半导体制造技术11淀积.pptx

本章概要n概述n化学气相淀积n介质及其性能n外延11.1 概述 引言 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。11.1 概述 引言p+silicon substratep-epi layer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MSI时代cmos工艺的各层薄膜11.1 概述 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1m。如图所示，由于各层材料高度和形状的变化，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，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。11.1 概述多层金属剖面图钝化层压点金属p+Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p-Epitaxial layerpp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1Poly gaten+pp+pp+n+n+LI metal11.1 概述芯片中的金属层11.1 概述薄膜淀积 半导体器件工艺中的“薄膜”是一种固态薄膜，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）.11.1 概述固态薄膜Silicon substrateOxide宽长厚与衬底相比薄膜非常薄11.1 概述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11.1 概述膜对台阶的覆盖 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度的变薄，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11.1 概述高的深宽比间隙 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=2 1深宽比 =500 250 500 D250 W11.1 概述高的深宽比间隙Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering11.1 概述薄膜生长的步骤连续的膜气体分子成核凝聚Substrate11.1 概述膜淀积技术11.2 化学汽相淀积概念 化学气相淀积（CVD）是通过混合气体的化学反应在硅片表面淀积一层固体薄膜的工艺。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。基本方面包括：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。CVD设备11.2 化学汽相淀积CVD技术特点：11.2 化学汽相淀积n具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点nCVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等CVD化学过程 化学气相淀积过程有5种基本的化学反应：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。11.2 化学汽相淀积CVD化学过程11.2 化学汽相淀积 以上5种基本反应中，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，副产物是氢。SiH4+O2 SiO2 +2H2CVD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（组成膜最初的原子和分子）的形成；3）膜先驱物被输运到硅片表面；4）膜先驱物粘附在硅片表面；5）膜先驱物向膜生长区域的表面扩散；6）表面化学反应导致淀积膜和副产物的生成；7）吸附（移除）表面反应的副产物；8）副产物从淀积区域随气流流动到反应腔出口并被排出。11.2 化学汽相淀积CVD传输和反应步骤图11.2 化学汽相淀积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硅气相外延实例11.2 化学汽相淀积 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。例如，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）速度限制阶段11.2 化学汽相淀积 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。