-SiDeposition集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)41）化学气相淀积）化学气相淀积 Chemical Vapor Deposition (CVD)一种或数种物

3、质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发生一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。 例如：例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD2）物理气相淀积）物理气相淀积 Physical Vapor Deposition (PVD)利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。例如：例如：蒸发蒸发 evaporation，溅射，溅射sputtering两

4、类主要的淀积方式两类主要的淀积方式集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)5除了除了CVD和和PVD外，制备薄膜的方法还有外，制备薄膜的方法还有:铜互连是由电镀工艺制作铜互连是由电镀工艺制作旋涂Spin-on镀/电镀electroless plating/electroplating集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)6外延：外延：在单晶衬底上生长一层新在单晶衬底上生长一层新的单晶层，晶向取决于衬底的单晶层，晶向取决于衬底外延硅应用举例外延硅应用举例集成电路工艺原理INFO130024.02

5、第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)7CMOSCMOS栅电极材料；多层金属化电极的导电材料栅电极材料；多层金属化电极的导电材料多晶硅薄膜的应用多晶硅薄膜的应用集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)8Chemical Vapor Deposition (CVD)PolycrystallineSingle crystal (epitaxy) Substrate Epitaxy Courtesy Johan Pejnefors, 2001集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)9对薄膜的

6、要求对薄膜的要求组分正确，玷污少，电学和机械性能好组分正确，玷污少，电学和机械性能好 片内及片间（每一硅片和硅片之间）均匀性好片内及片间（每一硅片和硅片之间）均匀性好3. 台阶覆盖性好（台阶覆盖性好（conformal coverage 保角覆盖）保角覆盖） 填充性好填充性好 平整性好平整性好 集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)10化学气相淀积（化学气相淀积（CVD）单晶单晶 (外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜半导体、介质、金属薄膜半导体、介质、金属薄膜常压化学气相淀积（常压化学气相淀积（APCVD），低压

7、），低压CVD (LPCVD)，等离子体增强淀积（，等离子体增强淀积（PECVD）等）等CVDCVD反应必须满足三个挥发性标准反应必须满足三个挥发性标准 在淀积温度下在淀积温度下, ,反应剂必须具备足够高的蒸汽压反应剂必须具备足够高的蒸汽压 除淀积物质外除淀积物质外, ,反应产物必须是挥发性的反应产物必须是挥发性的 淀积物本身必须具有足够低的蒸气压淀积物本身必须具有足够低的蒸气压集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)11(1)(1)反应剂被携带气体引入反应器反应剂被携带气体引入反应器后，在衬底表面附近形成后，在衬底表面附近形成“滞留滞留层层”

8、，然后，在主气流中的反应剂，然后，在主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面越过边界层扩散到硅片表面(2)(2)反应剂被吸附在硅片表面，并反应剂被吸附在硅片表面，并进行化学反应进行化学反应(3)化学反应生成的固态物质，化学反应生成的固态物质，即所需要的淀积物，在硅片表即所需要的淀积物，在硅片表面成核、生长成薄膜面成核、生长成薄膜(4)反应后的气相副产物，离开反应后的气相副产物，离开衬底表面，扩散回边界层，并衬底表面，扩散回边界层，并随输运气体排出反应室随输运气体排出反应室化学气相淀积的基本过程化学气相淀积的基本过程集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理

9、 (上上)12F1是反应剂分子的粒子流密度是反应剂分子的粒子流密度F2代表在衬底表面化学反应消耗的反应剂分子流密度代表在衬底表面化学反应消耗的反应剂分子流密度生长动力学生长动力学从简单的生长模型出发，用从简单的生长模型出发，用动力学方法研究化学气相淀动力学方法研究化学气相淀积推导出积推导出生长速率的表达式生长速率的表达式及其两种极限情况及其两种极限情况与热氧化生长稍有与热氧化生长稍有不同的是，没有了不同的是，没有了在在SiO2中的扩散流中的扩散流集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)13hG 是质量输运系数（是质量输运系数（cm/sec） k

