集成电路制造技术 （中篇共上中下3篇）

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/田丽扩散第四章扩散JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU4.1扩散机构4.2晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程4.3杂质的扩散掺杂4.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素4.5扩散工艺条件与方法4.6扩散工艺质量与检测4.7扩散工艺的发展目录CONTENTS4.1扩散机构晶体内的扩散是通过微观粒子-原子的一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在三维方向进行；主要有替位式、间隙式、替位-间隙式三种方式只有当晶体中的杂质存在浓度梯度时才会出现净的杂质移动。温度的高低则是决定杂质粒子跳跃移动快慢的主要因素。4.1扩散机构4.1.1替位式扩散Ws格点出现空位的概率为：由于有热涨落，按照玻尔兹曼统计规律，杂质跳过势垒Ws的概率为：跳跃率：空位浓度αε硅中的替位杂质：替位式扩散只有在高温下才可能实现4.1扩散机构4.1.2填隙式扩散Wi=0.6~1.2eVε按照玻尔兹曼统计规律，能量大于Wi的几率正比于：exp(-Wi／kT)跳跃率：室温下，Pi≈1次/min；随着温度升高跳跃率指数增加。kT=0.026eV填隙式扩散速率远大于替位式扩散4.1扩散机构4.1.3填隙--替位式扩散多数杂质即可以是替位式也可以是填隙式溶于晶体，并以填隙-替位方式扩散。其跳跃率随空位、自填隙原子等缺陷浓度的增加而迅速增加。在单晶硅中，不同的杂质以不同方式扩散：Ⅲ、Ⅴ族杂质以替位式扩散为主，称慢扩散杂质，如B、P、Sb、As等；Ⅰ族杂质是填隙式扩散，称快扩散杂质，如Na、K、H等；大多数过渡元素是填隙-替位式扩散，如：Au、Fe、Cu、Pt、Ni等。4.2晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程4.2.1扩散基本特点晶体中原子（或离子）以一定的对称性和周期性排列，其中的杂质原子与晶体原子的相互作用强，每一步迁移必须从热涨落中获取足够的能量以克服势垒，这限制了杂质原子迁移的方向和距离。温度的高低，晶体的结构与缺陷浓度，杂质原子的大小和运动方式是决定杂质扩散运动的要主因素。4.2晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程4.2.2扩散方程1.Fick第一定律在单位时间内通过垂直于扩散方向单位面积上的扩散物质流量为扩散通量J，它与该截面处的浓度梯度成正比：SiSiO2xD--杂质在衬底中的扩散系数J单位为：kg/m2.s或个/cm2.s4.2晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程4.2.2扩散方程2.Fick第二定律假设一段具有均匀横截面的长方形材料，考虑其中的小体积元Adx流入、流出的流量差为：AJ1J2dxxx+dx非稳态扩散过程，任一位置的杂质浓度随扩散时间而变化，有：--扩散方程

4.2晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程4.2.3扩散系数是描述扩散速度的重要物理量，它相当于单位浓度梯度时的扩散通量，D越大扩散越快。x,

wsEa–扩散激活能–表观扩散系数(m2/s)4.2晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程4.2.3扩散系数低浓度下实测各种杂质在硅和砷化镓中扩散系数快扩散杂质慢扩散杂质4.2晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程4.2.3扩散系数硅中杂质面的扩散系数扩散系数除与温度有关外，还与硅片晶向、晶格完整性、本体杂质浓度，以及扩散杂质浓度等因素有关。D–本征扩散系数De–非本征扩散系数4.3杂质的扩散掺杂扩散工艺是要在硅片的特定位置，掺入所需浓度及分布，有电活性的杂质。由扩散方程可以计算出杂质浓度及分布等关键工艺参数，包括：杂质的分布函数C(x);表面浓度Cs

结深xj掺入单位面积杂质总量Q4.3杂质的扩散掺杂4.3.1恒定表面源扩散简称恒定源扩散，指在整个扩散过程中杂质浓度始终保持不变，是硅片一直处于杂质氛围中，表面杂质浓度达到了该扩散温度的固溶度Ns。初始条件为：C(x，0)=0，x>0边界条件为：C(0，t)=Cs=NsC(∞，t)=0

erfc–余误差函数恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布4.3杂质的扩散掺杂4.3.1恒定表面源扩散恒定源扩散的杂质浓度分布

