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集成電路工藝原理

仇志軍邯鄲校區(qū)物理樓435室1大綱第一章前言第二章晶體生長第三章實驗室凈化及硅片清洗第四章光刻第五章

熱氧化第六章熱擴散第七章離子注入第八章

薄膜淀積第九章刻蝕第十章后端工藝與集成第十一章未來趨勢與挑戰(zhàn)2半導體薄膜：Si介質薄膜：SiO2，Si3N4,BPSG，…金屬薄膜：Al，Cu，W，Ti，…在集成電路制備中，很多薄膜材料由淀積工藝形成單晶薄膜：Si,SiGe〔外延〕多晶薄膜：poly-SiDeposition31〕化學氣相淀積—ChemicalVaporDeposition(CVD)一種或數種物質的氣體，以某種方式激活后，在襯底外表發(fā)生化學反響，并淀積出所需固體薄膜的生長技術。例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2〕物理氣相淀積—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某種物理過程實現物質的轉移，即將原子或分子轉移到襯底〔硅〕外表上，并淀積成薄膜的技術。例如：蒸發(fā)evaporation，濺射sputtering兩類主要的淀積方式4除了CVD和PVD外，制備薄膜的方法還有:銅互連是由電鍍工藝制作旋涂Spin-on鍍/電鍍electrolessplating/electroplating5外延：在單晶襯底上生長一層新的單晶層，晶向取決于襯底外延硅應用舉例6CMOS柵電極材料；多層金屬化電極的導電材料多晶硅薄膜的應用7ChemicalVaporDeposition(CVD)PolycrystallineSinglecrystal(epitaxy)CourtesyJohanPejnefors,20018對薄膜的要求組分正確，玷污少，電學和機械性能好片內及片間〔每一硅片和硅片之間〕均勻性好3.臺階覆蓋性好〔conformalcoverage—保角覆蓋〕填充性好平整性好9化學氣相淀積〔CVD〕單晶(外延〕、多晶、非晶〔無定型〕薄膜半導體、介質、金屬薄膜常壓化學氣相淀積〔APCVD〕，低壓CVD(LPCVD)，等離子體增強淀積〔PECVD〕等CVD反響必須滿足三個揮發(fā)性標準在淀積溫度下,反響劑必須具備足夠高的蒸汽壓除淀積物質外,反響產物必須是揮發(fā)性的淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓10(1)反應劑被攜帶氣體引入反應器后，在襯底表面附近形成“滯留層”，然后，在主氣流中的反應劑越過邊界層擴散到硅片表面(2)反應劑被吸附在硅片表面，并進行化學反應(3)化學反應生成的固態(tài)物質，即所需要的淀積物，在硅片表面成核、生長成薄膜(4)反應后的氣相副產物，離開襯底表面，擴散回邊界層，并隨輸運氣體排出反應室化學氣相淀積的根本過程11F1是反響劑分子的粒子流密度F2代表在襯底外表化學反響消耗的反響劑分子流密度生長動力學從簡單的生長模型出發(fā)，用動力學方法研究化學氣相淀積推導出生長速率的表達式及其兩種極限情況與熱氧化生長稍有不同的是，沒有了在SiO2中的擴散流12hG是質量輸運系數〔cm/sec〕ks是外表化學反響系數〔cm/sec〕在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應相等。這樣得到可得：13設那么生長速率這里Y為在氣體中反響劑分子的摩爾比值,CG為每cm3中反響劑分子數，這里CT為在氣體中每cm3的所有分子總數PG是反響劑分子的分壓，PG1，PG1PG2PG3…..等是系統中其它氣體的分壓N是形成薄膜的單位體積中的原子數。對硅外延N為5×1022cm-3

14Y一定時，v由hG和ks中較小者決定1、如果hG>>ks，那么Cs≈CG,這種情況為外表反響控制過程有2、如果hG<<ks，那么CS≈0，這是質量傳輸控制過程有質量輸運控制，對溫度不敏感表面（反應）控制，對溫度特別敏感15T對ks的影響較hG大許多，因此：hG<<ks質量傳輸控制過程出現在高溫hG>>ks外表控制過程在較低溫度出現生長速率和溫度的關系硅外延：Ea=1.6eV斜率與激活能Ea成正比hG≈constant16以硅外延為例〔1atm，APCVD〕hG

常數Ea值相同外延硅淀積往往是在高溫下進行，以確保所有硅原子淀積時排列整齊，形成單晶層。為質量輸運控制過程。此時對溫度控制要求不是很高，但是對氣流要求高。多晶硅生長是在低溫進行，是外表反響控制，對溫度要求控制精度高。17當工作在高溫區(qū),質量控制為主導，hG是常數，此時反響氣體通過邊界層的擴散很重要，即反響腔的設計和晶片如何放置顯得很重要。記住關鍵兩點：ks控制的淀積主要和溫度有關hG控制的淀積主要和反響腔體幾何形狀有關18單晶硅外延要采用圖中的臥式反響設備，放置硅片的石墨舟為什么要有傾斜?19這里界面層厚度

s是x方向平板長度的函數。a.隨著x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀積受質量傳輸控制，那么淀積速度會下降b.沿支座方向反響氣體濃度的減少,同樣導致淀積速度會下降

