wafer-fab-process11英語(yǔ)課件知識(shí)

1、半導(dǎo)體制造技術(shù)12021/3/27氧化氧化1Layer 薄膜淀薄膜淀積，積， 金屬化金屬化2Patten 光光刻，刻蝕刻，刻蝕 3離子注入離子注入4Contents 22021/3/27生產(chǎn)硅襯底可分為三個(gè)基本步驟: 生產(chǎn)多晶硅:通過(guò)還原,提純的方法獲得半導(dǎo)體級(jí)多晶硅。晶體生長(zhǎng):硅單晶體的生長(zhǎng)過(guò)程;制造晶片:將單晶硅棒經(jīng)過(guò)一些列的工藝過(guò)程后制程硅單晶片前言: Si 襯底制備 32021/3/27直拉（CZ）法:就是把熔化了的半導(dǎo)體級(jí)硅液體變成有正確晶向并且被摻雜成n或p型的固體硅錠。半導(dǎo)體級(jí)硅及少量摻雜劑放入石英坩堝加熱熔化籽晶接觸熔體表面并緩 慢拉起生長(zhǎng)所需直徑單晶單晶硅工藝42021/3/

2、27CZ單晶爐:單晶硅工藝52021/3/27CZ法生長(zhǎng)單晶的過(guò)程單晶硅工藝62021/3/27區(qū)熔法:籽晶固定到已摻雜好的多晶硅棒一端,放入生長(zhǎng)爐內(nèi),用射頻線圈加熱籽晶與硅棒的接觸區(qū)域,晶體生長(zhǎng)中的加熱過(guò)程沿著晶棒的軸向移動(dòng)。單晶硅工藝72021/3/271.2.4硅片制備晶體生長(zhǎng)整形切片磨片倒角刻蝕拋光清洗檢查包裝硅片制備的基本工藝步驟硅片制備工藝82021/3/27硅片制備工藝92021/3/27氧化工藝102021/3/27氧化膜的用途氧化膜的用途1熱氧化生長(zhǎng)熱氧化生長(zhǎng)2快速熱處理快速熱處理34Contents 112021/3/27氧化物可通過(guò)熱生長(zhǎng)或淀積的方法生成。熱生長(zhǎng):在升溫環(huán)

3、境里,通過(guò)外部供給高純氧氣使之與硅片反應(yīng),在硅片表面得到一層熱生長(zhǎng)的氧化層。淀積:通過(guò)外邊供給氧氣和硅源,使它們?cè)谇惑w內(nèi)反應(yīng),從而在硅片表面形成一層薄膜。熱生長(zhǎng)和淀積的區(qū)別:熱生長(zhǎng)在生長(zhǎng)過(guò)程中消耗了襯底硅,而淀積不消耗襯底硅材料。由于硅片表面非常平整,使得在硅片表面生長(zhǎng)或淀積的氧化物主要為層狀結(jié)構(gòu),稱之為薄膜。常被認(rèn)為最普遍應(yīng)用的半導(dǎo)體襯底材料,一個(gè)主要原因就是硅片的這種生長(zhǎng)氧化層的能力（另一個(gè)主要原因是硅相對(duì)高的熔點(diǎn)溫度）。引言122021/3/27氧化層在制造微芯片中的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面:v保護(hù)器件免劃傷和隔離沾污v表面鈍化v柵氧或儲(chǔ)存器單元結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)材料v摻雜中的注入屏蔽v金屬導(dǎo)電層間

4、的介質(zhì)層氧化膜的用途132021/3/27v器件保護(hù)和隔離SiO2是種堅(jiān)硬和無(wú)孔的材料,可用來(lái)有效隔離硅表面的有源器件。通常晶體管之間的電隔離可以用LOCOS工藝:在它們之間的區(qū)域熱生長(zhǎng)厚SiO2實(shí)現(xiàn)隔離。對(duì)于0.25m工藝可用STI（淺槽隔離）:用淀積的氧化物做主要的介質(zhì)材料。v表面鈍化什么是表面鈍化:熱生長(zhǎng)的SiO2可以通過(guò)束縛硅的懸掛鍵,降低它的表面態(tài)密度,這種效果成為表面鈍化。它能防止電性能退化并減少由潮濕、離子或其它外部沾污引起的漏電流的通路。氧化層作為鈍化層的要求:均勻的厚度、無(wú)針孔和空隙等質(zhì)量要求。如用來(lái)抑制金屬層的電荷堆積的厚氧化層（場(chǎng)氧化物層）其典型厚度在25001500 之

5、間。氧化膜的用途142021/3/27v柵氧電介質(zhì)MOS技術(shù)中常用的重要柵氧結(jié)構(gòu),用極薄的氧化層做介質(zhì)材料,柵氧要保證高質(zhì)量和穩(wěn)定性,所以一般通過(guò)熱生長(zhǎng)獲得。柵氧厚度:按器件技術(shù)比例要求,規(guī)范選取柵氧厚度。如對(duì)0.18 m工藝,典型柵氧厚度是2015 柵氧要求:高質(zhì)量、極好的膜厚均勻性、無(wú)雜質(zhì)。氧化膜的用途152021/3/27v摻雜阻擋二氧化硅可做為硅表面選擇性摻雜的有效掩蔽層:硅片表面形成氧化層,將掩膜透光處的SiO2刻蝕,形成窗口,摻雜材料可以通過(guò)此窗口進(jìn)入硅片。沒有窗口的地方,氧化物可以保護(hù)硅表面,避免雜質(zhì)擴(kuò)散,從而實(shí)現(xiàn)了選擇性雜質(zhì)注入。氧化膜的用途v金屬層間的介質(zhì)層一般條件下二氧化硅

6、不能導(dǎo)電,是微芯片金屬層間有效的絕緣體。 SiO2能防止上層金屬和下層金屬間短路。通常用化學(xué)氣相淀積方法獲得。162021/3/27熱氧化生長(zhǎng)熱氧化生長(zhǎng)的各種運(yùn)用對(duì)厚度有不同的要求:半導(dǎo)體應(yīng)用 典型氧化物厚度（ ）柵氧（0.18 m） 2060 電容器的電介質(zhì) 5100摻雜掩蔽的氧化物 4001200（依賴于摻雜劑、 注入能量、時(shí)間溫度）STI隔離氧化物 150LOCOS墊氧 200500場(chǎng)氧 25001500二氧化硅的厚度可以通過(guò)其顏色來(lái)估計(jì),不同厚度對(duì)應(yīng)不同顏色。172021/3/27氧化的化學(xué)反應(yīng)干氧:生長(zhǎng)有干氧,沒有水汽的氛圍里 化學(xué)反應(yīng)為:反應(yīng)速率隨溫度增加而增快182021/3/2

7、7濕氧:反應(yīng)中有水汽參與反應(yīng)方程式:濕法氧化時(shí),氧化反應(yīng)速率會(huì)大大加快,是因?yàn)樗魵獗妊鯕庠诙趸柚袛U(kuò)散更快、溶解度更高。缺點(diǎn):反應(yīng)生成的氫分子會(huì)束縛在固態(tài)的二氧化硅層內(nèi),使得氧化層的密度比干氧小,該情況可通過(guò)在惰性氣體中加熱氧化來(lái)改善。氧化的化學(xué)反應(yīng)192021/3/27摻氯氧化:在干氧中添加微量的Cl2、HCl或C2 HCl3等含氯的氣態(tài)物。 在氧氣氧化的同時(shí),氯結(jié)合到氧化層中,并集中分布在SiO2-Si界面附近,摻氯氧化有如下作用: 可吸收、提取硅中有害雜質(zhì):高溫下氯可以和包括鈉在內(nèi)的多種金屬雜質(zhì)作用,生成揮發(fā)性的化合物,從反應(yīng)室中排除。集中分布在SiO2-Si界面附近的氯還能使遷移到

