电子科大微电子工艺(第四章)淀积wg3-4-4.

1、n本章主要内容本章主要内容 4.1 引言引言 4.2 4.3 4.4 4.5 1. 集成电路中的各种薄膜集成电路中的各种薄膜高低温氧化硅（高低温氧化硅（SiO2）薄膜、氮化硅）薄膜、氮化硅(Si3N4)薄膜、多晶硅薄膜、多晶硅(polySi)薄膜、各种金属薄膜。薄膜、各种金属薄膜。多层金属化2. 多层金属化多层金属化 用来连接硅片上高密度堆积器件的那些金属层薄膜和绝缘介质层薄膜。 金属层金属层:电路中元器件之间的互连线。 介质层介质层:硅器件与金属层之间或金属层与金属层之间的 电绝缘层。也称为层间介质层间介质（ILD: Inter Layer Dielectric）材料：铝(Al) 、铜(Cu

2、)名称：M1、 M2关键层：线条宽度为关键尺寸，如0.18um（底层金属M1）非关键层：上部金属层，有更大线宽，如0.5um设计：金属层寄生参数（电阻、电容）影响电路速度与功耗。成本：增加一金属层，芯片成本增加：15%。金属层：金属层：ILD1作用：电学方面隔离晶体管器件和互连金属层 物理方面隔离晶体管器件和可移动粒子等杂质源器件与金属层之间金属层与金属层之间介质层（层间介质介质层（层间介质ILD）：）：材料：SiO2或者玻璃3. 薄膜薄膜 淀积淀积 工艺工艺n本章重点介绍氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）等绝缘薄膜以及多晶硅（polySi）薄膜的淀积。主要介绍化学气相淀积CVD（Che

3、mical Vapor Deposition）工艺。n金属和金属化合物薄膜将在后续章节中介绍。1). 好的台阶覆盖能力2). 填充高的深宽比间隙的能力3). 好的厚度均匀性4). 高纯度和高密度5). 受控制的化学剂量6). 高度的结构完整性和低的应力7). 好的电学特性8). 对衬底材料或下层膜好的粘附性5.集成电路对薄膜的要求（薄膜特性）：集成电路对薄膜的要求（薄膜特性）：4. 薄膜的概念：薄膜的概念：在衬底上生长的薄固体物质，在三维结构中厚度远远小于长和宽。 （a）台阶覆盖不好）台阶覆盖不好 （b）台阶覆盖好）台阶覆盖好高的深宽高的深宽比典型值大于比典型值大于3:1，某些应用中达到，某些

4、应用中达到5:1甚至更大甚至更大（Chemical Vapor Deposition）：n反应激活方式：有热激活、等离子激活反应激活方式：有热激活、等离子激活 ( PECVD ) 和紫外光激活等。和紫外光激活等。n温度：低温温度：低温 ( 200 500oC)、中温、中温 ( 500 1000oC) 和和高温高温 ( 1000 1300oC) CVD。n压力：有常压压力：有常压 ( APCVD ) 和低压和低压 ( LPCVD ) CVD。n反应室壁温度：热壁反应室壁温度：热壁 CVD 和冷壁和冷壁 CVD 。n气流方向：有卧式气流方向：有卧式 CVD 和立式和立式 CVD。 集成电路制造中所

5、用的薄膜材料，包括介质膜、半导体集成电路制造中所用的薄膜材料，包括介质膜、半导体膜、导体膜等，几乎都能用膜、导体膜等，几乎都能用 CVD 工艺来淀积，例如：工艺来淀积，例如：介质：介质：SiO2、Si3N4、PSG、BSG、Al2O3、TiO2半导体：半导体：Si、Ge、GaAs、GaP、AlN、InAs、多晶硅、多晶硅导体：导体： Al、Ni、Au、Pt、Ti、W、Mo、WSi2 通常使用的化学气相淀积气源成核聚焦成束/岛生长连续成膜5. CVD薄膜淀积反应步骤薄膜淀积反应步骤 1). 气体传输至淀积区域：反应气体从反应腔入口区域到硅片表面的淀积区域 2). 膜先驱物形成：气相反应导致膜先驱