10、s 是表面化学反应系数（是表面化学反应系数（cm/sec）在稳态，两类粒子流密度应相等。这样得到在稳态，两类粒子流密度应相等。这样得到可得：可得：)(1SGGCChFSsCkF 221FFF11GsGShkCC集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)14设设TGCCY 则生长速率则生长速率这里这里 Y 为在气体中反应剂分子的摩尔比值为在气体中反应剂分子的摩尔比值,CG为每为每cm3中反应剂分子数，这里中反应剂分子数，这里CT为在为在气体中每气体中每cm3的所有分子总数的所有分子总数.21 GGGGTotalGTGPPPPPPCCYPG 是反应剂

11、分子的分压，是反应剂分子的分压，PG1，PG1 PG2 PG3.等是系统中其它气体的分压等是系统中其它气体的分压N是形成薄膜的单位体积中的原子数。对硅外延是形成薄膜的单位体积中的原子数。对硅外延N为为51022 cm-3 YNChkhkNChkhkNFvTGsGsGGsGs集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)15Y一定时，一定时， v 由由hG和和ks中较小者决定中较小者决定1、如果、如果hGks，则，则CsCG,这种情况为表面反应控制过程这种情况为表面反应控制过程有有2、如果、如果hGks，则，则CS0，这是质量传输控制过程，这是质量传输

12、控制过程有有 质量输运控制，对温度不敏感质量输运控制，对温度不敏感YkNCvsTYhNCvGT表面（反应）控制，对温度表面（反应）控制，对温度特别敏感特别敏感 kTEkkasexp0集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)16T对对ks的影响较的影响较hG大许多，因此：大许多，因此： hGks表面控制表面控制过程在较低温度过程在较低温度出现出现生长速率和温度的关系生长速率和温度的关系硅外延：硅外延：Ea=1.6 eV斜率与激活能斜率与激活能Ea成正比成正比hGconstant集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄

13、膜淀积原理 (上上)17以硅外延为例（以硅外延为例（1 atm，APCVD）hG 常数常数Ea 值相同值相同外延硅淀积往往是外延硅淀积往往是在高温下进行，以在高温下进行，以确保所有硅原子淀确保所有硅原子淀积时排列整齐，形积时排列整齐，形成单晶层。为质量成单晶层。为质量输运控制过程。此输运控制过程。此时对温度控制要求时对温度控制要求不是很高，但是对不是很高，但是对气流要求高。气流要求高。多晶硅生长是在低多晶硅生长是在低温进行，是表面反温进行，是表面反应控制，对温度要应控制，对温度要求控制精度高。求控制精度高。集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上

14、)18当工作在高温区当工作在高温区,质量控制为主导，质量控制为主导，hG是常数，是常数，此时反应气体通过边界层的扩散很重要，即反此时反应气体通过边界层的扩散很重要，即反应腔的设计和晶片如何放置显得很重要。应腔的设计和晶片如何放置显得很重要。记住关键两点：记住关键两点：ks 控制的淀积控制的淀积 主要和温度有关主要和温度有关hG 控制的淀积控制的淀积 主要和反应腔体几何形状有关主要和反应腔体几何形状有关集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)19单晶硅外延要采用图中的卧式反应设备，单晶硅外延要采用图中的卧式反应设备，放置硅片的石墨舟为什么要有倾斜

15、放置硅片的石墨舟为什么要有倾斜? 集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)20这里界面层厚度这里界面层厚度 s是是x方向平板长度的函数。方向平板长度的函数。a. 随着随着x的增加，的增加， s(x)增加，增加，hG下降。如果下降。如果淀积受质量传输控制，则淀积速度会下降淀积受质量传输控制，则淀积速度会下降b. 沿支座方向反应气体浓度的减少沿支座方向反应气体浓度的减少, 同样导同样导致淀积速度会下降致淀积速度会下降sGGDhUxxs)( 为气体粘度为气体粘度 为气体密度为气体密度U为气体速度为气体速度集成电路工艺原理INFO130024.02第八