8、這里的鈉離子的正電荷效應(yīng)減弱并被陷住不動(dòng),從而使其喪失電活性和不穩(wěn)定性。氯填補(bǔ)了氧空位,所以二氧化硅層中的固定電荷和界面態(tài)密度降低。氧化的化學(xué)反應(yīng)202021/3/27氧化生長(zhǎng)模式無(wú)論干氧或者濕氧,二氧化硅生長(zhǎng)都要消耗硅,硅消耗的厚度占氧化物總厚度的0.46,意味著每生長(zhǎng)1000的氧化物,就有460的硅被消耗。在硅片和氧化物的界面處,通過(guò)氧化物的氧氣運(yùn)動(dòng)控制并限制氧化層的生長(zhǎng)。對(duì)于連續(xù)生長(zhǎng)氧化層,氧氣必須進(jìn)去和硅片接觸緊密。氧化物的生長(zhǎng)發(fā)生在氧分子通過(guò)已生成的二氧化硅層運(yùn)動(dòng)進(jìn)入硅片的過(guò)程中。212021/3/27二氧化硅膜的增厚是通過(guò)如下幾個(gè)步驟完成: 氧化劑從氣相內(nèi)部輸運(yùn)到氣體氧化層界面 擴(kuò)

9、散穿過(guò)已經(jīng)生成的氧化層,抵達(dá)二氧化硅和硅界面 在界面處與硅發(fā)生氧化反應(yīng) 發(fā)應(yīng)的副產(chǎn)物擴(kuò)散出氧化層,并向主氣流轉(zhuǎn)移氧化生長(zhǎng)模式222021/3/27氧化生長(zhǎng)模式1、LOCOS工藝:0.25 m工藝以上的器件隔離方法。方法:用淀積氮化物（Si3N4)作為氧化阻擋層,熱氧化后,氮化物和氮化物掩膜下的氧化物都將被去除,露出赤裸的硅表面,為形成器件做準(zhǔn)備。232021/3/27氧化生長(zhǎng)模式242021/3/27墊氧:為了減小氮化物掩膜和硅之間的應(yīng)力,在它們之間生長(zhǎng)一層薄氧化層,稱為墊氧。鳥嘴效應(yīng):氧擴(kuò)散穿越已生長(zhǎng)的氧化物時(shí),它是在各個(gè)方向上擴(kuò)散的。一些氧原子縱向擴(kuò)散進(jìn)入硅,另一些氧原子橫向擴(kuò)散,這意味著

10、氮化物掩膜下有著輕微的側(cè)面氧化生長(zhǎng)。由于氧化層比消耗的硅更厚,所以在氮化物掩膜下的氧化生長(zhǎng)將抬高氮化物的邊緣。我們稱之為鳥嘴效應(yīng)。鳥嘴效應(yīng)是在LOCOS工藝中不受歡迎的副產(chǎn)物,氧化物較厚時(shí),鳥嘴效應(yīng)更顯著氧化生長(zhǎng)模式252021/3/27淺槽隔離（STI):用于亞0.25 m工藝的選擇性氧化STI工藝:用氮化硅Si3N4做掩膜,經(jīng)淀積、圖形化、刻蝕硅后形成槽。掩膜圖形暴露區(qū)域,熱氧化150200埃厚的氧化層后,才能蝕硅成槽。262021/3/27高溫爐設(shè)備用于熱工藝的基本設(shè)備有三種:臥式爐:用來(lái)放置和加熱硅片的石英管處于水平位置立式爐:亦稱VDF,更易自動(dòng)化,可改善操作者的安全以及減少顆粒沾污

11、。與臥式爐相比,能更好地控制溫度及其均勻性?？赏瑫r(shí)處理大量的硅片（100200片）。以20 C/分或者更小的速率升高或降低硅片溫度。快速熱處理（RTP):小型快速加熱系統(tǒng),帶有輻射熱和冷卻源,通常一次處理一片硅片。具有非?？斓摹⒕钟蚧募訜釙r(shí)間,只對(duì)硅片進(jìn)行加熱(不對(duì)爐壁加熱）,（而立式和臥式對(duì)硅片和爐壁都加熱）。典型的RTP設(shè)備可以達(dá)到每秒幾十度的升降溫速率,272021/3/27熱氧化的目標(biāo)是按厚度生長(zhǎng)無(wú)缺陷、均勻的SiO2膜,用于特定硅片制造步驟的氧化工藝條件的類型取決于氧化層厚的和性能要求:干氧生長(zhǎng):通常用于薄氧化物（如柵氧、墊氧）的生長(zhǎng),由于鈉離子沾污,在氧化過(guò)程中將HCl加入O2中

12、,獲得高質(zhì)量的氧化物。濕氧生長(zhǎng):通常用于厚氧化物（如場(chǎng)氧、擴(kuò)散掩膜）的生長(zhǎng),生長(zhǎng)時(shí)氣氛中使用水汽（水汽中不含HCl）熱氧化工藝流程282021/3/27熱氧化工藝流程292021/3/27氧化前的清洗清洗可保證獲得高質(zhì)量的氧化,清洗的目的是去除所有表面沾污:顆粒、有機(jī)物、金屬和自然氧化層。以下內(nèi)容對(duì)盡量減少沾污非常重要:爐體及其相關(guān)設(shè)備的清洗維護(hù)（特別是對(duì)石英器皿）工藝中化學(xué)物品的純度氧化氣氛的純度（爐中氧源的純度）硅片清洗和操作實(shí)踐清洗液:濕法化學(xué)清洗液:SC-1和SC-2清洗體系清洗設(shè)備:手動(dòng)和自動(dòng)濕法清洗槽、超聲波系統(tǒng)、酸噴涂器、清水或干法系統(tǒng)。302021/3/27淀積312021/3

13、/275.1引言 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件和電路的進(jìn)展要求對(duì)大量的不同材料進(jìn)行集成化。制造這些器件需要對(duì)不同的材料進(jìn)行可控沉積和加工:金屬金屬主要用于各種半導(dǎo)體區(qū)域之間的互連,絕緣體絕緣體則用于金屬導(dǎo)線和半導(dǎo)體間的電隔離,二氧化硅和其它材料的沉積可用于生成器件的有源區(qū),如硅的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的有源區(qū)。對(duì)金屬、半導(dǎo)體、絕緣體進(jìn)行加工是在襯底硅片表面的薄層中進(jìn)行的。器件的特性依賴于這些沉積層的化學(xué)、物理及結(jié)構(gòu)特性。多層金屬化:指用來(lái)連接硅片上高密度堆積器件的那些金屬層和絕緣介質(zhì)層。322021/3/27332021/3/27342021/3/27一、相關(guān)術(shù)語(yǔ)1、金屬層:用鋁合金作為互連線,將金屬

14、鋁淀積到整個(gè)硅片的表面,形成固態(tài)薄膜,然后進(jìn)行刻蝕來(lái)定義互連線的寬度和間距。每層金屬被定義為Metal-1 、Metal-2,以此類推。352021/3/272、關(guān)鍵層:指那些線條寬度被刻蝕為器件特征尺寸的金屬層。對(duì)于甚大規(guī)模集成電路而言,特征尺寸的范圍一般為:形成柵的多晶硅、氧結(jié)構(gòu)和距離硅片表面最近的金屬層。對(duì)顆粒沾污很敏感。3、非關(guān)鍵層:指處于上部的金屬層,有更大的線寬,對(duì)顆粒沾污不夠敏感。362021/3/274、介質(zhì)層:第一層層間介質(zhì)（ILD-1),也稱金屬前絕緣層（PMD）:介于硅上有源器件和第一層金屬之間的電絕緣層稱為。典型的ILD-1是一層摻雜的SiO2或者玻璃。 ILD-1的重

