集成电路制造工艺 课件 2.1 半导体生产中常见的薄膜介绍

集成电路制造工艺

--常见的半导体薄膜单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室薄膜生长------热氧化薄膜制备--物理气相淀积第二章薄膜制备半导体生产中常用的薄膜本章要点薄膜制备—外延生长薄膜制备--化学气相淀积§2.1半导体生产中常用的薄膜将整个电路的晶体管、二极管、电阻、电容等元件及其连线全部用<0.1µm的薄膜制成集成电路薄膜集成电路将整个电路的晶体管、二极管、电阻、电容等元件及其连线全部用>0.1µm的薄膜制成集成电路厚膜集成电路集成电路分类良好的台阶覆盖能力良好的粘附性高的深宽比填充结构完整，厚度均匀应力小薄膜的特性台阶覆盖高的深宽比：高度/宽度数值很大深宽比填充应变材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变（Strain）。应力材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力（Stress）应力薄膜在衬底上生长的一层固体物质，很薄。举例MOS的栅氧化层，金属薄膜薄膜的含义作为掺杂杂质的阻挡层，金属前绝缘介质、金属层间介质、钝化层等绝缘介质膜作为外延层、高阻、栅等半导体膜连接作用，接触作用，阻挡作用，抗反射作用金属膜薄膜的分类常见的绝缘介质薄膜绝缘介质二氧化硅氮化硅掺杂二氧化硅§2.1.1半导体生产中常用的绝缘膜Si-O四面体二氧化硅的结构Si-O四面体，每个四面体硅和氧原子比例为：1:2每个氧原子连接两个硅原子。12二氧化硅的结构二氧化硅平面结构二氧化硅立体结构SiO2基本结构Si-O四面体SiO2结构种类结晶型无定型特点四面体有规则地排列，网络致密四面体无规则地排列，网络中存在不规则的孔洞例石英热氧化生长的SiO2二氧化硅结构的种类结晶型SiO2无定型SiO214二氧化硅结构的种类注意：自然氧化层：40Å桥联氧Si-O-Si非桥联氧Si-O-桥联氧原子浓度越高，网络的强度越强，非桥联氧浓度越高，网络的强度越弱。SiO2网络中的氧在非本征网络中，根据杂质在网络中所处的位置不同，杂质可分为：代（替）位式杂质、间隙式杂质本征网络：网络中不含杂质非本征网络：网络中含有杂质SiO2中的杂质代位式杂质—网络形成剂间隙式杂质—网络调节剂SiO2中的杂质分类常见的代位式杂质：B、P等原子在硅氧四面体中能取代硅原子，构成网络的一类杂质。杂质原子的半径与硅原子半径接近或更小。代位式杂质代位式杂质，作为网络的形成剂123SiO2中的杂质几种杂质原子的半径代位式杂质结构a：当网络中掺入IIIA族元素，如B时，非桥联氧数目减少，网络的强度增强。b：当网络中掺入VA族元素，如P时，非桥联氧数目增多，网络的强度减弱。代位式杂质对网络强度的影响P5+通常是以P2O5的形式进入SiO2网络，P将替代Si的位置，形成P-O四面体。Si--O四面体代位式杂质对网络强度的影响--以掺入P5+为例P2O52(PO2）++[O=]代位式杂质对网络强度的影响--以掺入P5+为例代位式杂质的条件？分析B杂质是怎样影响网络强度的呢？定义间隙式杂质--网络的变形者（调节者）处于硅氧四面体间隙中孔洞位置的一类杂质。杂质原子的特点杂质原子的半径较大。实例Na、K、Pd、Ga等。对网络强度的影响该类杂质一般以金属氧化物的形式进入网络，会使网络的非桥联氧增多，因而会削弱网络的强度。间隙式杂质行为类似于间隙式杂质，使网络的强度减弱。网络中的水汽常见的一些物理参数：密度、折射率、电阻率、介电常数、介电强度。注意：SiO2是玻璃体，没有固定的熔点，只有软化温度为15000C.二氧化硅的性质—物理性质与酸的反应：SiO2+4HF=SiF4+2H2OSiF4+2HF=H2[SiF6]六氟硅酸络合物与碱的反应：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O与Al的反应：4Al+3SiO2=2Al2O3+3Si二氧化硅的性质—化学性质磷硅玻璃PSG(Phospho-silicateGlassPSG）缺点:易吸附水汽

