1、第五章 薄膜淀積工藝 （中）,1,資料借鑒, 概述 真空技術與等離子體簡介 化學氣相淀積工藝 物理氣相淀積工藝 小結,薄膜淀積（Thin Film Deposition）工藝,2,資料借鑒, 引言 CVD工藝原理 CVD技術分類及設備簡介 典型物質（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）,3,資料借鑒,1. 常壓化學氣相淀積 APCVD，Atmospheric Pressure CVD 2. 低壓化學氣相淀積 LPCVD，Low Pressure CVD 3. 等離子體增強化學氣相淀積 PECVD，Pl

2、asma Enhanced CVD 4. 其他特殊的CVD工藝：金屬CVD，RTCVD，,（三）CVD 技術分類及設備簡介,4,資料借鑒,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。 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）,5,資料借鑒,圖13.11 用于使噴嘴處淀積最小化的噴頭設計,6,資料借鑒,圖13.12 常見LPCVD反應器結構,(

3、1) 特點：在低氣壓下（0.11Torr）進行，淀積均勻性好， 適于介質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,7,資料借鑒,整批式熱壁LPCVD反應器結構圖,8,資料借鑒,多晶硅 SiH4/Ar(He) 620 Si3N4 SiH2Cl2 +NH3 750800 SiO2 SiH2Cl2 +N2O 910 PSG SiH4+PH3 +O2 450 BSG SiH4

4、+B2H6 +O2 450,APCVD氣壓：1atm LPCVD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,9,資料借鑒,3. 等離子體化學氣相淀積（PECVD）,Si3N4: SiH2Cl2 +NH3 PSG: SiH4 +PH3 +O2,PECVD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

5、層間介質及鈍化 保護層的淀積。,10,資料借鑒, 淀積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 多晶金屬間介質 金屬金屬間介質 鈍化層,（四）典型物質（材料）的CVD工藝,1、二氧化硅的淀積, 淀積二氧化硅的應用：,11,資料借鑒,(1) 二氧化硅淀積的工藝方法：, LPCVD SiO2, 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,12,資料借鑒,PSG薄膜的回流效果示意圖,(2) 摻雜二氧化硅的淀積工藝

6、：, 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。,13,資料借鑒, PSG的回流（Reflow）工藝：10001100，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SiO2PSGSiO2結構來減輕上述問題

7、 主要用于多晶第一層金屬之間的絕緣介質, 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5 wt%）。,主要用于多晶硅化物第一層金屬之間的絕緣介質, PSG中磷含量的控制： （48 wt%）,14,資料借鑒,(3) 淀積二氧化硅的性質,15,資料借鑒,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：,16,資料借鑒,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

8、：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,17,資料借鑒,作為金屬層間介質，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0.35m工藝開始，

9、 FSG已經被普遍用于金屬金屬間介質。,18,資料借鑒,b. 多晶硅工藝：多片式熱壁LPCVD工藝淀積： 575650，0.21.0 Torr，淀積速率大約在1001000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46次多晶淀積工藝。,(1) 多晶硅工藝及應用,19,資料借鑒,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

10、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、雜質濃度,a. 溫度：575650 ,20,資料借鑒, 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。,21,資料借鑒, 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。 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： 0.21.0 Torr,22,資料借鑒, 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：質量輸運機制、同質反應、氫氣吸

11、 附等；高濃度硅烷中的同質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,23,資料借鑒,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9001000 加熱20分 鐘后，平均晶粒尺寸大約為1m。,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,24,資料借鑒

12、,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11021 cm-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。,25,資料借鑒, 硅選擇氧化的掩蔽膜：氮化硅的氧化速率非常慢。 IC的鈍化層：化學配比的氮化硅（Si3N4）對水和鈉的擴 散

13、具有很強好的阻擋效果。 氮化硅的介電常數(shù)高（67），適用于電容器的介質 層，也有用于小尺寸MOS器件的柵介質。,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。,26,資料借鑒,橢偏儀測量折射率，或測量HF液中腐蝕速率 折射率在1.82.2之間，高折射率代表富硅，低折射率代 表氧的存在 薄膜中一般含有氫和氯,(2) LPCVD 淀積氮化硅, 700900 , 淀積速率受溫度、氣壓、反應物濃度和溫度梯度控制,溫度控制與多晶硅淀積相似 淀積速率隨總壓強或DCS分壓增加而增加，隨氨氣分 壓增加而降低, 淀積薄膜的組分： 當NH3過量時，得到化學配比的Si3N4,27,資料借鑒,(3) PECVD 淀積氮化硅, 200400 , 饋氣：Ar（或He），SiH4和NH3（或N2） 淀積薄膜一般不是化學配比的Si3N4，因此常寫成SiN， 或SixNy 氮化硅中含氫量通常較高，可達20左右；也通常有氧 存在。,該工藝通常用于鈍化層的制作。,28,資料借鑒