15、要作用可從兩方面解釋:電學(xué)上,ILD-1層隔離晶體管器件和互連金屬層;物理上,ILD-1層隔離晶體管器件和可移動(dòng)粒子等雜質(zhì)源。層間介質(zhì)（ILD）:應(yīng)用于器件中不同的金屬層之間。ILD充當(dāng)兩層導(dǎo)電金屬或者相鄰金屬線條之間的隔離膜。通常,ILD采用介電常數(shù)為3.9到4.0的SiO2材料。372021/3/27382021/3/27二、膜淀積薄膜:指一種在襯底上生長(zhǎng)的薄的固體物質(zhì),其某一維尺寸通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另外兩維上的尺寸。描述薄膜的單位是埃。半導(dǎo)體制造中的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,（如二氧化硅、氮化硅、多晶硅以及金屬）薄膜的特性:v好的

16、臺(tái)階覆蓋能力v填充高的深寬比間隙的能力v好的厚度均勻性v高純度和高密度v受控制的化學(xué)劑量392021/3/27v高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應(yīng)力v好的電學(xué)特性v對(duì)襯底材料或下層膜好的粘附性402021/3/27v膜對(duì)臺(tái)階的覆蓋:圖形制作可以在硅片表面生成具有三個(gè)空間維度的圖形,這就形成了硅片表面的臺(tái)階,如果淀積的膜在臺(tái)階上變薄,就容易導(dǎo)致高的膜應(yīng)力、電短路或者在器件中產(chǎn)生不希望的誘生電荷。所以膜的應(yīng)力要盡量小。v高的深寬比間隙:可以用深寬比來(lái)描述一個(gè)小的間隙（槽或孔）。深寬比定義為間隙的深度和寬度的比值。填充硅片表面上很小的間隙和孔的能力成為最重要的薄膜特性。對(duì)于穿過(guò)層間介質(zhì)的通孔,以及用來(lái)進(jìn)行淺

17、槽隔離的槽等,都需要有效間隙填充。高深寬比的間隙使得難于淀積形成厚度均勻的膜,并且會(huì)產(chǎn)生夾斷和空洞。隨著高密度集成電路特征尺寸的不斷減小,對(duì)于高深寬比的間隙可以進(jìn)行均勻、無(wú)空洞填充淀積工藝顯得至關(guān)重要。412021/3/27v厚度均勻性:薄膜厚度均勻,意味著薄膜應(yīng)布滿下層材料的各處。材料的電阻會(huì)隨著膜厚度的變化而變化,而且膜越薄,就會(huì)有更多的缺陷,導(dǎo)致膜本身的機(jī)械強(qiáng)度降低。v膜純度和密度:高純度的膜意味著膜中沒有那些會(huì)影響質(zhì)量的化學(xué)元素或者原子,如膜中含有H就會(huì)使膜特性蛻化。膜密度也是膜質(zhì)量的重要指標(biāo),它顯示膜層中針孔和空洞的多少。與無(wú)孔膜相比,一個(gè)多孔膜的密度會(huì)更低,在一些情況下折射率也更小

18、。422021/3/27v受控的化學(xué)劑量分析:理想的膜要有均勻的組成成分?；瘜W(xué)劑量分析是指在化合物或分子中一種組分的量與另一種組分量的比值。淀積中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)往往比較復(fù)雜,得到的膜組分可能并非要求的組分,所以淀積工藝的一個(gè)目標(biāo)是要在反應(yīng)中有合適數(shù)量的分子,以便使淀積得到的膜的組分接近于化學(xué)反應(yīng)方程式中對(duì)應(yīng)的組分比例。v膜的粘附性:為了避免膜的分層和開裂,薄膜對(duì)襯底要有好的粘附性。開裂的膜會(huì)導(dǎo)致膜表面粗糙,雜質(zhì)也可以穿過(guò)膜。對(duì)于起隔離作用的膜,開裂會(huì)導(dǎo)致電路短路或漏電流。432021/3/27v膜的結(jié)構(gòu):淀積工藝中,淀積物趨向聚集并生成晶粒。如果膜層中晶粒大小變化,膜的電學(xué)和機(jī)械特性會(huì)變化,這

19、將影響膜的長(zhǎng)期可靠性。膜在生長(zhǎng)中會(huì)產(chǎn)生不希望的應(yīng)力使硅片襯底變形,導(dǎo)致膜開裂、分層或者空洞的形成,所有薄膜淀積過(guò)程中總是希望減小應(yīng)力。442021/3/27三、薄膜生長(zhǎng)1、淀積薄膜的過(guò)程有三個(gè)不同的、淀積薄膜的過(guò)程有三個(gè)不同的階段階段:v第一步是晶核形成,這一步發(fā)生在起初少量原子或分子反應(yīng)物結(jié)合起來(lái),形成附著在硅片表面的分離的小膜層。v第二步聚集成束,也稱為島生長(zhǎng)。這些隨機(jī)方向的島束依照表面的遷移率核束密度來(lái)生長(zhǎng)。v第三步形成連續(xù)的膜,島束匯集合并形成固態(tài)的薄層并延伸鋪滿襯底表面。452021/3/272、淀積膜過(guò)程的一些、淀積膜過(guò)程的一些影響因素影響因素:獨(dú)立的島束在遇到相鄰的島束之前,其大

20、小取決于襯底表面的反應(yīng)物移動(dòng)速率以及反應(yīng)核的密度。高的表面速率或低的成核速度會(huì)促進(jìn)相對(duì)大的島束的形成。低的表面速率和高的成核速率會(huì)導(dǎo)致短程無(wú)序的無(wú)定形膜的生長(zhǎng),低的淀積溫度通常會(huì)導(dǎo)致無(wú)定形膜的生成,因?yàn)榈偷臒崮軙?huì)減低反應(yīng)物在表面的速率。淀積的膜可以是無(wú)定形、多晶或者單晶。起隔離作用的膜或金屬膜通常是無(wú)定形或多晶的;在氧化物層上淀積的硅是多晶的;在單晶硅片襯底上淀積可以形成單晶膜。462021/3/27四、膜淀積技術(shù)主要的淀積方法可分為化學(xué)工藝和物理工藝化學(xué)工藝: 化學(xué)氣相淀積（CVD） 常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD) 低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD) 等離子體輔助化學(xué)氣相淀積 金屬有機(jī)物化學(xué)氣相

21、淀積 電鍍（電化學(xué)淀積） 電化學(xué)淀積（ECD） 化學(xué)鍍層物理工藝: 物理氣相淀積（PVD或?yàn)R射） 蒸發(fā) 旋涂方法 旋涂玻璃（SOG） 旋涂絕緣介質(zhì)（SOD）472021/3/27本章主要介紹化學(xué)氣相淀積（CVD）、外延和旋涂絕緣介質(zhì)（SOD）方法?；瘜W(xué)氣相淀積化學(xué)氣相淀積通常用來(lái)淀積介質(zhì)膜或金屬膜。旋涂絕緣介質(zhì)旋涂絕緣介質(zhì)（SOD）應(yīng)用液態(tài)介質(zhì)膜,然后進(jìn)行高溫的處理過(guò)程。對(duì)于鋁等金屬材料,濺射或者物理氣相淀積是最常用的方法。電鍍電鍍被廣泛用來(lái)進(jìn)行磁盤驅(qū)動(dòng)器的磁頭上的薄膜淀積,在硅片制造中還未被采用。蒸發(fā)法蒸發(fā)法是制備金屬層的傳統(tǒng)的方法,但是這種方法的間隙填充能力很差,已被濺射工藝取代。4820

