第三章,化學(xué)氣象沉淀

1、12022-6-2622022-6-263MSI中nMOS晶體管的各層膜p+ silicon substratep- epi layer場氧化層n+n+p+p+n-wellILD氧化硅墊氧化層氧化硅氮化硅頂層?xùn)叛趸瘜觽?cè)墻氧化層金屬前氧化層Poly金屬多晶金屬CMOSCMOS芯片結(jié)構(gòu)剖面芯片結(jié)構(gòu)剖面2022-6-264ULSI硅片上的多層金屬化硅片上的多層金屬化鈍化層鈍化層壓點金屬p+ Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p- Epitaxial layerp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1

2、Poly gaten+p+p+n+n+LI metal2022-6-265芯片中的金屬層芯片中的金屬層2022-6-2663.3 3.3 化學(xué)氣相淀化學(xué)氣相淀 (CVD) （Chemical Vapor Deposition) 2022-6-2672022-6-2682022-6-269采用采用SiH4-O2系統(tǒng)系統(tǒng)連續(xù)式連續(xù)式APCVD設(shè)備設(shè)備2022-6-2610硅片硅片膜膜反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體 2反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體 1惰性分隔氣體惰性分隔氣體(a) 氣體注入類型氣體注入類型連續(xù)加工的連續(xù)加工的APCVD 反應(yīng)爐反應(yīng)爐2022-6-2611APCVD設(shè)備設(shè)備2022-6-26122022-6-2

3、613采用采用SiCl4-NH3系統(tǒng)系統(tǒng)2022-6-26142022-6-26152022-6-26162022-6-26172022-6-26182022-6-26192022-6-26202022-6-26212022-6-2622)g(2)S(C600)g(4H2SiSiH 2022-6-2623CVD 反應(yīng)室Substrate連續(xù)膜 8) 副產(chǎn)物 去除 1) 反應(yīng)物的質(zhì)量傳輸副產(chǎn)物 2) 薄膜先驅(qū) 物反應(yīng) 3) 氣體分 子擴散 4) 先驅(qū)物 的吸附 5) 先驅(qū)物擴散 到襯底中 6) 表面反應(yīng) 7) 副產(chǎn)物的解 吸附作用排氣氣體傳送2022-6-2624PECVD 反應(yīng)室連續(xù)膜 8)

4、副產(chǎn)物 去除 1) 反應(yīng)物進 入反應(yīng)室襯底 2) 電場使反 應(yīng)物分解 3) 薄膜初始 物形成 4) 初始物吸附 5) 初始物擴散到襯底中 6) 表面反應(yīng) 7) 副產(chǎn)物的解 吸附作用排氣氣體傳送RF 發(fā)生器副產(chǎn)物電極電極RF 場2022-6-2625連續(xù)氣流連續(xù)氣流淀積膜淀積膜 硅襯底硅襯底邊界層邊界層反應(yīng)物擴散反應(yīng)物擴散2022-6-2626二氧化硅二氧化硅(SiO(SiO2 2) )薄膜的淀積薄膜的淀積氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)多晶硅多晶硅(Poly-Si)(Poly-Si)薄膜的淀積薄膜的淀積熱解反應(yīng)熱解反應(yīng)氮化硅氮化硅(Si(Si3 3N N4 4) )薄膜的淀積薄膜的淀積氨化反應(yīng)氨化反應(yīng)三氧化二

5、鋁三氧化二鋁(Al(Al2 2O O3 3) )薄膜的淀積薄膜的淀積水解反應(yīng)水解反應(yīng)難熔金屬薄膜的淀積難熔金屬薄膜的淀積還原反應(yīng)還原反應(yīng)2022-6-26272022-6-2628=2 1深寬比深寬比 = 500 250 500 D250 W可以用可以用深寬比深寬比來描述一個小間隙（如槽或孔），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定義為間隙的深度和寬度的比值( (見下圖見下圖) )WD 寬寬度度深深度度深深寬寬比比當(dāng)特征尺寸當(dāng)特征尺寸 0.15m0.15m時，高深寬比在硅片制造中至關(guān)重要時，高深寬比在硅片制造中至關(guān)重要。在。在0.15m0.15m的器件設(shè)計中，

