現(xiàn)代集成電路制造工藝原理-第十一章

1、現(xiàn)代集成電路制造工藝原理山東大學(xué)山東大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院王曉鯤王曉鯤第十一章 淀積n膜淀積n化學(xué)氣相淀積nCVD淀積系統(tǒng)n介質(zhì)及其性能 n旋涂絕緣介質(zhì)n外延薄膜和薄膜淀積n薄膜，指一種在襯底上生長(zhǎng)的薄固體物質(zhì)。n薄膜淀積，是指任何在硅片襯底上物理淀積一層膜的工藝。這層膜可以是導(dǎo)體、絕緣體或者半導(dǎo)體材料薄膜特性n好的臺(tái)階覆蓋能力n填充高的深寬比間隙的能力n好的厚度均勻性n高純度和高密度n受控制的化學(xué)計(jì)量n高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應(yīng)力n好的電學(xué)特性n對(duì)襯底材料或下層膜好的粘附性膜對(duì)臺(tái)階的覆蓋n我們期望薄膜在硅片表面上厚度一致。如果淀積的膜在臺(tái)階上過(guò)度的變薄，就容易導(dǎo)致高的膜應(yīng)

2、力、電短路或者在器件中產(chǎn)生不希望的誘生電荷。 高的深寬比間隙n淀積工藝對(duì)于高的深寬比的間隙可以進(jìn)行均勻、無(wú)空洞的填充。厚度均勻性，膜純度和密度n厚度均勻性n材料的電阻會(huì)隨膜厚度的變化而變化n膜層越薄，就會(huì)有更多的缺陷，會(huì)導(dǎo)致膜本身的機(jī)械強(qiáng)度降低n膜純度和密度n膜中沒(méi)有會(huì)影響膜質(zhì)量的化學(xué)元素或者原子n膜密度顯示膜層中針孔和空洞的多少化學(xué)劑量分析，膜的結(jié)構(gòu)，膜的粘附性n化學(xué)劑量分析n理想的膜要有均勻的組成成分。n膜的結(jié)構(gòu)n膜中晶粒大小變化，膜的電學(xué)和機(jī)械學(xué)特性會(huì)變化，將影響膜的長(zhǎng)期可靠性。n膜的粘附性n為了避免薄膜分層和開(kāi)裂，薄膜對(duì)襯底材料要有好的粘附性。薄膜生長(zhǎng)n淀積膜的三個(gè)階段n晶核形成n聚集

3、成束n形成連續(xù)的膜n淀積的膜可以是無(wú)定形、多晶的或者單晶的膜淀積技術(shù)n化學(xué)工藝n化學(xué)氣相淀積n電鍍n物理工藝n物理氣相淀積n蒸發(fā)n旋涂方法化學(xué)氣相淀積（CVD）n化學(xué)氣相淀積是通過(guò)氣體混合的化學(xué)反應(yīng)在硅片表面淀積一層固體膜的工藝。n產(chǎn)生化學(xué)變化n膜中所有的材料物質(zhì)都源自于外部的源n反應(yīng)物必須以氣相形式參加反應(yīng)CVD 化學(xué)過(guò)程n高溫分解n光分解n還原反應(yīng)n氧化反應(yīng)n氧化還原反應(yīng)CVD反應(yīng)n異類(lèi)反應(yīng)：也叫表面催化，指化學(xué)氣相淀積工藝反應(yīng)發(fā)生在硅片表面或者非常接近表面的區(qū)域。n同類(lèi)反應(yīng)：發(fā)生在硅片表面的上方較高的區(qū)域。CVD反應(yīng)步驟速度限制階段n質(zhì)量傳輸限制n傳輸?shù)焦杵砻娴臍怏w的量不足n反應(yīng)速度限

4、制n反應(yīng)物到達(dá)硅片表面的速度將超過(guò)表面化學(xué)反應(yīng)的速度。CVD氣流動(dòng)力學(xué)CVD反應(yīng)中的壓力n低壓下，反應(yīng)氣體通過(guò)邊界層到達(dá)表面的擴(kuò)散作用顯著增加CVD過(guò)程中的摻雜n磷硅玻璃 （PSG）n在淀積SiO2過(guò)程中，在反應(yīng)氣體里加入PH3，會(huì)形成磷硅玻璃。n磷以P2O5的形式存在。n具有增加阻擋濕氣的能力，相對(duì)平坦的表面，固定離子雜質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。nP2O5的含量（重量比）不超過(guò)4%。CVD過(guò)程中的摻雜n硼硅玻璃 （BSG）n在淀積SiO2過(guò)程中，在反應(yīng)氣體里加入B2H6，會(huì)形成硼硅玻璃。n需要高溫回流過(guò)程來(lái)平坦化硅片表面的臺(tái)階并使膜更加致密n不能很好的阻擋雜質(zhì)離子CVD過(guò)程中的摻雜n硼磷硅玻璃 （BPSG）

