工艺技术薄膜工艺－淀积

工艺技术薄膜工艺－淀积第1页/共44页芯片中的金属层Photo11.1

第2页/共44页薄膜特性好的台阶覆盖能力填充高的深宽比间隙的能力好的厚度均匀性高纯度和高密度受控制的化学剂量低的膜应力好的电学特性对衬底材料或下层膜好的黏附性第3页/共44页膜对台阶的覆盖

如果淀积的膜在台阶上过渡的变薄，就容易导致高的膜应力、电短路。应力还可能导致衬底发生凸起或凹陷的变形。共形台阶覆盖非共形台阶覆盖均匀厚度第4页/共44页—制造业—第5页/共44页高的深宽比间隙

可以用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。深宽比

=

深度

宽度=21深宽比

=500Å250Å500ÅD250ÅW第6页/共44页高的深宽比间隙PhotographcourtesyofIntegratedCircuitEngineering第7页/共44页制备薄膜的方法之一：

化学汽相淀积（CVD）

(ChemicalVaporDeposition)

通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。产生化学变化反应物必须以气相的形式参加反应膜中所有材料物质都来源于外部的源第8页/共44页CVD传输和反应步骤第9页/共44页

CVD的反应速度取决于质量传输和表面反应两个因素。第10页/共44页质量传输限制

CVD反应的速率不能超过反应气体从主气体流传输到硅片表面的速率。

在质量传输阶段淀积工艺对温度不敏感，这意味着无论温度如何，传输到硅片表面加速反应的反应气体的量都不足。在此情况下，CVD工艺通常是受质量传输所限制的。第11页/共44页速度限制在更低的反应温度和压力下，反应物到达硅片表面的速度将超过表面化学反应的速度。在更低的反应温度和压力下，由于只有更少的能量来驱动表面反应，表面反应速度会降低。最终反应物达到硅片表面的速度将超过表面化学反应的速度。在这种情况下。淀积速度是受化学反应速度限制的，此时称速度限制。

第12页/共44页常压化学汽相淀积(APCVD)

质量传输限制，相对简单低压化学汽相淀积(LPCVD)

反应速度限制，更好的膜性能等离子增强化学汽相淀积(PECVD)等离子体辅助CVD等离子体增强CVD（PECVD）高密度等离子体CVD（HDPCVD）CVD的种类第13页/共44页各种类型CVD反应器及其主要特点Table11.2第14页/共44页连续加工的APCVD

反应炉硅片膜反应气体2反应气体1惰性分隔气体(a)气体注入类型N2反应气体加热器N2N2N2N2N2硅片(b)通气类型第15页/共44页LPCVD

为了获得低压，必须在中等真空度下（约0.1～5托），反应温度一般在300～900℃。

LPCVD的反应室通常是反应速度限制的。在这种低压条件下，反应气体的质量传输不再限制反应的速度。与APCVD相比，LPCVD系统有更低的成本、更高的产量及更好的膜性能。

第16页/共44页LPCVD三温区加热部件钉式热电偶(外部，控制)压力表抽气至真空泵气体入口热电偶(内部)第17页/共44页LPCVD淀积氧化硅压力控制器三温区加热器加热器TEOSN2O2真空泵气流控制器LPCVD炉温度控制器计算机终端工作接口炉温控制器尾气中等真空度下（约0.1～5托）反应温度一般在650-750℃载气载气气态源液态源固态源前驱物气体前驱物/源挥发第18页/共44页等离子体

等离子体是一种高能量、离子化的气体。当从中性原子中去除一个价电子时，形成正离子和自由电子。在一个有限的工艺腔内，利用强直流或交流磁场或用某些电子源轰击气体原子都会导致气体原子的离子化。