N-SiSiO2P-Six0xj结深：4.3杂质的扩散掺杂4.3.1恒定表面源扩散恒定源扩散的杂质浓度分布杂质总量：

杂质浓度梯度：4.3杂质的扩散掺杂4.3.2限定表面源扩散简称限定源扩散，指杂质在扩散前源积累于硅片表面薄层δ内，单位面积杂质总量Q为常量，在硅片外无杂质的环境氛围下进行的扩散。初始条件：边界条件：C(x,0)=Q/δ,0<x<δ

C(x,0)=0,x>δC(∞,t)=0

限定源扩散杂质浓度服从高斯分布4.3杂质的扩散掺杂4.3.2限定表面源扩散限定源扩散的杂质浓度分布表面杂质浓度:结深:杂质浓度梯度:4.3杂质的扩散掺杂4.3.2限定表面源扩散限定源扩散的杂质浓度分布4.3杂质的扩散掺杂4.3.3两步扩散工艺N-SiSiO2P-SixCsxjQ两步扩散工艺就是将恒定源扩散和限定源扩散结合起来，通过调整扩散温度和时间，实现控制掺入硅中杂质的表面浓度、杂质总量、结深等关键参数。第一步：称预淀积（或预扩散），是恒定源扩散，目的是在扩散窗口的硅表层扩入总量Q一定的杂质。第二步：称再分布（或主扩散），是限定源扩散，将预淀积在硅表层的杂质再进一步向片内扩散，目的是控制扩散窗口硅的表面浓度Cs和结深xj。4.3杂质的扩散掺杂4.3.3两步扩散工艺两步工艺杂质浓度分布两步扩散之后的杂质最终分布形式，将由具体工艺条件决定，是两个扩散过程结果的累加：当D1t1>>D2t2时预扩散起决定作用，杂质接近余误差函数形式分布。当D1t1<<D2t2时，主扩散起决定作用，杂质接近高斯函数形式分布。实际的扩散情况比较复杂：恒定源扩散硅表面杂质浓度难以控制限定源扩散硅表面的杂质总量会有所减少对结深影响最大的是扩散温度和时间，温度的影响更大。4.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素杂质的实际分布与理论分布存在偏差，主要原因为：扩散系数在某些场合不是常数；实际扩散过程中存在横向效应；硅衬底的晶向、晶格完整性等也对扩散速率、杂质分布有影响；还有Fick定律解释不了的效应：氧化增强扩散、发射区推进、场助扩散等效应。4.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素4.4.1硅中点缺陷对杂质扩散的影响1.空位的影响各种空位的扩散系数和激活能都与其荷电状态有关，假设各自都是独立的，则，本征扩散系数：Di=Di0+Di-1+Di+1+Di+2+…各种杂质-空位复合体，也有不同的激活能和扩散常数，假设也都是独立的，则，非本征扩散系数：

--C>Ci

≈1019原子/cm34.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素4.4.1硅中点缺陷对杂质扩散的影响2.填隙原子的影响填隙机制同空位机制一样能促成替位杂质的扩散运动，如：硅原子踢出晶格位置上的杂质原子促成扩散，或反之踢出与填隙扩散共同作用促成扩散多数是杂质如硼和磷，是靠两种机制进行扩散的，哪一种机制占主要地位取决于具体杂质和工艺。4.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素4.4.2氧化增强扩散在热氧化过程中原存在硅内的某些掺杂原子显现出更高的扩散性，称为氧化增强扩散(OED)。N-Si，CB<1019P-Si氮化硅氧化层BOED硼、磷在氧化气氛中的扩散存在明显增强现象，砷也有此现象。原因是氧化诱生堆垛层错产生了大量自填隙Si，而填隙-替位式扩散中的“踢出”机制提高了扩散系数。4.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素4.4.2氧化增强扩散氧化阻滞扩散现象P-Si，CB<1019N-Si氮化硅氧化层Sb氧化阻滞扩散锑有氧化阻滞扩散现象。因为锑扩散是以替位方式进行，氧化层错带来的自填隙硅不断填充空位，降低了窗口下空位的浓度，锑在氧化气氛中的扩散被阻滞，使得氧化窗口下方的扩散结变浅。4.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素4.4.2氧化增强扩散氧化增强扩散系数在氧化过程中，填隙硅原子的浓度是由氧化速率和复合速率决定，所以在氧化过程中的扩散系数是氧化速率的函数。氧化引起的增强扩散系数：氧化增强与硅表面的取向有关，在干氧氧化时，氧化增强的效果按(111)、(110)、(100)的顺序递减。