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，此时淀积受表面反应速度限制。速度限制阶段11.2 化学汽相淀积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的过程（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。气流淀积的膜 硅衬底反应副产物反应物的扩散11.2 化学汽相淀积硅片表面的气流 气流 边界层 气流滞留层11.2 化学汽相淀积CVD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，速度限制将主要由表面反应速度限制决定，即在较低压下CVD工艺是由反应速度限制的。11.2 化学汽相淀积CVD过程中的掺杂11.2 化学汽相淀积 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)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；对于要永久粘附在硅片表面的磷硅玻璃来说，P2O5 含量（质量比）不超过4，这是因为磷硅玻璃（PSG）有吸潮作用。CVD过程中的掺杂11.2 化学汽相淀积 应用高密度等离子体CVD可以在600650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。离子会吸附到磷原子上，因而不能通过PSG层扩散达到硅片表面。CVD淀积系统11.2 化学汽相淀积CVD淀积系统n常压 CVD（APCVD）n低压 CVD（LPCVD）n等离子体辅助 CVDn等离子体增强 CVD（PECVD ）n高密度等离子体 CVD（HDPCVD）11.2 化学汽相淀积根据反应腔中的压力，CVD反应可分为以下几类：减压CVDCVD反应器类型11.2 化学汽相淀积各种反应器类型及特点11.2 化学汽相淀积连续加工的APCVD反应炉硅片膜反应气体 2反应气体 1惰性分隔气体(a)气体注入类型N2反应气体加热器N2N2N2N2N2硅片(b)通气类型11.2 化学汽相淀积APCVD TEOS-O3改善后的台阶覆盖11.2 化学汽相淀积用TEOS-O3淀积SiO2 TEOS是正硅酸乙脂。分子式为Si(C2H5O4)，是一种液体。臭氧（O3）包含三个氧原子，比氧气有更强的反应活性，因此，这步工艺可以不用等离子体，在低温下（如400）进行，因为不需要等离子体，O3就能使TEOS分解，因此反应可以在常压（APCVD,760托）或者亚常压(SACVD，600托)下。淀积的二氧化硅薄膜改善了台阶覆盖轮廓，均匀性好，具有作为绝缘介质优异的电学特性。优点:对于高的深宽比槽有良好的覆盖填充能力。缺点:SiO2膜多孔，因而通常需要回流来去掉潮气并增加膜密度。11.2 化学汽相淀积PSG回流后平坦化的表面回流后PSG回流前PSG金属或多晶硅11.2 化学汽相淀积LPCVD 与APCVD相比，LPCVD系统有更低的成本、更高的产量及更好的膜性能，因此应用更为广泛。为了获得低压，必须在中等真空度下（约0.15托），反应温度一般在300900，常规的氧化炉设备就可以应用。LPCVD的反应室通常是反应速度限制的。在这种低压条件下，反应气体的质量传输不再限制反应的速度。不同于APCVD的是，LPCVD反应中的边界层由于低压的缘故，距离硅片表面更远（见下图）。边界层的分子密度低，使得进入的气体分子很容易通过这一层扩散，使硅片表面接触足够的反应气体分子。一般来说，LPCVD具有优良的台阶覆盖能力。11.2 化学汽相淀积硅片表面的边界层连续气流淀积膜 硅衬底边界层反应物扩散11.2 化学汽相淀积LPCVD反应室11.2 化学汽相淀积三温区加热部件钉式热电偶(外部，控制)压力表抽气至真空泵气体入口热电偶(内部)用TEOS LPCVD淀积氧化硅压力控制器三温区加热器加热器TEOSN2O2真空泵气流控制器LPCVD炉温度控制器计算机终端工作接口炉温控制器尾气11.2 化学汽相淀积氮化硅淀积11.2 化学汽相淀积氮化硅淀积11.2 化学汽相淀积多晶硅的性质11.2 化学汽相淀积1.通过掺杂可得到特定的电阻；2.和二氧化硅优良的界面特性；3.和后续高温工艺的兼容性；4.比金属电极（如AI）更高的可靠性；5.在陡峭的结构上淀积的均匀性；6.实现栅的自对准工艺。多晶硅的制备p+p+p+n+n+n+11.2 化学汽相淀积n多晶硅的制备nLPCVD（在0.21.0托条件下）nSiH4 Si+2H2575650等离子体辅助CVDCVD CVD 过程中使用等离子体的好处过程中使用等离子体的好处1.更低的工艺温度(250 450)；2.对高的深宽比间隙有好的填充能力(用高密度等离子体)；3.淀积的膜对硅片有优良的粘附能力；4.高的淀积速率；5.少的针孔和空洞，因而有高的膜密度；6.工艺温度低，因而应用范围广。