作为半导体元器件的保护层

用来吸收、固定Na+和其他可动金属电荷

覆盖无源层,给无源层提供机械保护通过热熔流，提高整个硅片表面的平坦化作用磷硅玻璃

硼磷硅玻璃BPSG：Boro-Phospho-silicateGlassBPSG）作用:

作为绝缘膜

用于平坦化硼磷硅玻璃二氧化硅在半导体生产中的应用作为杂质选择扩散的掩蔽膜作为器件表面的保护和钝化膜作为电容器材料作为MOS场效应管的绝缘栅材料作为集成电路隔离介质作为器件和电路的绝缘介质N+SiO2二氧化硅作为选择性扩散的掩蔽膜N-BBBBPXjA.掩蔽作用--膜能阻挡杂质向半导体中扩散的能力a.杂质在SiO2中并不是不扩散，只是扩散系数较小b.并不是所有的杂质都能用SiO2来掩蔽如Al，Ga，In等杂质在SiO2中的扩散系数比在Si中大，不能用SiO2来掩蔽）31例：0.1%的B源，3%的P源所以：DSi/DSiO2≈300,差2-3个数量级。当T=1200℃，B杂质，DSi/DSiO2=(2.1*10-12）

/6*10-15≈3*102

BPT(℃)115012001250115012001250DSiO2(um2/s)2.5*10-156*10-151.2*10-147*10-152.2*10-146.5*10-14Dsi(um2/s)2*10-132.1*10-128*10-121*10-124*10-121.5*10-11B.掩蔽条件：扩散系数（D）

SiO2«Dsi

SiO2具有足够的厚度杂质在SiO2中的扩散长度可由下式计算：34二氧化硅作为器件的保护和钝化膜目的：在晶圆表面覆盖一层保护介质膜，以防止表面污染35二氧化硅用作电容器材料导电板导电板绝缘介质36二氧化硅用作栅氧栅N型衬底二氧化硅37二氧化硅用作隔离介质

P+

N+N+BECWBP+

N+N+BECWBP衬底

SiO2N外延P-P-隔离

SiO238SiO2SiO2SiO2P-外延层P阱P阱二氧化硅用作隔离介质V型槽介质隔离MOS中的场氧隔离39典型二氧化硅的厚度（Å）

栅氧（

工艺）20-60电容器电介质5-100掺杂掩蔽的氧化物400-1200LOCOS（局部氧化隔离）氧化工艺200-500场氧2500到15000不同应用下二氧化硅的厚度§2.1.1半导体生产中常用的绝缘膜常见的绝缘介质薄膜绝缘介质二氧化硅氮化硅掺杂二氧化硅氮化硅陶瓷球氮化硅的结构白色粉状晶体，化学式：Si3N4正八面体，2个顶是Si，四个N中间平面的4个点，4个N产生的平面的中心是第3个Si了。每个Si都连着四个N，每个N都连着3个硅，N-N之间没有连接氮化硅的晶体结构三方：α-Si3N4六方：β-Si3N4立方：γ-Si3N4紫色圆球是氮原子，灰色圆球是硅原子43氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料；高强度，耐高温；本身具有润滑性，耐磨损，原子晶体高温时抗氧化；能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。耐化学腐蚀：在浓强酸溶液中缓慢水解生成铵盐和二氧化硅；易溶于氢氟酸，与稀酸不起作用。电绝缘性能高氮化硅的性质44电子级的氮化硅薄膜是通过化学气相淀积或者等离子体增强化学气相淀积技术制造的氮化硅的制备3SiH4(g)+4NH3(g)→Si3N4(s)+12H2(g)3SiCl4(g)+4NH3(g)→Si3N4(s)+12HCl(g)3SiCl2H2(g)+4NH3(g)→Si3N4(s)+6HCl(g)+6H2(g)45氮化硅的作用作为杂质扩散的掩蔽膜作为钝化膜作为局部氧化的掩蔽膜作为杂质与缺陷的萃取氮化硅作为杂质扩散的掩蔽膜

