集成电路制造技术-原理与工艺（第3版）课件 第6-12章 CVD-封装与测试

集成电路制造技术集成电路制造技术JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理与工艺薄膜制备JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU化学气相淀积化学气相淀积第六章JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU6.1CVD概述6.2CVD工艺原理6.3CVD工艺方法6.4二氧化硅薄膜的淀积6.5氮化硅薄膜淀积6.6多晶硅薄膜的淀积6.7CVD金属及金属化合物薄膜目录CONTENTS一、CVD概述化学气相淀积(ChemicalVaporDeposition,CVD)是把构成薄膜物质的气态反应剂或液态反应剂的蒸气以合理的流速引入反应室，在衬底表面发生化学反应，淀积成膜的工艺方法。淀积薄膜是非晶或多晶态，衬底不要求是单晶，只要是具有一定平整度，能经受淀积温度即可。衬底薄膜一、CVD概述可以按照工艺特点、工艺温度、反应室压力、反应室壁温和化学反应的激活方式等分类，通常按照工艺特点分类，有：常压化学气相淀积(APCVD)低压化学气相淀积(LPCVD)等离子增强化学气相淀积(PECVD)金属有机物化学气相淀积(MOCVD)激光诱导化学气相淀积(LCVD)微波等离子体化学气相淀积(MWCVD)

CVD分类按气压分类热激活按反应激活方式分类低压化学气相淀积(LPCVD)等离子增强化学气相淀积(PECVD)一、CVD概述用途与特点CVD工艺主要用于制备SiO2、Si3N4等介质薄膜，ploy-Si等半导体薄膜，另外，也用于制备金属化系统中常用的钨、金属硅化物等薄膜。CVD工艺制备的薄膜具有较好地性质，如附着性好，保形覆盖能力较高。不同的CVD方法制备的薄膜，性质不同、用途也不同：低温工艺制备的薄膜质地较疏松、密度低，抗腐蚀性较差，如低温SixNy用作保护膜；中温工艺薄膜密度高，抗腐蚀性好。如中温Si3N4用作腐蚀掩膜。CMOS电路PECVDLPCVD二、CVD工艺原理2.1薄膜淀积过程SiH4（H2）→Poly-Si+2H2混合气体进入，气流是粘滞流，主气流区是层流，在硅片表面形成“边界层”；1硅烷扩散穿过边界层到达衬底表面；2在硅片表面硅烷及其分解的气态含硅原子团被吸附在硅片的表面，成为吸附分子；3发生表面反应、生成的硅原子在硅片上聚集、连接成片、成膜；4H2从衬底表面解吸，被排出反应器。5二、CVD工艺原理2.1薄膜淀积过程

CVD与VPE相似，也可分为气相质量输运和表面化学反应两过程。气相质量输运过程：立式反应器淀积工艺没有外延工艺要求严；淀积设备及其反应室形状种类更多，气流压力、流速范围更宽。在某些情况下反应室的气流可能出现紊流区。气相质量输运以扩散方式实现。二、CVD工艺原理2.1薄膜淀积过程表面化学反应过程：CVD工艺衬底温度较外延工艺低、淀积速率快，而且衬底表面可以不是单晶；表面反应生成的薄膜原子在衬底上聚集——成核，再连接成片、被覆盖——成膜，没有外延的规则排列过程或排列不完全，所以，淀积薄膜是非晶或多晶态。另外，CVD为了在较低温度下，激活并维持化学反应，而发展出的PECVD、LCVD、MWCVD等，分别是将电能、光能、微波能转化为化学能，这使得表面化学反应过程变得更加复杂。二、CVD工艺原理2.2薄膜淀积速率及影响因素1.生长动力学薄膜

衬底主气流区CgCsJgJsGrove模型边界层δ从Grove模型出发，用动力学方法分析化学气相淀积，推导出薄膜生长速率的表达式：气相扩散流密度Jg为：1hg=Dg/δ--气相质量输运系数二、CVD工艺原理表面反应流密度Js为：2一表面化学反应系数稳态时，两步骤的流密度应相等，则有：Jg=Js=J（分子数/min）可得：设源的摩尔百分比为：主气流区单位体积气体分子总数薄膜淀积速率：

NSi=5×1022cm-3

二、CVD工艺原理2.两种极限情况

Y一定时，G

由hg和ks中较小者决定如果hg>>ks1

称表面反应控制过程，对温度非常敏感如果hg<<ks2

称气体质量输递控制，对温度不那么敏感温度较高时，对温度不太敏感，随着温度的上升，淀积速率变化不大。二、CVD工艺原理3.温度对淀积速率的影响SiCl4+2H2→ploy-Si+4HCl较低温时：淀积速率与温度是指数关系：ks<<hg，淀积速率受表面化学反应控制；ks>>hg，淀积速率受气相质量输运控制。二、CVD工艺原理4.反应剂流量对淀积速率的影响CVD多晶硅淀积速率与硅烷气体流速关系反应剂流量增加淀积速率加快；

反应剂流量低时，基于Grove模型推导的薄膜淀积速率公式与实验结果相吻合。二、CVD工艺原理Grove模型的指导作用和局限薄膜淀积速率是质量输运控制的，对膜厚及其均匀性影响最大的是反应剂浓度，应确保气流速率及分布均匀；对温度控制要求不高。薄膜淀积速率是表面化学反应控制的，对膜厚及其均匀性影响最大的是温度，应温度波动小且分布应均匀；对气流控制要求不高。在反应剂浓度较低时Grove模型和实测结果吻合得较好，浓度较高则不然。主要原因：忽略了气态副产物从衬底解吸、扩散出边界层的影响；忽略了反应器室内温度梯度对气相物质输运的影响。二、CVD工艺原理2.3薄膜质量控制薄膜质量，主要是指薄膜是否为保形覆盖，界面应力类型与大小，薄膜的致密性、厚度均匀性、附着性等几方面特性。当然，对具体薄膜，用途不同、制备方法不同，对其质量控制的侧重点也有所不同。通过分析薄膜的质量特性，对淀积过程进行控制，从而制备出满足微电子工艺所需的薄膜。二、CVD工艺原理1.台阶覆盖特性

保形覆盖：指无论衬底表面有什么样的微结构图形，在上面淀积的薄膜都有相同的厚度。整个衬底温度相同，衬底表面上任何一点所淀积的薄膜厚度取决于到达该点的反应剂数量

到达角（arrivalangle）：反应剂能够从各方向到达表面某一点的全部方向角。

遮蔽（Shadowing）效应：指衬底表面上的图形对反应剂气体分子直线运动的阻挡作用。θ二、CVD工艺原理气体分子到达衬底表面特殊的位置的机制可以有三种：扩散、再发射和表面迁移影响台阶覆盖因素很多：薄膜种类、淀积方法、反应剂系统和工艺条件（T、P、v）对具体薄膜的淀积应找出影响台阶覆盖的主要因素，综合考虑，从而进行工艺控制。2.影响台阶覆盖因素二、CVD工艺原理3.薄膜内应力应力导致薄膜衬底弯曲本征应力是薄膜淀积时，其分子缺乏足够的动能或足够的时间迁移到合适的结点位置，就被“冻结”而产生的；非本征应力是由薄膜结构之外的因素引起的，如热应力、外力等。通过工艺控制能够降低薄膜中的应力，如降低薄膜淀积工艺温度、改变工艺方法等，甚至能将薄膜内拉应力转化为压应力。二、CVD工艺原理4.薄膜的其它质量特性

致密性，主要由淀积工艺温度决定。温度越高薄膜越致密。因为温度高有助于薄膜分子在衬底表面的迁移、排列，气态副产物的解析、离开，但是，温度过高，当超出工艺温度范围时，难以成膜。