n=0.2-0.34.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素4.4.3发射区推进效应又称发射区陷落，在npn窄基区晶体管制造中，如果基区和发射区分别扩硼和磷，发现发射区正下方的基区(称内基区)要比不在发射区正下方的基区(称外基区)深，即在发射区正下方硼的扩散有了明显的增强。N-SiP-Siδ扩PN-Si基区集电区发射区是由于磷扩时，磷与空位相互作用形成的PV对会发生分解，增加了空位的浓度，而加快了陷落区域(δ)硼的扩散速度。4.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素4.4.4横向扩散效应N-SiSiO2P-Si硅内浓度比表面浓度低两个数量级以上时，横向扩散的距离是纵向扩散的0.74-0.85倍，浓度高时是纵向的0.65-0.7倍。恒定源扩散限源

扩散4.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素4.4.4横向扩散效应对于经过扩散掺杂的衬底，杂质浓度在横向是均匀的，但在纵向则递减，若在这种衬底上扩散，窗口边缘处的横向扩散结深将明显小于纵向扩散结深。横向扩散的存在，直接影响ULSI的集成度。45.4热扩散工艺中影响杂质分布的其它因素4.4.5场助扩散效应是指施主杂质或受主杂质在硅中的扩散，是以电离后的离子和电子或空穴各自进行的扩散运动。电子或空穴的扩散速度比离子快，在硅内形成内建电场E，电场方向正好起着帮助运动较慢的离子加速扩散作用。C>1019原子/cm3时，D不再是常数。PP+P+P+___EBB-B-B-+++E4.5扩散工艺条件与方法4.5.1扩散方法的选择开管扩散：扩散的重复性和稳定性都好，而且扩散方便，价廉，但是污染大，对于毒性大的杂质源不能采用。闭管扩散：扩散的均匀性、重复性较好，扩散时受外界影响少，但是效率低，每次破碎石英管。在大面积深结扩散时常采用这种方法。4.5扩散工艺条件与方法4.5.1扩散方法的选择箱法扩散工艺简单、成熟，既有闭管扩散的特点，又有开管扩散的优点，但是扩散时间长、效率较低，双极型集成电路的埋层扩散，通常采用箱式锑扩散。氧化物源扩散在硅片表面上淀积掺有某种杂质的氧化层，再分布扩散。工艺不够成熟，重复性较差。涂源法扩散把溶于溶剂中的杂质源直接涂在硅片表面，进行再分布扩散。表面浓度难以控制，均匀较差。箱法扩散设备4.5扩散工艺条件与方法4.5.2杂质源选择固态源用法便利，对设备要求不高，是应用较多的扩散源，主要有BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等陶瓷片或粉体源。液态源操作方便，生产效率高，重复性和均匀性都较好，在大量生产中应用较多，主要有POCl3、BBr3等。气态源主要有PH3、AsH3、BCl3等，这些气体的毒性大，且易燃易爆，实际生产中很少采用。液态源扩散4.5扩散工艺条件与方法4.5.2杂质源选择还应考虑下面几点：对所选择的杂质，SiO2掩膜应能起着有效的掩蔽作用；在硅中的固溶度要大于所需要的表面浓度；相继扩散杂质的扩散系数应搭配适当，先扩的应小，后扩的大；纯度高，杂质电离能小，使用方便、安全等。4.5扩散工艺条件与方法4.5.3常用杂质的扩散工艺1.硼扩散（以NPN晶体管基区扩散为例）硼是使用最多的P型杂质，在硅中的最大固溶度为4×1020原子/cm3；与硅原子半径相差较大，有伴生应力缺陷，能造成晶格损伤。硼扩原理2B2O3+3Si→4B+3SiO2

