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第13章化学汽相淀积在蒸发和溅射这些物理淀积方法中,粒子几乎直线运动,存在台阶覆盖问题。随着集成电路尺寸的不断缩小和纵横比的提高,使台阶覆盖问题更为突出。此外,蒸发和溅射主要用于金属薄膜的淀积,不太适用于半导体薄膜和绝缘薄膜的淀积。反应室反应气体输入SiH4(1%浓度)能量Si化学汽相淀积(ChemicalVaporDeposition,CVD)是基于化学反应的薄膜淀积方法。以气体形式提供的反应物质,在热能、等离子体、紫外光等的作用下,在衬底表面经化学反应(分解或合成)形成固体物质的淀积。废气排出2H2集成电路制造中所用的薄膜材料,包括介质膜、半导体膜、导体膜等,几乎都能用CVD工艺来淀积,例如介质:SiO2、Si3N4、PSG、BSG、Al2O3、TiO2、Fe2O3半导体:Si、Ge、GaAs、GaP、AlN、InAs、多晶硅导体:Al、Ni、Au、Pt、Ti、W、Mo、WSi2CVD工艺的台阶覆盖性也很好。CVD的分类1、按温度,有低温(200~500oC)、中温(500~1000oC)和高温(1000~1300oC)CVD。2、按压力,有常压(APCVD)和低压(LPCVD)CVD。3、按反应室壁温度,有热壁CVD和冷壁CVD。热壁是指壁温高于晶片温度,通常是在反应室外采用电阻发热方式透过室壁对晶片进行加热。冷壁是指壁温低于晶片温度,可采用射频感应或电阻发热方式在反应室内对基座进行加热。4、按反应激活方式,有热激活、等离子激活(PECVD)和紫外光激活等。5、按气流方向,有卧式CVD和立式CVD。13.1一种简单的硅淀积CVD系统如果反应是在硅片上方的气体中发生的,称为同质反应。如果反应是在硅片表面处发生的,则称为异质反应。在淀积多晶硅薄膜的CVD系统中,硅烷(SiH4)先通过同质反应产生气态的亚甲硅基(SiH2),然后亚甲硅基被吸附在硅片表面,通过异质反应而生成固体硅。一般不希望由同质反应直接生成固体硅。反应室反应气体输入SiH4(1%浓度)加热Si废气排出2H213.3气体流动和边界层从硅片表面气体流速v=0处到硅片上方v=0.99v0处之间的这一层气体层称为边界层,或滞流层。主气流,v0反应气体基座滞流层xyL滞流层厚度将随气流方向的距离x而变化,12mg0()xxv滞流层在长度为L的基座上的平均厚度为式中,为气体的粘滞系数,为气体的质量密度。mg1320mg00mg12()d311LLxxLvv13.4简单CVD系统评价化学汽相淀积过程1、反应气体从反应室入口向硅片附近输运;2、反应气体通过同质反应生成系列次生分子;3、次生分子扩散穿过滞流层到达硅片表面并被吸附;4、在硅片表面发生异质反应生成固体薄膜;5、气体副产物解吸附;6、副产物离开硅片表面;7、副产物离开反应室。CVD过程中与淀积速率有关的两个关键步骤是:gs1ggggs()ddCCCJDDhCCy式中,,称为气相质量转移系数,a=1.75~2。ggaDhT2、在硅片表面处发生反应,生成薄膜。消耗掉的反应剂的粒子流密度为2ssJkC式中,,称为表面反应速率常数。aseEkTk1、反应气体以扩散方式穿过滞流层到达硅片表面,并被吸附于硅片表面。这称为质量输运过程。扩散流密度为将以上各方程联立求解,可得gsgggssg11CkhJChkkh稳态时,J1=J2=J,且淀积速率正比于J。ggaDhTaseEkTk式中,当温度较高时,hgks,J=hgCg,淀积速率由hg决定。由于hG与气流密切有关,所以这时淀积速率与气流的关系很密切,必须严格控制气体流量与反应室几何形状,通常是单片或小批量系统。温度增加时hg也会增大,但比较平缓。当温度较低时,hgks,J=ksCg,淀积速率由ks决定。由于ks与温度密切有关,所以这时淀积速率与温度的关系很密切,必须严格控制温度及其均匀性,常采用热壁系统。