厚度均匀性，主要是由薄膜淀积速率的均匀性决定。因此，衬底温度、气流成分与分布应均匀，气体流动状态应稳定。

附着性，温度越高，附着性越好。CVD工艺薄膜与衬底多为化学吸附，甚至形成化学键，所以与衬底结合牢固。三、CVD工艺方法3.1常压化学汽相淀积常压化学气相淀积（atmosphericpressureCVD,APCVD）是最早出现的CVD，目前在淀积较厚的介质薄膜，如二氧化硅薄膜时，仍被采用。SiH4+2O2→SiO2+2H2O240-450℃连续供片APCVD设备示意图特点：设备结构简单，淀积速率较快。但易发生气相反应、产生微粒污染，台阶覆盖性和均匀性比较差。三、CVD工艺方法APCVD设备三、CVD工艺方法APCVD工艺控制将工艺温度控制在气相质量输运限制区，薄膜淀积速率对反应剂浓度敏感，而对衬底温度波动不敏感。在工艺过程中要精确控制反应剂成分、剂量及分布的均匀性。衬底温度远高于气流温度，气流的变化会引起衬底温度略有起伏，但对淀积速率影响不大。一种新型APCVD的进气喷嘴三、CVD工艺方法3.2低压化学气相淀积低压化学气相淀积（LowPressureCVD）与APCVD相比增加了真空系统，气压在1-10-2Torr之间调节，是淀积多晶硅、氮化硅、二氧化硅、PSG、BPSG、W的常用方法。可竖立密集摆放衬底，采用电阻器加热，生产效率高，经济。但是工艺温度较高，也会有颗粒污染，有气缺现象。气缺效应：指一端进气，沿气流方向反应剂不断消耗，淀积膜厚不均现象。三、CVD工艺方法LPCVD工艺控制主要是工艺温度，气体总压，各反应剂分压，气流速度及分布均匀性。另外，工艺卫生也很重要，如淀积之前应清理反应室颗粒物。LPCVD通常将温度控制在表面化学反应控制区，薄膜淀积速率对温度波动非常敏感，而对反应剂浓度及分布均匀性不太敏感。采取热壁式电阻加热器，易于控制温度，控温精度多在±0.5℃，能满足LPCVD对温度的精确控制。气缺效应可通过沿气流方向逐步提高加热器温度，加快反应速度，从而提高淀积速率来消除。新式LPCVD设备通过合理设计分布式气体入口方法来解决。三、CVD工艺方法3.3等离子体的产生1.直流气体辉光放电直流气体辉光放电装置玻璃管三、CVD工艺方法2.等离子体及其特点等离子体（Plasma）：具有一定导电能力的气态混合物，它是由离子、电子、光子，以及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成。宏观上呈现电中性。等离子体是物质的一种非热平衡存在形态。其中，电子能量远高于周围环境中的其它粒子，也称其为热电子。高速运动的热电子与其它粒子的碰撞是维持气体放电的主要微观机制：分子裂解：e*+AB↔A+B+e分子或原子电离：

e*+AB(A、B)↔AB+(A+、B+)+e+e分子或原子激发：

e*+AB(A、B)↔AB*(A*、B*)+e激发态粒子的发光：、

A*(B*、AB*)→A(B、AB)+hv三、CVD工艺方法等离子鞘层等离子体中电子能量远高于离子能量，所以电子的平均运动速度比离子快得多。处于等离子体中包括电极在内的任何物体的电位都低于周围的等离子体。即浸没于等离子中的物体相对于等离子体而言是负电位，这种现象被称为等离子鞘层。直流辉光放电的电位分布和等离子鞘层等离子鞘层现象在应用等离子体技术的加工工艺中有着非常重要的作用。三、CVD工艺方法直流辉光放电等离子体特点直流气体辉光放电构成的等离子体，能量密度较低，放电电压却较高，自持放电需要有二次电子发射来维持。PECVD等工艺中应用的等离子体，都是选在反常辉光放电区：

直流气体辉光放电是以电容方式激发气体，所以，电极必须是导电材料。三、CVD工艺方法3.射频气体辉光放电在一定真空度下，向两电极加载交变电场，频率在5~30MHz之间，通常采用13.56MHz，会产生稳定的射频气体辉光放电。高频电场在较低电压下就可维持放电，二次电子发射不再是气体击穿必要条件。电极表面即可以是导体，也可是绝缘体。射频气体辉光放电AL=AR，VL=VR当AL≠AR时，有：三、CVD工艺方法4.高密度等离子体的产生高密度等离子体（highdensityPlasma,HDP），是在简单等离子体发生器上增设电/磁场装置，用横向电/磁场来延长电子在等离子体中的行程，使电子与其它粒子的碰撞更加频繁，从而增加离子和活性基团的浓度。主要技术有：电感耦合、磁控，以及电子回旋共振（ECR）HDP等。射频气体辉光放电HDP系统工作气压低，电场也较低。3.4等离子增强化学气相淀积等离子增强化学气相淀积（PlasmaenhancedCVD）是采用等离子体技术把电能耦合到气体中，激活并维持化学反应进行薄膜淀积的一种工艺方法。用SiH4PECVD多晶硅，SiH4等离子化过程：典型PECVD反应器内示意图裂解：电离：

e*+SiH4→SiH4++e+e，E≈12eVe*+SiH3→SiH3++e+e……三、CVD工艺方法设备与工艺控制工艺温度较低，淀积速率是表面反应控制，影响淀积速率与质量的因素除了温度之外，还有反应器结构，射频功率强度和频率，反应剂与稀释剂气体剂量，抽气速率。沈阳科仪的PECVD设备三、CVD工艺方法薄膜均匀性较好，台阶覆盖特性和粘附性都好于APCVD和LPCVD。薄膜较疏松，密度较低，含较高浓度的氢，有时还含水、氮，成分不是理想的化学配比，如制备的氧化膜不是严格的SiO2，氮化硅也不是严格的Si3N4。PECVD是当前制备SiO2，Si3N4采用较多的CVD方法，所制备得薄膜适合作为集成电路或分立器件芯片的钝化膜和保护膜。特点与用途三、CVD工艺方法3.5淀积工艺方法的进展一方面是常规技术的进步，这主要表现在工艺设备的发展完善上；另一方面是新工艺方法的应用。主要有：高密度等离子体化学气相淀积（HDPCVD）热丝化学气相淀积（(HotWireCVD,HWCVD)金属有机物化学气相淀积（MOCVD）激光诱导化学气相淀积（laserCVD，LCVD）三、CVD工艺方法HDPCVD的主要特点是淀积薄膜的台阶覆盖特性好，在300~400℃，就能在有高深宽比的微结构衬底上淀积有较好台阶覆盖效果的薄膜。主要用于集成电路浅槽隔离工艺的介质薄膜淀积，以及多层金属化系统中的层间介质薄膜和低k介质薄膜的淀积。高密度等离子体化学气相淀积电子回旋共振PECVD设备示意图三、CVD工艺方法四、二氧化硅薄膜的淀积4.1CVD-SiO2特性与用途1.分类按掺杂划分：本征SiO2（USG）、PSG、BPSG薄膜；按温度划分：底温工艺（200~500℃）和中温工艺（500~750℃）；12按淀积方法划分：APCVD-SiO2、LPCVD-SiO2、PECVD-SiO2

