第六章_薄膜氣相淀積工藝

1、1,化學(xué)氣相淀積工藝,2,,,3,半導(dǎo)體薄膜：Si，GaAs介質(zhì)薄膜: SiO2, BPSG, Si3N4,金屬薄膜:Al, Cu,在集成電路制備中，許多材料由淀積工藝形成,4,Figure 11.4,薄膜是指一種在襯底上生長的薄固體物質(zhì)。如果一種固體物質(zhì)具有三維尺寸，那么薄膜是指一維尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩外兩維上的尺寸。,5,對薄膜的要求,Desired composition, low contaminates, good elec

2、trical and mechanical properties. 組分正確，沾污少，電和 機(jī)械性能好 Uniform thickness across wafer, and wafer-to -wafer. 每一硅片和硅片之間均勻性好3. Good step coverage (“conformal coverage”). 臺階

3、覆蓋性好4. Good filling of spaces. 填充性好5. Planarized films . 平整性好,6,Step Coverage Issues:,7,Filling Issues:,8,Examples or problems in actual structures. a) stepcoverage in sputter deposition of Al. b). void

4、s inCVD oxide,9,可以用深寬比來描述一個小間隙（如槽或孔）深寬比定義為間隙的深度和寬度的比值,高深寬比間隙難淀積均勻厚度的膜。隨著集成電路特征尺寸的不斷減小，對于高深寬比間隙的均勻、無空洞的填充淀積工藝顯得至關(guān)重要。,10,Two main types of deposition methods have beendeveloped and are used in CMOS technology:兩種主要的淀積方式

5、? Chemical Vapor Deposition (CVD)- APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD? Physical Vapor Deposition (PVD)- evaporation, sputter deposition,化學(xué)氣相淀積,物理氣相淀積,區(qū)別在于：反應(yīng)物的來源是否經(jīng)過化學(xué)變化。,11,,,12,化學(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)化合物或化合物的混合物在基體受熱面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在基體表面上生

6、成不揮發(fā)的涂層。,化學(xué)氣相沉積(CVD),3個要點(diǎn)：1.產(chǎn)生化學(xué)變化；2.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)。,13,CVD工藝優(yōu)點(diǎn),（1）CVD成膜溫度遠(yuǎn)低于體材料的熔點(diǎn)。因此減輕了襯底片的熱形變，抑制了缺陷生成; 設(shè)備簡單，重復(fù)性好；（2）薄膜的成分精確可控、配比范圍大；（3）淀積速率一般高于PVD（物理氣相淀積，如蒸發(fā)、濺射等），效率高；厚度范圍廣，由幾百埃至數(shù)毫米，可

7、以實(shí)現(xiàn)厚膜淀積，且能大量生產(chǎn)；（4）淀積膜結(jié)構(gòu)完整、致密，良好的臺階覆蓋能力，且與襯底粘附性好。（5）CVD方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬)等,缺點(diǎn)是淀積過程容易對薄膜表面形成污染、對環(huán)境的污染等,14,CVD過程,15,(1) 常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD）；(2) 低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）；(3)等離子體輔助 CVD等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相

8、淀積（PECVD）高密度等離子體化學(xué)氣相淀積（HDPCVD）另外還有次常壓化學(xué)氣相淀積SAPCVD （sub atmosphere pressure CVD）等。,常用的CVD技術(shù)有：,16,1.常壓化學(xué)氣相淀積(NPCVD Normal Pressure CVD)(APCVD Atmosphere Pressure),常壓化學(xué)氣相淀積(APCVD/NPCVD)是指在大氣壓下進(jìn)行的一種化學(xué)氣相淀積的方法，這

9、是化學(xué)氣相淀積最初所采用的方法。,17,APCVD系統(tǒng)示意圖,4,18,APCVD的缺點(diǎn)： 1.硅片水平放置，量產(chǎn)受限，易污染。 2.反應(yīng)速度受多種因素影響，反應(yīng)室尺寸、氣體流速、硅片位置等都會影響速度。 3．均勻性不太好，所以APCVD一般用在厚的介質(zhì)淀積。APCVD系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):具有高沉積速率，可達(dá)6000～10000埃/min,通常在集成電路制程中。APCVD只應(yīng)用于生長保護(hù)鈍化層。,19,2. 低壓化學(xué)汽相淀積(