16、章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)21因此，支座倾斜可以促使因此，支座倾斜可以促使 s(x)沿沿x变化减小变化减小原理：原理：由于支座倾斜后，气流的流过的截面积由于支座倾斜后，气流的流过的截面积下降，导致气流速度的增加，进而导致下降，导致气流速度的增加，进而导致 s(x)沿沿x减小和减小和hG的增加。从而用加大的增加。从而用加大hG的方法来补偿的方法来补偿沿支座长度方向的气源的耗尽而产生的淀积速沿支座长度方向的气源的耗尽而产生的淀积速率的下降。尤其对质量传输控制的淀积至关重率的下降。尤其对质量传输控制的淀积至关重要，如要，如APCVD法法外延硅外延硅。集成电路工艺原理INFO1300

17、24.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)22外延单晶硅的化学反应式外延单晶硅的化学反应式以上所有反应是可逆的，因此还原反应和以上所有反应是可逆的，因此还原反应和HCl对硅的腐蚀均可对硅的腐蚀均可发生，这和反应剂的摩尔分量和生长温度有关。发生，这和反应剂的摩尔分量和生长温度有关。HClSiHSiClHClSiClSiHHSiClClSiHHClSiClSiHClHClClSiHHSiHClHClSiHClHSiCl 222222222322233242集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)23目前外延常用气源及相应目前外延常用

18、气源及相应总体化学反应总体化学反应242HSiSiHHClSiClSiH222 硅外延：硅外延：硅锗外延：硅锗外延：242HGeGeH242HSiSiH242HGeGeHHClSiClSiH222选择性外延：加选择性外延：加HClHClSiHSiClHClSiClSiH22222原位掺杂外延：加原位掺杂外延：加BH3/B2H6，PH3/AsH3集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)24Two different modes of epitaxyNon-selective epitaxial growth (NSEG)Selective epi

19、taxial growth (SEG)OxideEpiSubstrateSubstrateEpiPoly集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)25斜率与激活斜率与激活能能Ea成正比成正比APCVD的主要问题：低产率（的主要问题：低产率（throughput）高温淀积：硅片需水平放置高温淀积：硅片需水平放置低温淀积：反应速率低低温淀积：反应速率低集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)26低压化学气相淀积低压化学气相淀积 （LPCVD）因此低压可以大大提高因此低压可以大大提高hG的值。的值。例如

20、在压力为例如在压力为1 torr时，时，DG可以提高可以提高760倍，而倍，而 s只提高约只提高约7倍，所以倍，所以hG可以提高可以提高100倍。气体倍。气体在界面不再受到传输速率限制。在界面不再受到传输速率限制。totalGPD1在质量输运控制区域：在质量输运控制区域：sGGDh集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)27 分子自由程变长，反应气体质量迁移速率相对于表面反应速率大大增加，这就克服了质量传输限制，使淀积薄膜的厚度均匀性提高，也便于采用直插密集装片 降低气体压力，气体分子的自由程加长，气相反应中容易生成亚稳态的中间产物，从而降低了

21、反应激活能，因此，在不改变淀积速率的情况下，淀积温度就可以低于APCVD的淀积温度prkT22 反比于气体压强反比于气体压强r为气体分子的半径为气体分子的半径平均自由程平均自由程集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)28集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)29增加产率增加产率 晶片可直插放置许多片（晶片可直插放置许多片（100-200）工艺对温度灵敏工艺对温度灵敏,但是采用温度控制好的热壁式系统可解决但是采用温度控制好的热壁式系统可解决温度控制问题温度控制问题气流耗尽仍是影响均匀性的因素，

22、可以设定温差气流耗尽仍是影响均匀性的因素，可以设定温差525 C，或分段进气或分段进气集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)30Batch processingBatch processing：同时：同时100-200100-200片片薄膜厚度均匀性好薄膜厚度均匀性好可以精确控制薄膜的成份和结构可以精确控制薄膜的成份和结构台阶覆盖性较好台阶覆盖性较好低温淀积过程低温淀积过程淀积速率快淀积速率快生产效率高生产效率高生产成本低生产成本低LPCVD法的主要特点有时，淀积温度需很低，薄膜质有时，淀积温度需很低，薄膜质量要求又很高。如：在形成的量要求又