6、的器件設(shè)計中，DRAMDRAM存儲器通孔的深寬比被存儲器通孔的深寬比被設(shè)計成設(shè)計成7:17:1，邏輯電路設(shè)計成，邏輯電路設(shè)計成2.4:12.4:1。2022-6-2629高的深寬比間隙高的深寬比間隙Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering2022-6-26302022-6-26312022-6-2632(HDPCVD)2022-6-2633用用 PECVD 淀積的膜在間隙淀積的膜在間隙入口處產(chǎn)生夾斷現(xiàn)象，導(dǎo)致入口處產(chǎn)生夾斷現(xiàn)象，導(dǎo)致在間隙填充中的空洞在間隙填充中的空洞鑰匙孔效應(yīng)鑰匙孔效應(yīng)面包塊效應(yīng)面包塊效應(yīng)MetalSiO2在這

7、里開始分開在這里開始分開1) 離子誘導(dǎo)離子誘導(dǎo)薄膜初始產(chǎn)物的淀積薄膜初始產(chǎn)物的淀積2) 氬離子濺射氬離子濺射刻蝕掉間隙刻蝕掉間隙入口處多余的膜，在膜入口處多余的膜，在膜上導(dǎo)致斜面外形上導(dǎo)致斜面外形3) 再淀積再淀積被刻蝕的材料。被刻蝕的材料。重復(fù)該過程，最終形成重復(fù)該過程，最終形成上下一致的形貌上下一致的形貌Cap淀積刻蝕淀積淀積刻蝕淀積(HDPCVD)工藝工藝2022-6-2634b) 平坦化的平坦化的SiO2 c) 被淀積的下一層鋁被淀積的下一層鋁在在 SiO2上由鑰匙孔引起的金屬空洞上由鑰匙孔引起的金屬空洞a) 由由 PECVD淀積的淀積的SiO2 SiO2在層間介質(zhì)中在層間介質(zhì)中的鑰匙

8、孔缺陷的鑰匙孔缺陷鋁鋁CVD質(zhì)量測量質(zhì)量測量ILD 中鑰匙孔的效果（金屬臺階覆蓋上）中鑰匙孔的效果（金屬臺階覆蓋上）2022-6-2635高密度等離子體淀積腔高密度等離子體淀積腔在渦輪在渦輪泵出口泵出口放置硅放置硅片的片的高密度等離子體淀積高密度等離子體淀積2022-6-26362022-6-2637)(2)(2650580)(42ggCgHSiHSiH )(2)(650580)(2gSCgHSiSiH 2022-6-26384SiHLPpY 2022-6-26392022-6-26402022-6-2641 )g(2C450250)g(2)g(42SiOOSiH2H )g(2C600)g(2

9、)g(4O2SiOO2SiH2H2022-6-2642 222C 50024528H10 SiO 12O)HSi(OCCOO。2022-6-2643Liner oxidep Silicon substratep Epitaxial layern-wellp-wellTrench CVD oxideTEOS-O3Trench fill by chemical vapor depositionNitride-+APCVD TEOS-O3改善后的臺階覆蓋改善后的臺階覆蓋用用TEOS-OTEOS-O3 3淀積淀積SiOSiO2 2薄膜薄膜：可改善臺階覆蓋輪廓，均勻性好：可改善臺階覆蓋輪廓，均勻性好，具

10、有作為絕緣介質(zhì)優(yōu)異的電學(xué)特性。，具有作為絕緣介質(zhì)優(yōu)異的電學(xué)特性。2022-6-2644 )g()g(22C400C200)g()g(42NSiONO2SiH2H )g(2)g(2)S(2C400C200)g(2)g(4H2N2SiOON2SiH2022-6-2645OHCSiOHOCSiC2422730680452H24)( 2022-6-26462022-6-2647)(252450300)(2)(3H6254gCggOPOPH )(22450300)(2)(4H2gCggSiOOSiH)g(32C450300)g(2)g(626OB2O3HB22H 2022-6-26482022-6-26

11、49 24390070034124322HNSiNHSiHNHC 234375060042492332HNHNSiHNSiHHC2022-6-2650243C 80070032H NSi 4NH3SiH6HCl6Cl2 。243C 85070034H12 NSi 4NH3SiH 。HCl12 NSi 4NHCl3Si43C 85070034 。2022-6-26512yxC40020034HHSiNNHSiH)1( 2yxC40020024HHSiNNSiH)2( 2022-6-26522022-6-2653 HClCOOAlHCOAlClC633232850223 HCl6OAlOHAlCl