选源通常使用BN陶瓷片源，必须活化

活化反应：4BN+3O2→2B2O3+2N2工艺两步工艺，第一步预淀积为恒定源扩散；第二步再分布为限定源扩散，同时生长氧化层。与Si表面化学反应：4.5扩散工艺条件与方法4.5.3常用杂质的扩散工艺B扩工艺流程清洗→预淀积→漂硼硅玻璃→再分布→测方块电阻预淀积工艺条件：T≈985℃，t≈20min，N2保护0.5L/min。漂硼硅玻璃，是用10%的HF漂掉扩散窗口表面的BSG。再分布工艺条件：T≈1170℃，干氧10min-湿氧（水温95℃）40min-干氧10min。测方块电阻，通过测方块电阻来了解掺杂情况。n-SiSiO2p-siBSGP-Si4.5扩散工艺条件与方法4.5.3常用杂质的扩散工艺2.磷扩散（以NPN晶体管发射区扩散为例）磷是使用最多的n型杂质，在硅中的最大固溶度可达1021原子/cm3，与硅原子半径相当，伴生应力缺陷小。硼扩原理2P2O5+5Si→4P+5SiO2选源通常使用含P2O5陶瓷片源。工艺与硼扩相近的两步工艺，只是中间不漂磷硅玻璃。n-SiSiO2P-Sin-Sin-Si预淀积工艺条件：T≈1170℃，t≈12mim，N2保护0.5L/min。再分布工艺条件：T≈970℃，干氧5min-湿氧（水温95℃）25min-干氧7min。4.5扩散工艺条件与方法4.5.3常用杂质的扩散工艺NPN晶体管杂质分布Nx5×102010183×1016N+PNN型erfc分布P型高斯分布N型衬底0XebjXbcjNx发射区基区集电区B扩：D1t1<<D2t2杂质近似为高斯分布P扩：D1t1>>D2t2杂质近似为服从余误差分布4.5扩散工艺条件与方法4.5.3常用杂质的扩散工艺3.砷与锑扩散

DAs、DSb

是DP、DB

的十分之一，因此适于作为前扩散杂质，如埋层扩散或浅结扩散的杂质。As的扩散方式一般是采用闭管式，源为3%砷粉末，固溶度最高Cs=2×1021原子/cm3。Sb的一般是采用箱式，源为Sb2O5固态粉末源，固溶度最高Cs=2-5×1019原子/cm3。4.6扩散工艺质量与检测评价扩散质量的工艺参数主要有：结深xj，杂质表面浓度Cs，方块电阻R□。工艺参数的获取方法：解扩散方程可以得到计算值对扩散后芯片检测：xj、Cs、R□另外，通过测量扩散后芯片的电学特性：pn结的I-V曲线等，也能了解扩散工艺情况。4.6扩散工艺质量与检测4.6.1结深的测量1.结深的计算n-SiSiO2P-SixjC(x,t)为余误差分布时：C(x,t)高斯分布时：4.6扩散工艺质量与检测4.6.1结深的测量2.结深的测量测量方法主要有：磨角染色法，扩展电阻法，阳极氧化剥层法等磨角染色法磨角：放大pn结尺寸染色：Si能从CuSO4染色液中置换出Cu，且在Si表面上形成红色Cu镀层，而N-Si的电位低于P-Si的电位，因此会先在N型Si上有Cu析出，停止染色，这样就把P-N结明显的显露出来。测量：在显微镜下测量结深4.6扩散工艺质量与检测4.6.2表面浓度的确定1.估算表面浓度恒定源扩散：Cs=Ns(T)限定源扩散：由薄层电阻的定义，次表面层薄层电阻：4.6扩散工艺质量与检测4.6.2表面浓度的确定表面浓度的间接测量Cs与R□、xj三者之间存在对应的关系，已知其中的两个，第三个就唯一地被确定，从而具有确定的杂质分布。Cs值：测量结深和方块电阻值，由查表获得Cs

4.6扩散工艺质量与检测4.6.3器件的电学特性与扩散工艺的关系1.击穿电压和反向漏电流(a)软击穿：当pn结的表面被杂质沾污，Si/SiO2界面存在界面态时，会导致表面复合中心大量存在，引起表面漏电，造成软击穿。(b)低压硬击穿：产生的原因很多，如pn结有较大的局部尖峰或过窄，硅层错、位错密度较高，以及扩散层上的合金点等都会造成低击穿。N-SiP-SiSiO2-V4.6扩散工艺质量与检测4.6.3器件的电学特性与扩散工艺的关系1.击穿电压和反向漏电流(c)靠背椅击穿：又称沟道击穿，是由表面沟道效应所引起。(d)分段击穿：硅片内存在局部薄弱点，如层错、位借密度过高，光刻图形边缘不整齐，扩散层表面存在合金点引起。N-SiP-Si

