集成电路制造技术 课件 第四章 薄膜工艺

薄膜工艺张睿ruizhang@浙江大学集成电路先进集成电路制造技术研究所薄膜沉积的应用微电子工艺与薄膜沉积3微电子工艺几乎全部是“二维”工艺，即平面工艺微电子工艺与薄膜沉积4平面器件中的薄膜32nm技术节点外延CVDALDPVD/CVD/ALDCVD微电子工艺与薄膜沉积5三维器件中的薄膜22nm技术节点CVDALDALDCVD微电子工艺与薄膜沉积6下一代器件中的薄膜Beyond7/5nm技术节点ALDCVD课程内容SiO2薄膜的沉积（氧化）物理气相沉积化学气相沉积7SiO2薄膜的沉积二氧化硅（SiO2）9热氧化二氧化硅非晶态密度：2.2g/cm3良好的绝缘体

电阻率>1020Ohm*cm

禁带宽度>8eV

击穿电压>10MV/cm完美的钝化层 SiO2/Si界面态密度<1011cm-2eV-1热氧化的原理示意图10热氧化炉热氧化的原理示意图11Si+O2=SiO21000oC750oCN2N2+5%O2N2温度时间SiSi46%54%二氧化硅（SiO2）的应用12栅氧化层（界面钝化层）绝缘层（电学隔离）硬掩模封装层光学隔离栅氧化层13SiO2很容易在Si表面生长SiO2/Si界面具有很小的界面态密度（<1011cm-2eV-1）SiO2SiONHK/MG栅氧化层14SiO2具有很好的绝缘特性

击穿电压>10MV/cm，Eg>8eVEcEvehSiO2Al2O3La2O3Y2O3HfSiO4HfO2ZrO2LaAlO3Si3N4Ta2O5TiO2EcEvSi界面钝化层15Intel22nmNode界面钝化层16SiO2Intel14nmNode绝缘层（电学隔离）17利用SiO2作为器件电学隔离结构：Localoxidationofsilicon(LOCOS)

热氧化SiO2（本章）Shallowtrenchisolation(STI)

化学气相沉积（后续章节）绝缘层（LOCOS）181，半凹陷（Semi-recessed）隔离图形光刻(绝缘层刻蚀)热氧化氮化硅刻蚀SiSiSiSiO2SiO2Si3N4PadoxideBird’sbeak绝缘层（LOCOS）192，全凹陷（Fully-recessed）SiSiSiO2Si3N4PadoxideBird’sbeakSiSiO2隔离图形光刻(绝缘层刻蚀、

硅刻蚀)热氧化氮化硅刻蚀绝缘层（STI）20SiSi3N4PadoxideSiSi

隔离图形光刻(绝缘层刻蚀、

硅刻蚀)

