第三章,化学气象沉淀

1、12022-6-2622022-6-263MSI中nMOS晶体管的各层膜p+ silicon substratep- epi layer场氧化层n+n+p+p+n-wellILD氧化硅垫氧化层氧化硅氮化硅顶层栅氧化层侧墙氧化层金属前氧化层Poly金属多晶金属CMOSCMOS芯片结构剖面芯片结构剖面2022-6-264ULSI硅片上的多层金属化硅片上的多层金属化钝化层钝化层压点金属p+ Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p- Epitaxial layerp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1

2、Poly gaten+p+p+n+n+LI metal2022-6-265芯片中的金属层芯片中的金属层2022-6-2663.3 3.3 化学气相淀化学气相淀 (CVD) （Chemical Vapor Deposition) 2022-6-2672022-6-2682022-6-269采用采用SiH4-O2系统系统连续式连续式APCVD设备设备2022-6-2610硅片硅片膜膜反应气体反应气体 2反应气体反应气体 1惰性分隔气体惰性分隔气体(a) 气体注入类型气体注入类型连续加工的连续加工的APCVD 反应炉反应炉2022-6-2611APCVD设备设备2022-6-26122022-6-2

3、613采用采用SiCl4-NH3系统系统2022-6-26142022-6-26152022-6-26162022-6-26172022-6-26182022-6-26192022-6-26202022-6-26212022-6-2622)g(2)S(C600)g(4H2SiSiH 2022-6-2623CVD 反应室Substrate连续膜 8) 副产物 去除 1) 反应物的质量传输副产物 2) 薄膜先驱 物反应 3) 气体分 子扩散 4) 先驱物 的吸附 5) 先驱物扩散 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2022-6-2624PECVD 反应室连续膜 8)

4、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2022-6-2625连续气流连续气流淀积膜淀积膜 硅衬底硅衬底边界层边界层反应物扩散反应物扩散2022-6-2626二氧化硅二氧化硅(SiO(SiO2 2) )薄膜的淀积薄膜的淀积氧化反应氧化反应多晶硅多晶硅(Poly-Si)(Poly-Si)薄膜的淀积薄膜的淀积热解反应热解反应氮化硅氮化硅(Si(Si3 3N N4 4) )薄膜的淀积薄膜的淀积氨化反应氨化反应三氧化二

5、铝三氧化二铝(Al(Al2 2O O3 3) )薄膜的淀积薄膜的淀积水解反应水解反应难熔金属薄膜的淀积难熔金属薄膜的淀积还原反应还原反应2022-6-26272022-6-2628=2 1深宽比深宽比 = 500 250 500 D250 W可以用可以用深宽比深宽比来描述一个小间隙（如槽或孔），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定义为间隙的深度和宽度的比值( (见下图见下图) )WD 宽宽度度深深度度深深宽宽比比当特征尺寸当特征尺寸 0.15m0.15m时，高深宽比在硅片制造中至关重要时，高深宽比在硅片制造中至关重要。在。在0.15m0.15m的器件设计中，

6、的器件设计中，DRAMDRAM存储器通孔的深宽比被存储器通孔的深宽比被设计成设计成7:17:1，逻辑电路设计成，逻辑电路设计成2.4:12.4:1。2022-6-2629高的深宽比间隙高的深宽比间隙Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering2022-6-26302022-6-26312022-6-2632(HDPCVD)2022-6-2633用用 PECVD 淀积的膜在间隙淀积的膜在间隙入口处产生夹断现象，导致入口处产生夹断现象，导致在间隙填充中的空洞在间隙填充中的空洞钥匙孔效应钥匙孔效应面包块效应面包块效应MetalSiO2在这

7、里开始分开在这里开始分开1) 离子诱导离子诱导薄膜初始产物的淀积薄膜初始产物的淀积2) 氩离子溅射氩离子溅射刻蚀掉间隙刻蚀掉间隙入口处多余的膜，在膜入口处多余的膜，在膜上导致斜面外形上导致斜面外形3) 再淀积再淀积被刻蚀的材料。被刻蚀的材料。重复该过程，最终形成重复该过程，最终形成上下一致的形貌上下一致的形貌Cap淀积刻蚀淀积淀积刻蚀淀积(HDPCVD)工艺工艺2022-6-2634b) 平坦化的平坦化的SiO2 c) 被淀积的下一层铝被淀积的下一层铝在在 SiO2上由钥匙孔引起的金属空洞上由钥匙孔引起的金属空洞a) 由由 PECVD淀积的淀积的SiO2 SiO2在层间介质中在层间介质中的钥匙