；3按硅源划分：SiH4/O2或N2O、TEOS(正硅酸乙酯Si(C2H5O)3）/O2或O3

、SiH2Cl2/N2O。4四、二氧化硅薄膜的淀积4.1CVD-SiO2特性与用途2.特点、用途及要求热氧化SiO2折射率n=1.46，当n>1.46，薄膜富硅，n<1.46，为低密度多孔薄膜；TEOS为硅源淀积的SiO2台阶覆盖性好于以硅烷为硅源的反应剂系统。作为多层布线中金属层之间的绝缘层，应有较好的台阶覆盖性，具备较高介质击穿电压；作为防止杂质外扩的覆盖层、掩膜以及钝化层：针孔密度低，薄膜致密。SiO2薄膜用途不同要求不同：与热氧化SiO2的理化性质相比略有差异，随着工艺温度降低，密度下降，耐腐蚀性下降，成分偏离化学配比。还有些性质与CVD方法、源系统等有关：四、二氧化硅薄膜的淀积4.1CVD-SiO2特性与用途3.PSG、BPSG薄膜SiO2中掺P或B后软化温度下降，通过退火回流，可降低硅片表面台阶，实现平整化。掺杂剂：PH3、B2H4、TMB、TMP。PSG薄膜应力小，台阶覆盖性较好，P一般控制在6~8wt%；BPSG是三元氧化膜体系，软化温度低于PSG，回流温度在850℃，B控制在5wt%以下。PSG经过20min1100℃的退火后形貌的SEM照片四、二氧化硅薄膜的淀积4.2APCVD-SiO21.SiH4/O2为源工艺：通常淀积USG，温度450~500℃，用N2稀释SH4与过量O2的混合气体：

SH4(g)+O2(g)→SiO2(s)+2H2(g)特点：工艺成熟，孔隙填充和台阶覆盖特性差12用途：作为多层金属铝布线中铝层之间的绝缘层（记为ILD）3也可加入PH3来淀积PSG。淀积速率在0.2~0.5μm／min。四、二氧化硅薄膜的淀积4.2APCVD-SiO22.TEOS/O3为源工艺：温度为400℃，TEOS为液态，沸点：168.1℃，用源瓶载气携带，温控流量；O31-2%。加入PH3、B2H4来淀积PSG、BPSG。特点：在SiO2薄膜中会含有水汽，针孔密度较高，通常需要高温退火去除潮气，提高薄膜致密度；良好的台阶覆盖性，填充孔隙能力较强。12用途：多用于淀积多层布线金属层之间的绝缘层。实际工艺常将SiH4/O2和TEOS/O3两种系统连用，也可APCVD和其它方法结合起来使用。3Si(C2H5O)4(l)+8O3(g)→SiO2(s)+10H2O(g)+8CO2(g)四、二氧化硅薄膜的淀积4.2APCVD-SiO21.TEOS或TEOS/O2为源工艺：制备USG、PSG、BPSG，温度:680-750℃：特点：工艺成熟，孔隙填充和台阶覆盖特性差12用途：作为多层金属铝布线中铝层之间的绝缘层（记为ILD）3Si(OC2H5)4SiO2+4C2H4+2H2OSi(C2H5O)4+12O2→SiO2+8CO2+10H2O4PH3+5O2→2P2O5+6H22B2H6+3O2→2B2O3+6H2四、二氧化硅薄膜的淀积4.2APCVD-SiO22.SiH2Cl2/N2O为源工艺：淀积USG和PSG、BPGS，温度约900℃。特点：是高温工艺，薄膜的均匀性和台阶覆盖能力都好，HF的腐蚀速率、密度，以及电学性质和光学性质也都与热生长的氧化层接近。含有氯。12用途：作为掩蔽膜3SiH2Cl2+2N2O→SiO2+HCl+2N2四、二氧化硅薄膜的淀积4.3PECVD-SiO2源：SiH4/N2O、O2工艺：200~400℃，10~100Pa12特点：薄膜含H、N，与LPCVD、APCVD相比薄膜应力小、不易开裂、保形性好，离子对衬底有轰击3SH4+2N2O→SiO2+2N2+2H2用途：可作为保护膜、钝化膜

4这是各因素对用SiH4-N2O制备的PECVD-SiO2薄膜特性的影响另外，可用TEOS源淀积，记为PETEOS，通常是HDPCVD。五、氮化硅薄膜淀积5.1氮化硅薄膜性质与用途氮化硅薄膜与二氧化硅薄膜比较：抗钠能力强，硬度大，针孔少，更致密，化学稳定性好，作为钝化膜、保护膜有优势；掩蔽能力强，SiO2对B、P、As、Sb有掩蔽作用，Si3N4还可以掩蔽Ga、In、ZnO。能作为多种杂质的掩蔽膜。介电常数ε大、导热性好，εSiO2=4.2，εSi3N4=6-9，作为电容的介质层；与硅失配率大，与Si3N4接触的Si界面缺陷大，成为载流子陷阱，或者复合中心，影响硅的载流子迁移率。五、氮化硅薄膜淀积5.1氮化硅薄膜性质与用途SiSiO2光刻胶自停止层SiSi3N4选择性氧化的掩膜SixNy保护膜分类：LPCVD-Si3N4和PECVD-SixNyLPCVD-Si3N4薄膜密度大，硬度高，耐腐蚀性强，又被称为硬（质）氮化硅，PECVD-SixNy工艺温度低，薄膜通常含有相当数量的H，密度、硬度、耐腐蚀性都不如LPCVD-Si3N4，又被称为软（质）氮化硅。符合化学计量比、致密度高的Si3N4薄膜的折射率n=2.0;当薄膜的折射率n>2.0时，且n值越大，表明该薄膜中硅含量越高，薄膜富硅；若n<2时，则表明致密度低，薄膜中存在氧，随着氧含量的增加折射率降低。五、氮化硅薄膜淀积5.2LPCVD-Si3N4反应剂：SiCl2H2/NH3，SiH4/NH3或N2：工艺：温度在700-850ºC；压力：0.1-1Torr，硅烷应稀释，NH3要充足。12速率影响因素：工艺温度、总气压，各气体分压及比例等。3温度梯度对LPCVD薄膜厚度的影响SiH2Cl2+NH3→Si3N4+HCl+H2SiH4+4NH3(或N2)→Si3N4+6H2五、氮化硅薄膜淀积LPCVD-Si3N4的淀积速率与浓度、温度的关系

特点：台阶覆盖性较好，也有粒子污染。薄膜的内应力大，超过200nm的厚时可发生龟裂，耐HF、KOH等腐蚀。

用途：主要是作为掩膜五、氮化硅薄膜淀积5.3PECVD-Si3N4反应剂：SiH4/NH3、N2

，工艺：温度在200-400ºC；压力：10-100Pa，以N2为反应剂应比NH3要更充足。12特点：薄膜氢含量高；用N2代替NH3含氢明显下降，淀积速率也降低。3NH3含量对PECVD-Si3N4的影响SiH2Cl2+NH3→SixNyHz+HCl+H2SiH4+N2→SixNyHz+H2五、氮化硅薄膜淀积PECVD-Si3N4工艺温度对腐蚀速率等的影响

