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文档简介
1、,第四讲:淀积工艺,1,学习交流PPT,概 述,薄膜淀积是芯片加工过程中一个至关重要的工艺步骤,通过淀积工艺可以在硅片上生长导各种导电薄膜层和绝缘薄膜层。 各种不同类型的薄膜淀积到硅片上,在某些情况下,这些薄膜成为器件结构中的一个完整部分,另外一些薄膜则充当了工艺过程中的牺牲品,并且在后续的工艺中被去掉。 本章将讨论薄膜淀积的原理、过程和所需的设备,重点讨论SiO2和Si3N4等绝缘材料薄膜以及多晶硅的淀积。金属和金属化合物薄膜的淀积将在第13章中介绍。,2,学习交流PPT,目 标,通过本章的学习,将能够: 1.描述出多层金属化。叙述并解释薄膜生长的三个阶段。 2.提供对不同薄膜淀积技术的慨况
2、。 3.列举并描述化学气相淀积(CVD)反应的8个基本步骤,包括不同类型的化学反应。 4.描述CVD反应如何受限制,解释反应动力学以及CVD薄膜掺杂的效应。 5.描述不同类型的CVD淀积系统,解释设备的功能。讨论某种特定工具对薄膜应用的优点和局限。 6.解释绝缘材料对芯片制造技术的重要性,给出应用的例子。 7.讨论外延技术和三种不同的外延淀积方法。 8.解释旋涂绝缘介质。,3,学习交流PPT,MSI时代nMOS晶体管的各层膜,Figure 11.1,4,学习交流PPT,引 言,从MSI到LSI时代,芯片的设计和加工相对较为直接,上图给出了制作一个早期nMOS所需的淀积层。图中器件的特征尺寸远大
3、于1m。如图所示,由于特征高度的变化,硅片上各层并不平坦,这将成为VLSI时代所需的多层金属高密度芯片制造的限制因素。 随着特征尺寸越来越小,在当今的高级微芯片加工过程中,需要6层甚至更多的金属来做连接(第六页的图),各金属之间的绝缘就显得非常重要,所以,在芯片制造过程中,淀积可靠的薄膜材料至关重要。薄膜制备是硅片加工中的一个重要工艺步骤。,5,学习交流PPT,ULSI硅片上的多层金属化,Figure 11.3,6,学习交流PPT,芯片中的金属层,Photo 11.1,7,学习交流PPT,薄膜淀积 半导体器件工艺中的“薄膜”是一种固态薄膜,薄膜的种类和制备方法在第四章中已作过简单介绍。 薄膜淀
4、积是指任何在硅片衬底上物理淀积一层膜的工艺,属于薄膜制造的一种工艺,所淀积的薄膜可以是导体、绝缘材料或者半导体材料。比如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、多晶硅以及金属(Cu、W).,8,学习交流PPT,固态薄膜,Figure 11.4,9,学习交流PPT,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 高度的结构完整性和低的膜应力 好的电学特性 对衬底材料或下层膜好的黏附性,10,学习交流PPT,膜对台阶的覆盖,我们期望膜在硅片表面上厚度一致,但由于硅片表面台阶的存在,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
5、路或在器件中产生不希望的诱生电荷。应力还可能导致衬底发生凸起或凹陷的变形。,11,学习交流PPT,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(见下图),Figure 11.6,12,学习交流PPT,高的深宽比间隙,Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering,Photo 11.2,13,学习交流PPT,薄膜生长的步骤,Figure 11.7,14,学习交流PPT,膜淀积技术,Table 11.1,15,学习交流PPT,化学气相淀积,化学气相淀积(CVD)是通过气体混合的化学反应在硅片表
6、面淀积一层固体膜的工艺。硅片表面及其邻近的区域被加热来向反应系统提供附加的能量。包括: 1.产生化学变化,这可以通过化学反应或热分解; 2.膜中所有的材料物质都源于外部的源; 3.化学气相淀积工艺中的反应物必须以气相形式参加反应。,16,学习交流PPT,化学气相淀积的设备,Photo 11.3,17,学习交流PPT,CVD 化学过程,高温分解: 通常在无氧的条件下,通过加热化 合物分解(化学键断裂); 2.光分解: 利用辐射使化合物的化学键断裂分解; 3.还原反应: 反应物分子和氢发生的反应; 4.氧化反应: 反应物原子或分子和氧发生的反应; 氧化还原反应: 反应3与4地组合,反应后形成两 种
7、新的化合物。,18,学习交流PPT,以上5中基本反应中,有一些特定的化学气相淀积反应用来在硅片衬底上淀积膜。对于某种特定反应的选择通常要考虑淀积温度、膜的特性以及加工中的问题等因素。 例如,用硅烷和氧气通过氧化反应淀积SiO2膜。反应生成物SiO2淀积在硅片表面,副产物事是氢。 SiH4 + O2 SiO2 + 2H2,19,学习交流PPT,CVD 反应,CVD 反应步骤 基本的化学气相淀积反应包含8个主要步骤,以解释反应的机制。 1)气体传输至淀积区域; 2)膜先驱物的形成; 3)膜先驱物附着在硅片表面; 4)膜先驱物黏附; 5)膜先驱物扩散; 6)表面反应; 7)副产物从表面移除; 8)副