6、物（将组成膜最初的原子和分子）和副产物的形成 3). 膜先驱物输运：大量的膜先驱物输运到硅片表面 4). 膜先驱物粘附：膜先驱物粘附在硅片表面 5). 膜先驱物扩散：膜先驱物向膜生长区域的表面扩散 6). 表面反应：表面化学反应导致膜淀积和副产物的生成 7). 副产物从表面解吸附：移除表面反应的副产物 8). 副产物从反应腔排出：反应的副产物从沉积区域随气流流动到反应腔出口并排出nCVD 淀积的例子：多晶硅薄膜的淀积的例子：多晶硅薄膜的CVD 淀积过程淀积过程 1). SiH4 (气态) SiH2 (气态) H2 (气态) 气体传输、高温分解形成膜先驱物之中间反应物SiH2 2). SiH4

7、(气态) SiH2 (气态) Si2H6 (气态) 膜先驱物形成、并向衬底表面输运、吸附、扩散 3). Si2H6 (气态) 2Si (固态) + 3H2 (气态) 表面反应、释放副产物（成核岛生长桥联成膜 ） n 硅烷（硅烷（SiH4）的自燃特性）的自燃特性 停滞层停滞层 1). 反应速率限制（低压CVD） 淀积速率受反应速度限制，这是由于反应温度或压力过低(传输速率快)，提供驱动反应的能量不足，反应速率低于反应物传输速度，有过量的反应物有过量的反应物滞留在衬底表面，淀积速率对温度敏感。 2). 传输速率限制（常压CVD） 淀积速率受反应物传输速度限制，即不能提供足够的反不能提供足够的反应物

8、应物到衬底表面，速率对温度不敏感。 1). 生长BPSG（做ILD1） SiH4 PH3B2H6O2 SiO2 PBH2 P2O5和B2O3的含量分别控制4 、26 2). 生长掺磷的PolySi SiH4 PH3 SiPH2APCVD通常用于淀积SiO2和掺杂的SiO2（PSG、BPSG、FSG等），这些薄膜主要用于层间介质ILD和槽介质填充。 1).用用210的的SiH4淀积淀积SiO2： SiH4O2 SiO2H2 温度：450500 压力：760Torr 优点：可在金属铝连线上淀积SiO2作为ILD 缺点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都很差。正硅酸乙酯正硅酸乙酯 Si（C2H5O4） 8

9、 O3 SiO2 10 H2O 8 CO2 温度：400 压力：760Torr 淀积速率：100nm/分 优点：温度低、淀积速率快、台阶覆盖能力和间隙 填充能力都较好 缺点： 淀积的SiO2膜多孔，致密性差，颗粒多 在APCVD SiO2时掺杂PH3就能形成磷硅璃（PSG） PSG的优点： a. 吸附可动离子电荷改善器件表面 b. 降低玻璃的软化点温度易于平坦化 PSG的缺点： 易吸潮，一般控制P2O5的含量在4以下 在APCVD SiO2时掺杂PH3、B2H6就能形成硼磷硅玻璃（BPSG ），弥补PSG的不足，通常BPSG做为第一层间介质ILD1，回流温度：900 980 （a）回流前 （b

10、）回流后n反应速度限制；n硅片可以以很小的间隔垂直放置，生产效率高；n硅片垂直放置后，可避免管壁上掉下的颗粒对硅片的影响；n热壁方式加热，温度均匀性好；n对温度的控制较之对气流的控制要容易得多，有利于改善膜厚和组分的均匀性；n良好台阶覆盖和间隙填充能力。使用LPCVD工艺可以用来淀积氧化硅、氮化硅和多晶硅。1). LPCVD SiO2： 主要用做ILD、浅槽介质填充和侧墙等。 用SiH4淀积SiO2： SiH4O2 SiO2H2 温度：450 压力：0.15.0Torr 缺点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都差。 Si（C2H5O4） SiO2 H2O CO2 温度： 650750 压力： 0.1

11、5.0Torr 淀积速率：1015nm/分（远远小于APCVD） 优点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都好，。 缺点：温度较高，淀积速率慢 用TEOS热分解淀积SiO2：TEOS室温下为液态，室温下为液态，沸点沸点168 TEOS工艺系统2TEOS工艺系统3nCVD 法 SiO2 膜中的硅来自外加的反应气体；而热氧化法 SiO2 膜中的硅来自硅衬底本身，氧化过程中要消耗掉一部分衬底中的硅。nCVD 法的反应发生在 SiO2 的表面，膜厚与时间始终成线性关系；而热氧化法时，一旦 SiO2 膜形成以后，反应剂必须穿过 SiO2 膜，反应发生在 SiO2/Si 界面上，淀积速率变慢。n CVD 法温度较

