复旦集成电路工艺课件-13

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 (下下)1/37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 (下下)2/37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

2、战集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (下下)3/37本节课主要内容本节课主要内容常用的淀积薄膜有哪些？常用的淀积薄膜有哪些？举例说明其用途。举例说明其用途。什么是什么是CVD？描述它的？描述它的工艺过程。工艺过程。CVD的控制有哪两种的控制有哪两种极限状态？分别控制什极限状态？分别控制什么参数是关键？么参数是关键？单晶硅（外延）单晶硅（外延）器件；多晶器件；多晶硅硅栅电极；栅电极；SiO2互连介质；互连介质；Si3N4钝化。金属钝化。金属化学气相淀积：反应剂被激活化学气相淀积：反应剂被激活后在后在衬底表面发生化学反应成衬底表面发生化学反应成膜。膜

3、。1)主气流中的反应剂越过主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面；边界层扩散到硅片表面；2)反反应剂被吸附在硅片表面；应剂被吸附在硅片表面；3)反反应成核生长；应成核生长；4)副产物挥发。副产物挥发。表面反应控制：温度表面反应控制：温度质量输运控制：反应器形状，质量输运控制：反应器形状，硅片放置硅片放置集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (下下)4/37氮化硅的淀积方法氮化硅的淀积方法2438007003226643HHClNSiNHClSiHCo LPCVD：质量好，产量高质量好，产量高2343HSiNHNHSiHPECVD：等离子体中：等离子

4、体中 或或SiNxHy膜对水和钠有极强的阻挡膜对水和钠有极强的阻挡能力，可作为最终的钝化层或多能力，可作为最终的钝化层或多层布线中的介质。层布线中的介质。224322HSiNHNSiH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 (下下)5/37等离子增强化学气相淀积（等离子增强化学气相淀积（PECVD）低温下（低温下（200350 C）利用非热能来增强工艺过程）利用非热能来增强工艺过程反应气体被加速电子撞击而离化。形成不同的活性基团，反应气体被加速电子撞击而离化。形成不同的活性基团，它们间的化学反应就生成所需要的固态膜。它们间的化学反应就生成所需要的固态膜

5、。13.56MHz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 (下下)6/37等离子体：等离子体：物质存在的第四态物质存在的第四态高密度导电粒子构成的气体高密度导电粒子构成的气体极板区域有辉光极板区域有辉光上标上标“ * ” 表示那些能量要远远大于基态的粒子。分离的原子或表示那些能量要远远大于基态的粒子。分离的原子或分子被称为自由基，它们具有不完整的结合状态并且非常活跃。分子被称为自由基，它们具有不完整的结合状态并且非常活跃。如：如：SiH3，SiO，F等。等。 原子激发原子激发 e* + A A*+e 分子激发分子激发 e* + AB AB*+e e*

6、+ AB A*+B*+e 原子离子化原子离子化 e* + A A+e+e 分子离子化分子离子化 e* + AB AB + +e+e激发激发裂解裂解离离化化等离子体由电子、离化分子、中性分等离子体由电子、离化分子、中性分子、中性或离化的分子片断、激发的子、中性或离化的分子片断、激发的分子和自由基组成。假设流进的气体分子和自由基组成。假设流进的气体是由原子是由原子A和原子和原子B组成的分子组成的分子AB, 在辉光放电中可出现的过程可有在辉光放电中可出现的过程可有: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 (下下)7/37PECVD：在等离子体反应器中，在等离

7、子体反应器中，PECVD最重要最重要的特征是能在更低的温度下淀积出所需要的薄膜。的特征是能在更低的温度下淀积出所需要的薄膜。PECVD淀积的氧化硅和氮化硅膜与较高高温下淀积的氧化硅和氮化硅膜与较高高温下LPCVD的膜的膜相比有以下特征：相比有以下特征：应力较大、含应力较大、含H、非化学比的结构、非化学比的结构因而造成膜的性质的不同：因而造成膜的性质的不同：粘附能力较差，有针孔、表面粗糙度增大，介电常数下降，粘附能力较差，有针孔、表面粗糙度增大，介电常数下降，折射率下降，腐蚀速率增加。折射率下降，腐蚀速率增加。PECVD薄膜淀积质量强烈依赖于薄膜淀积质量强烈依赖于RF功率功率、压强、温度等参数压

