第五章薄膜淀積工藝中演示文稿

第五章薄膜淀積工藝中演示文稿當前1頁，總共31頁。優(yōu)選第五章薄膜淀積工藝中當前2頁，總共31頁。薄膜淀積（ThinFilmDeposition）工藝■?概述■真空技術與等離子體簡介(第10章)■化學氣相淀積工藝(第13章)■物理氣相淀積工藝(第12章)■小結參考資料：《微電子制造科學原理與工程技術》第10、12、13章（電子講稿中出現(xiàn)的圖號是該書中的圖號）當前3頁，總共31頁?！?/p>

引言■

CVD工藝原理■

CVD技術分類及設備簡介■

典型物質(zhì)（材料）的CVD工藝三、化學氣相淀積工藝參考資料：《微電子制造科學原理與工程技術》第13章（電子講稿中出現(xiàn)的圖號是該書中的圖號）當前4頁，總共31頁。1.常壓化學氣相淀積

APCVD，AtmosphericPressureCVD2.低壓化學氣相淀積

LPCVD，LowPressureCVD3.等離子體增強化學氣相淀積

PECVD，PlasmaEnhancedCVD4.其他特殊的CVD工藝：金屬CVD，RTCVD，……（三）CVD技術分類及設備簡介當前5頁，總共31頁。圖13.9連續(xù)供片式APCVD系統(tǒng)特點：在大氣壓下進行，設備簡單，反應速率快，適于介質(zhì)淀積。SiO2淀積工藝：■

O2與SiH4氣體流量比大于

3:1時，可獲得化學配比的

SiO2?！?/p>

N2用做稀釋氣體。■

加入磷烷（PH3）可形成磷硅玻璃（PSG）。問題：氣體噴嘴處的淀積造成硅片上的顆粒沾污1.常壓化學氣相淀積（APCVD）當前6頁，總共31頁。圖13.11用于使噴嘴處淀積最小化的噴頭設計當前7頁，總共31頁。圖13.12常見LPCVD反應器結構(1)

特點：在低氣壓下（0.1~1Torr）進行，淀積均勻性好，適于介質(zhì)和半導體材料的淀積。氣壓降低?分子平均自由程和擴散率增加?淀積主要受表面化學反應速率控制?

氣流不是關鍵參數(shù)2.低壓化學氣相淀積（LPCVD）(2)反應器結構：■

冷壁系統(tǒng)：減少壁上淀積■

熱壁系統(tǒng)：裝片量大，溫度均勻，壁上淀積嚴重氣壓降低也可減少氣相成核當前8頁，總共31頁。整批式熱壁LPCVD反應器結構圖當前9頁，總共31頁。多晶硅 SiH4/Ar(He)

～620℃Si3N4

SiH2Cl2+NH3 750~800℃SiO2

SiH2Cl2+N2O

～910℃PSG

SiH4+PH3+O2

～450℃BSG

SiH4+B2H6+O2

～450℃APCVD氣壓：1atmLPCVD氣壓：~0.001atm淀積速率下降1000倍？錯誤，因為淀積速率不僅取決于總壓強，還受分壓強影響(3)LPCVD的典型應用(4)LPCVD的問題：淀積溫度較高、淀積速率偏低、顆粒沾污當前10頁，總共31頁。3.等離子體化學氣相淀積（PECVD）Si3N4:SiH2Cl2+NH3PSG:SiH4+PH3+O2PECVD的反應能量來源于RF等離子體，同時等離子體也使反應物質(zhì)的表面擴散長度增加，從而改善厚度均勻性和臺階覆蓋。冷壁平行板PECVD熱壁平行板PECVD■特點：在低溫下（<400℃）進行，適于金屬層間介質(zhì)及鈍化保護層的淀積。當前11頁，總共31頁?！龅矸e二氧化硅可分為非摻雜二氧化硅和摻雜二氧化硅。

擴散掩蔽層

側壁（Spacer）介質(zhì)