用途：作为芯片的保护膜和钝化膜，但有些场合低温淀积薄膜质量的下降，也限制了它的应用。近年来，高密度等离子体技术被应用到Si3N4淀积中，如电子回旋共振技术。可以在低于200℃制备SixNy。五、氮化硅薄膜淀积5.4PECVD-SiON工艺：温度在200-500ºC；SiH4、N2O、NH3混合气体制作SiON层间绝缘层，以N2为反应剂应比NH3要更充足。12发展：随着CMOS工艺技术发展，其他的物理或化学沉积方式，如原子层沉积、等离子体氮化、低能离子注入技术等也被采用到SiON薄膜制作中。34氮氧硅化合物（SiON）薄膜：具有优良的光电性能、力学性能和化学稳定性，且具有高的击穿电场和强的抗辐射能力；对PMOS多晶硅中硼元素有较好的阻挡作用。六、多晶硅薄膜的淀积6.1多晶硅薄膜的性质与用途多晶硅薄膜是由无数微小晶粒组成的薄膜，晶粒大小与制备工艺有关，在晶粒与晶粒之间是晶界。晶界原子排列无序，含大量悬挂键及高密度缺陷。杂质扩散系数大----晶界>>晶粒内部杂质在晶粒内与晶界处分凝----分凝系数小于1，且随温度而变化，高温时晶粒内杂质在低温时运动到晶界处，而高温时又返回晶粒内。多晶硅的结构特点造成它有一些与单晶不同的特性：六、多晶硅薄膜的淀积多晶硅的电学特性晶粒内的电学行为和单晶硅的电学行为相似；掺杂浓度相同时，低掺杂浓度多晶比单晶电阻率高得多，随着掺杂浓度增高，两者逐渐接近；电阻率与晶粒尺寸有关，晶粒尺寸大电阻率低，晶粒小则相反；晶粒尺寸进入纳米时，电阻率迅速增加，成为半绝缘薄膜。掺磷多晶与单晶硅电阻率曲线六、多晶硅薄膜的淀积多晶硅有良好的高温工艺兼容性，与热生长SiO2有很好的接触性能，保形性良好，应力小。MOS的自对准多晶硅栅SiSIO2Poly-Si多晶硅压力传感器芯片特点：非常广泛MOS器件的栅电极及多层互连布线；自对准工艺的硅栅等；在SRAM中用于制作高值负载电阻；MEMS器件中，制作压学传感器的应变电阻等。用途：六、多晶硅薄膜的淀积6.2CVD多晶硅薄膜工艺源：硅烷工艺：温度为580-650℃，用H2、N2稀释SiH412质量：淀积温度、淀积速率，总压力、硅烷分压，以及随后的热处理过程。3SiH4（a）

SiH2（a）+H2SiH2（a）

Si（s）+H2

六、多晶硅薄膜的淀积6.3多晶硅薄膜的掺杂1.直接掺杂是在CVD过程中，将含所需杂质元素的掺杂剂，如PH3、AsH3、B2H4等，与硅源混合气体一起通入反应器，进行的原位气相掺杂。对多晶硅薄膜的生长动力学特性和薄膜的结构、形貌都有显著的影响。如，掺杂剂为PH3时多晶硅薄膜的厚度均匀性变差；p型杂质使淀积速率单调增大，而n型杂质使淀积速率下降。方法简单；但杂质源和硅源的化学动力学性质不同，导致薄膜生长过程更加复杂，且难以获得重掺杂的n型多晶硅。六、多晶硅薄膜的淀积6.3多晶硅薄膜的掺杂2.两步工艺是先LPCVD本征多晶硅薄膜，然后再进行离子注入或扩散掺杂。离子注入：杂质数量精确可控，也适用低掺杂薄膜的制备。注入后通常采用RTP完成杂质激活。扩散掺杂：N型杂质常用液态源POCl5，工艺温度在900~1000℃，扩散速率很快，增加了薄膜表面的粗糙度。掺磷多晶硅电阻率曲线上、下导电层电连接使用“钉头”和“插塞”七、CVD金属及金属化合物薄膜7.1钨及其化学气相淀积用途：作导电填充物--插塞（plug）；作局部互联材料--W的电导率低，只用作短程互连线。特性：体电阻率较小7-12µΩ.cm；热稳定性较高，但超过400℃时，钨膜会被空气中的氧所氧化，熔点3410℃；较低的应力；良好的抗电迁移能力和抗腐蚀性。W插塞在电场作用下，金属离子产生定向运动，特别是在晶界处。在局部由质量堆积而出现小丘、晶须，或由质量亏损出现空洞。七、CVD金属及金属化合物薄膜CVD-W工艺选择淀积，两步工艺：覆盖淀积冷壁式LPCVD，钨源为WF6；WCl6；W(CO)612300℃，消耗Si，10-15nm自停止；F6(g)+SiW+SiF4(g）低于450℃，与过量H2反应：WF6(g)+H22W+HF(g)先淀积附着层，如TiN，再LPCVD-W与SiH4反应时WF6应过量：2WF6(g)+SiH2(g)2W(s)+3SiF(g)+6H2SiSiO2W覆盖式CVD-W填充通孔照片七、CVD金属及金属化合物薄膜7.2金属化合物的化学气相淀积1.LPCVD-WSix源：WF6/SiH4：WF6(g)+2SiH4(g)→WSi2(s)

+6HF+H2工艺：300~400℃、6.7~40kPa，在冷壁式反应器中淀积。特点：WSix在晶界处有Si集结，实际X>2~2.6，电阻率约500μΩ∙cm，若在900℃快速退火，电阻率可降至约50μΩ∙cm。用途：在多晶硅/难熔金属硅化物(记为：polycide)的存储器芯片中被用作字线和位线，WSix也可作为覆盖式钨的附着层。七、CVD金属及金属化合物薄膜7.2金属化合物的化学气相淀积2.CVD-TiN源：TiCl4或Ti[N(CH3)2]4（记为：TDMAT）/NH36TiCl4(g)+8NH3→6TiN(s)+24HCl+N26Ti[N(CH3)2]4(g)+8NH3→6TIN(s)+24HN(CH3)2(g)+N2工艺：TiCl4系统，600℃以上热壁式LPCVD；TDMAT系统500℃以下的MOCVD特点：TiN热稳定性好，界面结合强度高，导电性能好，杂质在TiN中的扩散激活能很高，用途：在多层互连系统中作为扩散阻挡层和（或）附着层使用。CVD-Cu冷壁式LPCVD设备示意图7.3CVD金属及金属化合物的进展目前，多数金属及金属化合物的CVD工艺并不十分成熟。寻找合适的源是关键。CVD-Cu：使用二价和一价铜的有机物作为源，采用冷壁式LPCVD或MOCVD方法，选择淀积；CVD-Al：常用的铝源也是铝有机物如TIBA等，采用MOCVD方法，工艺温度低，但淀积铝膜表面较祖糙，源普遍存在有毒、易燃等安全问题。七、CVD金属及金属化合物薄膜集成电路制造技术集成电路制造技术JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理与工艺主讲/某某某工艺监控与系列实验JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU第六单元工艺监控就是借助于一整套检测技术和专用设备，监控整个生产过程，在工艺过程中，连续提取工艺参数，在工艺结束时，对工艺流程进行评估。材料检测

材料主要有高纯水、高纯气体、扩散源、硅抛光片等，在材料使用前进行质检，在工艺过程中进行定期抽检。工艺检测

可分为4类：①硅片晶格完整性、缺陷等物理量的测定；②薄膜厚度、结深、图形尺寸等几何线度的测量；③薄膜组份、腐蚀速率、抗蚀性等化学量的测定；④方块电阻、界面态等电学量的测定。1213工艺监控工艺过程检测

