薄膜氣相淀積工藝

薄膜氣相淀積工藝第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二2第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二3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第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二4SiliconsubstrateOxide寬長厚與襯底相比薄膜非常薄Figure11.4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遠小于兩外兩維上的尺寸。第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二5對薄膜的要求Desiredcomposition,lowcontaminates,goodelectricalandmechanicalproperties.組分正確，沾污少，電和機械性能好

Uniformthicknessacrosswafer,andwafer-to-wafer.

每一硅片和硅片之間均勻性好3.Goodstepcoverage(“conformalcoverage”).

臺階覆蓋性好4.Goodfillingofspaces.填充性好5.Planarizedfilms.平整性好

第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二6StepCoverageIssues:第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二7FillingIssues:第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二8Examplesorproblemsinactualstructures.a)stepcoverageinsputterdepositionofAl.b).voidsinCVDoxide第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二9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。第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二10TwomaintypesofdepositionmethodshavebeendevelopedandareusedinCMOStechnology:兩種主要的淀積方式?ChemicalVaporDeposition(CVD)-APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD?PhysicalVaporDeposition(PVD)-evaporation,sputterdeposition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。第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二11第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二12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成不揮發(fā)的涂層?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)3個要點：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)。第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二13CVD工藝優(yōu)點（1）CVD成膜溫度遠低于體材料的熔點。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，可以實現(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)等缺點是淀積過程容易對薄膜表面形成污染、對環(huán)境的污染等第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二14CVD過程第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二15(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等離子體增強化學(xué)氣相淀積（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（subatmospherepressureCVD）等。

常用的CVD技術(shù)有：第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二161.常壓化學(xué)氣相淀積

(NPCVDNormal

Pressure

CVD)

(APCVDAtmospherePressure)

常壓化學(xué)氣相淀積(APCVD/NPCVD)是指在大氣壓下進行的一種化學(xué)氣相淀積的方法，這是化學(xué)氣相淀積最初所采用的方法。第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二17APCVD系統(tǒng)示意圖4第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二18APCVD的缺點：

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:具有高沉積速率，可達6000～10000埃/min通常在集成電路制程中。APCVD只應(yīng)用于生長保護鈍化層。第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二192.低壓化學(xué)汽相淀積(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)。第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二20第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二21在這個系統(tǒng)中沉積室(depositionchamber)是由石英管(quartztube)所構(gòu)成，而芯片則是豎立于一個特制的固定架上，可以擴大裝片量。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，并且使用壓力計來監(jiān)控制程壓力第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二22LPCVD系統(tǒng)的優(yōu)點：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：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對品質(zhì)要求較高的薄膜。

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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。第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二24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)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。第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二25

等離子體增強化學(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.等離子體增強化學(xué)氣相淀積

PCVD或PECVD：Plasma-enhancedCVD第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二26PECVD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。高化學(xué)活性的反應(yīng)物可使成膜反應(yīng)在較低溫度下進行。第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二27熱板式PECVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二28PECVD的沉積原理與一般的CVD之間并沒有太大的差異。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。這兩項因素都可促進基板表面的化學(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)點是具有較低的沉積溫度下達到高的沉積速率第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二291. 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. 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，因為有高的膜密度；6. 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第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二30各種類型CVD反應(yīng)器及其主要特點第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二31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）薄膜第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二321.SiO2的用途非摻雜SiO2:用于離子注入或擴散的掩蔽膜，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散源第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二332.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+O2SiO2+2H24PH3+5O22P2O5+6H2（鈍化層sio2）

400℃400℃第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二34TEOS是正硅酸乙脂。分子式為Si(C2H5O)4，室溫下是一種液體。可以直接分解生成SiO2層。650～750℃Si(OC2H5)4

SiO2+4C2H4+2H2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)點另一種是通過TEOS與O2/O3反應(yīng)，來得到SiO2。Si(OC2H5)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℃。第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二35臭氧（O3）包含三個氧原子，比氧氣有更強的反應(yīng)活性，因此，這步工藝可以不用等離子體，在低溫下（如400℃）進行，因為不需要等離子體，O3就能使TEOS分解，因此反應(yīng)可以在常壓（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：對于高的深寬比槽有良好的覆蓋填充能力。

缺點：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第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二36APCVDTEOS-O3改善后的臺階覆蓋第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二37第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二38二、氮化硅薄膜1.氮化硅薄膜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方法淀積第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二392.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LPCVD3SiH2Cl2+7NH3Si3N4+3NH4CL+3HCl+6H2

PECVD3SiH4+4NH3Si3N4+12H2

第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二403.等離子體增強化學(xué)氣相淀積氮化硅薄膜A、等離子淀積優(yōu)點及方程式：等離子增強CVD的突出優(yōu)點是淀積溫度低，最常用的溫度是300－3500C。等離子體增強化學(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

２SiH4+N2→2SiNH+3H2

第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二41用LPCVD和PECVD氮化硅的性質(zhì)第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二42高密度等離子體淀積腔Photo11.4

第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二43

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.多晶硅薄膜第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二44

淀積多晶硅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。

第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二45四、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法第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二461.硅化鎢硅化鎢熔點高，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之間的歐姆接觸，以及MOS器件柵極部分的金屬層2WF6+7SiH42WSix＋3SiF4+14H2Wsix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。第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二472.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)一進行，如果不是則利用反應(yīng)二。反應(yīng)三是在整個表面進行鎢的淀積，又稱“覆蓋式鎢淀積”第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二48PSG(PhosphosilicateGlass,磷硅玻璃),BPSG(BorophosphosilicateGlass,硼磷硅玻璃),FSG(FluorinatedSilicateGlass,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、硅玻璃第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二49PSG回流后平坦化的表面回流后PSG回流前PSG金屬或多晶硅Figure11.14第49頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二50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℃第50頁，共56頁，2023年，2月20日，星期二51SiH4+O2SiO2+2H24POCL3+3O2