12、232C400)g(2)g(32022-6-26542022-6-26552022-6-26562022-6-2657Ti2 準直鈦淀積覆 蓋通孔底部間隙填充介質(zhì)鋁通孔PECVD SiO21. 層間介質(zhì)通孔刻蝕CVD TiN 等角淀積TiN4. CVD 鎢淀積鎢通孔薄膜5. 鎢平坦化鎢填充薄膜具有具有 Ti/TiN 阻擋層金屬的墊膜鎢阻擋層金屬的墊膜鎢 CVD2022-6-2658 2)g(4)s(C300)s(4)g(6H6SiF3W2SiH3WF )()(450)(2)(663gsCggHFWHWF2022-6-2659 4)(300)()(63232SiFWSiWFsCsg )()(45

13、0)(2)(663gsCggHFWHWF2022-6-2660 HFMoHMoF63C 40026。 HClMoHMoClC10252700600252022-6-26612022-6-26622022-6-2663 )(2)()(400300)(4)(6622ggsxCsgHHFWSiSiHWF )()()(4)(2600570)(22)(62123472gggsCsgHClHFSiClWSiClSiHWF2022-6-2664 )(2)()(600)(3)(424626ggsCggNHClTiNNHTiCl )(2)(23)(400)(3)(423)(2468)(6ggsCggNCHHNT

14、iNNHCHNTi2022-6-2665662022-6-26672022-6-2668其他薄膜生長新技術(shù)其他薄膜生長新技術(shù) 2022-6-26693.4 3.4 薄膜的物理氣相淀薄膜的物理氣相淀 ( PVD) （Physical Vapor Deposition) 2022-6-26702022-6-26712022-6-26721、2、2022-6-26732022-6-26742022-6-2675機械泵高真空閥高真空泵工藝腔(鐘罩)坩鍋蒸發(fā)金屬載片盤簡單的蒸發(fā)裝簡單的蒸發(fā)裝置置用電子束加熱放置在坩用電子束加熱放置在坩鍋中的金屬，高真空環(huán)鍋中的金屬，高真空環(huán)境使蒸汽分子的自由程境使蒸汽分

15、子的自由程增加，并在腔里以直線增加，并在腔里以直線形式運動，直到撞擊襯形式運動，直到撞擊襯底表面凝結(jié)形成薄膜。底表面凝結(jié)形成薄膜。2022-6-26762022-6-26772022-6-26782022-6-2679PVD 多腔集成設(shè)備多腔集成設(shè)備2022-6-26802022-6-2681(2022-6-2682尾氣尾氣e-e-e-DC 直流二極管直流二極管濺射裝置濺射裝置襯底襯底 1) 電場產(chǎn)生電場產(chǎn)生 Ar+離子離子 2) 高能高能Ar+和金屬靶撞和金屬靶撞擊，其動能轉(zhuǎn)給靶擊，其動能轉(zhuǎn)給靶 3) 將金屬原子將金屬原子 從靶中撞擊從靶中撞擊陽極陽極(+)陰極陰極 (-)氬原子氬原子電場電

16、場金屬靶金屬靶等離子體等離子體 5) 金屬淀積在襯底上金屬淀積在襯底上 6) 用真空泵將多余用真空泵將多余 物質(zhì)從腔中抽走物質(zhì)從腔中抽走4) 金屬原子向襯底遷移金屬原子向襯底遷移.進氣進氣1.直流濺射：直流濺射：簡單平行金屬板直流二極管濺射系統(tǒng)簡單平行金屬板直流二極管濺射系統(tǒng)氬氣被離氬氣被離化形成等化形成等離子體離子體通過輝光放電區(qū)時，通過輝光放電區(qū)時， Ar+被加速并獲得動能。被加速并獲得動能。被撞出的這些原被撞出的這些原子穿過等離子體子穿過等離子體抵達硅片表面。抵達硅片表面。2022-6-2683盧瑟福背散射入射電子與靶入射電子與靶的核外電子碰的核外電子碰撞撞, ,使靶表面的使靶表面的核外

