第五章薄膜淀积工艺(中).ppt

1、第五章 薄膜淀积工艺 （中）, 概述 真空技术与等离子体简介 化学气相淀积工艺 物理气相淀积工艺 小结,薄膜淀积（Thin Film Deposition）工艺, 引言 CVD工艺原理 CVD技术分类及设备简介 典型物质（材料）的CVD工艺,三、化学气相淀积工艺,参考资料： 微电子制造科学原理与工程技术第13章 （电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）,1. 常压化学气相淀积 APCVD，Atmospheric Pressure CVD 2. 低压化学气相淀积 LPCVD，Low Pressure CVD 3. 等离子体增强化学气相淀积 PECVD，Plasma Enhanced CVD 4.

2、其他特殊的CVD工艺：金属CVD，RTCVD，,（三）CVD 技术分类及设备简介,图13.9 连续供片式APCVD系统,特点：在大气压下进行，设备简单，反应速率快，适于介质淀积。,SiO2淀积工艺：, O2与SiH4气体流量比大于 3:1时，可获得化学配比的 SiO2。 N2用做稀释气体。 加入磷烷（PH3）可形成磷 硅玻璃（PSG）。 问题： 气体喷嘴处的淀积造成 硅片上的颗粒沾污,1. 常压化学气相淀积（APCVD）,图13.11 用于使喷嘴处淀积最小化的喷头设计,图13.12 常见LPCVD反应器结构,(1) 特点：在低气压下（0.11Torr）进行，淀积均匀性好， 适于介质和半导体材料

3、的淀积。,气压降低 分子平均自由程 和扩散率增加 淀积主要受 表面化学反应速率控制 气 流不是关键参数,2.低压化学气相淀积（LPCVD）,(2) 反应器结构：, 冷壁系统：减少壁上淀积 热壁系统：装片量大，温度 均匀，壁上淀积严重,气压降低也可减少气相成核,整批式热壁LPCVD反应器结构图,多晶硅SiH4/Ar(He) 620 Si3N4 SiH2Cl2 +NH3 750800 SiO2 SiH2Cl2 +N2O 910 PSG SiH4+PH3 +O2 450 BSG SiH4+B2H6 +O2 450,APCVD气压：1atm LPCVD气压： 0.001atm,淀积速率下降1000倍？

4、,错误，因为淀积速率不仅取决于总压强，还受分压强影响,(3) LPCVD 的典型应用,(4) LPCVD的问题：淀积温度较高、淀积速率偏低、颗粒沾污,3. 等离子体化学气相淀积（PECVD）,Si3N4: SiH2Cl2 +NH3 PSG: SiH4 +PH3 +O2,PECVD的反应能量来源于RF等离子体，同时等离子体也使反应 物质的表面扩散长度增加，从而改善厚度均匀性和台阶覆盖。,冷壁平行板PECVD,热壁平行板PECVD, 特点：在低温下（400）进行，适于金属层间介质及钝化 保护层的淀积。, 淀积二氧化硅可分为非掺杂二氧化硅和掺杂二氧化硅。,扩散掩蔽层 侧壁（Spacer）介质 多晶金

5、属间介质 金属金属间介质 钝化层,（四）典型物质（材料）的CVD工艺,1、二氧化硅的淀积, 淀积二氧化硅的应用：,(1) 二氧化硅淀积的工艺方法：, LPCVD SiO2, PECVD SiO2：TEOS分解、SiH4 +N2O,低温（500以下） SiH4 +O2 中温（650 750 ） TEOS（正硅酸乙酯）分解 高温（900 ） SiH2Cl2 +N2O,PSG薄膜的回流效果示意图,(2) 掺杂二氧化硅的淀积工艺：, 加入PH3、POCl3、PO(CH3O)3（TMP） 等掺杂剂，可制 作磷硅玻璃（PSG）, 加入B2H6、B(C2H5O)3（TMB）等掺杂剂，可制作硼硅玻璃 （BSG

6、）, PSG可以降低玻璃转化点（软化）的温度，采用回流工艺可 改善淀积薄膜的台阶覆盖性，提高硅片表面的平坦度。, PSG的回流（Reflow）工艺：10001100，N2/O2/H2O,磷含量过低，回流温度高，回流效果不好。 磷含量过高时，吸附水汽，形成磷酸，腐蚀铝金属层， 同时降低氧化层的介电常数，造成高温下的放气（Outgas） 现象，影响金属淀积工艺。,可采用SiO2PSGSiO2结构来减轻上述问题 主要用于多晶第一层金属之间的绝缘介质, 为进一步降低回流温度（850 ），可采用同时掺磷和硼的 BPSG（B，P含量各占5 wt%）。,主要用于多晶硅化物第一层金属之间的绝缘介质, PSG中

7、磷含量的控制： （48 wt%）,(3) 淀积二氧化硅的性质,淀积速率快，温度较低 可制备掺杂二氧化硅 台阶覆盖性和间隙填充能力好,(4) 淀积法制备二氧化硅的优缺点, 优势：,与热二氧化硅相比，绝缘性能较差，与硅的界面性能差 工艺中使用有毒有害气体，设备成本高, 不足：,采用ECR等高密度等离子体源，在低压 （0.01Torr）下提供高密度的等离子体 馈气：SiH4，O2 ，Ar (或He) 化学反应： SiH4+ O2，在硅片表面淀积SiO2 Ar+离子轰击硅片表面，改善台阶覆盖和间隙填充。,(5) 二氧化硅淀积工艺的发展趋势,a. HDP-CVD SiO2,高密度等离子体CVD,作为金属

