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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）,1,第十一章淀积,2,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.工艺中的牺牲层内容安排：11章SiO2Si3N4多晶硅层12章金属层,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,3,第十一章淀积11.1引言,4,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）,第十一章淀积11.1引言,MSI的MOS晶体管的各层薄膜（不平）,5,第十一章淀积11.1引言,6,第十一章淀积11.1引言,MultilevelMetallizationonaULSIWafer,7,第十一章淀积11.1引言,8,第十一章淀积11.1引言,9,介质层,ILD层间介质interlayerdielectricSiO2介电常数3.94.0之间作用：电学物理,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,10,第十一章淀积11.2膜淀积,11,薄膜所应该具备的特性：1、好的台阶覆盖能力；2、填充高的深宽比能隙的能力；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,12,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,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,16,第十一章淀积11.2.2薄膜生长,17,薄膜生长步骤,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。,18,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,19,第十一章淀积11.3化学汽相淀积,20,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、氧化反应；5、氧化还原反应。,第十一章淀积11.3.1CVD化学过程,21,异类反应（表面）、同类反应（表面上方）,第十一章淀积11.3.2CVD反应,22,第十一章淀积11.3.2CVD反应,23,11.3.2.1CVD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，台阶覆盖性能好。,第十一章淀积11.3.2CVD反应,24,CVD传输和反应步骤,第十一章淀积11.3.2CVD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。,25,第十一章淀积11.3.2CVD反应,26,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,第十一章淀积11.3.2CVD反应,主要因素：反应气体输运到表面的速度以及表面的化学反应速度,27,第十一章淀积11.3.2CVD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,28,硅片表面的气流,第十一章淀积11.3.2CVD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,29,第十一章淀积11.4CVD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）,30,第十一章淀积11.4CVD淀积系统,CVD反应器加热（热壁还是冷壁）LPCVD：反应速度限制；APCVD：质量输运限制,31,第十一章淀积11.4CVD淀积系统,32,第十一章淀积11.4.2APCVD,33,11.4.1APCVD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）。,第十一章淀积11.4.2APCVD,34,1、基本化学反应稀释的SiH4（硅烷）同过量O2反应在热衬底上生长SiO2：SiH4+O2SiO2+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,第十一章淀积11.4.2APCVD,35,2、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（N2或惰性气体）处理515min，目的在于提高膜的密度、抗蚀性及介电击穿强度。,第十一章淀积11.4.2APCVD,36,气体注入类型,第十一章淀积11.4.2APCVD,37,通气类型,第十一章淀积11.4.2APCVD,38,APCVDTEOS-O3好的台阶覆盖性,第十一章淀积11.4.2APCVD,掺杂SiO2,39,PlanarizedSurfaceafterReflowofPSG,第十一章淀积11.4.3LPCVD,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）,40,第十一章淀积11.4.3LPCVD,41,第十一章淀积11.4.3LPCVD,42,第十一章淀积11.4.3LPCVD,43,2、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,第十一章淀积11.4.3LPCVD,44,二氧化硅：在大规模集成电路中LPCVDSiO2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.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,第十一章淀积11.4.3LPCVD,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。,45,第十一章淀积11.4.3LPCVD,46,第十一章淀积11.4.3LPCVD,47,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/Vs2.离子注入：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：10201021，迁移率3040cm2/Vs低温过程多晶硅温度系数：110-3/C,第十一章淀积11.4.3LPCVD,48,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、NH3来反应制备。,第十一章淀积11.4.3LPCVD,49,3、LPCVD工艺分类（1）水平对流热传导LPCVD（2）超高真空CVD（UHV/CVD）,第十一章淀积11.4.4PECVD,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。,50,第十一章淀积11.4.4PECVD,51,淀积介质的反应温度,第十一章淀积11.4.4PECVD,52,第十一章淀积11.4.4PECVD,53,第十一章淀积11.4.4PECVD,54,第十一章淀积11.4.4PECVD,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,55,第十一章淀积11.4.4PECVD,56,高密度等离子体淀积腔,第十一章淀积11.4.4PECVD,57,1.Ion-induceddeposition2.Sputteretch3.Redeposition4.HotneutralCVD5.Reflection,HDPCVD工艺（同步淀积-刻蚀）的五个步骤,第十一章淀积11.4.4PECVD,58,第十一章淀积11.4.4PECVD,59,HDPCVD特点：低温300400C,第十一章淀积11.4.4PECVD,60,介质间隙填充的三个过程,第十一章淀积11.5.1介电常数,61,ULSI中的低-k材料介质层,K=1空气低k介质作为层间介质优点：减少相邻导线间的电耦合损失，提高金属导线的传输速率。,第十一章淀积11.5.1介电常数,62,第十一章淀积11.5.1介电常数,63,第十一章淀积11.5.1介电常数,64,第十一章淀积11.5.1介电常数,65,Low-kDielectricFilmRequirements,第十一章淀积11.5.1介电常数,66,局部氧化（LOCOS）：采用图形化的Si3N4岛来定义氧生长的区域，但是对于深亚微米器件，隔离结构尺寸过大（氧的侧向生长鸟嘴）。浅槽隔离（STI）：1、更有效的器件隔离；2、表面积小；3、超强的闩锁保护能力；4、对沟道没有侵蚀；5、与CMP工艺兼容。,第十一章淀积11.5.2器件隔离,67,第十一章淀积11.5.2器件隔离,68,旋涂玻璃（SOG）：有机物基于硅氧烷，无机物基于硅酸盐。,第十一章淀积11.6旋涂绝缘介质,69,第十一章淀积11.6旋涂绝缘介质,低k绝缘介质薄膜正作为旋涂绝缘介质来研究。,70,HSQLow-k绝缘介质工艺参数,第十一章淀积11.7外延,71,EpitaxyGrowthModelEpitaxyGrowthMethods气相外延Vapor-PhaseEpitaxy(VPE)金属有机外延MetalorganicCVD(MOCVD)分子束外延（Molecular-BeamEpitaxy(MBE)）高真空条件下，严格控制外延层厚度和掺杂的均匀性。,第十一章淀积11.7外延,72,外延就是在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层。新淀积的这层称为外延层。外延为器件设计者在优化器件性能方面提供了很大的灵活性。IC制造中最普通的外延反应是高温CVD系统。如果外延层和衬底相同，这样的生长的膜称为同质外延；与衬底不一致称为异质外延（一般比较少）。外延硅通常采用CVD淀积系统。外延生长前，必须清除硅片的自然氧化层、残余的有机杂质和金属杂质获得完美的表面。IC制备中一般采用以下三种外延方法：气相外延（VPE）、金属有机CVD（MOCVD）、分子束外延（MBE）,第十一章淀积11.7外延,73,11.7.1气相外延（VPE）硅片制造中最常用的硅外延方法是气相外延（VPE），在温度为800-1150的硅片表面通过含有所需化学物质的气体化合物，就可以实现气相外延。,11.