对B、P、As杂质Si3N4的掩蔽能力更强Al、Ga、In等杂质的迁移和扩散不能用SiO2作掩蔽膜，只能用Si3N412

掩蔽膜更薄4

光刻精度更高347

Si3N4/SiO2/Si，改善Si3N4-Si直接的大应力Si3N4对H2O和Na+有强烈的阻挡作用12

Si3N4有效阻挡H2O和O2的迁移4

电阻率比SiO2略小，更耐击穿，散热好3氮化硅作为钝化膜48

利用Si3N4有效阻挡H2O和O2的迁移，使得抗氧化能力比Si大约100倍，用作MOS器件场氧化层制作时的LOCOS工艺（局部硅氧化）氮化硅作为局部氧化掩蔽膜氮化硅作为杂质与缺陷的萃取源Si3N4-Si之间界面缺陷密度大，有很大应力，高温下，硅形成位错，依靠位错将杂质和缺陷萃取出来1

如果Si3N4靠近有源区，作为介质层或者钝化膜，会影响载流子的迁移率，影响性能，甚至龟裂。2§2.1.2半导体生产中常用的半导体膜常见的半导体薄膜半导体膜硅锗砷化镓§2.1.2半导体生产中常用的半导体膜常见的半导体薄膜半导体膜硅锗砷化镓硅的结构Si，14号，深灰色、带蓝色调立方体（金刚石型）结构共价键结合随温度升高，电导率增大，1480℃左右达到最大，超过1600℃后又随温度的升高而减小；与单质反应：Si+O₂==SiO₂，Si+2F₂==SiF₄Si+2Cl₂==SiCl₄高温真空条件下可以与某些氧化物反应：2MgO+Si==Mg(g)+SiO₂与酸反应：只与氢氟酸反应：Si+4HF==SiF₄↑+2H₂↑与碱反应：Si+2OH⁻+H₂O==SiO₃²⁻+2H₂↑（如NaOH，KOH）硅的性质54单晶硅多晶硅无定型硅硅的分类晶体硅纳米硅集成电路硅片晶体硅多晶硅的性质熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。熔点1410℃，沸点2355℃溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸室温下质脆，切割时易碎裂加热至800℃以上即有延性，1300℃时显出明显变形。常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反应，熔融状态活性大多晶硅的用途

形成浅结扩散源

使得阈值电压下降，提高开关速度多晶硅栅高值电阻

太阳能电池形成单晶硅的基本材料太阳能电池单晶硅的结构与性质金刚石晶格，晶体硬而脆，金属光泽，导电能力且随着温度升高而增加，具有半导体性质。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅形成单晶硅性质

在半导体生产中主要用作外延层单晶硅应用单晶硅用作外延层分立器件中外延层集成电路中外延层锗的性质和用途性质稳定，常温下不与空气或水蒸汽作用，600～700℃，生成二氧化锗。与盐酸、稀硫酸不起作用。锗粉末状呈暗蓝色，结晶状，为银白色脆金属。原子排列与金刚石差不多12第一代半导体材料，熔点比硅低，禁带宽度约0.66eV（硅为1.11eV）3砷化镓的性质与用途Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，可以制成半绝缘的高阻单晶衬底GaAs中的电子在低电场下的迁移率较高，且易于生长成异质结构，有利于制造出超高速的晶体管与集成电路属于直接带隙型半导体材料，制作各种半导体发光器件§2.1.3半导体生产中常用的金属膜常见的金属薄膜金属膜铝铜钨钛及硅化物§2.1.3半导体生产中常用的金属膜常见的金属薄膜金属膜铝铜钨钛及硅化物