23、很高。如：在形成的Al层上面淀积介质等。层上面淀积介质等。解决办法：等离子增强化学气相解决办法：等离子增强化学气相淀积淀积 PECVD集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)31多晶硅淀积方法多晶硅淀积方法LPCVDLPCVD，主要用硅烷法，即在，主要用硅烷法，即在600-650 600-650 温度下，由硅温度下，由硅烷热分解而制成，总体化学反应（烷热分解而制成，总体化学反应（overall reactionoverall reaction）方程是：方程是：SiHSiH4 4Si(Si(多晶多晶)+2H)+2H2 2低于低于575 所淀积的硅

24、是无定形或非晶硅（所淀积的硅是无定形或非晶硅（amorphous Si）；）；高于高于600 淀积的硅是多晶，通常具有柱状结构（淀积的硅是多晶，通常具有柱状结构（column structure）；）；当非晶经高温（当非晶经高温（600 ）退火后，会结晶（）退火后，会结晶（crystallization）；）；柱状结构多晶硅经高温退火后，晶粒要长大（柱状结构多晶硅经高温退火后，晶粒要长大（grain growth）。）。集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)32多晶硅的掺杂多晶硅的掺杂气固相扩散气固相扩散离子注入离子注入在淀积过程中加入在淀积

25、过程中加入掺杂气体（称为原位掺杂气体（称为原位掺杂，掺杂，in situ），与），与外延掺杂类似外延掺杂类似多晶硅的氧化多晶硅的氧化多晶硅通常在多晶硅通常在9001000 范范围内进行干氧氧化围内进行干氧氧化未掺杂或轻掺杂多晶硅的氧未掺杂或轻掺杂多晶硅的氧化速率介於（化速率介於（111）和（）和（100）单晶硅的氧化速率之间单晶硅的氧化速率之间掺磷多晶硅的氧化速率要比掺磷多晶硅的氧化速率要比未掺杂（或轻掺杂）多晶硅的未掺杂（或轻掺杂）多晶硅的氧化速率快氧化速率快集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)33625 C LPCVD多晶硅的多晶硅的T

26、EM照片照片集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)34薄膜淀积速率随温薄膜淀积速率随温度上升而迅速增加度上升而迅速增加淀积速率随淀积速率随硅烷浓硅烷浓度（度（硅烷分压）增加硅烷分压）增加而增加而增加淀积参数的影响淀积参数的影响- - 温度温度- - 压强压强- - 硅烷浓度硅烷浓度- - 掺杂剂浓度掺杂剂浓度集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)35多晶硅的淀积速率多晶硅的淀积速率通常不是硅烷浓度的线性函数通常不是硅烷浓度的线性函数表面吸附的影响表面吸附的影响一级反应一级反应线性关系线性关系

27、YkNCvsT集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)36氧化硅的淀积方法氧化硅的淀积方法1）低温）低温CVD（250450 C）)(2)()()(2224gHsSiOgOgSiH可以同时掺杂，如：可以同时掺杂，如：PH3，形成，形成PSG磷硅玻璃：磷硅玻璃：)(6)(2)(5)(425223gHsOPgOgPH硅烷为源的淀积硅烷为源的淀积APCVD，LPCVD，PECVD淀积温度低，可作为钝化层，密度小于热生长氧化硅，台阶覆盖差。用用HD-PECVD可以获可以获得低温（得低温（120 C）的）的高质量氧化硅膜高质量氧化硅膜)(2)(4)()(4)(22224gOHgNsSiOgONgSiH也可以也可以PECVD：P2O5和和SiO2组成的二元组成的二元玻璃网络体玻璃网络体应力小，流动性增加应力小，流动性增加碱金属离子的吸杂中心碱金属离子的吸杂中心易吸水形成磷酸易吸水形成磷酸集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (上上)37TEOS（正硅酸乙酯）为源的淀积（正硅酸乙酯）为源的淀积副产物)()()()(22452sSiOgOlHOCSi2）中温）中温