----++++++++++4.6扩散工艺质量与检测4.6.3器件的电学特性与扩散工艺的关系2.β值N-SiP-SiSiO2N-Siebc基区宽度β值与基区宽度有关，越窄β就愈大。若β偏小，可以通过提高发射极磷扩温度或延长扩散时间，使基区变薄；体复合与表面复合严重也能造成β偏小，这与硅单晶缺陷和杂质种类有关，尽量选用晶格完好的硅片，选半径与硅相当杂质，采用低温工艺。应加强工艺卫生，避免引入沾污。特殊字体双击安装安装后重启PPT请先安装字体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/田丽离子注入第五章离子注入JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU5.1概述5.2离子注入原理5.3注入离子在靶中的分布5.4注入损伤5.5退火5.6离子注入设备与工艺5.7离子注入的其它应用5.8离子注入与热扩散比较及掺杂新技术目录CONTENTS5.1概述什么是离子注入：将含杂质的化合物分子电离，在强电场作用下离子被加速射入靶材料的表层，以改变这种材料表层的性质。离子注入过程用离子注入方法，将一定剂量的Ⅲ、Ⅵ族杂质注入到半导体晶片的特定区域，再进行退火，激活杂质，修复晶格损伤，从而获得所需的杂质浓度，形成pn结。5.2离子注入原理5.2.1与注入离子分布相关的几个概念射程R：离子在靶内移动的总路线长度；投影射程xP：在入射方向上离子射程的投影距离；射程的横向分量xi：在与入射方向垂直的方向上离子射程的投影距离。R=l1+l2+l3…射程分布：大量入射离子投影射程的统计分布，即靶内入射离子浓度分布注入离子的二维分布5.2.1与注入离子分布相关的几个概念投影射程标准偏差（

Rp）：是平均投影射程的统计波动平均投影射程（Rp）：正是离子浓度最大值位置横向标准偏差（

R

）：是射程的平均横向分量的统计波动。

5.2离子注入原理入射离子与原子核的碰撞，即核阻挡的能量损失过程；入射离子与电子的碰撞，即电子阻挡的能量损失过程。在集成电路制造中，注入离子的能量一般为5~500keV，进入靶内的离子不仅与靶内的自由电子和束缚电子发生相互作用，而且与靶内原子核相互作用。LSS理论认为注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的部分：5.2.2离子注入相关理论基础5.2离子注入原理能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到原子核上，结果使离子改变运动方向，而靶原子核可能离开原位，成为间隙原子，或只是能量增加。碰撞参数p≤r1+r2核阻止本领（Sn）：能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。1.核碰撞5.2.2离子注入相关理论基础5.2离子注入原理碰撞参数p≤r1+r2正面碰撞，p=0，能量转移最大：假设注入离子与靶内原子之间是弹性碰撞忽略外围电子的屏蔽，注入离子与靶内原子间势函数：

考虑电子屏蔽时离子与靶核之间相互作用势函数：

核阻止本领5.2离子注入原理托马斯•费米屏蔽函数核阻止本领（核能量损失率）与入射离子能量关系最简屏蔽函数：

核阻止本领5.2离子注入原理2.电子碰撞注入离子与靶内白由电子及束缚电子之间的碰撞。电子阻止本领和入射离子的速度成正比：单位路程上注入离子的总能量损失：

注入离子与靶内原子核周围电子云通过互作用，使离子失去能量，束缚电子被激发或电离、自由电子发生移动，而且会瞬时形成电子-空穴对。电子阻止本领：125.2.2离子注入相关理论基础5.2离子注入原理5.2.3几种常用杂质在硅中的原子阻止本领与能量关系离子原子量与硅比较H+1轻B+11轻O+16轻Si28p+31接近BF2+11+2×19重Ge+72.5重As+75重Sb+122重5.2离子注入原理5.2离子注入原理

核阻止本领和电子阻止本领曲线5.2离子注入原理高能离子与低能离子高能离子注入不同深度核与电子阻止本领的对比5.3注入离子在靶中的分布5.3.1纵向分布设注入离子初始能量为E0，求进入靶面后的射程：射程R与平均投影射程Rp和投影标准偏差ΔRp之间的关系为:E和R的缓变函数M1>M2;b=1/3一束离子射入非晶靶，因注入离子在靶内受到的碰撞是随机的，所以注入离子射程也是按几率分布。0x(atoms/cm3)(atoms/cm2)高斯分布函数5.3注入离子在靶中的分布5.3.1纵向分布5.3.2横向效应