8、孔缺陷的钥匙孔缺陷铝铝CVD质量测量质量测量ILD 中钥匙孔的效果（金属台阶覆盖上）中钥匙孔的效果（金属台阶覆盖上）2022-6-2635高密度等离子体淀积腔高密度等离子体淀积腔在涡轮在涡轮泵出口泵出口放置硅放置硅片的片的高密度等离子体淀积高密度等离子体淀积2022-6-26362022-6-2637)(2)(2650580)(42ggCgHSiHSiH )(2)(650580)(2gSCgHSiSiH 2022-6-26384SiHLPpY 2022-6-26392022-6-26402022-6-2641 )g(2C450250)g(2)g(42SiOOSiH2H )g(2C600)g(2

9、)g(4O2SiOO2SiH2H2022-6-2642 222C 50024528H10 SiO 12O)HSi(OCCOO。2022-6-2643Liner oxidep Silicon substratep Epitaxial layern-wellp-wellTrench CVD oxideTEOS-O3Trench fill by chemical vapor depositionNitride-+APCVD TEOS-O3改善后的台阶覆盖改善后的台阶覆盖用用TEOS-OTEOS-O3 3淀积淀积SiOSiO2 2薄膜薄膜：可改善台阶覆盖轮廓，均匀性好：可改善台阶覆盖轮廓，均匀性好，具

10、有作为绝缘介质优异的电学特性。，具有作为绝缘介质优异的电学特性。2022-6-2644 )g()g(22C400C200)g()g(42NSiONO2SiH2H )g(2)g(2)S(2C400C200)g(2)g(4H2N2SiOON2SiH2022-6-2645OHCSiOHOCSiC2422730680452H24)( 2022-6-26462022-6-2647)(252450300)(2)(3H6254gCggOPOPH )(22450300)(2)(4H2gCggSiOOSiH)g(32C450300)g(2)g(626OB2O3HB22H 2022-6-26482022-6-26

11、49 24390070034124322HNSiNHSiHNHC 234375060042492332HNHNSiHNSiHHC2022-6-2650243C 80070032H NSi 4NH3SiH6HCl6Cl2 。243C 85070034H12 NSi 4NH3SiH 。HCl12 NSi 4NHCl3Si43C 85070034 。2022-6-26512yxC40020034HHSiNNHSiH)1( 2yxC40020024HHSiNNSiH)2( 2022-6-26522022-6-2653 HClCOOAlHCOAlClC633232850223 HCl6OAlOHAlCl

12、232C400)g(2)g(32022-6-26542022-6-26552022-6-26562022-6-2657Ti2 准直钛淀积覆 盖通孔底部间隙填充介质铝通孔PECVD SiO21. 层间介质通孔刻蚀CVD TiN 等角淀积TiN4. CVD 钨淀积钨通孔薄膜5. 钨平坦化钨填充薄膜具有具有 Ti/TiN 阻挡层金属的垫膜钨阻挡层金属的垫膜钨 CVD2022-6-2658 2)g(4)s(C300)s(4)g(6H6SiF3W2SiH3WF )()(450)(2)(663gsCggHFWHWF2022-6-2659 4)(300)()(63232SiFWSiWFsCsg )()(45

13、0)(2)(663gsCggHFWHWF2022-6-2660 HFMoHMoF63C 40026。 HClMoHMoClC10252700600252022-6-26612022-6-26622022-6-2663 )(2)()(400300)(4)(6622ggsxCsgHHFWSiSiHWF )()()(4)(2600570)(22)(62123472gggsCsgHClHFSiClWSiClSiHWF2022-6-2664 )(2)()(600)(3)(424626ggsCggNHClTiNNHTiCl )(2)(23)(400)(3)(423)(2468)(6ggsCggNCHHNT

14、iNNHCHNTi2022-6-2665662022-6-26672022-6-2668其他薄膜生长新技术其他薄膜生长新技术 2022-6-26693.4 3.4 薄膜的物理气相淀薄膜的物理气相淀 ( PVD) （Physical Vapor Deposition) 2022-6-26702022-6-26712022-6-26721、2、2022-6-26732022-6-26742022-6-2675机械泵高真空阀高真空泵工艺腔(钟罩)坩锅蒸发金属载片盘简单的蒸发装简单的蒸发装置置用电子束加热放置在坩用电子束加热放置在坩锅中的金属，高真空环锅中的金属，高真空环境使蒸汽分子的自由程境使蒸汽分

15、子的自由程增加，并在腔里以直线增加，并在腔里以直线形式运动，直到撞击衬形式运动，直到撞击衬底表面凝结形成薄膜。底表面凝结形成薄膜。2022-6-26762022-6-26772022-6-26782022-6-2679PVD 多腔集成设备多腔集成设备2022-6-26802022-6-2681(2022-6-2682尾气尾气e-e-e-DC 直流二极管直流二极管溅射装置溅射装置衬底衬底 1) 电场产生电场产生 Ar+离子离子 2) 高能高能Ar+和金属靶撞和金属靶撞击，其动能转给靶击，其动能转给靶 3) 将金属原子将金属原子 从靶中撞击从靶中撞击阳极阳极(+)阴极阴极 (-)氩原子氩原子电场电