在硅片加工工艺线上设立的材料、工艺检测和评价体系工艺监控生产环境温度、湿度、洁净度、静电积聚等；基础材料高纯水（去离子水）、高纯气体、化学试剂、光刻胶、单晶材料、石英材料等；工艺状态工艺偏差、设备运行情况、操作人员工作质量等；13.1工艺监控电路设计、版图设计、工艺设计等。设计13.2实时监控13工艺监控实时监控是指生产过程中通过监控装置对整个工艺线或具体工艺过程进行的实时监控，当监控装置探测到某一被测条件达到设定阈值，工艺线或具体工艺设备就自动进行工艺调整；或者报警（自停止），由操作人员及时进行工艺调整。13.3工艺检测片工艺检测片，又叫工艺陪片（简称陪片）。一般使用没有图形的大圆片，安插在所要监控的工序，陪着生产片（正片）一起流水，在该工序完成后取出，通过专用设备对陪片进行测试，提取工艺数据，从而实现对工艺流程现场的监控，并在下一工序之前就判定本工序为合格、返工或报废工序检测项目常用检测方法和设备陪片备注抛光片电阻率四探针、扩展电阻

对MOS集成电路，要分档抛光片质量紫外灯、显微镜、化学腐蚀、热氧化层错法√紫外灯100%检查，其余抽检外延表面紫外灯、显微镜

紫外灯100%检查电阻率、杂质分布三探针、四探针、扩展电阻、C-V法√

厚度层错法、干涉法、红外反射法√

埋层漂移干涉法、显微镜√

热氧化表面紫外灯

100%，必要时显微镜抽检厚度、折射率椭圆仪、反射仪、干涉法、分光光度计√

表面电荷C-V法√把陪片做成MOS结构场氧后“白带”效应显微镜

正式片抽检三层腐蚀后场氧厚度分光光度计

正式片抽检扩散薄层电阻四探针√

结深磨角法、滚槽法√

杂质分布扩展电阻、C-V法、阳极氧化剥层法√不作为常规检测结的漏电、击穿电压电学测试√带图形检测片离子注入大剂量的反型掺杂层同扩散√

小剂量载流子分布扩展电阻、C-V法√

光刻光刻胶厚度分光光度计、机械探针扫描√

硅片平整度平整度测试仪

正式片抽检CD尺寸目镜测微仪、线宽测试仪√

接触孔腐蚀情况分光光度计、液体探针

正式片抽检各种薄膜腐蚀速率用相应的干法和湿法腐蚀√

多晶硅表面紫外灯、显微镜

正式片抽检厚度分光光度计、反射仪√

CVDPSG厚度、折射率同热氧化√

缺陷、漏电、击穿电压电测试、各种针孔检查方法√电测试用样品做成MOS结构磷含量扩散后测薄层电阻、查曲线√定期抽检回流效果扫描电镜

正式片抽检腐蚀速率同光刻√

CVDSi3N4表面紫外灯、显微镜

紫外灯100%检查厚度、折射率同热氧化

腐蚀速率浓HF或同光刻

PVD铝等金属薄膜表面紫外灯、显微镜

正式片抽检厚度机械探针扫描、干涉法√表面要做成台阶13.4晶片检测晶片检测包括对原始的抛光片和工艺过程中的晶片检测。13

工艺监控表13-2对抛光片的检验种类项目几何尺寸参考面位置和宽度、硅片直径、厚度、边缘倒角、平整度、弯曲度等外观缺陷片子正面：划痕、凹坑、雾状、波纹、小丘、桔皮、边缘裂口、沾污等牌子背面：边缘裂口、裂纹、沾污、刀痕等物理特性晶向、导电类型、少数载流子寿命、电阻率偏差、断面电阻率不均匀度、位错、微缺陷、旋涡缺陷、星形缺陷、杂质补偿度、有害杂质含量等14.1硅片电阻率测量电阻率是半导体材料的重要电学参数，它能反映半导体内浅能级替位杂质的浓度。14集成电路制造工艺系列实验四探针法

基本原理是通过四个电极（即四个探针）同时接触到被测试材料的表面，其中两个电极作为输入端，在它们之间施加一个恒定的电流；另外两个电极作为输出端，测量输入电流通过材料时的电压差。根据欧姆定律，电导率与电阻之间有一定的关系，电导率越高，电阻越低。

14集成电路制造工艺系列实验在集成电路芯片生产中，几乎每道工序（指单项工艺）都要先进行清洗，是很重要的工艺步骤。清洗原理：1.物理吸附2.化学吸附14.2硅片清洗----物理吸附作用弱，吸附力小，易于解吸。----化学吸附作用强，吸附键力大，解吸难。要使以化学方式吸附的杂质解吸，需要提供很大能量是杂质粒子（原子、分子或原子团等）和硅片表面原子之间的范德瓦尔斯作用，即两者之间的偶极矩产生的库伦静电力。是杂质粒子和硅片表面原子之间形成了化学键力。14.2.2清洗设备与试剂

数控超声波清洗机（槽）利用设备内的超声波振子（如压电振子）振动，产生可达数千个大气压的冲击波的能量，以水等液体为媒介，冲击波将被洗物（如硅片）表面吸附的杂质剥离去除。柜式反渗透超纯水机，水质在10MΩ∙cm以上试剂

分析纯甲苯、丙酮、乙醇试剂；

DZ-1、DZ-2半导体工业专用洗液，也可以使用酸、碱洗液：Ⅰ号碱性洗液成分为（体积比）NH4OH∶H2O2∶H2O=1∶2∶5；Ⅱ号酸性洗液成分为（体积比）HC1∶H2O2∶H2O=1∶2∶8。14.2

硅片清洗14.2.3清洗方法1．硅片表面有机杂质的去除

如果硅片表面有蜡脂或有机物污染严重，可采取依次使用甲苯、丙酮、无水乙醇进行超声清洗。

甲苯、丙酮、乙醇均是有机物溶剂，对有机油污的溶解能力为：

甲苯>丙酮>乙醇。注意：考虑去油污能力，以及避免去污溶剂带来的新污染，甲苯、丙酮、乙醇的清洗顺序不能颠倒。14.2

硅片清洗2．硅片表面无机杂质的去除

用配好的半导体工业专用洗液DZ-1、DZ-2超声清洗各约8分钟。洗液配比为DZ-1（或DZ-2）∶超纯水≈9∶1，用量以没过硅片为准。DZ-1、DZ-2超声波清洗之间用冷、热超纯水反复漂洗数遍，直至漂净洗液的泡沫为止。RCA清洗法，程序为：去油污→去离子→去原子14.3.1测量原理光学干涉法

用单色光垂直照射氧化层表面时，因二氧化硅是透明介质，所以入射光将分别在氧化层表面和氧化层/硅的界面产生反射。根据双光干涉原理：当两束相干光的光程差Δ为半波长λ/2的偶数倍时，即

Δ=2Kλ/2=Kλ

14.3氧化层厚度测量由于整个氧化层是连续生长的，在薄膜边缘处台阶的厚度连续变化，因此，在氧化层台阶上将出现明暗相间的干涉条纹。K=0,1,2,3,…时，两束光的相位相同，互相加强，从而出现亮条纹。当两束光的相位相反、互相减弱时，出现暗条纹。

如果从氧化层台阶劈楔算起至台阶顶端共有m+1个亮条纹（或暗条纹），则二氧化硅层的厚度dox应为

dox=m

λ/2n

m=1,2,3…14.4.1测量原理14.4PN结结深测量磨角染色法测结深磨角的目的是将硅片上的PN结深尺寸放大，在用化学染色方法显示出P区和N区，采用测距显微镜对磨角斜面直接测量，通过公式换算出结深。