10、LPCVD),隨著半導(dǎo)體工藝特征尺寸的減小，對薄膜的均勻性要求及膜厚的誤差要求不斷提高，出現(xiàn)了低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)。低壓化學(xué)氣相淀積是指系統(tǒng)工作在較低的壓強(qiáng)下(一般在100Pa以下)的一種化學(xué)氣相淀積的方法。LPCVD技術(shù)不僅用于制備硅外延層，還廣泛用于各種無定形鈍化膜及多晶硅薄膜的淀積，是一種重要的薄膜淀積技術(shù)。,20,21,在這個系統(tǒng)中沉積室(deposition chamber)是由石英管(quartz tube)所構(gòu)成

11、，而芯片則是豎立于一個特制的固定架上，可以擴(kuò)大裝片量。 在LPCVD系統(tǒng)中須要安裝一個抽真空系統(tǒng)，使沉積室內(nèi)保持在所設(shè)定的低壓狀況，并且使用壓力計(jì)來監(jiān)控制程壓力,22,LPCVD系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：具有優(yōu)異的薄膜均勻度，以及較佳的階梯覆蓋能力，并且可以沉積大面積的芯片；LPCVD的缺點(diǎn)：沉積速率較低，而且經(jīng)常使用具有毒性、腐蝕性、可燃性的氣體。由于LPCVD所沉積的薄膜具有較優(yōu)良的性質(zhì)，因此在集成電路制程中LPCVD是用以成長單晶薄膜及其

12、對品質(zhì)要求較高的薄膜。,23,APCVD生長速率快，但成膜均勻性不好，容易產(chǎn)生影響薄膜質(zhì)量的微粒，基本不應(yīng)用于集成電路制造。LPCVD反應(yīng)系統(tǒng)一般要求溫度在650℃以上，不能應(yīng)用到后段。 后段工藝中薄膜生長的反應(yīng)溫度較低，需引入額外的非熱能能量或降低反應(yīng)所需激活能以得到足夠反應(yīng)能量。,24,前者代表是PECVD和HDPCVD，等離子體提供的能量大大降低反應(yīng)所需熱能，從而降低反應(yīng)溫度到400℃以下；后者代表是采用TEOS 與O3反應(yīng)系統(tǒng)

13、的SACVD，由于O3在較低溫度下就可以提供氧自由基，反應(yīng)所需激活能小于TEOS與O2 系統(tǒng)，因此較低溫度下也可以提供足夠的淀積速率。,25,等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)是指采用高頻等離子體驅(qū)動的一種氣相淀積技術(shù)，是一種射頻輝光放電的物理過程和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)。該氣相淀積的方法可以在非常低的襯底溫度下淀積薄膜，例如在鋁(AL)上淀積Si02。工藝上PECVD主要用于淀積絕緣層。,3.等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PCVD 或P

14、ECVD：Plasma-enhanced CVD,26,PECVD是在低壓氣體上施加一個高頻電場，使氣體電離，產(chǎn)生等離子體。等離子體中的電子和離子，在電場作用下，不斷旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動，獲得能量而被加速。這些高能粒子與反應(yīng)氣體分子、原子不斷發(fā)生碰撞，使反應(yīng)氣體電離或被激活成性質(zhì)活潑的活性基團(tuán)。高化學(xué)活性的反應(yīng)物可使成膜反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行。,27,,熱板式PECVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖,28,PECVD的沉積原理與一般的CVD之間并沒有太大的差異

15、。等離子體中的反應(yīng)物是化學(xué)活性較高的離子或自由基，而且襯底表面受到離子的撞擊也會使得化學(xué)活性提高。這兩項(xiàng)因素都可促進(jìn)基板表面的化學(xué)反應(yīng)速率，因PECVD在較低的溫度即可沉積薄膜。在集成電路制程中，PECVD通常是用來沉積SiO2 與Si3N4 等介電質(zhì)薄膜。PECVD的主要優(yōu)點(diǎn)是具有較低的沉積溫度下達(dá)到高的沉積速率,29,1.更低的工藝溫度 (250 – 450℃)；2.對高的深寬比間隙有好的填充能力 (用高密度等離子體)；3