16、场金属靶金属靶等离子体等离子体 5) 金属淀积在衬底上金属淀积在衬底上 6) 用真空泵将多余用真空泵将多余 物质从腔中抽走物质从腔中抽走4) 金属原子向衬底迁移金属原子向衬底迁移.进气进气1.直流溅射：直流溅射：简单平行金属板直流二极管溅射系统简单平行金属板直流二极管溅射系统氩气被离氩气被离化形成等化形成等离子体离子体通过辉光放电区时，通过辉光放电区时， Ar+被加速并获得动能。被加速并获得动能。被撞出的这些原被撞出的这些原子穿过等离子体子穿过等离子体抵达硅片表面。抵达硅片表面。2022-6-2683卢瑟福背散射入射电子与靶入射电子与靶的核外电子碰的核外电子碰撞撞, ,使靶表面的使靶表面的核外

17、电子被激核外电子被激发出来的电子发出来的电子2022-6-2684溅射过程中从靶的表面撞出金属原子溅射过程中从靶的表面撞出金属原子+0高能高能 Ar+ 离子离子被溅射的被溅射的金属原子金属原子金属原子金属原子阴极阴极(-)弹回的氩离子和自由电弹回的氩离子和自由电子复合形成中性原子子复合形成中性原子被溅射的被溅射的金属原子金属原子直流溅射系统缺点：直流溅射系统缺点：只能溅射金属，不能溅射介质，只能溅射金属，不能溅射介质，因为电极被因为电极被介质覆盖，辉光放电不能够维持。介质覆盖，辉光放电不能够维持。同样也不能用于溅射刻蚀同样也不能用于溅射刻蚀。2022-6-2685阳极阳极(+)阴极阴极 (-)

18、电场金属靶等离子体辉光产生的光子被溅射的原子Substrate高能原子中子包含杂质的阴离子轰击靶产生的X-射线阴离子e-淀积在淀积在衬底上衬底上的不同的不同核素核素 除了被溅射的原子被轰击外，还有其它核素淀积在衬底上；除了被溅射的原子被轰击外，还有其它核素淀积在衬底上； 这些核素给衬底加热这些核素给衬底加热( (使温度达到使温度达到350)350)，引起薄膜淀积不均匀。，引起薄膜淀积不均匀。 在铝淀积过程中，高温也可能产生不需要的铝氧化，这会妨碍溅在铝淀积过程中，高温也可能产生不需要的铝氧化，这会妨碍溅射过程。射过程。 如果这些核素如果这些核素( (杂质原子杂质原子) )掺杂进正在衬底上生长的

19、薄膜，这将引掺杂进正在衬底上生长的薄膜，这将引起薄膜的质量问题。起薄膜的质量问题。2022-6-2686DC 电源被加热的硅片吸盘磁铁氩气入口真空泵 靶 阴极2. 磁控溅射系统磁控溅射系统在靶周围和后面加在靶周围和后面加磁体以俘获并限制磁体以俘获并限制靶前面的电子，以靶前面的电子，以增加了离子在靶上增加了离子在靶上的轰击率，产生更的轰击率，产生更多的二次电子。从多的二次电子。从而增加等离子体中而增加等离子体中电离的速率，使更电离的速率，使更多的离子引起对靶多的离子引起对靶更多的溅射，增加更多的溅射，增加系统的淀积速率。系统的淀积速率。 溅射需要溅射需要 (大约从大约从3KW20KW)的能量供应

20、给氩等离子体，以便取得的能量供应给氩等离子体，以便取得最大的溅射速率。由于靶吸收了大部分能量，因此最大的溅射速率。由于靶吸收了大部分能量，因此靶必须加强冷却靶必须加强冷却； 淀积大面积硅片时均匀性较差淀积大面积硅片时均匀性较差。为了取得高溅射速率和膜的均匀性，。为了取得高溅射速率和膜的均匀性，需要发展能够旋转、采用稀土和高强度永磁体的新阴极。需要发展能够旋转、采用稀土和高强度永磁体的新阴极。2022-6-26872022-6-26882022-6-26892022-6-2690溅射薄膜覆盖通孔的剖面图Ar靶准直器准直溅射系统准直溅射系统用准直器（等离子体的阴极）使任何用准直器（等离子体的阴极）使任何从靶上被溅射出的高角度中性核素被从靶上被溅射出的高角度中性核素被中断，并淀积在准直器上。从靶上直中断，并淀积在准直器上。从靶上直线喷射的其他原子将通过准直器淀积线喷射的其他原子将通过准直器淀积在接触孔的底部