8、强、温度等参数集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (下下)8/37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 (下下)9/37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 (下下)10/37物理气相淀积物理气相淀积 （PVD）蒸发（蒸发（Evaporation）溅射（溅射（Sputtering）淀积金属、介淀积金属、介质等多种薄膜质等多种薄膜淀积金属薄膜淀积金属薄膜集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (下下)11/37真空真空蒸发

9、：在真空中，蒸发：在真空中，把蒸发料把蒸发料(金属金属)加热，加热，使其原子或分子获得使其原子或分子获得足够的能量，克服表足够的能量，克服表面的束缚而蒸发到真面的束缚而蒸发到真空中成为蒸气，蒸气空中成为蒸气，蒸气分子或原子飞行途中分子或原子飞行途中遇到基片，就淀积在遇到基片，就淀积在基片上，形成薄膜基片上，形成薄膜 加热器：电阻加热器：电阻丝或电子束丝或电子束真空状态真空状态蒸发蒸发集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (下下)12/37汽化热汽化热 Hv TBAPvlogP 为蒸汽压，为蒸汽压，A为积分常数，为积分常数，R0为阿夫加德罗常数为阿夫加

10、德罗常数03 . 2 RHBv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 (下下)13/37不同元素的平衡蒸气不同元素的平衡蒸气压与温度的函数关系压与温度的函数关系为了得到合适的淀积为了得到合适的淀积速率，样品蒸气压至少速率，样品蒸气压至少为为10 mTorr。Ta，W，Mo和和Pt，这些难，这些难熔金属，它们具有很高熔金属，它们具有很高的溶化温度，如为达到的溶化温度，如为达到10 mtorr 的蒸气压，的蒸气压， 钨钨需要超过需要超过3000 。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 (下下)14/37二、真空度

11、与分子平均自由程二、真空度与分子平均自由程 高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行，因为：高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行，因为：1. 源材料的气相原子和分子在真空中的输运必须直线运动，以保源材料的气相原子和分子在真空中的输运必须直线运动，以保证金属材料原子和分子有效淀积在衬底上，真空度太低，蒸发证金属材料原子和分子有效淀积在衬底上，真空度太低，蒸发的气相原子或分子将会不断和残余气体分子碰撞，改变方向。的气相原子或分子将会不断和残余气体分子碰撞，改变方向。2. 残余气体中的氧和水气，会使金属和衬底氧化残余气体中的氧和水气，会使金属和衬底氧化3. 残余气体和其他杂质原子和分子也会淀积在

12、衬底残余气体和其他杂质原子和分子也会淀积在衬底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保角差保角差集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (下下)15/37三、蒸发速率和淀积速率三、蒸发速率和淀积速率单位时间内，通过单位面积的分子数单位时间内，通过单位面积的分子数点源点源小平面源小平面源速率与蒸发的蒸气流速率与蒸发的蒸气流(F)和靶（硅片）的几何形状相关和靶（硅片）的几何形状相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 (下下)16/37点源点源小平面源小平

13、面源Revap是蒸发速率（是蒸发速率（g/s） 是源蒸汽的发射角度，是源蒸汽的发射角度，对于点源对于点源 4 N是淀积材料的密度是淀积材料的密度点源中点源中F与与 i 无关，小平面源中无关，小平面源中F 随随 cosn i 变化变化3、小平面源的非、小平面源的非理想余弦发射理想余弦发射1、点源的各项同、点源的各项同性发均匀发射性发均匀发射2、小平面源的理想、小平面源的理想余弦发射，即余弦发射，即 n=1kevapevapPkNrRvrRFcos22kinevapinevapPkNrRvrRFcoscoscos22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

14、(下下)17/37按按 归一化后，有归一化后，有 如下图如下图2001hNRll 是淀积点至硅片中心的距离是淀积点至硅片中心的距离h 是法线长度是法线长度ki222coshlrrhk 23201hl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 (下下)18/37可见蒸发的淀积速率和蒸发可见蒸发的淀积速率和蒸发材料、温度材料、温度/蒸汽压、及淀积蒸汽压、及淀积腔的几何形状决定反应腔内腔的几何形状决定反应腔内晶片的位置、方向有关。晶片的位置、方向有关。如坩锅正上方晶片比侧如坩锅正上方晶片比侧向的晶片淀积得多。向的晶片淀积得多。为了得到好的均匀性，为了得到好的均匀