这时淀积速率与气流的关系不大,可设计成大批量系统。gsgggssg,11CkhJChkkhgg,aDhTaseEkTk此外,Dg和与气压有关,所以在不同的气压范围,hg和ks的相对大小也不同。除了淀积速率以外,评价CVD系统的指标还有薄膜应力、台阶覆盖和薄膜的组分等。CVD薄膜的台阶覆盖性通常是很好的。CVD薄膜的主要问题是薄膜的化学组分。例如,在硅烷分解工艺形成的硅薄膜中可能含有高浓度的氢,使薄膜的密度降低。反应室中残存的氧和水可能与硅反应形成SiO2。用CVD法生长的SiO2膜中也可能含有其它化学成分而使薄膜的密度降低,通常需要在高温下氧气中进行“增密”处理。反应室是开放的,分为卧式和立式两种,以卧式更常用。在APCVD的压力和温度范围内hg和ks处于同一数量级,必须考虑气流的影响,所以硅片应水平放置。为避免反应剂在反应室壁上淀积并产生掉渣,APCVD通常采用冷壁方式。APCVD中影响膜厚均匀性的因素:(1)的不均匀,(2)反应剂浓度由前至后的下降。改进方法是将基座设计成斜坡状,或采用LPCVD技术。)(x气流13.5常压CVD(1)SiH4+O2系统,T=300~400oCSiH4+2O2SiO2+2H2O(3)TEOS+O2系统,T=500~700oCSi(OC2H5)4+12O2SiO2+8CO2+10H2O(2)SiH4+NO2系统,T=300~900oCSiH4+4NO2SiO2+4NO+2H2O常压CVD技术一般仅用于淀积SiO2膜,例如,当需要淀积含少量磷的SiO2膜(称为磷硅玻璃,PSG),或含少量硼的SiO2膜(称为硼硅玻璃,BSG)时,可以在反应气体中添加少量的磷烷或硼烷。2、CVD法的反应发生在SiO2的表面,膜厚与时间始终成线性关系。而热氧化法时,一旦SiO2膜形成以后,反应剂必须穿过SiO2膜,反应发生在SiO2/Si界面上,淀积速率变慢;1、CVD法SiO2膜中的硅来自外加的反应气体,而热氧化法SiO2膜中的硅来自硅衬底本身,氧化过程中要消耗掉一部分衬底中的硅;3、CVD法温度较低,可减轻杂质再分布和硅片的热形变,适于浅结器件及VLSI。但膜的质量较差,通常需经增密处理。而热氧化法的温度高,SiO2结构致密,膜的质量较好。当采用CVD工艺在Si表面淀积SiO2膜时,与热氧化工艺的不同之处是,为了克服APCVD的缺点,出现了LPCVD,其反应室为半密封,用真空泵进行抽气,并严格控制进气端的进气量,使反应室内的气压保持在p=0.2~1Torr。pmg01vggDh当气压由750Torr降到0.75Torr时,hg将增大约100倍,使得kshg,于是淀积速率由ks控制,变得与温度关系密切而与气流关系不大。这使LPCVD有如下优点:gmg01Dppv13.6热壁系统中的低压CVD气压的下降会使hG增大,1、硅片可以以很小的间隔垂直放置,生产效率高;2、硅片垂直放置后,可避免管壁上的掉渣对硅片的影响;3、于是可采用热壁方式,设备简单,温度均匀性好;4、对温度的控制较之对气流的控制要容易得多,有利于改善膜厚和组分的均匀性;5、台阶覆盖性更好。(1)SiH4热分解淀积Poly-Si,T=625oC,p=0.2~1TorrSiH4Si+2H2(2)SiH4+NH3系统淀积Si3N4,T=825oC,p=0.7Torr3SiH4+4NH3Si3N4+12H2低压CVD技术可用于淀积Poly-Si、Si3N4、SiO2等多种薄膜,例如(3)TEOS+O2系统淀积SiO2,T=500~700oCSi(OC2H5)4+12O2SiO2+8CO2+10H2O化学汽相淀积的Si3N4的性质1、介电常数为6~9,远大于SiO2的3.9,绝缘层电容大;2、导热性能优于SiO2,常用于多层布线的介质;3、抗氧化能力强,广泛用于对氧化的掩蔽。