VLSI-13第十三讲-薄膜淀积(下)

集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)1集成电路工艺原理仇志军[e-mail]邯郸校区物理楼435室集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)2大纲第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章薄膜淀积第九章刻蚀第十章后端工艺与集成第十一章未来趋势与挑战集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)3单晶硅外延要采用图中的卧式反应设备，放置硅片的石墨舟为什么要有倾斜?集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)4这里界面层厚度s是x方向平板长度的函数。随着x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀积受质量传输控制，则淀积速度会下降沿支座方向反应气体浓度的减少,同样导致淀积速度会下降sGGDhUxxs)(为气体粘度为气体密度U为气体速度集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)5因此，支座倾斜可以促使s(x)沿x变化减小原理：由于支座倾斜后，气流的流过的截面积下降，导致气流速度的增加，进而导致s(x)沿x减小和hG的增加。从而用加大hG的方法来补偿沿支座长度方向的气源的耗尽而产生的淀积速率的下降。尤其对质量传输控制的淀积至关重要，如APCVD法外延硅。集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)6外延单晶硅的化学反应式以上所有反应是可逆的，因此还原反应和HCl对硅的腐蚀均可发生，这和反应剂的摩尔分量和生长温度有关。HClSiHSiClHClSiClSiHHSiClClSiHHClSiClSiHClHClClSiHHSiHClHClSiHClHSiCl222222222322233242集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)7目前外延常用气源及相应总体化学反应242HSiSiHHClSiClSiH222硅外延：硅锗外延：242HGeGeH242HSiSiH242HGeGeHHClSiClSiH222选择性外延：加HClHClSiHSiClHClSiClSiH22222原位掺杂外延：加BH3/B2H6，PH3/AsH3集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)8TwodifferentmodesofepitaxyNon-selectiveepitaxialgrowth(NSEG)Selectiveepitaxialgrowth(SEG)OxideEpiSubstrateSubstrateEpiPoly集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)9斜率与激活能Ea成正比APCVD的主要问题：低产率（throughput）高温淀积：硅片需水平放置低温淀积：反应速率低集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)10低压化学气相淀积（LPCVD）因此低压可以大大提高hG的值。例如在压力为1torr时，DG可以提高760倍，而s只提高约7倍，所以hG可以提高100倍。气体在界面不再受到传输速率限制。totalGPD1在质量输运控制区域：sGGDh集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)11ksat760torrksatlowpressurehGat760torr(APCVD)hGatlowpressure(LPCVD)1/TLog(v)集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)12增加产率—晶片可直插放置许多片（100-200）工艺对温度灵敏,但是采用温度控制好的热壁式系统可解决温度控制问题气流耗尽仍是影响均匀性的因素，可以设定温差5～25C，或分段进气集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)13Batchprocessing：同时100-200片薄膜厚度均匀性好可以精确控制薄膜的成份和结构台阶覆盖性较好低温淀积过程淀积速率快生产效率高生产成本低LPCVD法的主要特点有时，淀积温度需很低，薄膜质量要求又很高。如：在形成的Al层上面淀积介质等。解决办法：等离子增强化学气相淀积PECVD集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)14多晶硅淀积方法LPCVD，主要用硅烷法，即在600-650℃温度下，由硅烷热分解而制成，总体化学反应（overallreaction）方程是：SiH4→Si(多晶)+2H2低于575℃所淀积的硅是无定形或非晶硅（amorphousSi）；高于600℃淀积的硅是多晶，通常具有柱状结构（columnstructure）；当非晶经高温（600℃）退火后，会结晶（crystallization）；柱状结构多晶硅经高温退火后，晶粒要长大（graingrowth）。集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)15多晶硅的掺杂气固相扩散离子注入在淀积过程中加入掺杂气体（称为原位掺杂，insitu），与外延掺杂类似多晶硅的氧化多晶硅通常在900~1000℃范围内进行干氧氧化未掺杂或轻掺杂多晶硅的氧化速率介於（111）和（100）单晶硅的氧化速率之间掺磷多晶硅的氧化速率要比未掺杂（或轻掺杂）多晶硅的氧化速率快集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)16薄膜淀积速率随温度上升而迅速增加淀积速率随压强（硅烷分压）增加而增加淀积参数的影响-温度-压强-硅烷浓度-掺杂剂浓度集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)17多晶硅的淀积速率通常不是硅烷浓度的线性函数表面吸附的影响一级反应线性关系YkNCvsT集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)18氧化硅的淀积方法1）低温CVD（250~450C）)(2)()()(2224gHsSiOgOgSiH可以同时掺杂，如：PH3，形成PSG磷硅玻璃：)(6)(2)(5)(425223gHsOPgOgPH硅烷为源的淀积——APCVD，LPCVD，PECVD淀积温度低，可作为钝化层，密度小于热生长氧化硅，台阶覆盖差。