第五章薄膜淀积工艺(中)

第五章薄膜淀积工艺（中）薄膜淀积（ThinFilmDeposition）工艺■概述■真空技术与等离子体简介(第10章)■化学气相淀积工艺(第13章)■物理气相淀积工艺(第12章)■小结参考资料：《微电子制造科学原理与工程技术》第10、12、13章（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）■引言■CVD工艺原理■CVD技术分类及设备简介■典型物质（材料）的CVD工艺三、化学气相淀积工艺参考资料：《微电子制造科学原理与工程技术》第13章（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）1.常压化学气相淀积APCVD，AtmosphericPressureCVD2.低压化学气相淀积LPCVD，LowPressureCVD3.等离子体增强化学气相淀积PECVD，PlasmaEnhancedCVD4.其他特殊的CVD工艺：金属CVD，RTCVD，……（三）CVD技术分类及设备简介图13.9连续供片式APCVD系统特点：在大气压下进行，设备简单，反应速率快，适于介质淀积。SiO2淀积工艺：■O2与SiH4气体流量比大于3:1时，可获得化学配比的SiO2。■N2用做稀释气体。■加入磷烷（PH3）可形成磷硅玻璃（PSG）。问题：气体喷嘴处的淀积造成硅片上的颗粒沾污1.常压化学气相淀积（APCVD）图13.11用于使喷嘴处淀积最小化的喷头设计图13.12常见LPCVD反应器结构(1)特点：在低气压下（0.1~1Torr）进行，淀积均匀性好，适于介质和半导体材料的淀积。气压降低⇒分子平均自由程和扩散率增加⇒淀积主要受表面化学反应速率控制⇒气流不是关键参数2.低压化学气相淀积（LPCVD）(2)反应器结构：■冷壁系统：减少壁上淀积■热壁系统：装片量大，温度均匀，壁上淀积严重气压降低也可减少气相成核整批式热壁LPCVD反应器结构图多晶硅SiH4/Ar(He)∼620℃Si3N4SiH2Cl2+NH3750~800℃SiO2SiH2Cl2+N2O∼910℃PSGSiH4+PH3+O2∼450℃BSGSiH4+B2H6+O2∼450℃APCVD气压：1atmLPCVD气压：~0.001atm淀积速率下降1000倍？错误，因为淀积速率不仅取决于总压强，还受分压强影响(3)LPCVD的典型应用(4)LPCVD的问题：淀积温度较高、淀积速率偏低、颗粒沾污3.等离子体化学气相淀积（PECVD）Si3N4:SiH2Cl2+NH3PSG:SiH4+PH3+O2PECVD的反应能量来源于RF等离子体，同时等离子体也使反应物质的表面扩散长度增加，从而改善厚度均匀性和台阶覆盖。冷壁平行板PECVD热壁平行板PECVD■特点：在低温下（400℃）进行，适于金属层间介质及钝化保护层的淀积。■淀积二氧化硅可分为非掺杂二氧化硅和掺杂二氧化硅。 扩散掩蔽层 侧壁（Spacer）介质 多晶－金属间介质 金属－金属间介质 钝化层（四）典型物质（材料）的CVD工艺1、二氧化硅的淀积■淀积二氧化硅的应用：(1)二氧化硅淀积的工艺方法：■LPCVDSiO2■PECVDSiO2：TEOS分解、SiH4+N2O 低温（500℃以下）SiH4+O2 中温（650℃～750℃）TEOS（正硅酸乙酯）分解 高温（～900℃）SiH2Cl2+N2O也可用APCVD工艺PSG薄膜的回流效果示意图(2)掺杂二氧化硅的淀积工艺：■加入PH3、POCl3、PO(CH3O)3（TMP）等掺杂剂，可制作磷硅玻璃（PSG）■加入B2H6、B(C2H5O)3（TMB）等掺杂剂，可制作硼硅玻璃（BSG）■PSG可以降低玻璃转化点（软化）的温度，采用回流工艺可改善淀积薄膜的台阶覆盖性，提高硅片表面的平坦度。■PSG的回流（Reflow）工艺：1000～1100℃，N2/O2/H2O 磷含量过低，回流温度高，回流效果不好。 磷含量过高时，吸附水汽，形成磷酸，腐蚀铝金属层，同时降低氧化层的介电常数，造成高温下的放气（Outgas）现象，影响金属淀积工艺。可采用SiO2—PSG—SiO2结构来减轻上述问题主要用于多晶—第一层金属之间的绝缘介质■为进一步降低回流温度（850℃），可采用同时掺磷和硼的BPSG（B，P含量各占5wt%）。主要用于多晶硅化物—第一层金属之间的绝缘介质■PSG中磷含量的控制：（4～8wt%）(3)淀积二氧化硅的性质 淀积速率快，温度较低 可制备掺杂二氧化硅 台阶覆盖性和间隙填充能力好(4)淀积法制备二氧化硅的优缺点■优势： 与热二氧化硅相比，绝缘性能较差，与硅的界面性能差 工艺中使用有毒有害气体，设备成本高■不足： 采用ECR等高密度等离子体源，在低压（0.01Torr）下提供高密度的等离子体 馈气：SiH4，O2，Ar(或He) 化学反应：SiH4+O2，在硅片表面淀积SiO2 Ar+离子轰击硅片表面，改善台阶覆盖和间隙填充。