在基区和发射区、栅区及有源区形成欧姆接触

将IC里的各元件连起来，形成一个功能完善

而强大的IC。连接作用接触作用

阻挡Al与Si的互溶，防止结的穿通抗反射作用

降低Al表面反射率，有利于曝光阻挡作用导电膜在半导体生产中的应用铝的性质地壳中的含量丰富（第三），便宜，银白色轻金属，有延展性熔点660℃

，沸点2327℃化学性质活泼，易氧化，在干燥空气中铝的表面立即形成厚约50Å（埃）良好的导电性和导热性（20℃，电阻率2.65µΩ·cm）在硅和二氧化硅中有高的扩散率易淀积，易刻蚀与二氧化硅粘附型好铝的用途导热和导电能力应用于互连引线。比较软，可制成各种铝合金12保护膜，反射镜，金属陶瓷，炸药等312铝容易淀积，容易刻蚀3与硅、二氧化硅的粘附性较好纯Al材料的电阻率低,铝在20℃时具2.65µΩ·cm的电阻率）

超大规模集成电路中的铝膜特点67铝金属化中存在的问题铝硅的肖特基接触电迁移铝尖刺产生原因：铝硅接触时，较多的硅溶入到铝中，在硅中造成较大的空洞，铝就在某些接触点上象尖钉一样刺入到硅中铝尖刺产生的原因N+PNN+用于欧姆接触

作为电极接触的主要为欧姆接触（N+），肖特基接触（单向导电性）用于一些TTL电路中的箝位二极管铝硅的肖特基接触掺杂浓度>1019/cm3可以通过高掺杂来形成欧姆接触铝硅的肖特基接触N型硅衬底，掺杂浓度较低时-肖特基接触，当掺杂浓度增加时，电子的隧道穿透几率增加，成为主要的电流传输机构，转为欧姆接触型由于金属和半导体功函数的差和表面势的影响，使得铝硅接触常常呈肖特基接触12在大电流情况下，铝离子逆着电流方向移动的一种现象。定义

电子与铝原子的相互碰撞引起相互间的动能交换，称之为“电子风”.产生原因阳极：铝离子堆积，易形成小丘，造成两层之间的连线短路.造成结果阴极：铝离子损耗，易形成空洞，造成连线减薄而引起断路。电迁移产生的原因

结果:阳极：短路。

阴极：断路。电迁移产生的结果用铝硅合金代替纯铝加入1%重量的硅）

采用金属阻挡层结构铝阻挡层n+n+多晶硅硅化物介质场氧化具有金属阻挡层的铝硅接触

采用高掺杂消除铝硅接触中的肖特基现象铝金属化改进的方法

采用铝铜或铝硅铜合金来减少电迁移

采用三层夹心结构减少电迁移采用“竹节状”结构减少电迁移§2.1.3半导体生产中常用的金属膜常见的金属薄膜金属膜铝铜钨钛及硅化物

延展性好，导热性和导电性高，铜合金机械性能

优异，电阻率很低，1.75×10-8Ω·m

化学符号Cu，29号，红橙色带金属光泽，单质

紫红色，面心立方，抗磁性12

熔点1083.4±0.2℃，沸点2567℃4

与氧、硫、氯素、酸容易发生化学反应，可做催化剂3铜的性质铜连线的电阻R比铝连线小1减小功耗2更高的集成密度3减少工艺步骤5良好的抗电迁移能力4铜作为互连线的优点铜在氧化硅和硅中的扩散系数较快，漏电1难以利用常规等离子体刻蚀出图形2易被氧化，与二氧化硅的黏附性较差3铜作为互连线的缺点