可得结深为

Xj=Lsinθ式中，L为P区测量值；Xj

为扩散结结深；θ为磨角器的角度注意：染色时间不能过长，以避免整个硅片都染上铜色

由于硅的电极电位低于铜，能从硫酸铜（CuSO4）溶液中把Cu置换出来，而且又由于N-Si的标准电极电位低于P-Si的标准电极电位，因此，先在N-Si上析出Cu，即在N-Si表面上形成红色Cu镀层，这样就把PN结明显地露出来。14.4.1染色原理14.4PN结结深测量14.5.1测量原理集电极开路发射极开路12基极开路3晶体管电学特性测量是对制作好的晶体管进行最后的性能测量，因此又称为成测。通过测量，了解制备晶体管的击穿电压BVebo、BVcbo、BVceo，反向电流Ieo、Icbo、Iceo，大系数β、α。14.5晶体管电学特性测量4晶体管放大特性集成电路制造技术集成电路制造技术JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理与工艺哈尔滨工业大学/田丽物理气相淀积第七章物理气相淀积JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU目录CONTENTS7.1PVD概述7.2真空系统及真空的获得7.3真空蒸镀7.4溅射7.5PVD金属及化合物薄膜一、PVD概述PVD是利用某种物理过程实现物质转移，将原子或分子由源（或靶）气相转移到硅衬底表面形成薄膜的过程。工艺特点：相对于CVD而言，工艺温度低，衬底在室温~几百℃；工艺原理简单，能用于制备各种薄膜。但是，所制备薄膜的台阶覆盖特性，附着性，致密性都不如CVD薄膜。用途：主要用于金属类薄膜，以及其它用CVD工艺难以淀积薄膜的制备。如金属电极，互连系统中的附着层、阻挡层合金及金属硅化物薄膜的制备一、PVD概述PVD种类真空蒸镀：在高真空室内加热源材料使之气化，源气相转移到达衬底，在衬底表面凝结形成薄膜。有电阻蒸镀、电子束蒸镀、激光蒸镀等。溅射：在一定真空度下，使气体等离子化，其中的离子轰击靶阴极，逸出靶原子等粒子气相转移到达衬底，在衬底表面淀积成膜。有直流溅射、射频溅射、磁控溅射等。IC的Cu多层互联系统示意图一、PVD概述应用举例反应磁控溅射TiN、TaN阻挡层蒸镀Al电极磁控溅射Cu种子层Si蒸镀Pt双极型晶体管示意图光刻剥离技术示意图真空室示意图二、真空系统及真空的获得2.1真空系统简介气体流量：

单位：用标准体积，指在0℃、1atm下所占的体积，如slm(L·atm/min)，sccm(mL·atm/min）气体导管的导率：

要保持真空室气体压力接近泵入口的压力，要求导管有大的导率。导管并联时，各导管的导率是简单相加，串联时，是倒数相加。导管直径越大，长度越短，导率越大；而导管中有波纹，弯曲，导率会减小。二、真空系统及真空的获得2.1真空系统简介真空泵的抽速：

举例：一个抽速为1000l/min的泵，初始工作时泵入口压力为1atm，这时它的流量是多少？一段时间后(τ时刻)，泵入口压力变为0.1atm，这时流量是多少？两者是否相等？解：

≠气体质量流量：

二、真空系统及真空的获得2.2真空的获得方法真空度的划分和气体分子的运动特点真空划分压力分子运动特点Pa1Pa=1N/m2Torr1Torr=133Pa条件运动状态低真空105~102760~1λ<<d粘滞流中真空102~10-11~10-3d和

λ尺寸接近中间流高真空10-2~10-510-3~10-7λ>d分子流超高真空<10-5<10-7λ>>d分子流1atm=760Torr=1.013×105Pa微电子工艺设备一般工作在低、中真空度；而在通入工作气体之前，设备基压在高、超高真空度。油封转片式真空泵罗茨泵工作原理二、真空系统及真空的获得1.初、中真空度的获得真空压缩泵：用活塞/叶片/隔膜的机械运动将气体正向移位，它的工作步骤：捕捉气体压缩气体排出气体压缩比：泵气体出/入口压力的比值。泵体电机工作原理若要在气体入/出口之间产生更高的压差，可以用多个真空泵串联，即多级泵来实现。扩散泵剖视图分子泵剖视图二、真空系统及真空的获得2.高、超高真空度的获得高真空泵：转移动量给气体分子--抽吸大流量气体，如分子泵、扩散泵；俘获气体分子--抽吸小流量气体，如低温泵、升华泵等。高真空泵必须在一定真空度下工作；否则无法工作，甚至泵会损坏。热偶规构造原理图二、真空系统及真空的获得2.3真空度的测量常用的真空计：电容压力计热偶规电离规B-A规(热阴极电离规)复合真空计测低、中真空度测高、超高真空度蒸镀示意图三、真空蒸镀3.1工艺原理蒸镀（vacuumevaporation），指在高真空度下，加热源使其蒸发，蒸汽分子流射到衬底表面，凝结形成薄膜的工艺。可以将蒸镀分解为三个过程：蒸发过程气相质量输运过程淀积成膜过程常用金属的饱和蒸气压温度曲线三、真空蒸镀1.蒸发过程固/液态源分子/原子蒸发升华任何温度，固/液态物质周围环境中都存在着该物质的蒸汽，平衡时的蒸汽压强称为饱和蒸汽压（平衡蒸汽压）。只有当被加热源的饱和蒸汽压高于真空室源蒸汽分压时才会有净蒸发。工程上将任一物质的蒸汽压为1.33Pa时，所对应的温度作为该物质的蒸发温度。三、真空蒸镀蒸发速率由气压可推导得到气体分子流通量为：

源被蒸发时，假设坩埚内的源都已经熔化，由Jn可得到坩埚面积为A时源的质量消耗率：

举例：铝在蒸发温度时，单位蒸发面积的质量消耗率是多少?解：Pe=1.33Pa；Te=1250℃

(g/cm2·s)源和接受面的空间几何关系三、真空蒸镀2.气相质量输运过程分子平均自由程：

蒸汽分子无散射输运时：

假设到达衬底分子都被吸附，且各衬底表面的分子流通量也相等。则：到达衬底表面原子占源蒸发原子的比例应是一常数，设为K：

到达衬底分子流通量：

三、真空蒸镀3.成膜过程包含了：吸附→成核→连片→生长，几个步骤：蒸汽分子动能很低，被吸附后再蒸发的很少，在表面扩散移动，碰上其它分子便凝聚成团，当分子团达到临界大小时就形成趋于稳定的核。进一步淀积，岛状的核不断扩大，直至延展成片，继续生长就形成薄膜了。薄膜淀积速率：

举例:铝在蒸发温度时，单位蒸发面积的淀积速率?(r=15cm)