氧化硅沉积(PECVD）

氮化硅刻蚀或CMP封装层（13层）金属配线间通过氧化硅（厚度可达1~2微米）隔开21硬掩模22掺杂离子在氧化硅中的扩散速率远远小于硅中的扩散速率SiSiO2SiO2硅表面氧化时的一般图像-123SiSiO2滞流层CGCSCOCIXOXF1气体流动F2气体扩散F3化学反应(1)(2)(3)(4)硅表面氧化时的一般图像-224SiSiO2F3dXox(5)步骤分解及数学表达25(1)(3)(4)(2)(5)扩散系数26氧化速率的解析表达27其中：氧化速率的解析表达28当t很小：当t很大：厚度时间硅热氧化的速率29热氧化硅颜色图30物理气相沉积物理气相沉积（PVD）蒸镀：蒸镀源获得能量，蒸发变为气态，吸附在衬底表面固化为薄膜溅射高能粒子（一般为Ar+）撞击靶材，使靶材中的原子获得能量飞出，吸附在衬底表面形成薄膜32蒸镀源（靶材）材料≈薄膜材料蒸镀的原理33为什么高原上煮饭一定要用高压锅？为什么气压低水的沸点会降低？蒸镀的原理34液体的沸腾（液态→气态）以Al的蒸镀为例：1，液态Al沸腾时：Al的蒸气压=环境压强（PAl=P0）2，Al的蒸气压=k*温度*Al的质量分数（PAl=kT*Al%）如何降低蒸镀的温度？1，降低环境压强（抽真空）2，高纯蒸镀源蒸镀技术与真空技术35蒸镀主要方法1：热蒸镀36利用电阻丝加热蒸镀源，使源蒸发真空衬底电阻丝源蒸镀主要方法1：热蒸镀37典型的电阻丝结构蒸镀主要方法1：热蒸镀38热蒸镀的缺陷活泼金属（高温下易氧化）难熔金属（高温下不沸腾）蒸镀主要方法2：电子束蒸镀39利用电子束照射加热蒸镀源，使源蒸发热蒸镀vs.电子束蒸镀40热蒸镀电子束蒸镀源的材料低、中等熔点金属低~高熔点金属氧化物、氮化物真空度中等高源盒（可能污染源）有无环境/衬底温度高低溅射的原理41等离子体部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质溅射的原理42溅射的原理电子被被磁场限制在靠近靶材表面的区域内，碰撞Ar原子产生Ar+，Ar+撞击靶材，靶材原子获得能量飞出，沉积在衬底表面形成薄膜溅射的特点43溅射的缺点1，电子与Ar原子碰撞概率较低：成膜速度慢2，电子直接轰击靶材：靶材温度高3，成膜时有电荷同时到达衬底：静电损伤4，Ar污染溅射的优点1，成膜均匀，附着力强2，成膜材料广泛：金属、非金属、半导体、……化学气相沉积化学气相沉积（CVD）45反应源（一般为气体）在腔体内发生化学反应，反应产物沉积在衬底表面形成薄膜

金属：WF6+H2→W+HF

半导体：SiH4→Si+H2

氧化物：SiH4+O2→SiO2+H2O

氮化物：SiN4+NH3→Si3N4+H2源→化学反应→薄膜材料源的材料≠薄膜材料化学气相沉积（CVD）46原子层沉积（ALD）将反应源按顺序轮流注入反应腔，使薄膜在衬底表面逐层生长等离子增强化学气相沉积（PECVD）利用低温等离子体作为能量源，使反应在低温发生，实现薄膜的沉积PECVD的原理47PECVD的原理真空等离子体SiH4O2SiH4+O2=SiO2+H2OSiO2衬底SiO2SiPECVD的特点48PECVD的特点生长速度快：一般可达几十至上百纳米每分钟3D表面覆盖：可用于一般曲面的均匀成膜薄膜纯度高、致密度高等离子体损伤生长过程容易受到气体、等离子浓度的影响难以生长薄膜（生长初期成膜速度波动很大）原子层沉积（ALD）49AtomicLayerDeposition,ALDALD的原理50ALD的原理一种或几种源轮流进入反应腔体，吸附在衬底表面，发生反应生成薄膜ALD的特点51ALD的特点厚度精度高：一般可达0.1nm自限制生长：平整度好，0.1nm量级平坦薄膜纯度高、致密度高受到反应源材料的限制（金属有机盐的种类少）生长速度慢（一般生长厚度的极限在几百纳米）生长过程受到源的吸附过程限制，生长温度范围较窄ALD52——栅极堆垛（HK/MG）的生长ALD最重要的用途ALDALDPVDvs.

CVD53PVDCVD源的材料与薄膜材料相同与薄膜材料不同工艺温度室温~高温高温成膜形态平面覆盖（注：掩模效应）曲面覆盖（注：瓶颈效应）成膜面积（衬底尺寸）小大掩模效应vs.瓶颈效应54Si例：MOSFET器件的RMG（ReplaceMetalGate工艺）目标结构起始结构Si沉积材料：TaN（难熔氮化物）可能的方法：电子束蒸镀、溅射、PECVD