多晶－金屬間介質(zhì)

金屬－金屬間介質(zhì)

鈍化層（四）典型物質(zhì)（材料）的CVD工藝1、二氧化硅的淀積■

淀積二氧化硅的應用：當前12頁，總共31頁。(1)二氧化硅淀積的工藝方法：■

LPCVDSiO2■

PECVD

SiO2：TEOS分解、SiH4+N2O

低溫（500℃以下）

SiH4+O2

中溫（650℃～750℃）

TEOS（正硅酸乙酯）分解

高溫（～900℃）

SiH2Cl2+N2O也可用APCVD工藝當前13頁，總共31頁。PSG薄膜的回流效果示意圖(2)摻雜二氧化硅的淀積工藝：■

加入PH3、POCl3、PO(CH3O)3（TMP）等摻雜劑，可制

作磷硅玻璃（PSG）■

加入B2H6、B(C2H5O)3（TMB）等摻雜劑，可制作硼硅玻璃

（BSG）■

PSG可以降低玻璃轉(zhuǎn)化點（軟化）的溫度，采用回流工藝可

改善淀積薄膜的臺階覆蓋性，提高硅片表面的平坦度。當前14頁，總共31頁?！?/p>

PSG的回流（Reflow）工藝：1000～1100℃，N2/O2/H2O

磷含量過低，回流溫度高，回流效果不好。

磷含量過高時，吸附水汽，形成磷酸，腐蝕鋁金屬層，同時降低氧化層的介電常數(shù)，造成高溫下的放氣（Outgas）

現(xiàn)象，影響金屬淀積工藝。可采用SiO2—PSG—SiO2結構來減輕上述問題主要用于多晶—第一層金屬之間的絕緣介質(zhì)■

為進一步降低回流溫度（850℃），可采用同時摻磷和硼的

BPSG（B，P含量各占5wt%）。主要用于多晶硅化物—第一層金屬之間的絕緣介質(zhì)■

PSG中磷含量的控制：（4～8wt%）當前15頁，總共31頁。(3)淀積二氧化硅的性質(zhì)當前16頁，總共31頁。

淀積速率快，溫度較低

可制備摻雜二氧化硅

臺階覆蓋性和間隙填充能力好(4)淀積法制備二氧化硅的優(yōu)缺點■

優(yōu)勢：

與熱二氧化硅相比，絕緣性能較差，與硅的界面性能差

工藝中使用有毒有害氣體，設備成本高■不足：當前17頁，總共31頁。

采用ECR等高密度等離子體源，在低壓

（0.01Torr）下提供高密度的等離子體

饋氣：SiH4，O2

，Ar(或He)

化學反應：

SiH4+O2，在硅片表面淀積SiO2

Ar+離子轟擊硅片表面，改善臺階覆蓋和間隙填充。(5)二氧化硅淀積工藝的發(fā)展趨勢a.HDP-CVD

SiO2高密度等離子體CVD當前18頁，總共31頁。

作為金屬層間介質(zhì)，SiO2引入的寄生電容會影響IC的工作速度，并造成串擾（cross-talk）。

在SiO2中摻入F，可以將介電常數(shù)降低到3.2，從而減小寄生電容。

FSG的制備采用PECVD或HDP-CVD工藝。

饋氣：

SiH4，O2

，SiF4。(5)二氧化硅淀積工藝的發(fā)展趨勢b.