钨插塞做第一层金属与源、漏、栅区的连接

铜在氧化硅和硅之间加一层阻挡层12在氮气或者惰性其他保护下，不被氧化4双大马士革工艺3铜互连问题采用的方法铜互连工艺(1)层间介质淀积，通孔刻蚀(2)阻挡层金属淀积，CVD淀积铜种子层(4)CMP抛光清除多余的铜(3)铜电镀铜双大马士革工艺82铜电镀工艺电镀过程中铜离子对已淀积铜表面的轰击，形成一种淀积/刻蚀/淀积的过程，提高其台阶覆盖和沟槽填充能力铜电镀工具第一步磨掉晶圆表面的大部分金属；第二步降低研磨速率的方法精磨与阻挡层接触的金属，并通过终点侦测使研磨停在阻挡层上；第三步磨掉阻挡层以及少量的介质氧化物，并用大量的去离子水（DIW）清洗研磨垫和晶圆两侧表面。铜的CMP工艺85SiO2用PECVD淀积内层氧化硅铜双大马士革工艺流程--SiO2

淀积86铜双大马士革工艺流程—Si3N4

淀积HDPCVD淀积厚250Å的Si3N4

刻蚀阻挡层Si3N487铜双大马士革工艺流程--Si3N4

刻蚀SiN干法刻蚀氮化硅，确定通孔图形和阻挡层88铜双大马士革工艺流程--SiO2

淀积SiO2为保留层间介质，PECVD淀积氧化硅89Photoresist铜双大马士革工艺流程—确定互连图形利用光刻确定氧化硅槽图形，带胶。在确定图形之前将通孔窗口放在槽里。90铜双大马士革工艺流程--刻蚀互连槽和通孔在层间介质氧化硅中干法刻蚀沟道，停止在Si3N4层。穿过Si3N4层中的开口继续刻蚀形成通孔窗口。91阻挡层金属铜双大马士革工艺流程--淀积阻挡层金属在槽和通孔的底部及侧壁用离子化的PVD淀积钽(TaN）和氮化钽扩散层。92铜种子层铜双大马士革工艺流程--淀积种子层用CVD.淀积连续的铜种子层，种子层必须是均匀的并且没有针孔。93铜层用电化学淀积(ECD).淀积铜填充，即填充通孔窗口也填充槽。铜双大马士革工艺流程--淀积铜填充94Copper用CMP清除额外的铜，这一过程平坦化了表面并为下道工序做了准备。最后的表面是一个金属镶嵌在介质内，形成电路的平面结构。铜双大马士革工艺流程—CMP清除多余的铜铝和铜之间特性和工艺的比较特性/工艺AlCu电阻率(

-cm)2.65(3.2forAl-0.5%Cu)1.678抗电迁徒LowHigh空气中抗侵蚀

HighLowCVD工艺YesNoCMP化学机械平坦化工艺YesYes双大马士革流程覆盖ILD层和CMP氮化硅刻蚀终止层

(光刻和刻蚀)第二层ILD淀积和穿过两层氧化硅刻蚀铜填充铜CMP传统互连流程氧化硅通孔2刻蚀钨淀积+CMP金属2淀积+刻蚀覆盖ILD层和CMP铝互连与铜互连工艺比较§2.1.3半导体生产中常用的金属膜常见的金属薄膜金属膜铝铜钨钛及硅化物

在基区和发射区、栅区及有源区形成欧姆接触

将IC里的各元件连起来，形成一个功能完善

而强大的IC。连接作用接触作用

阻挡Al与Si的互溶，防止结的穿通抗反射作用

降低Al表面反射率，有利于曝光阻挡作用导电膜在半导体生产中的应用PVDAl：台阶覆盖差，形成空洞CVDW：优异的台阶覆盖及填缝能力接触孔越来越小且窄，需要更强的填充能力12钨是难熔材料，熔点为：3417℃，在20℃时，体电阻率是52.8µΩ•cm4钨电阻率较高（1.7uΩ•cm），具有高深宽比的通孔填充能力，可作为局部互连或者填充（插塞）3钨的性质钨插塞1.厚氧化层淀积2.氧化层平坦化3.穿过氧化层刻蚀接触孔4.阻挡层金属淀积5.钨淀积6.钨平坦化1.穿过氧化层刻蚀接触孔2.铝淀积3.铝刻蚀早期金属化技术铝接触孔氧化硅(介质)在接触孔(通孔)中的钨塞氧化硅(介质)现代金属化技术多层金属的钨填充塞SiO2IC中的金属塞§2.1.3半导体生产中常用的金属膜常见的金属薄膜金属膜铝铜钨钛及硅化物