用HD-PECVD可以获得低温（120C）的高质量氧化硅膜)(2)(4)()(4)(22224gOHgNsSiOgONgSiH也可以PECVD：P2O5和SiO2组成的二元玻璃网络体应力小，流动性增加碱金属离子的吸杂中心易吸水形成磷酸集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)19TEOS（正硅酸乙酯）为源的淀积副产物)()()()(22452sSiOgOlHOCSi2）中温LPCVD（680~730C）（1）不能淀积在Al层上（为什么？）（2）厚度均匀性好，台阶覆盖优良，SiO2膜质量较好（3）加入PH3等可形成PSGTEOS也可采用PECVD低温淀积（250～425C）—台阶覆盖优良，用于互连介质层集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)20台阶覆盖（保角性conformality）淀积速率正比于气体分子到达角度集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)21PSG回流工艺可解决台阶覆盖问题PSG回流工艺：将形成PSG的样品加热到1000－1100C,使PSG软化流动，改善台阶形状一般6~8wt%PBPSG可以进一步降低回流温度集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)22氮化硅的淀积方法2438007003226643HHClNSiNHClSiHCoLPCVD：质量好，产量高2343HSiNHNHSiHPECVD：等离子体中或SiNxHy膜对水和钠有极强的阻挡能力，可作为最终的钝化层或多层布线中的介质。224322HSiNHNSiH集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)23等离子增强化学气相淀积（PECVD）低温下（200～350C）利用非热能来增强工艺过程反应气体被加速电子撞击而离化。形成不同的活性基团，它们间的化学反应就生成所需要的固态膜。13.56MHz集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)24等离子体：物质存在的第四态高密度导电粒子构成的气体极板区域有辉光上标“*”表示那些能量要远远大于基态的粒子。分离的原子或分子被称为自由基，它们具有不完整的结合状态并且非常活跃。如：SiH3，SiO，F等。原子激发e*+AA*+e分子激发e*+ABAB*+ee*+ABA*+B*+e原子离子化e*+AA++e+e分子离子化e*+ABAB++e+e激发裂解离化等离子体由电子、离化分子、中性分子、中性或离化的分子片断、激发的分子和自由基组成。假设流进的气体是由原子A和原子B组成的分子AB,在辉光放电中可出现的过程可有:集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)25PECVD：在等离子体反应器中，PECVD最重要的特征是能在更低的温度下淀积出所需要的薄膜。PECVD淀积的氧化硅和氮化硅膜与较高高温下LPCVD的膜相比有以下特征：应力较大、含H、非化学比的结构因而造成膜的性质的不同：粘附能力较差，有针孔、表面粗糙度增大，介电常数下降，折射率下降，腐蚀速率增加。PECVD薄膜淀积质量强烈依赖于RF功率、压强、温度等参数集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)26物理气相淀积（PVD）蒸发（Evaporation）溅射（Sputtering）淀积金属、介质等多种薄膜淀积金属薄膜集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)27真空蒸发：在真空中，把蒸发料(金属)加热，使其原子或分子获得足够的能量，克服表面的束缚而蒸发到真空中成为蒸气，蒸气分子或原子飞行途中遇到基片，就淀积在基片上，形成薄膜加热器：电阻丝或电子束真空状态蒸发集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)28一、真空蒸发淀积薄膜的物理过程(a)蒸发过程：被蒸发物质从凝聚相（固相或液相）转化为气相的过程——所需能量为汽化热Hv(b)在真空系统中的输运过程(c)气相分子在衬底上吸附、成核和生长TBAPvlogP为蒸汽压，A为积分常数，R0为阿夫加德罗常数03.2RHBv集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)29不同元素的平衡蒸气压与温度的函数关系为了得到合适的淀积速率，样品蒸气压至少为10mTorr。Ta，W，Mo和Pt，这些难熔金属，它们具有很高的溶化温度，如为达到10mtorr的蒸气压，钨需要超过3000℃。集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)30二、真空度与分子平均自由程高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行，因为：1.源材料的气相原子和分子在真空中的输运必须直线运动，以保证金属材料原子和分子有效淀积在衬底上，真空度太低，蒸发的气相原子或分子将会不断和残余气体分子碰撞，改变方向。2.残余气体中的氧和水气，会使金属和衬底氧化3.残余气体和其他杂质原子和分子也会淀积在衬底prkT22反比于气体压强r为气体分子的半径平均自由程集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下)31可见蒸发的淀积速率和蒸发材料、温度/蒸汽压、及淀积腔的几何形状决定反应腔内晶片的位置、方向有关。如坩锅正上方晶片比侧向的晶片淀积得多。为了得到好的均匀性，常将坩锅和晶片放在同一球面点源小平面源由Langmuir-Knudsen理论，有Pe是蒸气压（torr），As是源面积，m为克分子质量，T为温度esevapPTmAR21083.5集成电路工艺原理INFO130024.01第八章薄膜淀积原理(下