5、n在SiO2中引入重量比為2%到6%的B2O3與P2O5形成硼磷硅玻璃。CVD過(guò)程中的摻雜n氟硅玻璃 （FSG）n在SiH4與O2的反應(yīng)中加入SiF4，就形成了氟硅玻璃。n第一代低值的ILD淀積材料。CVD反應(yīng)器加熱n熱壁反應(yīng)n加熱硅片，硅片的支持物和反應(yīng)腔的側(cè)壁n側(cè)壁上也會(huì)成膜，因此需要經(jīng)常清洗或原位清除。n冷壁反應(yīng)n只加熱硅片和硅片的支持物。CVD反應(yīng)器配置n常壓反應(yīng)：硅片放在一個(gè)平面上，反應(yīng)氣體能夠等量到達(dá)每片硅片。n低壓反應(yīng)：硅片可以縱向密集堆放。受反應(yīng)速度控制常壓CVD（APCVD）n用SiH4淀積SiO2nSiH4在空氣里易燃。通常在氬氣或氮?dú)庵邢♂?。n可以在低溫下進(jìn)行。n臺(tái)階覆蓋

6、能力和間隙填充能力差常壓CVD（APCVD）n用TEOS-臭氧法淀積SiO2Si(C2H5O)4+8O3 SiO2+10H2O+8CO2n臭氧的反應(yīng)活性比氧氣強(qiáng)，所以這步工藝可以在低溫常壓下進(jìn)行。n用APCVD TEOS-臭氧淀積的二氧化硅膜多孔，因此通常需要回流來(lái)去潮氣并增加膜的密度。n主要優(yōu)點(diǎn)：對(duì)高的深寬比的槽有優(yōu)良的覆蓋填充能力。低壓CVD（LPCVD）n在中等真空度下進(jìn)行，反應(yīng)溫度一般為300-900C。n反應(yīng)速度限制n一般具有好的臺(tái)階覆蓋能力n熱壁。低壓CVDn熱分解TEOS （LPTEOS）n在較低溫度下（約450C）用硅烷制備SiO2n在高溫（900C）下，用SiH2Cl2和N2

7、O制備SiO2n的氮化硅n在減壓和溫度在700-800C條件下，可用二氯二氫硅和氨氣LPCVD淀積氮化硅。3SiCl2H2+4NH3 Si3N4 + 6HCl + 6H2多晶硅nLPCVD可以在575-650C通過(guò)熱分解硅烷來(lái)淀積多晶硅。SiH4 Si+2H2n可以進(jìn)行原位摻雜，也可以用離子注入進(jìn)行摻雜。等離子體輔助CVDn利用等離子體的能量和熱能來(lái)觸發(fā)并維持CVD淀積所需的化學(xué)反應(yīng)，可以在更低的工藝溫度（250-450C）下淀積薄膜。n等離子體增強(qiáng)CVD （PECVD）n高密度等離子體CVD （HDPCVD）等離子體增強(qiáng)CVD （PECVD） n在真空腔中進(jìn)行。n是典型的冷壁等離子體反應(yīng)等離

8、子體增強(qiáng)CVD （PECVD） nPECVD二氧化硅n用硅烷和氧氣，一氧化氮或二氧化碳在等離子體的狀態(tài)下反應(yīng)。n工藝溫度通常是350攝氏度n可摻入B或者P來(lái)形成BSG，PSG或者BPSGn也可以采用TEOS淀積SiO2 （PETEOS）等離子體增強(qiáng)CVD （PECVD） nPECVD氮化硅nPECVD氮化硅膜有時(shí)寫(xiě)成SixNyHz。SiH4+NH3 SixNyHz+H2SiH4+N2 SixNyHz+H2高密度等離子體CVDn同步淀積和刻蝕n典型的淀積刻蝕比是3：1高密度等離子體CVD旋涂絕緣介質(zhì)（SOD）n旋涂玻璃n有機(jī)物基于硅氧烷n無(wú)機(jī)物基于硅酸鹽n旋涂低K絕緣介質(zhì)（SOD）n例：HSQ外延n外延就是在單晶襯底上淀積一層薄的單晶層。n同質(zhì)外延：膜和襯底的材料相同n異質(zhì)外延：膜和襯底的材料不一致n外延可用的氣體源包括SiCl4， SiH2Cl2， SiHCl3和氫氣。淀積溫度為1050-1250C。一般不采用SiH4。 外延n氣相外延 （VPE）n金屬有機(jī)CVD（MOCVD）n分子束外延 （MBE）氣相外延 （VPE）n在溫度為800-1150C的硅片表面通過(guò)含有所需化學(xué)物質(zhì)的