8、层间介质，SiO2引入的寄生电容会影响IC的 工作速度，并造成串扰（cross-talk ）。,在SiO2中掺入F，可以将介电常数降低到3.2，从而减小 寄生电容。 FSG的制备采用PECVD或HDP-CVD工艺。 馈气： SiH4，O2 ，SiF4。,(5) 二氧化硅淀积工艺的发展趋势,b. 掺氟的SiO2（FSG）,从0.35m工艺开始， FSG已经被普遍用于金属金属间介质。,b. 多晶硅工艺：多片式热壁LPCVD工艺淀积： 575650，0.21.0 Torr，淀积速率大约在1001000埃/分钟,2、多晶硅（Poly-Si）的淀积, 多晶硅在CMOS工艺中用做器件栅极； 在DRAM中，

9、多晶硅用做沟槽电容的极板； 多晶硅也可用于高值电阻、局部互连线等。,在一个DRAM工艺流程中，大约需要进行46次多晶淀积工艺。,(1) 多晶硅工艺及应用,后端温度升高，补偿硅烷消耗, 淀积速率随温度增加而快速增加。 温度过高，同质反应严重，均匀性差；温度过低，淀 积速率过慢，不能实用。 一般采用温度梯度来控制淀积速率的均匀性。,(2) 多晶硅淀积工艺的控制,温度、气压、硅烷浓度、杂质浓度,a. 温度：575650 , 温度不同，淀积薄膜的形态不同：温度提高，多晶晶粒尺寸 变大。, 当气体分压比和泵的抽速不 变，改变总气流量时，淀积 速率与气压成正比关系。 固定气流量只改变抽速时， 淀积速率与气

10、压的关系很小。 为维持稳定的淀积速率，一 般采用固定气流量，通过改 变抽速来控制气压的方法， 此时淀积的重复性最好。,淀积速率与气压的关系,b. 气压： 0.21.0 Torr, 淀积速率与硅烷浓度之间没有线性关系 非线性生长的因素：质量输运机制、同质反应、氢气吸 附等；高浓度硅烷中的同质反应在给定温度和气压下， 限制了淀积速率和浓度的上限。,c. 硅烷浓度： 硅烷分气压,a. 温度：低于575 时淀积的多晶硅是无定形结构； 高于625 时淀积的多晶硅是柱状结构。 b. 经过热处理后，多晶硅薄膜可发生结晶和晶粒生长。 c. 氧、氮、碳等杂质使无定形硅到1000 以上仍是稳定的。,(3) 多晶硅

11、薄膜结构与淀积参数的关系,例如：高浓度磷掺杂的多晶硅在9001000 加热20分 钟后，平均晶粒尺寸大约为1m。,淀积温度、掺杂和淀积后的热处理影响多晶硅薄膜的结构。,再结晶后的多晶硅晶粒尺寸与热处理温度、时间和掺杂浓度有关,注 意,原位掺杂工艺：PH3，AsH3，B2H6 三族元素（如硼）掺杂有助于分子的表面吸附，因而将 提高多晶硅淀积速率。 五族元素（如磷、砷）掺杂减少分子的表面吸附，因而 将降低多晶硅淀积速率。 扩散掺杂：POCl3扩散工艺，掺杂后的浓度达到11021 cm-3。 离子注入掺杂：可同时制作P型和N型掺杂多晶硅。,(4) 掺杂多晶硅,a. 多晶硅掺杂工艺：扩散、离子注入和原

12、位（In-situ）掺杂。,b. 扩散掺杂能获得最低的电阻率，而注入掺杂和原位掺杂则 具有低温工艺的优势。, 硅选择氧化的掩蔽膜：氮化硅的氧化速率非常慢。 IC的钝化层：化学配比的氮化硅（Si3N4）对水和钠的扩 散具有很强好的阻挡效果。 氮化硅的介电常数高（67），适用于电容器的介质 层，也有用于小尺寸MOS器件的栅介质。,3、氮化硅（Si3N4）的淀积,(1) 氮化硅薄膜在IC中的应用：,由于氮化硅薄膜的界面特性差、应力高，因此一般不在硅上 直接淀积氮化硅，而多采用ON或ONO结构。,椭偏仪测量折射率，或测量HF液中腐蚀速率 折射率在1.82.2之间，高折射率代表富硅，低折射率代 表氧的存在 薄膜中一般含有氢和氯,(2) LPCVD 淀积氮化硅, 700900 , 淀积速率受温度、气压、反应物浓度和温度梯度控制,温度控制与多晶硅淀积相似 淀积速率随总压强或DCS分压增加而增加，随氨气分 压增加而降低, 淀积薄膜的组分： 当NH3过量时，得到化学配比的Si3N4,(3) PECVD 淀积氮化硅, 200400 , 馈气：Ar（或He），SiH4和NH3（或N2） 淀积薄膜一般不是化学配比的Si3N4，因此常写成SiN， 或SixNy 氮化硅中含氢量通常较高，可达20左右；也通常有氧