5.3注入离子在靶中的分布5.3注入离子在靶中的分布杂质注入到非晶硅靶中的等浓度曲线不同杂质，在E0相同，原子量越小，横向效应越大，注入的也越深。同种杂质，随着E0增加，横向效应逐渐变大，注入的也逐渐变深。无定形硅靶中B、P和As的ΔRp、ΔR⊥与E0关系5.3注入离子在靶中的分布横向效应的影响35keV注入As120keV注入As5.3注入离子在靶中的分布5.3.3单晶靶中的沟道效应(111)Si(100)Si(110)Si1.8Å硅片倾斜旋转后无序方向离子束准确地沿着晶向注入，进入沟道的离子几乎不会受到原子散射，这部分离子能量损失小，将穿过较大距离，这种现象称为沟道效应。5.3注入离子在靶中的分布临界角

晶轴方向上面是〈111〉Si，下面是〈100〉Si注入离子束与靶片晶向夹角比Ψc大得多时，很少发生沟道效应，可用临界角来描述发生沟道效应的界限。硅中常用杂质的临界角与能量关系5.3注入离子在靶中的分布沿Si<110>晶向的沟道效应由于沟道效应的存在，在晶体中的注入离子浓度将偏离高斯分布函数，实际浓度分布中出现一个相当长的“尾巴”。Rp偏离<110>晶向8°5.3注入离子在靶中的分布表面非晶层对于沟道效应的作用为避免沟道效应，实际离子注入常隔着氧化层进行；或用Si，Ge，As等离子先预注入，使窗口表面形成非晶层，然后再注入杂质离子。5.3注入离子在靶中的分布增大注入剂量对沟道效应的作用产生了非晶化层5.3.4影响注入离子分布的其它因素5.3注入离子在靶中的分布背散射：指高能离子束入射到靶片时，一小部分与表面原子弹性散射，而从靶片表面反射回来的现象。轻离子注入：由于靶原子核的大角度反向散射，会引起在峰值与表面一侧有较多的离子堆积。5.3.4影响注入离子分布的其它因素4.3注入离子在靶中的分布重离子注入：与靶原子核的散射角小，会引起比峰值更远一侧有较多的离子堆积。注入离子越轻平均投影射程越远，射程标准偏差也越大。5.3注入离子在靶中的分布常用杂质在Si、SiO2中E0与Rp及ΔRp、ΔR⊥5.4注入损伤高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞，可能使靶原子发生位移，位移原子还可把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的空位(V)－间隙原子(I)对，以及其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。(Si)SiSiI+SiV5.4注入损伤5.4.1级联碰撞碰撞：有弹性和非弹性碰撞。移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子，又称反冲原子。移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位所需的最小能量，硅原子：Ed≈15eV。级联碰撞：指碰撞中靶原子位移，该移位原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移的现象。5.4注入损伤入射离子与靶原子碰撞的三种情况：EE<Ed

