第四讲淀积工艺(半导体制造技术)

电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda淀积电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda概述薄膜淀积是芯片加工过程中一个至关重要的工艺步骤，通过淀积工艺可以在硅片上生长导各种导电薄膜层和绝缘薄膜层。各种不同类型的薄膜淀积到硅片上，在某些情况下，这些薄膜成为器件结构中的一个完整部分，另外一些薄膜则充当了工艺过程中的牺牲品，并且在后续的工艺中被去掉。本章将讨论薄膜淀积的原理、过程和所需的设备，重点讨论SiO2和Si3N4等绝缘材料薄膜以及多晶硅的淀积。金属和金属化合物薄膜的淀积将在第13章中介绍。电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda目标通过本章的学习，将能够：1.描述出多层金属化。叙述并解释薄膜生长的三个阶段。2.提供对不同薄膜淀积技术的慨况。3.列举并描述化学气相淀积（CVD）反应的8个基本步骤，包括不同类型的化学反应。4.描述CVD反应如何受限制，解释反应动力学以及CVD薄膜掺杂的效应。5.描述不同类型的CVD淀积系统，解释设备的功能。讨论某种特定工具对薄膜应用的优点和局限。6.解释绝缘材料对芯片制造技术的重要性，给出应用的例子。7.讨论外延技术和三种不同的外延淀积方法。8.解释旋涂绝缘介质。电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerdaMSI时代nMOS晶体管的各层膜p+siliconsubstratep-epilayer场氧化层n+n+p+p+n-wellILD氧化硅垫氧化层氧化硅氮化硅顶层栅氧化层侧墙氧化层金属前氧化层Poly金属多晶金属Figure11.1电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda引言从MSI到LSI时代，芯片的设计和加工相对较为直接，上图给出了制作一个早期nMOS所需的淀积层。图中器件的特征尺寸远大于1µm。如图所示，由于特征高度的变化，硅片上各层并不平坦，这将成为VLSI时代所需的多层金属高密度芯片制造的限制因素。随着特征尺寸越来越小，在当今的高级微芯片加工过程中，需要6层甚至更多的金属来做连接（第六页的图），各金属之间的绝缘就显得非常重要，所以，在芯片制造过程中，淀积可靠的薄膜材料至关重要。薄膜制备是硅片加工中的一个重要工艺步骤。电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerdaULSI硅片上的多层金属化Figure11.3钝化层压点金属p+SiliconsubstrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3M-4p-Epitaxiallayerp+ILD-6LIoxideSTIn-wellp-wellILD-1Polygaten+p+p+n+n+LImetal电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda芯片中的金属层Photo11.1电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda薄膜淀积半导体器件工艺中的“薄膜”是一种固态薄膜，薄膜的种类和制备方法在第四章中已作过简单介绍。薄膜淀积是指任何在硅片衬底上物理淀积一层膜的工艺，属于薄膜制造的一种工艺，所淀积的薄膜可以是导体、绝缘材料或者半导体材料。比如二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、多晶硅以及金属（Cu、W）.电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda固态薄膜SiliconsubstrateOxide宽厚与衬底相比薄膜非常薄Figure11.4电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda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受控制的化学剂量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黏附性电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda膜对台阶的覆盖我们期望膜在硅片表面上厚度一致，但由于硅片表面台阶的存在，如果淀积的膜在台阶上过渡的变薄，就容易导致高的膜应力、电短路或在器件中产生不希望的诱生电荷。应力还可能导致衬底发生凸起或凹陷的变形。共形台阶覆盖非共形台阶覆盖均匀厚度电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda高的深宽比间隙可以用深宽比来描述一个小间隙（如槽或孔），深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值(见下图)深宽比=深度宽度=21深宽比=500Å250Å500ÅD250ÅWFigure11.6电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda高的深宽比间隙PhotographcourtesyofIntegratedCircuitEngineeringPhoto11.2电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda薄膜生长的步骤连续的膜气体分子成核凝聚SubstrateFigure11.7电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda化学工艺物理工艺化学气相淀积(CVD)电镀物理气相淀积(PVD)或溅射蒸发旋涂方法常压化学气相淀积(APCVD)或亚常压化学气相淀积(SACVD)电化学淀积(ECD),通常指电镀直流二极管灯丝和电子束旋涂玻璃s(SOG)低压化学气相淀积(LPCVD)化学镀层射频(RF)分子束外延(MBE)旋涂绝缘介质(SOD)等离子体辅助CVD等离子体增强CVD(PECVD)高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)直流磁电管气相外延(VPE)和金属有机化学气相淀积(MOCVD)离子化金属等离子体(IMP)膜淀积技术Table11.1电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda化学气相淀积化学气相淀积（CVD）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。