16、.淀積的膜對硅片有優(yōu)良的黏附能力；4.高的淀積速率；5.少的針孔和空洞，因?yàn)橛懈叩哪っ芏龋?.工藝溫度低，因而應(yīng)用范圍廣。,,CVD 過程中使用等離子體的好處,30,各種類型 CVD 反應(yīng)器及其主要特點(diǎn),,31,典型物質(zhì)淀積簡介,SiO2生長：低溫CVD氧化層：低于500℃中等溫度淀積：500～800℃高溫淀積：900℃左右,,一、二氧化硅（SiO2）薄膜,32,1.SiO2的用途,非摻雜SiO2:用于離子注入或擴(kuò)散

17、的掩蔽膜，多層金屬化層之間的絕緣，場區(qū)氧化層摻雜SiO2:用于器件鈍化，磷硅玻璃回流，將摻磷、硼或砷的氧化物用作擴(kuò)散源,33,2.淀積SiO2的方法:,硅烷法和TEOS法A.硅烷和氧反應(yīng)低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD) ：＜500℃SiH4+O2 SiO2 +2H24PH3+5O2 2P2O5 +6H2（鈍化層sio2）,34,TEOS是正硅酸乙脂。分子式為Si(C2H5O) 4，室溫

18、下是一種液體?？梢灾苯臃纸馍蒘iO2層。,用TEOS分解法具有溫度低，均勻性好，臺階覆蓋優(yōu)良、膜質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),另一種是通過TEOS與O2/O3反應(yīng)，來得到SiO2。Si(OC2 H5)4+O2→SiO2 +副產(chǎn)物，產(chǎn)物平整度很好，但反應(yīng)溫度一般大于600℃。,35,臭氧（O3）包含三個氧原子，比氧氣有更強(qiáng)的反應(yīng)活性，因此，這步工藝可以不用等離子體，在低溫下（如400℃）進(jìn)行，因?yàn)椴恍枰入x子體，O3就能使TEOS分解，因此反應(yīng)可

19、以在常壓（APCVD,760托）或者亞常壓(SAPCVD，600托)下。所以用O3代替O2與TEOS反應(yīng)可以大大降低反應(yīng)溫度。通過降低反應(yīng)所需激活能以得到足夠反應(yīng)能量。因此用在集成電路制造后段工藝中。優(yōu)點(diǎn)：對于高的深寬比槽有良好的覆蓋填充能力。 缺點(diǎn)：SiO2膜多孔，因而通常需要回流來去掉潮氣并增加膜密度。,用TEOS－O3淀積SiO2,36,APCVD TEOS-O3改善后的臺階覆蓋,37,38,二、氮化硅薄膜,1.氮化硅薄膜

20、在集成電路中的主要應(yīng)用,有三個方面:(1)用作為硅選擇氧化和等平面氧化的氧化掩膜；(2)鈍化膜；(3)電容介質(zhì)。,氮化硅的化學(xué)汽相淀積：中等溫度(780～820℃)的LPCVD或低溫(300℃) PECVD方法淀積,39,2. 低壓化學(xué)氣相淀積氮化硅薄膜,A、氮化硅的低壓淀積方程式：氮化硅的低壓化學(xué)氣相淀積主要通過硅烷、二氯二氫硅與氨在700-8000C溫度范圍內(nèi)反應(yīng)生成。主要反應(yīng)式如下LPCVD 3SiH2Cl2+7NH

21、3?Si3N4 ? +3NH4CL ? +3HCl? +6H2 ? PECVD3SiH4 + 4NH3 ? Si3N4 + 12H2,40,3.等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積氮化硅薄膜,A、等離子淀積優(yōu)點(diǎn)及方程式：等離子增強(qiáng)CVD的突出優(yōu)點(diǎn)是淀積溫度低，最常用的溫度是300－3500C。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積氮化硅，常由SiH4與氨或SiH4與氮在氬等離子氣氛下反應(yīng)，其反應(yīng)式如下： SiH4 + NH3 →SiNH + 3H2

22、 ２SiH4 + N2 →2SiNH + 3H2,41,用LPCVD 和 PECVD 氮化硅的性質(zhì),42,高密度等離子體淀積腔,,Photo 11.4,43,多晶硅的化學(xué)汽相淀積：利用多晶硅替代金屬鋁作為MOS器件的柵極是MOS集成電路技術(shù)的重大突破之一，它比利用金屬鋁作為柵極的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅柵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)源漏區(qū)自對準(zhǔn)離子注入，使MOS集成電路的集成度得到很大提高。,三.多晶硅薄膜,44,淀積多晶硅