，无移位原子，表现为宏观热能。Ed<E<2Ed

，只能使一个原子移位，出现第一级反冲原子。E>2Ed

，发生级联碰撞，出现第二级反冲原子、第三极反冲原子…，产生大量空位与自间隙原子。级联碰撞使大量靶原子移位，导致晶格高密度损伤。对于同种类靶（如硅片），不同注入离子的级联碰撞情况不同。5.4注入损伤5.4.2简单晶格损伤每次碰撞传给靶原子的能量小，只能产生少量移位原子。同时，入射离子散射角度大，运动方向变化就大。轻离子注入产生的损伤密度小，不重叠，但区域较大，呈锯齿状。每次碰撞传输给靶原子的能量大，易发生级联碰撞。同时，入射离子散射角小，射程较短。在小体积内有较大损伤。重离子注入所造成的损伤区域小，损伤密度大。轻离子入射：重离子入射：在临界剂量开始形成连续非晶层5.4注入损伤5.4.3非晶层的形成晶格损伤有三种：点缺陷损伤复合体非晶层晶格损伤主要与注入离子剂量、质量、能量、剂量率，以及靶温有关：注入剂量越大，晶格损伤越严重。简单晶格损伤临界剂量5.4注入损伤临界剂量注入离子原子量越小，临界剂量越大；靶温升高，临界剂量上升；注入离子能量升高，临界剂量降低；注入离子剂量率上升，临界剂量下降；沿某晶轴方向入射，临界剂量高于随机入射。5.5退火离子注入后必须进行退火，就是将硅片在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩散进入替位，有电活性；并修复晶格，使损伤区域“外延生长”为晶体，恢复或部分恢复硅的迁移率，少子寿命。退火效果与温度、时间、方式有关。常规退火温度越高、时间越长效果越好。5.5退火5.5.1硅材料的热退火特性考虑效果修复晶格：退火温度在600oC以上，时间最长可达数小时。杂质激活：退火温度在650－900oC，时间10－30分钟。退火工艺条件取决于注入离子质量、剂量、能量、靶温、晶格损伤类型，以及退火效果等。另外，还应考虑高温时的杂质再分布现象。注入剂量低剂量简单损伤，在较低温度下退火就可以消除。高剂量形成非晶区，400℃时硅中无序群才开始分解，在550-600℃硅重新结晶，杂质随着结晶进入格点电激活。5.5退火5.5.2硼的退火特性ions/cm2低于500℃Ⅰ区或高于600℃Ⅲ区，p/Ns都随温度上升而单调增大；在500~600℃的Ⅱ区，出现逆退火现象。逆退火现象低剂量注入，p/Ns随温度上升而单调增大。高剂量注入，可以将退火温度分为三个区：5.5退火硼逆退火现象产生原因分析晶格损伤以点缺陷为主，低于500℃时，随退火温度上升间隙硼与空位复合几率增加，电激活比例增大；温度升高在500-600℃范围时，点缺陷通过重新组合或结团，凝聚为位错环等缺陷团。因为硼原子小，并和缺陷团有很强的作用，易从格点位置又迁移或被结合到缺陷团中，因而出现随温度的升高而替位硼的浓度反而下降的逆退火现象。超过600℃空位浓度增加，硼进入空位，所以硼的电激活比例又随温度上升而增加。5.5退火5.5.3磷的退火特性较低剂量注入，退火特性与硼相似，

p/Ns随温度上升而单调增大。当剂量大于1015/cm2时，损伤区为非晶层，出现了不同退火机理，温度不到600℃，就发生了无定形层的固相外延生长。磷与硅没有区别地同时以替位方式结合入晶格，完全退火。5.5退火5.5.4高温退火引起的杂质再分布注入区的杂质，即使在比较低的温度退火，扩散效果也非常显著，这是因为离子注入的晶格损伤造成硅内空位密度及其它缺陷数量大增的缘故。热退火过程中的扩散是增强扩散。退火时间为35分钟5.5退火5.5.5二次缺陷二次缺陷二次缺陷就是退火留下的复杂损伤。二次缺陷随离子注入剂量及退火温度而变化。可以影响载流子迁移率、少子寿命等，因而直接影响半导体器件的特性。离子注入后进行热氧化时，还会产生更大的层错和位错环，称为三次缺陷。三次缺陷可使二极管的反向漏电流变大。5.5退火5.5.6退火方式及快速热处理技术快速退火都是在瞬时将硅片的某个区域加热到高温，一般在100秒内就完成了退火，因此，避免了杂质再分布，降低了二次缺陷。5.5退火快速热处理技术快速热处理（Rapidthermalprocessing,RTP）是将晶片快速加热到设定温度，进行短时间快速热处理的方法，热处理时间在10-3-102s之间。近年来，RTP已成为IC制造必不可少的工艺技术，被用于快速热氧化、离子注入后的退火、金属硅化物的形成和快速热化学薄膜淀积等。RTP设备内部示意图5.6离子注入设备与工艺5.6.1离子注入机中科院沈阳科仪设备5.6离子注入设备与工艺离子注入设备5.6离子注入设备与工艺5.6.2离子注入工艺流程选源→制备掩膜→（确定工艺方法、参数）注入→退火1.选源根据掺杂类型、用途来选取采用那种源，常用气态源BF3，BCl3，PH3，ASH3。掩膜厚度由掩蔽效果确定，一般要求掩蔽效达99.99%。2.制备掩膜光刻胶、二氧化硅、金属等多种材料薄膜都可以作为掩膜使用，5.6离子注入设备与工艺3.确定工艺方法、参数直接注入，硅片偏转大于临界角间接注入，通常是隔着SiO2膜注入先注入Si+、Ge+、Sb+使硅表面非晶化再注入所需离子，（ions/cm2）为防止沟道效应，可采取的方法：剂量：1011~1018ions/cm2能量：5–500keV流量：1012-1014ions/cm2.s注入工艺参数：离子剂量理论上可由离子电流计算:5.6离子注入设备与工艺4.退火温度/℃时间/min效