12、低，可减轻杂质再分布和硅片的热形变，但膜的质量较差，通常需经增密处理；而热氧化法的温度高，SiO2 结构致密，膜的质量较好，其界面态、固定电荷、可动电荷等表面电荷密度都比沉积的低。介电常数为 6.9，远大于 SiO2 的 3.9；化学稳定性好，仅被热 H3PO4 腐蚀；抗氧化能力强，广泛用于对氧化的掩蔽。950时，厚度 10nm 的 Si3N4 能掩蔽 700nm 的湿氧氧化；应力很大，硅衬底与 Si3N4 间用 SiO2 作为缓冲层；掩蔽 Na+ 离子能力强 ；对各种气体 、水汽以及 P、B、As、O2、Ga、In 等有较强的掩蔽能力，为极好的钝化材料。2). LPCVD Si3N4 3 S

13、iH2Cl2 4 NH3 Si3N4 6 HCl 6 H2 温度： 700800 压力： 0.15.0Torr 做硬掩膜用于浅槽隔离；用于局部氧化（LOCOS）屏蔽氧化层；用做钝化层；用做电容介质，但不能用做ILD（大电容）。 n影响影响LPCVD Si3N4薄膜质量的主要因素：薄膜质量的主要因素：总反应压力反应物浓度淀积温度和温度梯度3). LPCVD 掺杂的PolySi在MOS器件中用做栅电极掺杂的PolySi做多晶电阻SiH4 Si 2H2 温度：575650 压力： 0.21.0Torr 淀积速率：1020nm/分通过掺杂可得到特定的电阻与SiO2有优良的界面特性和后续高温工艺的兼容性

14、比金属电极（如Al）更高的可靠性在陡峭的结构上淀积的均匀性实现栅的自对准工艺AsH3、PH3、B2H6也可在淀积后进行扩散或离子注入掺杂 更低的工艺温度（250-450） 对高的深度比间隙有好的填充能力 淀积的膜对硅片有优良的粘附能力 高的淀积速率 少的针孔和空洞，因而有高的膜密度 工艺温度低，因而应用范围广nPECVD设备：设备：通过在真空腔中给反应气体施加等离子体能量（即通常施加射频功率几百瓦，频率几百千赫兹或几十兆赫兹），使反应气体激发产生化学活性很强的分子、原子，从而促使化学反应淀积成膜。a. 用 SiH4加O2 淀积SiO2： SiH4O2 SiO2H2 温度：350 压力：0.11

15、.0Torr 淀积速率：5060nm/min 缺点：颗粒较多1). PECVD b. 用 SiH4加N2 O淀积SiO2： SiH42N2 OSiO22N2 2H2 温度：350 压力：0.11.0Torr 淀积速率：5060nm/min 优点：颗粒少 PECVD的成膜温度比APCVD和LPCVD还要低（通常在300400 ） 淀积速率高 冷壁反应，产生颗粒少 与APCVD SiO2 比更均匀，针孔少 做顶层的钝化层 做ILD和槽填充 SiH4 NH3 SixNY HZ H2 SiH4 N2 SixNY HZ H2 温度：350 压力：0.11.0Torr 淀积速率：2030nm/min2).

16、 PECVD 氮化硅氮化硅冷壁反应，产生颗粒少氮化硅膜的成分不成化学比应力比较大主要做顶层的钝化层前驱物易在A 270o 处淀积，形成悬出，导致薄膜淀积空洞气压气压锥形结构锥形结构淀积淀积/刻蚀刻蚀/淀积淀积影响台阶覆盖因素影响台阶覆盖因素吸附的前驱物的表面迁移率吸附的前驱物的表面迁移率介质在集成电路应用中有两个重要的方面：介质在集成电路应用中有两个重要的方面： 一、介电常数一、介电常数 二、器件隔离二、器件隔离 降低RC延迟的工艺方法：1)增加金属互连线电导率; 2)降低层间介质介电常数，即使用低k层间介质。 1）DRAM存储器：提高存储密度（Ta2O5, k=2030; BST, k值约为几百.） 2）栅氧化层：避免隧穿效应（0.18um, tox=2nm; 90nm, tox=1nm.）Mo 和 TiNn举例（气相外延VPE工艺）： VPE本质是一种化学气相淀积（CVD），其工艺如下： SiCl4 H2 SiHCl （用于常压外延） SiH2Cl2 H2 SiHCl （用于低压外延） 反应温度：11001200，射频感应加热外延设备：国内外现流行桶式反应炉 根据要求控