8、产物从反应腔移除。,20,学习交流PPT,CVD 传输和反应步骤图,Figure 11.8,21,学习交流PPT,在化学气相淀积中,气体先驱物传输到硅片表面进行吸附作用和反应。列入,下面的三个反应。反应1)显示硅烷首先分解成SiH2先驱物。 SiH2先驱物再和硅烷反应形成Si2H6。在中间CVD反应中, SiH2随着Si2H6被吸附在硅片表面。然后Si2H6分解形成最终需要的固态硅膜。 SiH4(气态) SiH2(气态) + H2(气态) (高温分解) SiH4(气态) + SiH2(气态) Si2H6(气态) (反应半成品形成) Si2H6(气态) 2Si (固态) + 3H2(气态) (最
9、终产品形成) 以上实例是硅气相外延的一个反应过程,22,学习交流PPT,速度限制阶段 在实际大批量生产中,CVD反应的时间长短很重要。温度升高会促使表面反应速度增加。基于CVD反应的有序性,最慢的反应阶段会成为整个工艺的瓶颈。换言之,反应速度最慢的阶段将决定整个淀积过程的速度。 CVD的反应速度取决于质量传输和表面反应两个因素。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。,23,学习交流PPT,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
10、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,此时称表面反应控制限制。 CVD 气流动力学 CVD气流动力学对淀积出均匀的膜很重要。所谓气体流动,指的是反应气体输送到硅片表面的反应区域(见下图)。CVD气体流动的主要因素包括,反应气体从主气流中到硅片表面的输送以及在表面的化学反应速度。,24,学习交流PPT,CVD 中的气流,Figure 11.9,25,学习交流PPT,硅片表面的气流,Figure 11.10,26,学习交流PPT,CVD 反应中的压力 如果CVD发生在低压下,反应气体通过边界层达到表面的扩散作用会显著增加。这会增加反应物到衬底的输运。在
11、CVD反应中低压的作用就是使反应物更快地到达衬底表面。在这种情况下,速度限制将受约于表面反应,即在较低压下CVD工艺是反应速度限制的。 CVD 过程中的掺杂 CVD淀积过程中,在SiO2中掺入杂质对硅片加工来说也是很重要。例如,在淀积SiO2的过程中,反应气体中加入PH3后,会形成磷硅玻璃。化学反应方程如下: SiH4(气)+2PH3(气)+O2(气) SiO2(固)+2P(固)+5H2(气),27,学习交流PPT,在磷硅玻璃中,磷以P2O5的形式存在,磷硅玻璃由P2O5和SiO2的混合物共同组成;对于要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说, P2O5 含量(重量比)不超过4,这是因为磷硅玻璃(P
12、SG)有吸潮作用。 应用高密度等离子体CVD可以在600650的温度下淀积PSG,由于它的淀积温度、相对平坦的表面、好的间隙填充能力,近来也常采用PSG作为第一层层间介质(ILD-1)。在SiO2中引入P2O5可以减小膜应力,进而改进膜的完整性。掺杂会增加玻璃的抗吸水性。PSG层还可以有效地固定离子杂质。离子会吸附到磷原子上,因而不能通过PSG层扩散达到硅片表面。,28,学习交流PPT,CVD 淀积系统,CVD 设备设计 CVD 反应器的加热 CVD 反应器的配置 CVD 反应器的总结 常压 CVD( APCVD ) 低压 CVD( LPCVD) 等离子体辅助 CVD 等离子体增强 CVD(P
13、ECVD) 高密度等离子体 CVD(HDPCVD),29,学习交流PPT,CVD 反应器类型,Figure 11.11,30,学习交流PPT,各种类型 CVD 反应器及其主要特点,Table 11.2,31,学习交流PPT,连续加工的APCVD 反应炉,Figure 11.12,32,学习交流PPT,APCVD TEOS-O3改善后的台阶覆盖,Figure 11.3,33,学习交流PPT,用TEOSO3淀积SiO2 TEOS是正硅酸乙脂。分子式为Si(C2H5O4),是一种液体。臭氧(O3)包含三个氧原子,比氧气有更强的反应活性,因此,这步工艺可以不用等离子体,在低温下(如400)进行,因为不