果45030杂质电活性部分激活，迁移率20~50%恢复。550同上低剂量B（1012ions/cm2）激活，迁移率50%恢复。600同上非晶→单晶，大剂量P（1015ions/cm2）激活，迁移率恢复达50%。800同上大剂量B，20%激活，其他元素50%激活。95010杂质全部激活，迁移率、少子寿命恢复。典型热退火工艺条件及效果5.7离子注入的其它应用5.7.1浅结的形成随着芯片特征尺寸的缩小，结深要求越来越浅，而现代掺杂工艺的最大挑战是超浅结的形成。形成浅结的方法主要有：降低注入离子能量;分子注入法，如B+注入采用BF2+，在Si中分解出原子B;预先非晶化：先注入Si+、Ge+、Sb+，再注入所需离子，如B+。5.7离子注入的其它应用5.7.2调整MOS管的阈值电压VTn-SiPPSiO2VT

SiO2SiO2BMOS管VT可定义为：使硅表面处在强反型状态下所必须的栅压。通过薄的栅氧化层进行沟道区域注入，然后经过适当退火达需要的杂质浓度，便能实现调整VT的目的。5.7离子注入的其它应用5.7.3自对准硅栅结构n-SiSiO2PSi栅n-SiSiO2PAlXj0.8Xj扩散形成寄生电容大B5.7离子注入的其它应用5.7.4离子注入在SOI结构中的应用O+4×1017~2×1018atoms/cm2→退火→外延A氧化→注氢H+5×1016atoms/cm2→两步热处理键合B注氧注氧隔离（SIMOX）技术制作SOI片的工艺流程：智能剥离（SmartCut）技术制作SOI片的工艺流程：5.8离子注入与热扩散比较及掺杂新技术5.8.1离子注入与热扩散技术比较内容热扩散离子注入动力高温、杂质的浓度梯度，平衡过程动能，5-500KeV，非平衡过程杂质浓度受固溶度限制掺杂浓度过高、过低都无法实现浓度不受限结深结深控制不精确，适合深结结深控制精确，适合浅结横向扩散严重，约是其纵向扩散线度的0.75-0.87倍较小，在快速退火时，几乎可忽略均匀性电阻率波动约5%以上电阻率波动约1%温度高温工艺，约在950~1170℃常温注入，热退火温度约在600~950℃掩膜二氧化硅光刻胶、二氧化硅或金属薄膜工艺卫生易沾污高真空、常温注入，清洁晶格损伤小损伤大，退火也难以完全消除设备、费用设备简单、价廉复杂、费用高应用深层掺杂，如大功率器件浅结的超大规模电路5.8离子注入与热扩散比较及掺杂新技术5.8.2掺杂新技术掺杂技术工艺描述优点缺点等离子体浸没掺杂（PIIID）硅片放在邻近等离子体源的加工腔中，被等离子体包围。在放置硅片的电极上施加负高压，掺杂离子将被加速，穿过鞘区进入硅中低能量、高剂量，高激活程度，不受尺寸限制，设备简单硅片会被加热，污染源较多，与光刻胶有反应、难以测定放射量投射式气体浸入激光掺杂(P-GILD)硅片被浸在杂质气氛（如BF3、PF5、AsF5）中，用一个激光器将杂质淀积在硅片上，用第二个激光器将硅浅表层熔化，杂质被推入硅内突变杂质分布、高激活程度、无需退火、热处理在纳秒量级、污染少工艺复杂、需预注入结深不均匀、杂质分布难控、工艺不成熟离子淋浴掺杂（

ISD）设备系统在接近等离子体处有一系列的栅格，通过高压反偏从等离子体中抽出掺杂离子，离子将被加速进入硅中从大面积等离子体中得到注入离子，整个硅片是同时注入引入载气原子，带来剂量误差注入过程光刻胶分解一、

概述2.2离子注入相关理论基础1.核碰撞四级标题字体：正文中文：思源黑体CNMedium思源黑体CNNormal英文：TimesNewRomanCambriaMath基础字号：28

色调：一级标题二级标题三级标题请老师确认模板中使用的元素是否符合需求可用使用四级标题备注：封面为了效果更突出，用了思源宋体，如果不需要可以直接更换为思源黑体即可特殊字体双击安装安装后重启PPT请先安装字体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