摻氟的SiO2（FSG）從0.35μm工藝開始，F(xiàn)SG已經(jīng)被普遍用于金屬－金屬間介質(zhì)。當前19頁，總共31頁。b.多晶硅工藝：多片式熱壁LPCVD工藝淀積：575～650℃，0.2~1.0Torr，淀積速率大約在100～1000埃/分鐘2、多晶硅（Poly-Si）的淀積■

多晶硅在CMOS工藝中用做器件柵極；■

在DRAM中，多晶硅用做溝槽電容的極板；■

多晶硅也可用于高值電阻、局部互連線等。在一個DRAM工藝流程中，大約需要進行4～6次多晶淀積工藝。(1)多晶硅工藝及應用a.用途當前20頁，總共31頁。后端溫度升高，補償硅烷消耗■

淀積速率隨溫度增加而快速增加。

溫度過高，同質(zhì)反應嚴重，均勻性差；溫度過低，淀

積速率過慢，不能實用。

一般采用溫度梯度來控制淀積速率的均勻性。(2)多晶硅淀積工藝的控制溫度、氣壓、硅烷濃度、雜質(zhì)濃度a.溫度：575～650℃當前21頁，總共31頁。■

溫度不同，淀積薄膜的形態(tài)不同：溫度提高，多晶晶粒尺寸

變大。當前22頁，總共31頁。■

當氣體分壓比和泵的抽速不

變，改變總氣流量時，淀積

速率與氣壓成正比關系。■

固定氣流量只改變抽速時，

淀積速率與氣壓的關系很小?！?/p>

為維持穩(wěn)定的淀積速率，一般采用固定氣流量，通過改變抽速來控制氣壓的方法，此時淀積的重復性最好。淀積速率與氣壓的關系b.氣壓：0.2~1.0Torr當前23頁，總共31頁?！?/p>

淀積速率與硅烷濃度之間沒有線性關系■

非線性生長的因素：質(zhì)量輸運機制、同質(zhì)反應、氫氣吸附等；高濃度硅烷中的同質(zhì)反應在給定溫度和氣壓下，限制了淀積速率和濃度的上限。c.硅烷濃度：硅烷分氣壓當前24頁，總共31頁。a.

溫度：低于575℃時淀積的多晶硅是無定形結構； 高于625℃時淀積的多晶硅是柱狀結構。b.

經(jīng)過熱處理后，多晶硅薄膜可發(fā)生結晶和晶粒生長。c.

氧、氮、碳等雜質(zhì)使無定形硅到1000℃以上仍是穩(wěn)定的。(3)多晶硅薄膜結構與淀積參數(shù)的關系例如：高濃度磷摻雜的多晶硅在900～1000℃加熱20分鐘后，平均晶粒尺寸大約為1μm。淀積溫度、摻雜和淀積后的熱處理影響多晶硅薄膜的結構。再結晶后的多晶硅晶粒尺寸與熱處理溫度、時間和摻雜濃度有關注意當前25頁，總共31頁。

原位摻雜工藝：PH3，AsH3，B2H6三族元素（如硼）摻雜有助于分子的表面吸附，因而將

提高多晶硅淀積速率。五族元素（如磷、砷）摻雜減少分子的表面吸附，因而將降低多晶硅淀積速率。

擴散摻雜：POCl3擴散工藝，摻雜后的濃度達到1×1021cm-3。

離子注入摻雜：可同時制作P型和N型摻雜多晶硅。(4)摻雜多晶硅a.

多晶硅摻雜工藝：擴散、離子注入和原位（In-situ）摻雜。b.

擴散摻雜能獲得最低的電阻率，而注入摻雜和原位摻雜則具有低溫工藝的優(yōu)勢。當前26頁，總共31頁。■

硅選擇氧化的掩蔽膜：氮化硅的氧化速率非常慢?！?/p>

IC的鈍化層：化學配比的氮化硅（Si3N4）對水和鈉的擴散具有很強好的阻擋效果?！?/p>

氮化硅的介電常數(shù)高（6～7），適用于電容器的介質(zhì)

層，也有用于小尺寸MOS器件的柵介質(zhì)。3、氮化硅（Si3N4）的淀積(1)氮化硅薄膜在IC中的應用：由于氮化硅薄膜的界面特性差、應力高，因此一般不在硅上直接淀積氮化硅，而多采用ON或ONO結構。當前27頁，總共31頁。

橢偏儀測量折射率，或測量HF液中腐蝕速率

折射率在1.8~2.2之