950℃时,厚度100Å的Si3N4能掩蔽7000Å的湿氧氧化;4、电阻率高达1016cm,绝缘性能良好;5、掩蔽Na+离子能力强;对各种气体、水汽以及P、B、As、O2、Ga、In等有较强的掩蔽能力,为极好的钝化材料;6、化学稳定性好,仅被HF和热H3PO4腐蚀;7、应力很大,因而膜厚应低于2000Å,硅衬底与Si3N4间应该用SiO2作为缓冲层。PECVD系统有冷壁平板式反应器(与等离子体刻蚀系统类似)、热壁平板式反应器(与LPCVD系统类似)和高密度等离子体反应器。工作气体射频源阴极阳极加热器PECVD通常用于淀积绝缘层,所以必须用射频方式产生等离子体。离子的轰击为次生物质提供能量,使之能在较低的温度下就可以在硅片上发生化学反应而淀积薄膜。13.7等离子体增强CVD(PECVD)PECVD的优点1、淀积温度低,通常为300~350oC,特别适宜于在浅结器件上和在金属布线上作钝化层之用;2、所淀积的薄膜易于进行等离子体刻蚀;3、所淀积的薄膜的针孔密度小,台阶覆盖性更好;4、通过改变气流可以使薄膜组分由氧化物连续地变化到氮化物,使技术上实现层叠及缓变薄膜成为可能。13.8金属CVD金属进入接触孔时要求有良好的台阶覆盖,而CVD工艺有极好的台阶覆盖性,所以用CVD工艺淀积金属薄膜有重要意义。已经对多种金属进行了试验,其中最成功的是钨,WF6+3H2W+6HF在淀积的初始阶段需要用SiH4作为还原剂,否则不能生成钨膜。当气体中富WF6时生成的是纯钨,当气体中富SiH4时生成的是钨硅化物。钨膜可作为多层金属化系统的缓冲层或阻挡层。由于钨有优先在导电衬底而不在绝缘体上成核的特性,可以选择性地只在接触孔内淀积钨。金属CVD工艺还可以用于淀积作为互连线的Al、AlSi和AlCuSi、作为接触层或阻挡层的Mo和TiN、Cu互连技术中的Cu等,例如,332443252350~550C2Al(CH)3H2Al6CH700~800C6TiCl8NH6TiN24HClN800C2MoCl5H2Mo10HCl13.9铜互连技术与多层布线随着IC集成度的不断提高,互连线面积占整个芯片面积的比例越来越大。如果互连线的长、宽、高也同器件一样按比例缩小,则其寄生串连电阻将按同样的比例增大。实际上由于芯片面积的不断增大,有些互连线的长度并不能按比例缩短。再考虑到电源电压的趋势是不断降低,所以互连线的寄生串连电阻问题将更加严重。互连线的寄生电容也比预期的大。它们的主要影响是增大功耗、降低可用电压和增大延迟时间。解决办法:采用铜互连技术与多层布线技术。1、铝互连技术和金互连技术铝互连线的电阻率较低,可以不加接触层、粘附层和阻挡层等,工艺简单,容易与铝丝键合,产品价格低廉,因而获得了广泛的使用。铝的主要缺点是:PN结中的铝钉现象和电迁移效应。此外,铝的电阻率约为铜的1.6倍。金的抗电迁移能力很强,特别是采用金丝球形热压键合,键合点特别牢固,适于特殊要求的高可靠集成电路。金互连线的成本较高,主要用于GaAs集成电路中。虽然银的电阻率是最低的,但是银与硅的粘附性很差,在SiO2中的扩散很快,而且电迁移效应严重。2、铜互连技术铜具有电阻率低和抗电迁移性强的优点,适宜于细线条的超大规模和超高速集成电路。在0.25m的256MDRAM中已开始采用铜互连技术,首先是在电流较大的顶层金属互连线上采用。预计铜互连技术在0.1m以下的集成电路中会得到越来越多的应用。而在若干年后,铜可能会完全取代铝。在铜互连技术方面,目前处于领先水平的有IBM公司、Motorola公司和TI公司。妨碍用铜作互连线的主要原因有对于上述第(3)个困难,需采用特殊的可以避开刻蚀的方法来制作铜互连线,即所谓“镶嵌工艺”,如下图所示。对于以上第(1)、(2)两个困难,现已开发出在铜与硅衬底之间引入过渡层的技术,此过渡层不仅能改善铜与硅衬底之间的附着性,同时还能起到阻止铜向硅衬底扩散的作用。(1)铜的化学性质不太活泼,与衬底的粘附性比铝差;(2)铜容易扩散进入硅衬底,严重影响器件性能;(3)
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