15、性，常将坩锅和晶片放在同常将坩锅和晶片放在同一球面一球面点源点源小平面源小平面源由由Langmuir-Knudsen理论，有理论，有Pe是蒸气压（是蒸气压（torr），），As是源面是源面积，积，m为克分子质量，为克分子质量，T为温度为温度esevapPTmAR21083. 5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 (下下)19/37加热器a) 必须在蒸发温度提供所必须在蒸发温度提供所需热量，但本身结构仍保需热量，但本身结构仍保持稳定。熔点高于被蒸发持稳定。熔点高于被蒸发金属熔点金属熔点 b) 不能与处于熔融状态的不能与处于熔融状态的蒸发料合金化或化合

16、蒸发料合金化或化合c) 蒸气压很低蒸气压很低d) 易加工成形易加工成形例：难熔钨丝螺旋式蒸发例：难熔钨丝螺旋式蒸发源源电子束蒸发（电子束蒸发（ebeam）a) 电流通过螺旋状灯丝，使其达到白炽状态后电流通过螺旋状灯丝，使其达到白炽状态后发射电子发射电子 b) 电子向阳极孔方向发射形成电子束，加速进电子向阳极孔方向发射形成电子束，加速进入均匀磁场入均匀磁场c) 电子在均匀磁场洛仑兹力作用下作圆周运动电子在均匀磁场洛仑兹力作用下作圆周运动d) 调节磁场强度控制电子束偏转半径，使电子调节磁场强度控制电子束偏转半径，使电子束准确射到蒸发源束准确射到蒸发源e) 蒸发源熔融汽化，淀积到硅片表面蒸发源熔融汽

17、化，淀积到硅片表面优点：优点：淀积膜纯度淀积膜纯度高，钠离子高，钠离子污染少污染少电电子子偏偏转转枪枪电阻丝电阻丝集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (下下)20/37为了实现球形结构，为了实现球形结构，晶片放在一个行星晶片放在一个行星转动的半球罩内转动的半球罩内 有公转和自转。有公转和自转。淀积的均匀性可以得淀积的均匀性可以得到很大改善到很大改善电子束蒸发系统电子束蒸发系统集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (下下)21/37蒸发工艺中的一些问题蒸发工艺中的一些问题:对某些元素淀积速率很慢对某些元素淀

18、积速率很慢合金和化合物很难采用合金和化合物很难采用台阶覆盖差台阶覆盖差目前大生产很少采用目前大生产很少采用溅射的优点：溅射的优点：台阶覆盖比蒸发好台阶覆盖比蒸发好辐射缺陷远少于电辐射缺陷远少于电子束蒸发子束蒸发制备复合材料和合制备复合材料和合金性能较好金性能较好可以淀积介质材料可以淀积介质材料集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (下下)22/37溅射溅射Sputtering - 溅射淀积溅射淀积Sputter deposition 利用高能粒子（通常是由电场加速的正利用高能粒子（通常是由电场加速的正离子如离子如Ar+）撞击固体表面，使表面离子）撞击

19、固体表面，使表面离子（原子或分子）逸出的现象（原子或分子）逸出的现象溅射的种类溅射的种类: 直流溅射直流溅射射频溅射射频溅射反应溅射反应溅射磁控溅射磁控溅射准直溅射准直溅射 .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 (下下)23/37不同元素的平衡蒸气不同元素的平衡蒸气压与温度的函数关系压与温度的函数关系而不同元素的而不同元素的溅射产率溅射产率（yield）相差不大相差不大（0.1-3 per incident ion）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 (下下)24/371、直流（、直流（DC）溅射）溅射

20、只能溅射导电物质只能溅射导电物质a）阳极（）阳极（anode）上放硅片，）上放硅片，阴极（阴极（cathode）是靶，真空）是靶，真空室作为放电二极管，通入放电室作为放电二极管，通入放电气体（如气体（如Ar）b）阴极加）阴极加110 kV负高压，负高压，产生辉光放电，形成等离子体产生辉光放电，形成等离子体c）正离子被加速至数百）正离子被加速至数百-数千数千伏，撞击在靶材上，将靶材中伏，撞击在靶材上，将靶材中原子剥离原子剥离d）这些原子形成蒸汽并自由）这些原子形成蒸汽并自由地穿过等离子体区到达硅表面地穿过等离子体区到达硅表面e）溅射淀积时反应腔里压力）溅射淀积时反应腔里压力在在10 mtorr左