等离子体辅助CVD第19页/共44页

离子的形成F+9离子是质子（＋）与电子（－）数不等地原子电子从主原子中分离出来.少一个电子的氟原子到原子失去一个电子时产生一个正离子F+9具有质子（＋9）和电子（－9）数目相等地中性粒子是原子氟原子总共有7个价电子价层环最多能有8个电子价层电子（－）内层电子（－）在原子核中的质子（未显示电子）第20页/共44页CVD过程中使用等离子体的好处1. 更低的工艺温度(250–450℃)；2. 对高的深宽比间隙有好的填充能力(用高密度等离子体)；3. 淀积的膜对硅片有优良的黏附能力；4. 高的淀积速率；5. 少的针孔和空洞，因为有高的膜密度；6. 工艺温度低，因而应用范围广。

第21页/共44页在等离子体辅助CVD中膜的形成PECVD反应室连续膜8) 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场第22页/共44页PECVDProcessgasesGasflowcontrollerPressurecontrollerRoughingpumpTurbopumpGaspanelRFgeneratorMatchingnetworkMicrocontrolleroperatorInterfaceExhaustGasdispersionscreenElectrodes第23页/共44页化学气相淀积的设备第24页/共44页ChemicalVaporDeposition(CVD)TungstenOutputCassetteInputCassetteWaferHanderWafersWater-cooledShowerheadsMultistationSequentialDepositionChamberResistivelyHeatedPedestal第25页/共44页高密度等离子体淀积腔Photo11.4

第26页/共44页CVD单晶硅

(外延)：最初的外延生长技术是指：利用化学气相淀积的方法在单晶衬底上生长一薄层单晶硅的技术。

P-siliconepilayerP+siliconsubstrate用CVD淀积不同的材料薄膜第27页/共44页硅片上外延生长硅SiSiClClHHSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiClHClH化学反应副产物淀积的硅外延层多晶硅衬底第28页/共44页外延的主要优点可根据需要方便地控制薄层单晶的电阻率、电导类型、厚度及杂质分布等参数，增加了工艺设计和器件制造的灵活性。

第29页/共44页第30页/共44页第31页/共44页硅气相外延炉排气排气排气RF加热RF加热气体入口气体入口卧式反应炉桶式反应炉立式反应炉第32页/共44页CVD二氧化硅：

可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜等。低温CVD氧化层：低于500℃中等温度淀积：500～800℃高温淀积：900℃左右薄膜掺杂PSG、BSG、BPSG、FSG第33页/共44页TEOSSource第34页/共44页多晶硅的化学汽相淀积：利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一。氮化硅的化学汽相淀积：中等温度(780～820℃)的LPCVD或低温(300℃)PECVD方法淀积。金属的淀积第35页/共44页ChemicalVaporDeposition(CVD)TungstenChemicalReactionsWF6+3H2

W+6HFProcessConditionsFlowRate:100to300sccmPressure:100mTorrTemperature:400degreesC.第36页/共44页小结薄膜特性要求CVD反应步骤和原理CVD分类APCVD、LPCVD、PECVDCVD淀积不同材料si、sio2、多晶硅、氮化硅、金属第37页/共44页CMOSn/p-wellFormationGrowThinOxideDepositNitrideDepositResistsiliconsubstrateUVExposureDevelopResistEtchNitriden-wellImplantRemoveResist第38页/共44页siliconsubstratep-welln-wellGrowGateOxideCMOSTransistorFabricationDepositPolySiPolySiImplantpolySipolySiDepositResistUVExposureDevelopResistEtchPolySiRemoveResistFox第39页/共44页siliconsubstratep-welln-wellCMOSContacts&InterconnectsDepositBPTEOSBPTEOSBPSGReflowPlanarizationEtchbackDepositResistUVExposureDevelopResistContactEtchbackRemoveResistFoxpolySipolySin+n+p+p+第40页/共44页siliconsubstratep-welln-wellCMOSContacts&InterconnectsDepostMetal1Metal1DepositResistUVExposureDevelopResistEtchMetal1RemoveResistFoxpolySipolySip+p+n+n+BPTEOS第41页/共44页siliconsubstratep-welln-wellCMOSContacts&InterconnectsDepositIMD1IMD1DepositSOGSOGPlanarizationEtchbackDepositResistUVExposureDevelopResistViaEtchRemoveResistFoxpolySipolySip+p+Metal1n+n+BPTEOS第42页/共44页silic