硅片表面及其邻近的区域被加热来向反应系统提供附加的能量。包括：1.产生化学变化，这可以通过化学反应或热分解；2.膜中所有的材料物质都源于外部的源；3.化学气相淀积工艺中的反应物必须以气相形式参加反应。电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda化学气相淀积的设备Photo11.3电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerdaCVD化学过程1.高温分解：通常在无氧的条件下，通过加热化合物分解（化学键断裂）；2.光分解：利用辐射使化合物的化学键断裂分解；3.还原反应：反应物分子和氢发生的反应；4.氧化反应：反应物原子或分子和氧发生的反应；5.氧化还原反应：反应3与4地组合，反应后形成两种新的化合物。电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda以上5中基本反应中，有一些特定的化学气相淀积反应用来在硅片衬底上淀积膜。对于某种特定反应的选择通常要考虑淀积温度、膜的特性以及加工中的问题等因素。例如，用硅烷和氧气通过氧化反应淀积SiO2膜。反应生成物SiO2淀积在硅片表面，副产物事是氢。SiH4+O2SiO2+2H2电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerdaCVD反应•CVD反应步骤基本的化学气相淀积反应包含8个主要步骤，以解释反应的机制。1）气体传输至淀积区域；2）膜先驱物的形成；3）膜先驱物附着在硅片表面；4）膜先驱物黏附；5）膜先驱物扩散；6）表面反应；7）副产物从表面移除；8）副产物从反应腔移除。电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerdaCVD传输和反应步骤图CVD反应室Substrate连续膜8)副产物去除1)反应物的质量传输副产物2)薄膜先驱物反应3)气体分子扩散4)先驱物的吸附5)先驱物扩散到衬底中6)表面反应7)副产物的解吸附作用排气气体传送Figure11.8电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda在化学气相淀积中，气体先驱物传输到硅片表面进行吸附作用和反应。列入，下面的三个反应。反应1）显示硅烷首先分解成SiH2先驱物。SiH2先驱物再和硅烷反应形成Si2H6。在中间CVD反应中，SiH2随着Si2H6被吸附在硅片表面。然后Si2H6分解形成最终需要的固态硅膜。1)SiH4(气态)SiH2(气态)+H2(气态)（高温分解）2)SiH4(气态)+SiH2(气态)Si2H6(气态)（反应半成品形成）3)Si2H6(气态)2Si(固态)+3H2(气态)（最终产品形成）以上实例是硅气相外延的一个反应过程电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda•速度限制阶段在实际大批量生产中，CVD反应的时间长短很重要。温度升高会促使表面反应速度增加。基于CVD反应的有序性，最慢的反应阶段会成为整个工艺的瓶颈。换言之，反应速度最慢的阶段将决定整个淀积过程的速度。CVD的反应速度取决于质量传输和表面反应两个因素。在质量传输阶段淀积工艺对温度不敏感，这意味着无论温度如何，传输到硅片表面加速反应的反应气体的量都不足。在此情况下，CVD工艺通常是受质量传输所限制的。电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda在更低的反应温度和压力下，由于只有更少的能量来驱动表面反应，表面反应速度会降低。最终反应物达到硅片表面的速度将超过表面化学反应的速度。在这种情况下。淀积速度是受化学反应速度限制的，此时称表面反应控制限制。CVD气流动力学CVD气流动力学对淀积出均匀的膜很重要。所谓气体流动，指的是反应气体输送到硅片表面的反应区域（见下图）。CVD气体流动的主要因素包括，反应气体从主气流中到硅片表面的输送以及在表面的化学反应速度。电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerdaCVD中的气流气流淀积的膜硅衬底反应副产物反应物的扩散Figure11.9电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda硅片表面的气流气流边界层气流滞留层Figure11.10电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerdaCVD反应中的压力如果CVD发生在低压下，反应气体通过边界层达到表面的扩散作用会显著增加。这会增加反应物到衬底的输运。在CVD反应中低压的作用就是使反应物更快地到达衬底表面。在这种情况下，速度限制将受约于表面反应，即在较低压下CVD工艺是反应速度限制的。•CVD过程中的掺杂CVD淀积过程中，在SiO2中掺入杂质对硅片加工来说也是很重要。例如，在淀积SiO2的过程中，反应气体中加入PH3后，会形成磷硅玻璃。化学反应方程如下：SiH4(气)+2PH3(气)+O2(气)SiO2(固)+2P(固)+5H2(气)电信学院微电子教研室半导体制造技术byMichaelQuirkandJulianSerda在磷硅玻璃中，磷以P2O5的形式存在，磷硅玻璃由P2O5和SiO2的混合物共同组成；对于要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说，P2O5含量（重量比）不超过4％，这是因为磷硅玻璃（PSG）有吸潮作用。应用高密度等离子体CVD可以在600～650℃的温度下淀积PSG，由于它的淀积温度、相对平坦的表面、好的间隙填充能力，近来也常采用PSG作为第一层层间介质（ILD-1）。在SiO2中引入P2O5可以减小膜应力，进而改进膜的完整性。掺杂会增加玻璃的抗吸水性。PSG层还可以有效地固定离子杂质。离子会吸附到磷原