(5)二氧化硅淀积工艺的发展趋势a.HDP-CVDSiO2高密度等离子体CVD 作为金属层间介质，SiO2引入的寄生电容会影响IC的工作速度，并造成串扰（cross-talk）。 在SiO2中掺入F，可以将介电常数降低到3.2，从而减小寄生电容。 FSG的制备采用PECVD或HDP-CVD工艺。 馈气：SiH4，O2，SiF4。(5)二氧化硅淀积工艺的发展趋势b.掺氟的SiO2（FSG）从0.35µm工艺开始，FSG已经被普遍用于金属－金属间介质。b.多晶硅工艺：多片式热壁LPCVD工艺淀积：575～650℃，0.2~1.0Torr，淀积速率大约在100～1000埃/分钟2、多晶硅（Poly-Si）的淀积■多晶硅在CMOS工艺中用做器件栅极；■在DRAM中，多晶硅用做沟槽电容的极板；■多晶硅也可用于高值电阻、局部互连线等。在一个DRAM工艺流程中，大约需要进行4～6次多晶淀积工艺。(1)多晶硅工艺及应用a.用途后端温度升高，补偿硅烷消耗■ 淀积速率随温度增加而快速增加。 温度过高，同质反应严重，均匀性差；温度过低，淀积速率过慢，不能实用。 一般采用温度梯度来控制淀积速率的均匀性。(2)多晶硅淀积工艺的控制温度、气压、硅烷浓度、杂质浓度a.温度：575～650℃■ 温度不同，淀积薄膜的形态不同：温度提高，多晶晶粒尺寸变大。■ 当气体分压比和泵的抽速不变，改变总气流量时，淀积速率与气压成正比关系。■ 固定气流量只改变抽速时，淀积速率与气压的关系很小。■ 为维持稳定的淀积速率，一般采用固定气流量，通过改变抽速来控制气压的方法，此时淀积的重复性最好。淀积速率与气压的关系b.气压：0.2~1.0Torr■ 淀积速率与硅烷浓度之间没有线性关系■ 非线性生长的因素：质量输运机制、同质反应、氢气吸附等；高浓度硅烷中的同质反应在给定温度和气压下，限制了淀积速率和浓度的上限。c.硅烷浓度：硅烷分气压a.温度：低于575℃时淀积的多晶硅是无定形结构；高于625℃时淀积的多晶硅是柱状结构。b.经过热处理后，多晶硅薄膜可发生结晶和晶粒生长。c.氧、氮、碳等杂质使无定形硅到1000℃以上仍是稳定的。(3)多晶硅薄膜结构与淀积参数的关系例如：高浓度磷掺杂的多晶硅在900～1000℃加热20分钟后，平均晶粒尺寸大约为1µm。淀积温度、掺杂和淀积后的热处理影响多晶硅薄膜的结构。再结晶后的多晶硅晶粒尺寸与热处理温度、时间和掺杂浓度有关注意 原位掺杂工艺：PH3，AsH3，B2H6􀂄三族元素（如硼）掺杂有助于分子的表面吸附，因而将提高多晶硅淀积速率。􀂄五族元素（如磷、砷）掺杂减少分子的表面吸附，因而将降低多晶硅淀积速率。 扩散掺杂：POCl3扩散工艺，掺杂后的浓度达到1×1021cm-3。 离子注入掺杂：可同时制作P型和N型掺杂多晶硅。(4)掺杂多晶硅a.多晶硅掺杂工艺：扩散、离子注入和原位（In-situ）掺杂。b.扩散掺杂能获得最低的电阻率，而注入掺杂和原位掺杂则具有低温工艺的优势。■ 硅选择氧化的掩蔽膜：氮化硅的氧化速率非常慢。■ IC的钝化层：化学配比的氮化硅（Si3N4）对水和钠的扩散具有很强好的阻挡效果。■ 氮化硅的介电常数高（6～7），适用于电容器的介质层，也有用于小尺寸MOS器件的栅介质。3、氮化硅（Si3N4）的淀积(1)氮化硅薄膜在IC中的应用：由于氮化硅薄膜的界面特性差、应力高，因此一般不在硅上直接淀积氮化硅，而多采用ON或ONO结构。 椭偏仪测量折射率，或测量HF液中腐蚀速率 折射率在1.8~2.2之间，高折射率代表富硅，低折射率代表氧的存在 薄膜中一般含有氢和氯(2)LPCVD淀积氮化硅■700～900℃■淀积速率受温度、气压、反应物浓度和温度梯度控制 温度控制与多晶硅淀积相似 淀积速率随总压强或DCS分压增加而增加，随氨气分压增加而降低■淀积薄膜的组分：当NH3过量时，得到化学配比的Si3N4(3)PECVD淀积氮化硅■200～400℃■馈气：Ar（或He），SiH4和NH3（或N2）■淀积薄膜一般不是化学配比的Si3N4，因此常写成SiN，或SixNy■氮化硅中含氢量通常较高，可达20％左右；也通常有氧存在。该工艺通常用于钝化层的制作。(4)氮化硅薄膜特性比较金属填充接触孔示意图4、金属材料的CVD淀积对于深亚微米工艺，高的深宽比结构使化学气相淀积方法开始进入金属材料淀积的领域。其中，金属钨（W）的CVD是使用最广泛的。钨插塞工艺钨插塞工艺示意图■钨的CVD工艺 低于400℃ 钨插塞工艺：大面积淀积钨，回刻钨，只留下接触孔中的钨课后作业教材第352页：第3、5、7题