22、21/3/275.2化學(xué)氣相淀積化學(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,硅片表面及鄰近區(qū)域被加熱來(lái)向反應(yīng)系統(tǒng)提供附加的能量?；瘜W(xué)氣相淀積的基本方面包括:產(chǎn)生化學(xué)變化,這可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或是熱分解膜中所有的材料物質(zhì)都源于外部的源化學(xué)氣相淀積工藝中的反應(yīng)物必須以氣相形式參加反應(yīng)492021/3/275.2.1 CVD化學(xué)過(guò)程化學(xué)氣相淀積過(guò)程有5種基本的化學(xué)反應(yīng):v高溫分解:通常在無(wú)氧的條件下,通過(guò)加熱化合物分解（化學(xué)鍵斷裂）v光分解:利用輻射使化合物的化學(xué)鍵斷裂分解v還原反應(yīng):反應(yīng)物分子和氫發(fā)生的反應(yīng)v氧化反應(yīng):反應(yīng)物原子或分子和氧發(fā)生的反應(yīng)v氧化還原反應(yīng):反應(yīng)3與4

23、的組合,反應(yīng)后形成兩種新的化合物502021/3/27CVD反應(yīng):異類反應(yīng):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,稱異類反應(yīng)。 CVD需要異類反應(yīng)來(lái)生成高質(zhì)量的膜。同類反應(yīng):某些反應(yīng)發(fā)生在硅片表面的上方較高區(qū)域,稱同類反應(yīng)。 同類反應(yīng)應(yīng)避免,因?yàn)榉磻?yīng)生成物會(huì)形成束狀物,導(dǎo)致反應(yīng)物 粘附性差、低密度和高缺陷。5.2.2CVD反應(yīng)512021/3/271、CVD反應(yīng)步驟:（1）氣體傳輸至淀積區(qū)域:反應(yīng)氣體從反應(yīng)腔入口區(qū)域流動(dòng)到硅片表面的淀積區(qū)域（2）膜先驅(qū)物的形成:氣相反應(yīng)導(dǎo)致膜先驅(qū)物（將組成膜最初的原子和分子）和副產(chǎn)物的形成（3）膜先驅(qū)物附著在硅片表面:大量的膜先驅(qū)物輸運(yùn)到硅片表面（4）

24、膜先驅(qū)物的粘附:膜先驅(qū)物粘附在硅片表面（5）膜先驅(qū)物擴(kuò)散:膜先驅(qū)物向膜生長(zhǎng)區(qū)域的表面擴(kuò)散（6）表面反應(yīng):表面化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致膜淀積和副產(chǎn)物的生成（7）副產(chǎn)物從表面移除:移除表面反應(yīng)副產(chǎn)物（8）副產(chǎn)物從反應(yīng)腔移除:反應(yīng)的副產(chǎn)物從淀積區(qū)域隨氣流流動(dòng)到反應(yīng)腔出口并排出522021/3/27概念解釋:吸附吸附:發(fā)生在淀積過(guò)程的化學(xué)鍵合,使氣態(tài)的原子或分子以化學(xué)方式附著在固態(tài)硅片表面。解吸附解吸附:從硅片表面移除反應(yīng)副產(chǎn)物。SiH4 (g) SiH2(g) + H2(g) SiH4 (g) + SiH2 Si2H6 (g)Si2H6 (g) 2Si (s) + 3 H2 (g) 532021/3/272、C

25、VD反應(yīng)速度限制因素:質(zhì)量傳輸質(zhì)量傳輸限制限制:溫度升高會(huì)促進(jìn)表面反應(yīng)速度增加,但CVD反應(yīng)的速率不可能超越氣體從主氣體流傳輸?shù)焦杵砻娴乃俾?即使升高溫度也不可能在增加反應(yīng)速度。也就是說(shuō),無(wú)論溫度如何,傳輸?shù)焦杵砻婕铀俜磻?yīng)的反應(yīng)氣體的量都不足。反應(yīng)速度限制反應(yīng)速度限制: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。這種情況下,淀積速度是受反應(yīng)速度限制的。即使有更多的反應(yīng)物,由于低溫不能提供所需的足夠能量,反應(yīng)速度也不會(huì)增加。542021/3/273、CVD反應(yīng)中的壓力:如果CVD發(fā)生在低壓下,反應(yīng)氣體通過(guò)邊界層到達(dá)表面的擴(kuò)散作用會(huì)顯著增加。這會(huì)增加反應(yīng)物到襯底的輸運(yùn)（也會(huì)加強(qiáng)從襯底移除

26、反應(yīng)副產(chǎn)物的作用）。在CVD反應(yīng)中低壓的作用就是使反應(yīng)物更快地到達(dá)襯底表面低壓的作用就是使反應(yīng)物更快地到達(dá)襯底表面。在這種情況下,CVD工藝是受反應(yīng)速度限制的。這意味著在反應(yīng)工藝腔中硅片可以間隔很近地縱向疊堆起來(lái),因?yàn)榉磻?yīng)物從主氣流到硅片的輸運(yùn)并不影響整步工藝。552021/3/274、CVD過(guò)程中的摻雜(1)SiO2中摻磷形成磷硅玻璃（PSG):磷硅玻璃是由P2O5和SiO2的混合物共同組成。其中P2O5的含量不超過(guò)4。在SiO2中引入P2O5可以減小膜應(yīng)力,進(jìn)而改善膜的完整性。摻雜會(huì)增加玻璃的抗吸水性,PSG層還可以有效地固定離子雜質(zhì),離子會(huì)吸附到磷原子上,因而不能通過(guò)PSG層擴(kuò)散到達(dá)硅片

27、表面。摻雜方法:在淀積SiO2的過(guò)程中,反應(yīng)氣體中加入PH3后,會(huì)形成磷硅玻璃。化學(xué)反應(yīng):SiH4 (g） + 2PH3 （g）+ O2（g） SiO2 (s) + 2P (s) +5H2(g)600650C562021/3/27(2)硼硅玻璃（BSG）: 用乙硼烷（B2H6)替代磷化氫（PH3）,就可得到硼硅玻璃。硼硅玻璃需要高溫（如1000 C）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。（3）硼磷硅玻璃（BPSG）:在SiO2中引入重量百分比為2到6的B2O3,與 P2O5形成硼磷硅玻璃。為了淀積后得到一個(gè)好的階梯覆蓋能力的致密的SiO2, SiO2需要進(jìn)行高溫回流直到其變軟并可流動(dòng)。

28、BPSG回流一般是8001000 C一小時(shí)。回流也會(huì)改善BPSG固定可動(dòng)離子雜質(zhì)的能力。通常,BPSG用來(lái)作ILD-1淀積。572021/3/27（4）氟硅玻璃（FSG）:就是氟化的氧化硅,作為第一代低k值ILD淀積材料被用在0.18m器件上。在氧化硅中摻氟,材料的介電常數(shù)從3.9降到3.5。為了形成FSG膜,需要在SiH4和O2的混合反應(yīng)氣體中加入SiF4。采用FSG的一個(gè)問(wèn)題是氟化學(xué)鍵的不穩(wěn)定以及由此導(dǎo)致的腐蝕缺陷,需要限制氟的含量在6左右。如果氟遇到水就會(huì)產(chǎn)生腐蝕SiO2的HF。為了避免這種情況,可在淀積反應(yīng)過(guò)程中引入H來(lái)去除弱鍵和F原子。582021/3/27CVD設(shè)備:根據(jù)反應(yīng)腔中的

29、壓力CVD可分為 常壓CVD（APCVD) 減壓CVD減壓CVD又可分為 低壓CVD（LPCVD) 等離子體輔助減壓CVD 等離子體增強(qiáng)減壓CVD (PECVD) 高密度等離子體CVD (HDPCVD)5.3CVD淀積系統(tǒng)592021/3/27CVD反應(yīng)器的加熱:熱壁:不僅加熱硅片,還加熱硅片的支持物以及反應(yīng)腔的側(cè)壁。熱壁 反應(yīng)會(huì)在硅片表面和反應(yīng)腔的側(cè)壁上形成膜,因而要求經(jīng)常清 洗或者原位清除來(lái)減少顆粒沾污。冷壁:只加熱硅片和硅片支持物。反應(yīng)器的側(cè)壁溫度較低沒有足夠的 能量發(fā)生淀積。采用RF感應(yīng)加熱或者紅外線加熱。減少了反應(yīng) 器中顆粒的形成。602021/3/27工藝 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 應(yīng)用APCV

