现代集成电路制造工艺原理-第十一章

现代集成电路制造工艺原理山东大学信息科学与工程学院王晓鲲第十一章淀积膜淀积化学气相淀积CVD淀积系统介质及其性能旋涂绝缘介质外延薄膜和薄膜淀积薄膜，指一种在衬底上生长的薄固体物质。薄膜淀积，是指任何在硅片衬底上物理淀积一层膜的工艺。这层膜可以是导体、绝缘体或者半导体材料薄膜特性好的台阶覆盖能力填充高的深宽比间隙的能力好的厚度均匀性高纯度和高密度受控制的化学计量高度的结构完整性和低的膜应力好的电学特性对衬底材料或下层膜好的粘附性膜对台阶的覆盖我们期望薄膜在硅片表面上厚度一致。如果淀积的膜在台阶上过度的变薄，就容易导致高的膜应力、电短路或者在器件中产生不希望的诱生电荷。高的深宽比间隙淀积工艺对于高的深宽比的间隙可以进行均匀、无空洞的填充。厚度均匀性，膜纯度和密度厚度均匀性材料的电阻会随膜厚度的变化而变化膜层越薄，就会有更多的缺陷，会导致膜本身的机械强度降低膜纯度和密度膜中没有会影响膜质量的化学元素或者原子膜密度显示膜层中针孔和空洞的多少化学剂量分析，膜的结构，膜的粘附性化学剂量分析理想的膜要有均匀的组成成分。膜的结构膜中晶粒大小变化，膜的电学和机械学特性会变化，将影响膜的长期可靠性。膜的粘附性为了避免薄膜分层和开裂，薄膜对衬底材料要有好的粘附性。薄膜生长淀积膜的三个阶段晶核形成聚集成束形成连续的膜淀积的膜可以是无定形、多晶的或者单晶的膜淀积技术化学工艺化学气相淀积电镀物理工艺物理气相淀积蒸发旋涂方法化学气相淀积（CVD）化学气相淀积是通过气体混合的化学反应在硅片表面淀积一层固体膜的工艺。产生化学变化膜中所有的材料物质都源自于外部的源反应物必须以气相形式参加反应CVD化学过程高温分解光分解还原反应氧化反应氧化还原反应CVD反应异类反应：也叫表面催化，指化学气相淀积工艺反应发生在硅片表面或者非常接近表面的区域。同类反应：发生在硅片表面的上方较高的区域。CVD反应步骤速度限制阶段质量传输限制传输到硅片表面的气体的量不足反应速度限制反应物到达硅片表面的速度将超过表面化学反应的速度。CVD气流动力学CVD反应中的压力低压下，反应气体通过边界层到达表面的扩散作用显著增加CVD过程中的掺杂磷硅玻璃（PSG）在淀积SiO2过程中，在反应气体里加入PH3，会形成磷硅玻璃。磷以P2O5的形式存在。具有增加阻挡湿气的能力，相对平坦的表面，固定离子杂质等优点。P2O5的含量（重量比）不超过4%。CVD过程中的掺杂硼硅玻璃（BSG）在淀积SiO2过程中，在反应气体里加入B2H6，会形成硼硅玻璃。需要高温回流过程来平坦化硅片表面的台阶并使膜更加致密不能很好的阻挡杂质离子CVD过程中的掺杂硼磷硅玻璃（BPSG）在SiO2中引入重量比为2%到6%的B2O3与P2O5形成硼磷硅玻璃。CVD过程中的掺杂氟硅玻璃（FSG）在SiH4与O2的反应中加入SiF4，就形成了氟硅玻璃。第一代低κ值的ILD淀积材料。CVD反应器加热热壁反应加热硅片，硅片的支持物和反应腔的侧壁侧壁上也会成膜，因此需要经常清洗或原位清除。冷壁反应只加热硅片和硅片的支持物。CVD反应器配置常压反应：硅片放在一个平面上，反应气体能够等量到达每片硅片。低压反应：硅片可以纵向密集堆放。受反应速度控制常压CVD（APCVD）用SiH4淀积SiO2SiH4在空气里易燃。通常在氩气或氮气中稀释。可以在低温下进行。台阶覆盖能力和间隙填充能力差常压CVD（APCVD）用TEOS-臭氧法淀积SiO2Si(C2H5O)4+8O3SiO2+10H2O+8CO2臭氧的反应活性比氧气强，所以这步工艺可以在低温常压下进行。用APCVDTEOS-臭氧淀积的二氧化硅膜多孔，因此通常需要回流来去潮气并增加膜的密度。主要优点：对高的深宽比的槽有优良的覆盖填充能力。低压CVD（LPCVD）在中等真空度下进行，反应温度一般为300-900°C。反应速度限制一般具有好的台阶覆盖能力热壁。低压CVD热分解TEOS（LPTEOS）在较低温度下（约450°C）用硅烷制备SiO2在高温（900°C）下，用SiH2Cl2和N2O制备SiO2的氮化硅在减压和温度在700-800°C条件下，可用二氯二氢硅和氨气LPCVD淀积氮化硅。3SiCl2H2+4NH3Si3N4+6HCl+6H2多晶硅LPCVD可以在575-650°C通过热分解硅烷来淀积多晶硅。SiH4Si+2H2可以进行原位掺杂，也可以用离子注入进行掺杂。等离子体辅助CVD利用等离子体的能量和热能来触发并维持CVD淀积所需的化学反应，可以在更低的工艺温度（250-450°C）下淀积薄膜。等离子体增强CVD（PECVD）高密度等离子体CVD（HDPCVD）等离子体增强CVD（PECVD）在真空腔中进行。是典型的冷壁等离子体反应等离子体增强CVD（PECVD）PECVD二氧化硅用硅烷和氧气，一氧化氮或二氧化碳在等离子体的状态下反应。工艺温度通常是350摄氏度可掺入B或者P来形成BSG，PSG或者BPSG也可以采用TEOS淀积SiO2（PETEOS）等离子体增强CVD（PECVD）PECVD氮化硅PECVD氮化硅膜有时写成SixNyHz。SiH4+NH3SixNyHz+H2SiH4+N2SixNyHz+H2高密度等离子体CVD同步淀积和刻蚀典型的淀积刻蚀比是3：1高密度等离子体CVD旋涂绝缘介质（SOD）旋涂玻璃有机物基于硅氧烷无机物基于硅酸盐旋涂低K绝缘介质（SOD）例：HSQ外延外延就是在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层。同质外延：膜和衬底的材料相同异质外延：膜和衬底的材料不一致外延可用的气体源包括SiCl4，SiH2Cl2，SiHCl3和氢气。淀积温度为1050-1250°C。一般不采用SiH4。外延气相外延（VPE）金属有机CVD（MOCVD）分子束外延（MBE）气相外延（VPE）在温度为800-1150°C的硅片表面通过含有所需化学物质的气体化合物，就可以实现气相外延。金属有机CVD（MOCVD）MOCVD是VPE的一种。通常不用做硅外延，用来淀积化合物半导体外延层。分子束外延（MBE）可以达到原子分辨率需要高真空条件，背景真空为10-10-10-11托甚至更高。反应温度为500-900摄氏度。