≈3.049(μm/s)真空蒸镀系统示意图三、真空蒸镀3.2蒸镀设备真空蒸镀机及其内部由四部分组成：真空室真空系统监测系统控制台高频感应加热器各种电阻加热器电子束加热器示意图三、真空蒸镀蒸镀工艺种类及加热器蒸镀种类：电阻蒸镀高频感应蒸镀电子束(EB)蒸镀激光蒸镀三、真空蒸镀3.3蒸镀工艺了解薄膜材料特性，是单组分，还是多组分，各成分的熔点、沸点、分解温度，饱和蒸汽压-温度曲线、相图等；掌握衬底耐温情况；以及蒸镀设备的情况，从而确定蒸发方法，工艺参数和衬底温度等。1.确定工艺方法及参数蒸发功率应适当，功率过高，蒸发速率过快，所淀积的薄膜晶粒长大、表面不平整；功率过低，薄膜疏松、与衬底粘附不牢。2.工艺步骤准备抽真空预蒸蒸发取片钟罩硅片三、真空蒸镀2.多组分薄膜的蒸镀衬底衬底衬底三、真空蒸镀3.4蒸镀薄膜的质量及控制1.蒸镀为什么要求高真空度蒸发分子（或原子）的质量输运应为直线，若真空度过低，输运过程被气体分子多次散射，方向改变，动量降低，淀积的薄膜疏松、致密度低；真空度低，气体中的氧和水汽，使蒸发的金属原子在气相就被氧化，淀积的薄膜成为氧化物薄膜；若真空室中有较多气体杂质分子，它被蒸发原子流裹挟也淀积在衬底上，影响淀积薄膜纯度和质量。三、真空蒸镀2.台阶覆盖特性的改善方法衬底加热，温度应依据所淀积薄膜的材料特性来综合考虑，通常在几百℃范围内。衬底旋转，除了可以改善因到达角不同带来的台阶阴影区的薄膜覆盖问题之外，还可以改善淀积薄膜厚度的均匀性。衬底支架设计为半球形，坩埚也位于球面位置，而且，衬底可以作行星式转动，进一步提高蒸镀薄膜的保形性。三、真空蒸镀3.蒸发速率的控制及其它提高蒸发速率，能提高所淀积薄膜的纯度和与衬底的结合力，以及表面质量。蒸发速率过快，蒸汽原子碰撞会加剧，动能降低，甚至会引起蒸汽原子结团后再淀积，这将导致出现薄膜表面不平坦等质量问题。蒸镀时，通常控制加热器功率使源的蒸汽压在1~10Pa范围变化。影响薄膜纯度的主要因素是真空室基压、加热方式和工艺操作中挡板开/关时间；影响薄膜与衬底粘附性的主要因素是衬底温度和蒸发速率。因此，提高薄膜纯度与粘附力应从上述因素考虑。溅射示意图四、溅射4.1工艺原理溅射（Sputter）工艺是利用等离子体中的离子对阴极靶轰击，导致靶原子等颗粒物飞溅，落到衬底表面淀积成膜的一种薄膜制备工艺。可将溅射分解为四个过程进行讨论：工作气体的等离子化；离子对靶的轰击；靶原子气相质量输运；淀积成膜。四、溅射1.工作气体的离子化通过直流气体辉光放电、射频气体辉光放电等使工作气体形成等离子体，其中，自由电子碰撞原子（或分子），当转移能量高于原子的电离能时，原子离化为离子。要提高等离子体中离子浓度，必须增大电（磁）场的激发功率。HDP中离子浓度较高，其中磁控HDP技术是溅射常采用的方法。原子第一电离能（eV）第二电离能（eV）氦（He）24.58654.416氮（N）14.53429.601氩（Ar）15.75927.629离子轰击物体表面时可能发生的物理过程四、溅射2.离子对靶的轰击离子对处于负电位的靶轰击，使靶材料原子（或分子）及其原子团从靶表面飞溅出来的过程。能量在10eV~10keV时，有中性粒子逸出，不同材料的靶，溅射阈值能量不同。溅射率S，又称溅射产额：

四、溅射溅射率的影响因素入射角θ：指离子入射方向与靶法线方向夹角。在低能量下，S随θ而增加，当θ→80o时，S迅速下降。靶原子的序数，表面原子的结合状态、结晶取向，是纯金属或为合金都等对S有影响。而靶温几乎无影响，但当温度高于一定范围时，溅射率有迅速增加的趋向。入射离子的种类、能量、入射角，以及靶材料等：各种靶的S与垂直入射Ar+能量的关系原子序数不同离子的溅射率（能量为45keV）四、溅射3.靶原子气相输运指从靶面逸出的原子及其它原子团气相质量输运到达衬底的过程：较低真空度下，靶原子在到达衬底表面前会与其它粒子发生多次散射，衬底表面某点所到达的靶原子数与该点的到达角有关。高真空度下，气相输运轨迹是直线，衬底表面某点所到达的靶原子数是受遮蔽效应限制。4.淀积成膜指到达衬底的靶原子在衬底表面先成核再成膜的过程：溅射离子与靶原子间有较大的能量传递，逸出原子携带的动量较高，在10~50eV之间。因此，原子在衬底的迁移能力、再发射能力都强，成膜的台阶覆盖性和附着力都较好。四、溅射4.2直流溅射靶作为阴极，只能制备导电的金属薄膜；工作气压较高，薄膜淀积速率较慢。四、溅射4.3射频溅射射频溅射（RFSputtering），激发气体等离子化的电场是交变电场，频率为13.56MHz。最大特点是可以溅射介质薄膜，如SiO2等。淀积速率也较慢，存在辐射污染问题。靶表面的磁场和电子运动的轨迹四、溅射4.4磁控溅射增加了电子与气体粒子的碰撞次数，极大地提高了等离子体中的离子浓度。磁控溅射(magnetronsputtering)溅射效率高，淀积速率比直流溅射提高了一个数量级；工作气体的气压低，薄膜纯度就有所提高；减少了高能二次电子对放置在阳极上的衬底轰击，降低了由此带来的衬底损伤和温升。也只能制备金属等导电薄膜。偏压溅射装置示意图四、溅射4.5其它溅射方法1.反应溅射将活性气体：如O2、N2、CH4等通入等离子体中，活性气体与靶溅射粒子发生化学反应，由活性气体和惰性工作气体的比例来控制所制备薄膜的组成和性质，这种方法就是反应溅射。可制备薄膜：Al2O3，In2O3、TiN，AlN，SiC，CdS等。2.偏压溅射在淀积室增设负偏压电极，衬底放在这个电极上。制备薄膜的纯度，致密度，附着力有所提高。对薄膜的组织结构等性质也有影响，但也可能诱发各种缺陷。3.离子束溅射利用低能量聚焦离子束进行溅射，是获得高质量薄膜很有前途的制备方法。四、溅射4.6溅射薄膜的质量及改善方法1.溅射与蒸镀薄膜质量的比较薄膜的保形覆盖特性较好；薄膜附着性较好；薄膜致密性较好，针孔少；淀积速率较慢，膜厚可控性和重复性较好；薄膜纯度较高，不存在蒸镀时无法避免的坩埚污染现象；淀积过程中对衬底辐射造成的缺陷远少于电子束蒸镀。在制备特殊材质薄膜上电子束蒸镀更有优势。台阶覆盖随时间增加而变化的剖视图四、溅射2.保形覆盖特性的改善尽量提高衬底温度：以增强衬底所吸附的溅射粒子表面扩散迁移率，同时也要考虑温升后多晶态晶粒也随之长大，使得薄膜表面变粗糙等问题；在衬底上加射频偏压：这使得衬底被高能离子轰击，有助于溅射粒子的再发射淀积，可在一定程度上改善保形覆盖特性。准直溅射技术强迫填充技术四、溅射2.保形覆盖特性的改善强迫填充技术：有意使接触孔拐角顶处两尖端接触，气体密封空洞内。再将衬底放入压力容器中，加热，当压力超过金属薄膜的抗曲强度，密封层就会塌陷，金属进入接触孔；准直溅射技术：在衬底正上方插入准直器，只有速度方向接近于垂直衬底表面的溅射原子才能通过准直器上的孔，到达衬底表面，淀积在接触孔的底部。金属引线的电迁移现象铝尖楔现象引起的pn结的穿通五、PVD金属及化合物薄膜5.1铝及铝合金薄膜淀积1μm厚铝膜的电阻率约为3μΩ·cm，被用于器件内电极和互连布线的导电层。作内电极时，为与衬底硅形成良好的欧姆接触，通常淀积后在500℃左右退火，退火过程中有“尖楔”现象出现。使用含硅1%的硅铝合金作为内电极。铝膜的抗电迁移特性差，在铝硅中再掺入2%左右的铜可以改善。200mm铝及铝合金靶镀铝用钨丝加热器五、PVD金属及化合物薄膜PVD-Al1.真空镀铝铝熔点为660.4℃，沸点为2467℃，蒸发温度约1250℃；常用钨丝电阻加热器；或石墨坩埚装铝电子束加热；衬底温度：120℃，铝源纯度5N以上，淀积速率约0.8μm/min；方法简单，但钨丝加热器会引入杂质，衬底附着和台阶覆盖特性也较差。2.磁控溅射铝及铝合金Al，AlSi1，AlCu0.5，AlSi1Cu0.5靶杂质含量≤5×10-6；溅射工艺：衬底温度：200℃，工作气体为高纯Ar，溅射角：5~8°，淀积速率：0.8~1μm/min；薄膜的附着力、台阶覆盖特性，以及膜厚可控性较好。铜互连技术五、PVD金属及化合物薄膜5.2铜及其阻挡层薄膜的淀积中毒现象：Cu在Si和SiO2中都是快扩散杂质，在较低温度就能扩散进Si，会改变硅衬底的电学特性；工艺性差：Cu与Si、SiO2黏附性不好，图形刻蚀难。Cu电阻率只有Al的40~45%，抗电迁移性比铝能高两个数量级。