21、右。在引入放电左右。在引入放电气体前，真空室气体前，真空室base pressure要达高真空（要达高真空（106 torr以上）以上） 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 (下下)25/37直流溅射直流溅射系统中等离子体结构和电压分布（系统中通入氩气）系统中等离子体结构和电压分布（系统中通入氩气）等离子体中包含等离子体中包含同等数量的正氩同等数量的正氩离子和电子以及离子和电子以及中性氩原子中性氩原子大部分的电压降大部分的电压降在阴极暗区在阴极暗区氩离子轰击阴极氩离子轰击阴极靶（如靶（如Al）, Al原原子被溅射出，通子被溅射出，通过等离子区淀积过

22、等离子区淀积到阳极硅片上到阳极硅片上阴极阴极辉光辉光阳极鞘区阳极鞘区等离子体等离子体阴极阴极暗区暗区(鞘区鞘区)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 (下下)26/37溅溅射射中中的的主主要要过过程程阴极暗区阴极暗区集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (下下)27/37大面积溅射靶要较点源会提供更宽范围大面积溅射靶要较点源会提供更宽范围 的到达角（的到达角（arrival angles）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 (下下)28/372、射频溅射、射频溅

23、射 也也可溅射介质可溅射介质 如靶是绝缘材料，不能采用直流溅射，因为绝缘靶上会有正如靶是绝缘材料，不能采用直流溅射，因为绝缘靶上会有正电荷积累。此时可以使用交流电源。电荷积累。此时可以使用交流电源。13.56 MHz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 (下下)29/37RF溅射系统中稳态时的电压分布溅射系统中稳态时的电压分布当两边面积不等时，当两边面积不等时，面积小的电极一边面积小的电极一边（电流密度大）有更（电流密度大）有更大电压降，并有关系大电压降，并有关系:V2V1Unequal area electrodes (left electrode

24、 smaller)m=12（实验值）（实验值）mAAVV1221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 (下下)30/37一般将靶电极的面积设计得较小，电压主要降在靶电极，使溅射一般将靶电极的面积设计得较小，电压主要降在靶电极，使溅射在靶上发生。硅片电极也可以和反应腔体相连，以增加电压降比值在靶上发生。硅片电极也可以和反应腔体相连，以增加电压降比值硅片电极也可以单独加上硅片电极也可以单独加上RF偏压，这样在实际淀积前可偏压，这样在实际淀积前可预先清洁晶片或预先清洁晶片或“溅射刻蚀溅射刻蚀”. 另外一种应用是偏压另外一种应用是偏压-溅射淀积（溅射淀积（b

25、ias-sputter deposition），），在晶片上溅射和淀积同时进行。这可以改善淀积台阶覆盖性在晶片上溅射和淀积同时进行。这可以改善淀积台阶覆盖性集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (下下)31/373、反应溅射、反应溅射 在溅射气体中引入反应活性气体如氧或氮气，在溅射气体中引入反应活性气体如氧或氮气，可改变或控制溅射膜的特性。可改变或控制溅射膜的特性。如在低温下可制作如在低温下可制作SiOx、SiNx等钝化膜或多等钝化膜或多属布线中的绝缘层；属布线中的绝缘层；TiN、TaN等导电膜或扩等导电膜或扩散阻挡层散阻挡层 集成电路工艺原理INF

26、O130024.02第八章第八章 薄膜淀积原理薄膜淀积原理 (下下)32/374、磁控溅射、磁控溅射 直流溅射和直流溅射和RF溅射中，电子和气体分子碰撞的离化效溅射中，电子和气体分子碰撞的离化效率较低，电子的能量有许多消耗在非离化的碰撞和被率较低，电子的能量有许多消耗在非离化的碰撞和被阳极收集。通过外加磁场提高电子的离化率阳极收集。通过外加磁场提高电子的离化率, 磁控溅磁控溅射可以提高溅射效率。射可以提高溅射效率。可溅射各种合金和难熔金属，不会像蒸发那样，可溅射各种合金和难熔金属，不会像蒸发那样，造成合金组分的偏离造成合金组分的偏离阴极表面发射的二次电子由于受到磁场的束缚阴极表面发射的二次电子由于受到磁场的束缚,使使得高密度等离子体集中在靶附近得高密度等离子体集中在靶附近, 而不再轰击硅片，而不再轰击硅片，避免了硅片的升温避免了硅片的升温均匀性、重复性好，有良好的台阶覆盖均匀性、重复性好，有良好的台阶覆盖溅射效率提高溅射效率提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 (下下)33/375、准直溅射、准直溅射 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 (下下)34/37薄膜淀积总结薄膜淀积总结集成电路工艺原理INFO130024.02第八章第八章 薄