30、D 反應(yīng)簡(jiǎn)單 臺(tái)階覆蓋能力差 低溫SiO2（常壓CVD） 淀積速度快 有顆粒沾污 （摻雜或不摻雜） 低溫 低產(chǎn)出率LPCVD 高純度和均勻性 高溫、低的淀積速率 高溫SiO2、 Si3N4（低壓CVD） 一致的臺(tái)階覆蓋能力 需要更多的維護(hù),要求 多晶硅、W、WSi2 大的硅片容量 真空系統(tǒng)支持 等離子體輔助CVD 低溫、快速淀積、好 要求RF系統(tǒng),高成本 高的深寬比間隙填充 的臺(tái)階覆蓋能力、好 壓力遠(yuǎn)大于張力,化學(xué) 金屬上的低溫SiO2, 的間隙填充能力 物質(zhì)和顆粒沾污 ILD-1,ILD鈍化Si3N4各種類型CVD反應(yīng)器及其主要特點(diǎn)612021/3/27622021/3/27一、APCVD（

31、常壓CVD）APCVD的優(yōu)點(diǎn):高的設(shè)備產(chǎn)量、優(yōu)良的均勻性以及制造大直徑硅 片的能力。APCVD的缺點(diǎn):高的氣體消耗,并且需要經(jīng)常清潔反應(yīng)腔,由于 膜也會(huì)淀積在傳送裝置上,因而傳送帶裝置也需 要潔凈處理。APCVD淀積的膜臺(tái)階覆蓋能力差。APCVD的應(yīng)用:最常用來(lái)淀積SiO2和摻雜的氧化硅（如PSG、 BPSG、FSG）。傳統(tǒng)上這些膜通常作為層間介質(zhì) （ILD）,保護(hù)性覆蓋物或者表面平坦化。632021/3/27APCVD淀積SiO21、用SiH4淀積 SiO2工藝:在450500C低溫,用氬氣或氮?dú)鈱iH4稀釋到很低含量 （體積百分比一般是210）,用O2氧化SiH4來(lái)淀積SiO2。優(yōu)勢(shì):在

32、鋁連線上作為ILD的SiO2淀積。缺點(diǎn):臺(tái)階覆蓋能力和間隙填充能力很差,所以對(duì)于關(guān)鍵的ULSI, APCVD并不適用。642021/3/272、用TEOS臭氧淀積SiO2TEOS一種有機(jī)液體,正硅酸乙酯,分子式Si(C2H5O4)。臭氧包含三個(gè)氧原子,比氧氣具有更強(qiáng)的反應(yīng)活性。工藝:在低溫400 C,用一種輸運(yùn)氣體如氮?dú)鈧魉蚑EOS氣體混合物 到達(dá)反應(yīng)腔,與臭氧發(fā)生反應(yīng),淀積SiO2。反應(yīng)方程式: Si(C2H5O4) + 8O3 SiO2 + 10H2O +8CO2優(yōu)點(diǎn):對(duì)于高的深寬比的槽有優(yōu)良的覆蓋填充能力;反應(yīng)過(guò)程中僅 利用熱CVD工藝淀積SiO2,避免了硅片表面和邊角損傷。缺點(diǎn):用AP

33、CVD TEOSO3淀積的SiO2膜多孔,需要回流來(lái)去掉潮 氣并增加膜密度。652021/3/27二、LPCVD（低壓CVD）優(yōu)點(diǎn):更低的成本、更高的產(chǎn)量及更好的膜性能。通常在中等真空度 下,反應(yīng)溫度一般為300900 C。常規(guī)的氧化爐及多腔集成 設(shè)備都可以應(yīng)用于LPCVD。LPCVD是反應(yīng)速度限制,在減壓條件 下,增加反應(yīng)氣體分子擴(kuò)散到硅片的氣體質(zhì)量傳輸不再限制反 應(yīng)速度, 只有嚴(yán)格控制溫度。具有優(yōu)良的臺(tái)階覆蓋能力。缺點(diǎn):是熱壁,顆粒淀積在反應(yīng)器的內(nèi)壁上。需要周期性的維護(hù)來(lái) 去除反應(yīng)腔內(nèi)的顆粒。 清潔方法:取出臟的石英管,用手工轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)部泡有HF的管道。 原位清潔:采用能與反應(yīng)器內(nèi)壁上固體沉積

34、物反應(yīng)的等 離子體發(fā)生氟氣,生成揮發(fā)性生成物并排出系統(tǒng);另一種原 位清潔是用ClF3,在高溫下進(jìn)行熱清潔。原位清潔減少了設(shè) 備的停工時(shí)間,降低了顆粒數(shù),減少了個(gè)人接觸化學(xué)物質(zhì)的機(jī)會(huì)。662021/3/27LPCVD應(yīng)用1、淀積SiO2（1）用TEOS制備SiO2在低壓650750 C下,熱分解TEOS,可以加入O2（也可以不加）。TEOS用載流氣體攜帶。由于氣體分子在表面的快速擴(kuò)散,可以制作均勻性優(yōu)異的SiO2。（2）用硅烷制備SiO2在較低的溫度450 C下,淀積SiO2。類似于APCVD淀積SiO2。但這種工藝的臺(tái)階覆蓋能力差。672021/3/272、淀積氮化硅 Si3N4通常被用作硅片

35、最終的鈍化保護(hù)層,因?yàn)樗芎芎玫匾种齐s質(zhì)和潮氣的擴(kuò)散。用LPCVD淀積,可獲得具有良好階梯覆蓋能力和高度均勻的Si3N4膜。 Si3N4也被用作掩膜材料。由于Si3N4具有高的介電常數(shù),不能作為ILD絕緣介質(zhì),它會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體之間大的電容。淀積工藝:在700800 C下,用二氯二氫硅（SiCl2H2)和氨氣（NH3)反應(yīng)淀積Si3N4。反應(yīng)方程式:3 SiCl2H2（g) + 4 NH3(g) Si3N4 (s) + 6HCl（g) +6H2 (g)682021/3/273、多晶硅多晶硅膜通常用LPCVD方法。MOS器件中,常用摻雜的多晶硅作為柵電極。用摻雜的多晶硅作為柵電極的原因:通過(guò)摻雜可得到

36、特定的電阻和二氧化硅優(yōu)良的界面特性和后續(xù)的高溫工藝的兼容性比金屬電極 更高的可靠性在陡峭的結(jié)構(gòu)上淀積的均勻性實(shí)現(xiàn)柵的自對(duì)準(zhǔn)工藝692021/3/27多晶硅淀積的方法:溫度:575650C,反應(yīng):低壓用純硅烷或者含量為20%30%的硅烷和氮?dú)獾幕旌蠚怏w通入反應(yīng)系統(tǒng),在壓強(qiáng)0.21.0 托條件下淀積多晶硅?；瘜W(xué)反應(yīng):SiH4(g) Si(s) + 2H2(g)摻雜:向反應(yīng)混合氣體中加入AsH3、 PH3、 B2 H6等進(jìn)行原位摻雜。也可在淀積后用離子注入進(jìn)行摻雜。多晶硅摻雜后的電阻高度依賴于淀積溫度、摻雜濃度以及退火溫度對(duì)晶粒大小的影響。702021/3/274、氧化氮化硅含氧的氮化硅稱為氧化氮化