23、 淀積多晶硅一般采用化學(xué)汽相淀積（LPCVD）的方法。利用化學(xué)反應(yīng)在硅片上生長多晶硅薄膜。適當(dāng)控制壓力、溫度并引入反應(yīng)的蒸汽，經(jīng)過足夠長的時間，便可在硅表面淀積一層高純度的多晶硅。,45,四、硅化鎢,金屬電極引線，大多用PVD方法來形成，但是這種方法形成的金屬薄膜階梯覆蓋能力不好。因此除了金屬鋁以外，其他金屬的淀積全部用CVD法,46,1.硅化鎢,硅化鎢熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好，電阻率低，在集成電路中應(yīng)用十分廣泛主要應(yīng)用在改善金屬鋁與硅

24、之間的歐姆接觸，以及MOS器件柵極部分的金屬層2WF6+7SiH4?2WSix ? ＋3SiF4 ?+14H2?Wsix其X值大約在2.6～2.8，此時電阻率較高，約700～900歐.厘米。為降低電阻率，需要經(jīng)過退火處理。,47,2.金屬鎢,LPCVD淀積的鎢，作為上下金屬層間的連接物，稱為“插塞鎢”,反應(yīng)一是硅將WF6內(nèi)的鎢還原出來，稱為硅還原反應(yīng)二稱為氫還原反應(yīng)反應(yīng)三稱為硅烷還原反應(yīng),如果是金屬層和硅之間的接觸，可利用反應(yīng)一

25、進(jìn)行，如果不是則利用反應(yīng)二。反應(yīng)三是在整個表面進(jìn)行鎢的淀積，又稱“覆蓋式鎢淀積”,48,PSG (Phosphosilicate Glass, 磷硅玻璃),BPSG (Borophosphosilicate Glass, 硼磷硅玻璃),FSG (Fluorinated Silicate Glass, 氟硅玻璃)等二氧化硅原有的有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于硼磷雜質(zhì)（B2O3，P2O5）的加入而變得疏松，在高溫條件下某種程度上具有像液體一樣的流

26、動能力（Reflow）。因此BPSG薄膜具有卓越的填孔能力，并且能夠提高整個硅片表面的平坦化，從而為光刻及后道工藝提供更大的工藝范圍。,五、硅玻璃,49,PSG 回流后平坦化的表面,Figure 11.14,50,在磷硅玻璃中，磷以P2O5的形式存在，磷硅玻璃由P2O5和SiO2的混合物共同組成；PSG膜具有吸收和阻擋鈉離子向硅襯底擴(kuò)散的能力，大大改善了器件的穩(wěn)定性。因此在集成電路中用作鈍化膜。其不足之處是磷濃度較高時有吸潮特性，對

27、于要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃來說,P2O5 含量（重量比）不超過4％;濃度太低則不易達(dá)到流動和平緩臺階的作用因此，用BPSG來代替PSG。硼的作用：降低回流溫度，回流溫度隨硼含量的增加而降低；（磷：阻擋鈉離子的作用）一般在BPSG中，硼和磷的含量各占4％，回流溫度800～950℃，比PSG降低300 ℃,51,SiH4+O2?SiO2 ? +2H2?4 POCL3+3O2 ?2P2O5 ? +6HCL ?總反應(yīng)方程式(a)

28、 3 SiH4＋6O2+4 POCL3 ? 3SiO2 ? + 2P2O5 ?+12HCL ? (b) SiH4(g) + 4PH3(g) + 6O2(g) →SiO2(s) +2P2 O5(g) + 2H2(g)(c) SiH4 + 2PH3 + 7N2O →SiO2 + P2O5 + 5H2 + 7N2。,PSG,PSG可以用磷擴(kuò)散形成，也可以用氣相淀積形成，反應(yīng)物為硅烷SiH4和三氯氧磷POCL3在氮?dú)獾臄y帶下進(jìn)入淀積反應(yīng)室，

29、與氧氣進(jìn)行反應(yīng),52,BPSG,BPSG薄膜的制備方法:等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）和次大氣壓化學(xué)氣相沉積（SAPCVD:Sub-atmospheric pressure chemical vapor deposition ）。BPSG薄膜制備主要采用SAPCVD工藝方法。Y因?yàn)槠涮羁啄芰Ω?除此之外,SACVD是沒有使用射頻所產(chǎn)生的等離子體,因而避免了等離子體引起的器件損傷,53,硅源：正硅酸乙脂。分子式為Si(C