在基区和发射区、栅区及有源区形成欧姆接触

将IC里的各元件连起来，形成一个功能完善

而强大的IC。连接作用接触作用

阻挡Al与Si的互溶，防止结的穿通抗反射作用

降低Al表面反射率，有利于曝光阻挡作用导电膜在半导体生产中的应用105阻挡层金属铜用于铜互连结构的阻挡层对0.25µm工艺厚度为100nm；对0.35µm工艺厚度为400～600nm阻止铜扩散低薄膜电阻对介质材料和铜都有很好的附着与化学机械平坦化过程兼容具有很好的台阶覆盖，填充高深宽比能力允许铜有很小的厚度，占据最大的横截面积

铜互连中金属阻挡层的要求

TiSi2作为最常用的接触材料，常采用Ti的硅化物

自对准工艺Ti作为接触层，能有效去除氧，避免形成铝或钨的氧化物，降低接触电阻12

TiN能作为扩散阻挡层，有效防止铝或钨向衬底扩散，作为粘附层，提高钨与SiO2的粘附能力4

TiN可作为抗反射涂层（ARC），减少金属层在光刻工艺中的对光的反射3其他IC中常用的金属--Ti钛（Ti）的作用多晶硅作为栅极材料的优点能承受高温工艺，能实现源漏自对准工艺可方便调节功函数，降低开启电压

多晶硅作为互连材料的局限过高的电阻率，只适合局部互连多晶硅硅化物是一种具有热稳定性的金属化合物，在硅/难熔金属的分界面具有低的电阻率难熔金属与硅在一起发生反应，熔合时形成硅化物12用于减小许多源漏和栅区硅接触的电阻，常用的难熔金属有钛、钽、钴4多晶硅化物对减小连接多晶硅的串联电阻，保持了多晶硅对氧化硅好的界面特性3金属硅化物低的、类金属的电阻率1高温稳定性好2抗电迁移能力强3可作为接触材料，以及栅极和互连材料5与硅衬底接触电阻小，附着性好4金属硅化物的特点钛多晶硅化物钛硅化物多晶硅栅掺杂硅多晶硅上的多晶硅化物硅化物最低熔化温度(

C)形成的典型温度(

C)电阻率(

-cm)钴/硅(CoSi2)900550–70010–18钼/硅(MoSi2)1410900–1100100铂/硅(PtSi)830700–80028–35钽/硅(TaSi2)1385900–110035–45钛/硅(TiSi2)1330600–80013–25钨/硅(WSi2)1440900–110070硅化物的特性

烧结的温度

电阻率

TiSi2–C49

625–675

C

60–65

‧‧cmTiSi2–C54

800

C

10–15

‧cmTiSi2的退火自对准硅化物在源/漏和第一金属层之间电接触的面积是很小的。这个小的接触面积将导致接触电阻增加。一个可提供稳定接触结构、减小源/漏区接触电阻的工艺被称为自对准硅化物技术。自对准硅化物的主要优点是避免了对准误差。钛/钛钽阻挡层金属金属钨钛硅化物接触Siliconsubstrate多晶硅栅钛硅化物接触OxideOxideSourceDrain硅接触上的难溶金属硅化物2.钛淀积硅衬底1.有源硅区场氧化层侧墙氧化层多晶硅有源硅区3.快速热退火处理钛硅反应区4.去除钛TiSi2形成自对准金属硅化物的形成去除表面自