37、硅（SiOXNY),它兼有氧化硅和氮化硅的優(yōu)點(diǎn):（1）與氮化硅相比,氧化氮化硅改善了熱穩(wěn)定性、抗斷裂能力、降低的膜應(yīng)力。（2）氧化氮化硅的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是膜中的氮積累在硅界面處,減少了拉伸的硅-氧鍵的濃度,減少了熱載流子的產(chǎn)生。對(duì)于薄柵氧來(lái)說(shuō),在Si/SiO2界面處的氧化氮化硅層可以改進(jìn)器件的電學(xué)性能。氧化氮化硅的制備:用NH3氮化二氧化硅,或者直接生長(zhǎng)SiOXNY（通過(guò)SiH4、N2O、NH3反應(yīng)制備）。氮化硅 和氧化氮化硅通常作為絕緣介質(zhì)膜進(jìn)行選擇刻蝕的刻蝕終止層。712021/3/27三、等離子體輔助CVD在CVD過(guò)程中使用等離子體 的好處:更低的工藝溫度（250450C）對(duì)高的深寬比間隙有

38、好的填充能力淀積的膜對(duì)硅片有優(yōu)良的黏附能力高的淀積速率少的針孔和空洞,因而有高的膜密度工藝溫度低,因而應(yīng)用范圍廣722021/3/271、膜的形成在真空腔中施加射頻功率使氣體分子分解,就會(huì)發(fā)生等離子體增強(qiáng)CVD并淀積形成膜。被激發(fā)的分子具有化學(xué)活性很容易與其他原子鍵合形成黏附在硅片表面的膜。反應(yīng)過(guò)程（共分8步）:反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)室電場(chǎng)使反應(yīng)物分解薄膜初始物形成初始物吸附初始物擴(kuò)散到襯底中表面反應(yīng)副產(chǎn)物的解吸附作用副產(chǎn)物去除732021/3/272、等離子體增強(qiáng)CVD（PECVD）等離子體增強(qiáng)CVD過(guò)程使用等離子體能量來(lái)產(chǎn)生并維持CVD反應(yīng)。與LPCVD相比,PECVD的反應(yīng)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LPCVD

39、的反應(yīng)溫度。如LPCVD淀積氮化硅的溫度一般是800900C,而鋁的熔點(diǎn)是660C,因此不能用LPCVD在鋁上淀積氮化硅,而應(yīng)用采用淀積溫度為350C的PECVD就很合適。742021/3/273、高密度等離子體CVD（HDPCVD）HDPCVD:等離子體在低壓下以高密度混合氣體的形式直接接觸到反應(yīng)腔中硅片的表面。它主要的優(yōu)點(diǎn)是可以在300400C較低的淀積溫度下,制備出填充高深寬比的間隙的膜。752021/3/272021/3/2776金屬化金屬化金屬化1多層互聯(lián)多層互聯(lián)2762021/3/2777金屬化金屬化是將金屬薄膜淀積到半導(dǎo)體晶片表面的工藝;淀積方法:真空蒸發(fā)、濺射和CVD方法;IC

40、 制備工藝中廣泛使用的金屬材料包括:多晶硅多晶硅Polysilicon金屬硅化物金屬硅化物Silicides鋁合金鋁合金Aluminum alloy鈦鈦Titanium氮化鈦氮化鈦Titanium Nitride鎢鎢Tungsten鉭鉭Tantalum銅銅Copper772021/3/2778金屬化工藝主要應(yīng)用于:柵電極;與柵氧化層之間具有良好的界面特性和穩(wěn)定性與柵氧化層之間具有良好的界面特性和穩(wěn)定性; ;具有合適的功具有合適的功函數(shù)函數(shù), ,滿足滿足MOSMOS閾值電壓的要求閾值電壓的要求; ;多晶硅柵更多地代替了鋁柵多晶硅柵更多地代替了鋁柵; ;接觸電極;具有良好的金屬具有良好的金屬/ /

41、半導(dǎo)體接觸特性半導(dǎo)體接觸特性; ;廣泛使用的是金屬?gòu)V泛使用的是金屬硅化物硅化物,WSi,WSi2 2, ,TiSiTiSi2 2, ,CoSiCoSi2 2, ,MoSiMoSi2 2, ,TaSiTaSi2 2; ;互聯(lián);要求電阻率小要求電阻率小, ,易于淀積和刻蝕和良好的抗電遷移特性易于淀積和刻蝕和良好的抗電遷移特性; ;采用鋁采用鋁- -銅合金銅合金, ,金屬鎢作為填充金屬金屬鎢作為填充金屬, ,金屬金屬TiTi作為連接層作為連接層, ,合金合金TiNTiN作為緩沖層作為緩沖層, ,粘接層和抗反射層粘接層和抗反射層; ;782021/3/2779792021/3/2780802021/3

42、/2781金屬化的材料多晶硅多晶硅1難溶金屬硅化物難溶金屬硅化物2鋁鋁3Ti/TiN/W45銅銅812021/3/2782多晶硅用作MOS器件的柵極材料和IC中的局部互聯(lián)材料;一般采用LPCVD方法,通過(guò)硅烷SiH4熱分解淀積;需要對(duì)淀積的多晶硅柵重?fù)诫s,采用離子注入方式;對(duì)多晶硅柵摻雜的同時(shí),可以自對(duì)準(zhǔn)的形成源、漏區(qū),實(shí)現(xiàn)源、柵、漏區(qū)的自動(dòng)排列;822021/3/2783金屬化的材料多晶硅多晶硅1難溶金屬硅化物難溶金屬硅化物2鋁鋁3Ti/TiN/W45銅銅832021/3/2784難溶金屬硅化物難熔金屬硅化物/多晶硅雙層結(jié)構(gòu)在柵和內(nèi)部互聯(lián)的應(yīng)用中可使互聯(lián)電阻降低約一個(gè)量級(jí);難溶硅化物同鋁的接

43、觸電阻率比硅同鋁的接觸電阻率低約一個(gè)數(shù)量級(jí),硅化物的源、漏結(jié)構(gòu)可以使源、漏區(qū)的薄層電阻大大降低;用作柵和互聯(lián)材料的金屬硅化物有:TiSi2,TaSi2,WSi2,CoSi2,MoSi2等;用作電極歐姆接觸材料的金屬硅化物有:PtSi,PdSi;842021/3/2785金屬硅化物Silicide的淀積方法采用共濺射或共蒸發(fā)（電子束蒸發(fā)）方式將難溶金屬和硅淀積到多晶硅層等襯底上,該方法形成的硅化物通常稱為Polycide;濺射或蒸發(fā)單層難溶金屬于多晶硅襯底上,然后退火（RTA）,難溶金屬與多晶硅襯底反應(yīng)生成硅化物,該方法生成的硅化物通常稱為Silicide (TiSi2 CoSi2) 。Sili

44、cide在SiO2表面不能生成,因此多晶硅襯底表面不能有SiO2層,采用Ar+離子轟擊去除;利用這一性質(zhì)可制備自對(duì)準(zhǔn)的復(fù)合柵;多余的難溶金屬采用選擇性強(qiáng)的濕法刻蝕（NH4OH/H2O2/H20或H2SO4/H2O2 ）清除;合金靶濺射;化學(xué)氣相淀積CVD方法,采用LPCVD或者PECVD(WSi2);852021/3/2786862021/3/2787金屬化的材料多晶硅多晶硅1難溶金屬硅化物難溶金屬硅化物2鋁鋁3Ti/TiN/W45銅銅872021/3/2788鋁鋁,排名第四的最佳傳導(dǎo)率金屬; 銀銀 1.6 u1.6 u.cm.cm 銅銅 1.7 u1.7 u.cm.cm 金銀合金金銀合金 2

45、.2 u2.2 u.cm.cm 鋁鋁 2.65 u2.65 u.cm.cm鋁是IC工藝中最常用的金屬,采用PVD或CVD的方法制備;在1970s,廣泛用作柵極材料、接觸材料和互聯(lián)材料; 882021/3/2789Al/Si接觸中的尖楔現(xiàn)象Si在Al中的溶解度比較高,當(dāng)Al-Si接觸時(shí),退火過(guò)程中會(huì)有相當(dāng)多的Si原子溶到Al中;Si在Al膜的晶粒間界中快速擴(kuò)散而離開接觸孔的同時(shí),Al就向接觸孔內(nèi)運(yùn)動(dòng),填充因Si離開而留下的空間;接觸孔內(nèi)Si的消耗往往只通過(guò)幾個(gè)點(diǎn),在這些地方,Al就會(huì)像尖釘一樣楔進(jìn)Si中,形成“尖楔”現(xiàn)象;Si-Al界面處SiO2膜的厚度較厚時(shí)尖楔現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重一些;尖楔現(xiàn)象在硅的（