為氣體粘度

為氣體密度U為氣體速度20因此，支座傾斜可以促使

s(x)沿x變化減小原理：由于支座傾斜后，氣流的流過的截面積下降，導致氣流速度的增加，進而導致

s(x)沿x減小和hG的增加。從而用加大hG的方法來補償沿支座長度方向的氣源的耗盡而產生的淀積速率的下降。尤其對質量傳輸控制的淀積至關重要，如APCVD法外延硅。21外延單晶硅的化學反響式以上所有反響是可逆的，因此復原反響和HCl對硅的腐蝕均可發(fā)生，這和反響劑的摩爾分量和生長溫度有關。22目前外延常用氣源及相應總體化學反響硅外延：硅鍺外延：選擇性外延：加HCl原位摻雜外延：加BH3/B2H6，PH3/AsH323TwodifferentmodesofepitaxyNon-selectiveepitaxialgrowth(NSEG)Selectiveepitaxialgrowth(SEG)OxideEpiSubstrateSubstrateEpiPoly24斜率與激活能Ea成正比APCVD的主要問題：低產率〔throughput〕高溫淀積：硅片需水平放置低溫淀積：反響速率低25低壓化學氣相淀積〔LPCVD〕因此低壓可以大大提高hG的值。例如在壓力為1torr時，DG可以提高760倍，而ds只提高約7倍，所以hG可以提高100倍。氣體在界面不再受到傳輸速率限制。在質量輸運控制區(qū)域：26分子自由程變長，反響氣體質量遷移速率相對于外表反響速率大大增加，這就克服了質量傳輸限制，使淀積薄膜的厚度均勻性提高，也便于采用直插密集裝片降低氣體壓力，氣體分子的自由程加長，氣相反響中容易生成亞穩(wěn)態(tài)的中間產物，從而降低了反響激活能，因此，在不改變淀積速率的情況下，淀積溫度就可以低于APCVD的淀積溫度

反比于氣體壓強r為氣體分子的半徑平均自由程2728增加產率—晶片可直插放置許多片〔100-200〕工藝對溫度靈敏,但是采用溫度控制好的熱壁式系統可解決溫度控制問題氣流耗盡仍是影響均勻性的因素，可以設定溫差5～25C，或分段進氣29Batchprocessing：同時100-200片薄膜厚度均勻性好可以精確控制薄膜的成份和結構臺階覆蓋性較好低溫淀積過程淀積速率快生產效率高生產本錢低LPCVD法的主要特點有時，淀積溫度需很低，薄膜質量要求又很高。如：在形成的Al層上面淀積介質等。解決方法：等離子增強化學氣相淀積PECVD30多晶硅淀積方法

LPCVD，主要用硅烷法，即在600-650℃溫度下，由硅烷熱分解而制成，總體化學反響〔overallreaction〕方程是：SiH4→Si(多晶)+2H2 低于575℃所淀積的硅是無定形或非晶硅〔amorphousSi〕；高于600℃淀積的硅是多晶，通常具有柱狀結構〔columnstructure〕；當非晶經高溫〔>600℃〕退火后，會結晶〔crystallization〕；柱狀結構多晶硅經高溫退火后，晶粒要長大〔graingrowth〕。31多晶硅的摻雜氣固相擴散離子注入在淀積過程中參加摻雜氣體〔稱為原位摻雜，insitu〕，與外延摻雜類似多晶硅的氧化多晶硅通常在900~1000℃范圍內進行干氧氧化未摻雜或輕摻雜多晶硅的氧化速率介於〔111〕和〔100〕單晶硅的氧化速率之間摻磷多晶硅的氧化速率要比未摻雜〔或輕摻雜〕多晶硅的氧化速率快32625

CLPCVD多晶硅的TEM照片33薄膜淀積速率隨溫度上升而迅速增加淀積速率隨硅烷濃度〔硅烷分壓〕增加而增加淀積參數的影響

-溫度

-壓強

-硅烷濃度

-摻雜劑濃度34多晶硅的淀積速率通常不是硅烷濃度的線性函數外表吸附的影響一級反響線性關系35氧化硅的淀積方法1〕低溫CVD〔250~450C〕可以同時摻雜，如：PH3，形成PSG磷硅玻璃：硅烷為源的淀積——APCVD，LPCVD，PECVD淀積溫度低，可作為鈍化層，密度小于熱生長氧化硅，臺階覆蓋差。用HD-PECVD可以獲得低溫〔120C〕的高質量氧化硅膜也可以PECVD：P2O5和SiO2組成的二元玻璃網絡體應力小，流動性增加堿金屬離子的吸雜中心易吸水形成磷酸36TEOS〔正硅酸乙酯〕為源的淀積2〕中溫LPCVD〔680~730C〕〔1〕不能淀積在Al層上〔為什么？〕〔2〕厚度均勻性好，臺階覆蓋優(yōu)良，SiO2膜質量較好〔3〕參加PH3等可形成PSGTEOS也可采用PECVD低溫淀積〔250～425C〕—臺階覆蓋優(yōu)良，用于互連介質層37臺階覆蓋〔保角性conformality〕1、淀積速率正比于氣體分子到達角度38PSG回流工藝可解決臺階覆蓋問題PSG回流工藝：將形成PSG的樣品加熱到1000－1100

C,使PSG軟化流動，改善臺階形狀一般6~8wt%PBPSG可以進一