14、需要等离子体,O3就能是TEOS分解,因此反应可以在常压(APCVD,760托)或者亚常压(SACVD,600托)下。淀积的二氧化硅薄膜改善了台阶覆盖轮廓,均匀性好,具有作为绝缘介质优异的电学特性。 优点:对于高的深宽比槽有良好的覆盖填充能力。 缺点:SiO2膜多孔,因而通常需要回流来去掉潮气并增加膜密度。,34,学习交流PPT,PSG 回流后平坦化的表面,Figure 11.14,35,学习交流PPT,LPCVD,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,因此应用更为广泛。为了获得低压,必须在中等真空度下阿(约0.15托),反应温度一般在300900,常规的氧化
15、炉设备就可以应用。 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。 不同于APCVD的是,LPCVD反应中的边界层由于低压的缘故,距离硅片表面更远(见下图)。边界层的分子密度低,使得进入的气体分子很容易通过这一层扩散,是硅片表面接触足够的反应气体分子。一般来说,LPCVD具有优良的台阶覆盖能力。,36,学习交流PPT,硅片表面的边界层,Figure 11.15,37,学习交流PPT,LPCVD Reaction Chamber for Deposition of Oxides, Nitrides, or Polysilicon,Figure 1
16、1.16,38,学习交流PPT,用 TEOS LPCVD 淀积氧化硅,Figure 11.17,39,学习交流PPT,Key Reasons for the Use of Doped Polysilicon in the Gate Structure,1.通过掺杂可得到特定的电阻; 2.和二氧化硅优良的界面特性; 3.和后续高温工艺的兼容性; 4.比金属电极(如AI)更高的可靠性; 5.在陡峭的结构上淀积的均匀性; 6.实现栅的自对准工艺。,40,学习交流PPT,Doped Polysilicon as a Gate electrode,Figure 11.18,41,学习交流PPT,等离子体
17、辅助CVD,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。,42,学习交流PPT,在等离子体辅助 CVD 中膜的形成,Figure 11.19,43,学习交流PPT,General Schematic of PECVD for Deposition of Oxides, Nitrides, Silicon Oxynitride or Tungsten,Figure 11.20,
18、44,学习交流PPT,用LPCVD 和 PECVD 氮化硅的性质,Table 11.3,45,学习交流PPT,高密度等离子体淀积腔,Photo 11.4,46,学习交流PPT,淀积刻蚀淀积工艺,Figure 11.21,47,学习交流PPT,HDPCVD 工艺的五个步骤,1.离子诱导淀积:指离子被托出等离子体并淀积形成间隙填充的现象; 2.溅射刻蚀:具有一定能量的Ar和因为硅片偏置被吸引到薄膜的反应离子轰击表面并刻蚀原子; 3.再次淀积:原子从间隙的底部被剥离,通常会再次淀积到侧壁上; 4.热中性 CVD:这对热能驱动的一些淀积反应有很小的贡献; 5.反射:离子反射出侧壁,然后淀积,是另一种贡
19、献。,48,学习交流PPT,在涡轮泵出口放置硅片的 HDPCVD,Figure 11.22,49,学习交流PPT,介质及其性能,介电常数 间隙填充 芯片性能 低k值介电常数 高k值介电常数 器件隔离 局部氧化(LOCOS) 浅曹隔离(STI),50,学习交流PPT,介质间隙填充的三个过程,Figure 11.23,51,学习交流PPT,ULSI 互连中可能的低K值ILD材料,Table 11.4,52,学习交流PPT,互连延迟 (RC) 与特征尺寸的关系 (m),Figure 11.24,53,学习交流PPT,芯片性能,芯片性能的一项指标是信号的传输速度。芯片的不断缩小导致互联线宽度减小,使得
20、传输信号导线电阻(R)增大。而且,导线间距的缩小产生了更多的寄生电容(C)。最终增加了RC信号延迟(RC信号延迟降低芯片速度,减弱芯片性能)。这是在亚0.25m中凸现的问题,通常称为互连延迟 (如上图所示)。从本质上讲,减小互连尺寸带来的寄生电阻和电容效应而导致更大的信号延迟。这与晶体管的发展正好相反,对晶体管而言,随着栅长变小,延迟变小,晶体管的速度增加。 线电容C正比于绝缘介质的k 值,低K值的绝缘介质可以减小芯片总的互连电容,减小RC信号延迟 ,提供芯片性能。,54,学习交流PPT,总互连线电容,Figure 11.25,55,学习交流PPT,低-k 值绝缘介质要求,Table 11.5,56,学习交流PPT,DRAM 叠层电容的示意图,Figure 11.26,57,学习交流PPT,浅槽隔离,Photo 11.5,58,学习交流PPT,旋涂绝缘
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