46、100）晶向比（111）晶向會(huì)嚴(yán)重一些,MOS器件采用（100）晶向,尖楔問(wèn)題更突出;892021/3/2790Al/Si接觸的改進(jìn)1.采用采用Al-SiAl-Si合金代替合金代替AlAl作為接觸和互聯(lián)材料作為接觸和互聯(lián)材料 硅的含量硅的含量1%-4%,一般一般情況下為情況下為1%;2. 鋁鋁-摻雜多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu)摻雜多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu) 典型工藝典型工藝參數(shù)參數(shù):采用采用Al-摻雜多晶硅摻雜多晶硅結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu),結(jié)深結(jié)深0.25um,柵柵氧化層厚度氧化層厚度250 , ,接觸孔面積接觸孔面積1um1um* *1um1um, ,500500下退火下退火, ,沒有明顯的沒有明顯的AlAl尖楔尖楔;

47、 ;3. 鋁鋁-阻擋層結(jié)構(gòu)阻擋層結(jié)構(gòu) 一般一般PtSi,PdSi,CoSi用作為歐姆接觸材料用作為歐姆接觸材料,用用TiN,TaN,WN作為阻擋層作為阻擋層,接著再淀積金屬接著再淀積金屬Al; 902021/3/2791電遷移現(xiàn)象電遷移現(xiàn)象是一種在大電流密度作用下的質(zhì)量輸運(yùn)現(xiàn)象;質(zhì)量輸運(yùn)一般沿電子流方向進(jìn)行,導(dǎo)電的金屬原（離）子與導(dǎo)電電子之間的碰撞引起相互間的動(dòng)量交換,金屬原子將沿著電子流的方向輸運(yùn),在相反的方向有質(zhì)量耗盡產(chǎn)生空位,而在另一個(gè)方向則由于鋁原子的堆積而形成小丘,此為電遷移現(xiàn)象;鋁引線薄膜是多晶結(jié)構(gòu),導(dǎo)電鋁原子在薄膜中的輸運(yùn)過(guò)程是擴(kuò)散過(guò)程,主要沿晶粒間界進(jìn)行;產(chǎn)生的空洞會(huì)使互聯(lián)線開

48、路或斷裂,而鋁原子的堆積會(huì)造成光刻的困難和多層布線之間的短路;912021/3/2792電遷移的改進(jìn)采用Al-Cu（4%）合金或Al-Si（1-2%）-Cu（4%）合金; Cu與Si雜質(zhì)就如處于鋁晶粒間界處的“膠”一樣,可以有效地防止電子碰撞引起的鋁原子遷移。采用“竹狀”結(jié)構(gòu)的鋁引線;采用三層夾心結(jié)構(gòu); 在兩層鋁薄膜之間增加約500的過(guò)渡金屬層（Ti等）,經(jīng)過(guò)400退火后,在兩層鋁之間形成金屬化合物,可以阻擋鋁的擴(kuò)散。 922021/3/2793金屬化的材料多晶硅多晶硅1難溶金屬硅化物難溶金屬硅化物2鋁鋁3Ti/TiN/W45銅銅932021/3/2794Ti硅化物硅化物擴(kuò)散阻擋層擴(kuò)散阻擋層粘

49、附層粘附層942021/3/2795TiN勢(shì)壘阻擋層 防止金屬鎢的擴(kuò)散;粘附層 有助于金屬鎢更好的與Si和SiO2的結(jié)合;抗反射層 減少金屬圖形光刻時(shí)的反射,提高光刻的精度;952021/3/2796金屬鎢鎢主要用在IC的互聯(lián)系統(tǒng)中;作為填充材料（鎢插塞plug),填充接觸孔和兩個(gè)鋁層間的通孔; 金屬鎢一般采用CVD方法制備,可以獲得很好的臺(tái)階覆蓋,通孔填充效果;作為局部互聯(lián)材料; 因?yàn)殒u的電導(dǎo)率較低,全局互聯(lián)依然采用鋁和銅材料;962021/3/2797金屬鎢972021/3/2798鎢的填充工藝要求薄膜有較強(qiáng)的保形覆蓋,厚度均勻性好,但對(duì)電阻率要求不高。要使接觸孔和通孔完全填充,孔的側(cè)壁不

50、應(yīng)超過(guò)90。用鎢填充接觸孔和通孔的工藝: 表面原位預(yù)清潔表面原位預(yù)清潔處理處理; 淀積一個(gè)接觸層（通常是濺射或淀積一個(gè)接觸層（通常是濺射或CVD的的Ti膜）膜）; 淀積一個(gè)附著淀積一個(gè)附著/阻擋層（通常是濺射或阻擋層（通常是濺射或CVD的的TiN膜）膜）; 覆蓋式覆蓋式CVD淀積鎢淀積鎢; 鎢膜回刻（氟基氣體等離子刻蝕鎢膜回刻（氟基氣體等離子刻蝕,CMP）; 附著層和接觸層的刻蝕附著層和接觸層的刻蝕;金屬鎢982021/3/2799金屬鎢992021/3/27100金屬化的材料多晶硅多晶硅1難溶金屬硅化物難溶金屬硅化物2鋁鋁3Ti/TiN/W45銅銅1002021/3/27101銅與低K介質(zhì)

51、IC的器件尺寸和互聯(lián)線尺寸的減少,使得互聯(lián)線延遲時(shí)間已經(jīng)可以與器件門延遲時(shí)間相比較,使用銅作為互聯(lián)線,低K材料作為介質(zhì)層,能極大降低互聯(lián)線電阻,減少互聯(lián)延遲; 銅的電阻率低（1.7u.cm）,具有強(qiáng)的抗電遷移能力, 能保證IC電路功耗低,速度快,可靠性高; 銅互聯(lián)工藝依然有很大挑戰(zhàn)性: 銅的淀積制備銅的淀積制備; 銅的銅的CMP平整化技術(shù)平整化技術(shù); 低低K介質(zhì)材料的淀積和刻蝕介質(zhì)材料的淀積和刻蝕; 勢(shì)壘層材料選擇和淀積技術(shù)勢(shì)壘層材料選擇和淀積技術(shù); 互聯(lián)集成工藝中的清潔技術(shù)互聯(lián)集成工藝中的清潔技術(shù);1012021/3/27102大馬士革（鑲嵌式）銅互聯(lián)工藝1022021/3/27103內(nèi)容金

52、屬化金屬化1多層互聯(lián)多層互聯(lián)21032021/3/27104多層互聯(lián)互連線數(shù)目隨IC中器件數(shù)目增加而增加,而單位面積上可以實(shí)現(xiàn)的連線數(shù)有限,使用多層互聯(lián),可以使單位芯片面積上的互連線面積成倍增加,允許有更多的互聯(lián)線,同時(shí)能降低互聯(lián)線延遲時(shí)間。PMD接觸孔接觸孔通孔通孔IMD1042021/3/271051052021/3/27106互聯(lián)金屬材料一般為鋁,鋁銅合金,鋁硅銅合金以及銅;介質(zhì)材料一般為PECVD淀積得到的SiO2,SiN及低K介質(zhì);接觸孔填塞材料一般有Ti,TiN和W;多層互聯(lián)的工藝流程如下:1062021/3/271071072021/3/271081082021/3/271091