17、電子被激核外電子被激發(fā)出來的電子發(fā)出來的電子2022-6-2684濺射過程中從靶的表面撞出金屬原子濺射過程中從靶的表面撞出金屬原子+0高能高能 Ar+ 離子離子被濺射的被濺射的金屬原子金屬原子金屬原子金屬原子陰極陰極(-)彈回的氬離子和自由電彈回的氬離子和自由電子復(fù)合形成中性原子子復(fù)合形成中性原子被濺射的被濺射的金屬原子金屬原子直流濺射系統(tǒng)缺點：直流濺射系統(tǒng)缺點：只能濺射金屬，不能濺射介質(zhì)，只能濺射金屬，不能濺射介質(zhì)，因為電極被因為電極被介質(zhì)覆蓋，輝光放電不能夠維持。介質(zhì)覆蓋，輝光放電不能夠維持。同樣也不能用于濺射刻蝕同樣也不能用于濺射刻蝕。2022-6-2685陽極陽極(+)陰極陰極 (-)

18、電場金屬靶等離子體輝光產(chǎn)生的光子被濺射的原子Substrate高能原子中子包含雜質(zhì)的陰離子轟擊靶產(chǎn)生的X-射線陰離子e-淀積在淀積在襯底上襯底上的不同的不同核素核素 除了被濺射的原子被轟擊外，還有其它核素淀積在襯底上；除了被濺射的原子被轟擊外，還有其它核素淀積在襯底上； 這些核素給襯底加熱這些核素給襯底加熱( (使溫度達到使溫度達到350)350)，引起薄膜淀積不均勻。，引起薄膜淀積不均勻。 在鋁淀積過程中，高溫也可能產(chǎn)生不需要的鋁氧化，這會妨礙濺在鋁淀積過程中，高溫也可能產(chǎn)生不需要的鋁氧化，這會妨礙濺射過程。射過程。 如果這些核素如果這些核素( (雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子) )摻雜進正在襯底上生長的

19、薄膜，這將引摻雜進正在襯底上生長的薄膜，這將引起薄膜的質(zhì)量問題。起薄膜的質(zhì)量問題。2022-6-2686DC 電源被加熱的硅片吸盤磁鐵氬氣入口真空泵 靶 陰極2. 磁控濺射系統(tǒng)磁控濺射系統(tǒng)在靶周圍和后面加在靶周圍和后面加磁體以俘獲并限制磁體以俘獲并限制靶前面的電子，以靶前面的電子，以增加了離子在靶上增加了離子在靶上的轟擊率，產(chǎn)生更的轟擊率，產(chǎn)生更多的二次電子。從多的二次電子。從而增加等離子體中而增加等離子體中電離的速率，使更電離的速率，使更多的離子引起對靶多的離子引起對靶更多的濺射，增加更多的濺射，增加系統(tǒng)的淀積速率。系統(tǒng)的淀積速率。 濺射需要濺射需要 (大約從大約從3KW20KW)的能量供應(yīng)

20、給氬等離子體，以便取得的能量供應(yīng)給氬等離子體，以便取得最大的濺射速率。由于靶吸收了大部分能量，因此最大的濺射速率。由于靶吸收了大部分能量，因此靶必須加強冷卻靶必須加強冷卻； 淀積大面積硅片時均勻性較差淀積大面積硅片時均勻性較差。為了取得高濺射速率和膜的均勻性，。為了取得高濺射速率和膜的均勻性，需要發(fā)展能夠旋轉(zhuǎn)、采用稀土和高強度永磁體的新陰極。需要發(fā)展能夠旋轉(zhuǎn)、采用稀土和高強度永磁體的新陰極。2022-6-26872022-6-26882022-6-26892022-6-2690濺射薄膜覆蓋通孔的剖面圖Ar靶準直器準直濺射系統(tǒng)準直濺射系統(tǒng)用準直器（等離子體的陰極）使任何用準直器（等離子體的陰極）使任何從靶上被濺射出的高角度中性核素被從靶上被濺射出的高角度中性核素被中斷，并淀積在準直器上。從靶上直中斷，并淀積在準直器上。從靶上直線噴射的其他原子將通過準直器淀積線噴射的其他原子將通過準直器淀積在接觸孔的底部