势垒层，如TiN、TaN、Ta；采用镶嵌工艺和化学机械抛光（CMP）技术。早期IC不用铜作互连布线的原因：N2分压对Ta的溅射物电阻率的影响300mm铜靶形状五、PVD金属及化合物薄膜磁控溅射Cu与TaN1.磁控溅射Cu铜靶纯度要求很高，杂质含量应低于1×10-6，溅射工艺与磁控溅射铝相似。溅射Cu只作为种子层，目前，还难以在高深宽接触孔窗口上淀积无空洞全填充铜。2.反应磁控溅射TaN采用Ta靶，N2为活性反应气体，Ar为工作气体，Ar/N2气体流量比为19：1，衬底温度400℃，淀积速率约0.18μm/min。五、PVD金属及化合物薄膜5.3其它金属薄膜和化合物薄膜1.多层金属溅射Pt，然后700℃热处理形成PtSi，是欧姆接触层，常用的有Ti、Al、Cd、Zn；溅射Ti，作为粘附层，把Si、SiO2与上面的Pt粘合起来，常用的有Cr、Al、Zr；12溅射Pt，作为过渡层，防止Ti与Au形成高阻物，常用的有W、Mo、Ni、NiCr合金；蒸镀Au，作为导电层实现各元件的互连，且利于键合外电极，常用的有Al、Ag、Cu。34例如，早期的NMOS电路的互连系统为：PtSi-Ti-Pt-Au多层金属系统，工艺：2.化合物薄膜在微电子工艺中，难熔金属硅化物，以及其它化合物薄膜都可采用溅射工艺、蒸镀工艺来制备。集成电路制造技术集成电路制造技术JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理与工艺哈尔滨工业大学/田丽光刻技术JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU光刻工艺光刻技术刻蚀技术光刻工艺第八章光刻工艺JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU8.1概述光刻(photolithography)是将掩模版（光刻版）上的几何图形转移到覆盖在硅衬底表面对光辐照敏感的光刻胶上的工艺。光刻技术发展Si光刻胶光刻掩模光源投影透镜Lmin光刻通常是用最小线条宽度来表征其发展水平，称为特征线宽（criticaldimension,CD）8.1概述光刻分辨率分辨率（resolution），指一个光学系统精确区分目标的能力。也就是能分辨开物面上两点的最小距离。由瑞利定律决定：光刻分辨率，指由光刻工艺得到的光刻胶图形能分辨线条的最小线宽。主要由光刻系统分辨率决定，还与光刻版、光刻胶，衬底及工艺操作等有关：

Lmin=

浸入式光刻不同光源对应的技术参数光源

(nm)kNA技术节点汞灯4360.80.15-0.45>0.5μm汞灯3650.60.35-0.600.5/0.35μmKrF2480.3-0.40.35-0.820.25/0.13μmArF1930.3-0.40.60-0.9390/65…28nmF21570.2-0.40.85-0.93--

等离子体13.50.740.25-0.722/5nm提高分辨率途径：k

，

，NA

anH2OnH2O=1.448.1概述光刻分辨率光刻分辨率的另一种表示方法：采用单位尺寸范围内能分辨的最窄线条对的数量表示：

（条/mm）光刻分辨率的物理极限：设一物理线度L，由量子物理的海森堡不确定关系式：

光的波动性所显现的衍射效应限制了光刻最小线宽：

其它曝光粒子束的波长：

LL8.1概述光刻工艺及系统的其它指标套准精度(AlignmentandOverlay)：指光刻形成的图形层和衬底前次光刻图形层的最大相对位移。焦深(depthoffocus，DOF）：指的是光刻系统在特征线宽时，曝光相面偏离焦平面的范围。Si光刻胶光源透镜焦深焦平面焦深示意图

8.2基本光刻工艺流程光刻胶SiSiO2底膜处理SiSiO2涂胶光刻胶SiSiO2前烘光刻胶SiSiO2光刻板光刻胶SiSiO2显影光刻胶SiSiO2坚膜、检验光刻胶SiSiO2刻蚀SiSiO2去胶光刻胶SiSiO2光刻检验曝光8.2基本光刻工艺流程目的：对硅衬底表面进行处理，以增强衬底与光刻胶之间的黏附性，包括：清洗烘烤增黏处理烘烤，去除衬底表面的水汽，使其彻底干燥；增黏处理，就是涂敷能增加光刻胶与硅片表面附着能力的化合物。如HMDS(分子式：(H2C)6Si2NH)。胶胶θSiSiO2(a)不浸润：θ>90ºSiSiO2θ(b)浸润：θ<90ºSiSiO2(c)表面有Si-OHOHOHOHOHOHSiSiO2(d)形成Si-O-Si(CH2)2(H2C)2Si-NH-Si(CH2)2(H2C)2Si-NH-Si(CH2)2OOSi(CH2)2Si(CH2)2OSi(CH2)2OSi(CH2)21底膜处理8.2基本光刻工艺流程在硅片表面通过旋转涂敷的光刻胶，应厚度均匀、附着性强、没有缺陷工艺参数：3000~6000rpm，胶膜厚度四工位匀胶机滴胶光刻胶膜硅片旋转台接真空(a)滴胶(b)涂胶2涂胶热平板前烘8.2基本光刻工艺流程通过在较高温度下进行烘焙，使衬底表面涂敷的光刻胶膜的溶剂挥发，胶中溶剂降至5%左右，同时增强与衬底的粘附性前烘方法：热平板传导；红外线辐射；干燥循环热风。烘箱前烘条件：90~100℃，烘烤时间。前烘时间和温度应适当，如温度太高或时间过长，光刻胶层变脆而附着力降低。而前烘不足会影响后面显影的效果。3前烘驻波效应手动对版8.2基本光刻工艺流程前烘好的衬底放在光刻机上，经与光刻版对准后，进行曝光，接受到光辐照的光刻胶发生光化学变化，形成潜影。关键点：光源与光刻胶应匹配，也就是光源波长在光刻胶敏感的光波段；对准，是指光刻板上与衬底上的对版标记应精确对准，这样一套光刻板各版之间的图形才能彼此套准。曝光时间，由光源强度，光刻胶种类、厚度等决定。另外，为降低驻波效应影响，可在曝光后需进行烘焙，称为曝光后烘焙(PEB)。硅衬底光刻板光刻胶形成驻波边缘不齐4曝光8.2基本光刻工艺流程在已曝光的硅衬底胶面上喷淋显影液，或将其浸泡在显影液中，正胶是曝光区、而负胶是非曝光区的胶膜溶入显影液