53、092021/3/271101102021/3/271111112021/3/271121122021/3/271131132021/3/271141142021/3/271151152021/3/271161162021/3/271171172021/3/271181182021/3/271191192021/3/271201202021/3/271211212021/3/27122122光刻, 刻蝕1232021/3/276.1 引言 光刻的本質(zhì)是把臨時(shí)電路結(jié)構(gòu)復(fù)制到以后要進(jìn)行刻蝕和離子注入的硅片上,轉(zhuǎn)移到硅片上的圖形組成了電路的元件,如柵電極、通孔、器件各層間必要的互連線以及硅摻雜區(qū)。

54、在完成試驗(yàn)電路或計(jì)算機(jī)模擬之后,制造集成電路的第一步是產(chǎn)生幾何形狀的圖像,這些電路結(jié)構(gòu)首先以圖形形式制作在名為掩膜版的石英版上,紫外線透過(guò)掩膜版把圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面的光敏薄膜上。光刻顯影后圖形出現(xiàn)在硅片上,然后用一種化學(xué)刻蝕工藝把薄膜圖形成像在下面的硅片上,各個(gè)連續(xù)圖形轉(zhuǎn)移之間可進(jìn)行離子注入、擴(kuò)散、氧化或金屬化等工藝操作。 6.1.1光刻的概念1242021/3/272021/3/27125光刻 光刻工藝是半導(dǎo)體器件和集成電路制造的重要工藝步驟。 光刻的精確度決定著器件和集成電路的最小尺寸。 當(dāng)前CMOS集成電路的特征尺寸: 0.35um,0.25um,0.18um,甚至65nm,32nm12

55、5光 刻氣相成底膜到軟烘1262021/3/272021/3/27127光刻所需要的三要素為:光刻膠、掩膜版和光刻機(jī) 127（光）掩膜版:是石英版,包含了對(duì)于整個(gè)硅片來(lái)說(shuō)確定一個(gè)工藝層所需的完整管芯陣列。光刻膠:一種聚合可溶解物,被涂在硅片襯底表面,被烘焙除去溶劑,再將其用受控光線曝光。光刻膠是涂在硅片表面的臨時(shí)材料,僅是為了必要的圖形轉(zhuǎn)移,一旦圖形經(jīng)過(guò)刻蝕或離子注入,就要被去掉。1282021/3/27光譜:光譜能量要滿足激活光刻膠并將圖形從投影掩膜版中轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的要求。典型的是紫外光源（UV),紫外光一直是形成光刻圖形常用的能量源。UV波長(zhǎng)（nm) 波長(zhǎng)名 UV發(fā)射源436 G線 汞燈405

56、 H線 汞燈365 I線 汞燈 248 深紫外 汞燈或氟化氪準(zhǔn)分子激光193 深紫外 氟化氪準(zhǔn)分子激光157 真空紫外 氟準(zhǔn)分子激光 分辨率:光刻中一個(gè)重要的性能指標(biāo)是每個(gè)圖形的分辨率。分辨率是將兩個(gè)相鄰近的特征圖形區(qū)分開的能力。1292021/3/27套準(zhǔn)精度:硅片表面存在的圖形與掩膜版上的圖形對(duì)準(zhǔn)程度,因?yàn)檠谀ぐ嫔系膱D形要層對(duì)層準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)移到硅片上,當(dāng)圖形形成要多次用到掩膜版時(shí),任何套準(zhǔn)誤差都會(huì)影響硅片表面上圖案的布局寬容度。1302021/3/276.2光刻工藝光刻工藝包括兩類工藝類型:負(fù)性光刻和正性光刻。負(fù)性負(fù)性光刻光刻:把與掩膜版上圖形相反的圖形復(fù)制到硅片上。正性正性光刻光刻:把與掩膜

57、版上相同的圖形復(fù)制到硅片上。兩種工藝的區(qū)別:所用光刻膠不同。1312021/3/27描述掩膜版的方法是根據(jù)它們表面外觀:暗場(chǎng)掩膜版:其石英版上大部分被鉻覆蓋亮場(chǎng)掩膜版:掩膜版上有大面積透明的石英,只有很細(xì)的鉻圖形。1322021/3/27用正性光刻做例子,一些通常的暗場(chǎng)掩膜版被用于源漏注入、LDD注入和接觸孔刻蝕工藝之前。亮場(chǎng)掩膜版應(yīng)用于柵刻蝕和金屬互連刻蝕工藝之前。1332021/3/276.2.1負(fù)性光刻 負(fù)性光刻掩膜版是透明的石英版,掩膜版上黑色部分是一層淀積的鉻膜,它能形成想得到的掩膜圖案。鉻是不透明的,不允許紫外光透過(guò),對(duì)于負(fù)性光刻,在掩膜版上不透明鉻下面的區(qū)域沒有曝光,因此沒有改變

58、,光刻膠仍是軟的,當(dāng)暴露在顯影化學(xué)溶劑中時(shí)就會(huì)溶解。紫外線透過(guò)掩膜版透明區(qū)域后把光刻膠硬化,所以就不會(huì)溶解在顯影液中。這樣,負(fù)性光刻膠得到了與掩膜版上圖案相反的圖形。1342021/3/276.2.2正性光刻正性光刻中被曝光區(qū)域經(jīng)歷了一種光化學(xué)反應(yīng),在顯影液中軟化并可溶解在其中。不透明掩膜版下的沒被曝光的光刻膠仍保留在硅片上,保留下的光刻膠在曝光前已被硬化,將留在硅片表面,作為以后工藝（刻蝕）的保護(hù)層,工藝結(jié)束后光刻膠被除去。1352021/3/276.3光刻膠一、硅片制造中光刻膠的目的:將掩膜版圖案轉(zhuǎn)移到硅片表面頂層的光刻膠中在后續(xù)工藝中,保護(hù)下面的材料（例如刻蝕和離子注入阻擋層）13620

59、21/3/27二、光刻膠的種類基于光刻膠如何響應(yīng)紫外線將光刻膠分為:正性光刻膠和負(fù)性光刻膠負(fù)性光刻膠:紫外光曝光區(qū)域交聯(lián)硬化,使曝光的光刻膠難溶于顯影液溶劑中,光刻膠沒有在顯影液中除去,一種負(fù)相的掩膜圖形形成在光刻膠上。正性光刻膠:曝光過(guò)程中正性光刻膠分解,其曝光區(qū)域變得容易溶解,一種正相掩膜圖形出現(xiàn)在光刻膠上?？梢罁?jù)光刻膠能形成圖形的最小關(guān)鍵尺寸來(lái)給光刻膠分類:傳統(tǒng)光刻膠:形成線寬尺寸在0.35m和0.35m以上的光刻膠。化學(xué)放大（CA）光刻膠:20世紀(jì)90年代后期引入的一種新的光刻膠,適用于深紫外線（DUV)波長(zhǎng)的光刻膠?；瘜W(xué)放大光刻膠可以在批量生產(chǎn)中形成0.25m以下的細(xì)微幾何關(guān)鍵尺寸。

60、1372021/3/27三、正、負(fù)光刻膠的對(duì)比 負(fù)性光刻膠是最早使用的光刻膠,具有對(duì)硅片良好的粘附性和對(duì)刻蝕良好的阻擋作用,顯影時(shí)易變形和膨脹,使負(fù)性光刻膠只有2 m分辨率。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,負(fù)性光刻膠被正性光刻膠取代。正性光刻膠的粘附性較差,分辨率較負(fù)性光刻膠好。掩膜版的極性即亮場(chǎng)區(qū)變成暗的,暗場(chǎng)區(qū)變成透明的。兩種光刻膠其復(fù)制掩膜尺寸不同對(duì)于用亮場(chǎng)掩膜版的負(fù)性光刻膠,光刻膠中的尺寸要比相應(yīng)的光刻掩膜版的尺寸小,因?yàn)閳D形周圍有光的散射;用暗場(chǎng)掩膜版的正性光刻膠相反,因?yàn)樯⑸鋾?huì)趨向于增大光刻膠中的圖案。 1382021/3/27四、光刻膠的物理特性光刻膠物理特性:分辨率對(duì)比度敏感度粘滯