11.2 化学汽相淀积等离子体辅助CVD 中膜的形成PECVD 反应室连续膜 8)副产物 去除 1)反应物进 入反应室衬底 2)电场使反 应物分解 3)薄膜初始 物形成 4)初始物吸附 5)初始物扩散到衬底中 6)表面反应 7)副产物的解 吸附作用排气气体传送RF 发生器副产物电极电极RF 场11.2 化学汽相淀积PECVD的一般流程Process gasesGas flow controllerPressure controllerRoughingpumpTurbopumpGas panelRF generatorMatching networkMicrocontroller operator InterfaceExhaustGas dispersion screenElectrodes11.2 化学汽相淀积不同CVD形成氮化硅的性质11.2 化学汽相淀积高密度等离子体淀积腔11.2 化学汽相淀积淀积-刻蚀-淀积工艺11.2 化学汽相淀积用 PECVD 淀积的膜在间隙入口处产生夹断现象，导致在间隙填充中的空洞钥匙孔效应面包块效应MetalSiO2在这里开始分开1)离子诱导薄膜初始产物的淀积2)氩离子溅射刻蚀掉间隙入口处多余的膜，在膜上导致斜面外形3)再淀积被刻蚀的材料。重复该过程，最终形成上下一致的形貌CapHDPCVD工艺的步骤1.离子诱导淀积：指离子被托出等离子体并淀积形成间隙填充的现象；2.溅射刻蚀：具有一定能量的Ar和因为硅片偏置被吸引到薄膜的反应离子轰击表面并刻蚀原子；3.再次淀积：原子从间隙的底部被剥离，通常会再次淀积到侧壁上；4.热中性 CVD：这对热能驱动的一些淀积反应有很小的贡献；5.反射：离子反射出侧壁，然后淀积，是另一种贡献。11.2 化学汽相淀积在涡轮泵出口放置硅片的 HDPCVD11.2 化学汽相淀积机械泵微波2.45 GHz电磁涡轮泵阀门气体喷头静电吸盘上的硅片介质间隙填充过程2)PECVD 帽帽1)HDPCVD 间隙填充SiO2铝3)化学机械 平坦化11.2 化学汽相淀积CVD质量测量b)平坦化的SiO2 c)被淀积的下一层铝在 SiO2上由钥匙孔引起的金属空洞a)由 PECVD淀积的SiO2 SiO2在层间介质中的钥匙孔缺陷铝11.2 化学汽相淀积ILD中钥匙孔的效果介质参数和作用11.3 介质及其性能n介电常数n低k值介电常数n高k值介电常数n器件隔离n局部氧化（LOCOS）n浅槽隔离（STI）在不同的薄膜层中应用的介质材料会直接影响到芯片的性能。介质的两个重要方面是介电常数和器件隔离。ULSI 互连中可能的低K值ILD材料11.3 介质及其性能芯片性能 芯片性能的一项指标是信号的传输速度。芯片的不断缩小导致互联线宽度减小，使得传输信号导线电阻（R）增大。而且，导线间距的缩小产生了更多的寄生电容（C）。最终增加了RC信号延迟（RC信号延迟降低芯片速度，减弱芯片性能）。这是在亚0.25m中凸现的问题，通常称为互连延迟（如下图所示）。从本质上讲，减小互连尺寸带来的寄生电阻和电容效应而导致更大的信号延迟。这与晶体管的发展正好相反，对晶体管而言，随着栅长变小，延迟变小，晶体管的速度增加。线电容C正比于绝缘介质的k值，低k值的绝缘介质可以减小芯片总的互连电容，减小RC信号延迟，提高芯片性能。11.3 介质及其性能互连延迟与特征尺寸的关系2.52.01.51.00.500.51.01.52.0特征尺寸(mm)延迟时间(10-9 sec)互连延迟(RC)门延迟11.3 介质及其性能总互连线电容电容(10-12 Farads/cm)7654321000.51.01.52.02.53.0间距(mm)K=4K=3K=2K=111.3 介质及其性能低K值绝缘介质要求11.3 介质及其性能DRAM叠层电容示意图谈SiO2 介质掺杂多晶硅电容极板掺杂多晶硅电容极板埋接触孔扩散SiO2 dielectricDoped polysiliconcapacitor plateDoped polysiliconcapacitor plateBuried contact diffusion11.3 介质及其性能高K值绝缘介质应用11.3 介质及其性能高K值绝缘介质应用 一种很有潜力的高k材料是Ta2O5，其k值一般为20-30，并且很容易集成到现在通用的工艺中。但是，DRAM单元对存储材料和界面的漏电流及击穿电压敏感。为了补偿这一点，DRAM单元要求更厚的Ta2O5，这减弱了Ta2O5的优势。另一种有潜力的高k介质是（BaSr）TiO3(或写成BST)，与常规的绝缘介质相比，BST材料单位面积的电容值有显著的提高。由于器件等比例缩小，目前器件的栅氧厚度变得非常薄，对未来的50nm器件而言，栅氧厚度要求小于10，这需要有新的高k栅介质材料。在mos晶体管中，栅介质需要承受栅电极和下面衬底之间很高的电压。薄栅氧会受到隧穿电流的影响，当栅氧厚度低于15-20 时，隧穿电流会成为一个严重的问题。将会导致阈值电压的漂移，并最终由于无法切换开关状态而使电路失效。器件隔离11.3 介质及其性能 MOS硅片制造中的器件隔离技术为硅片上的器件提供了电学隔离。隔离技术用来减少或消除在MOS平面制造中的寄生场效应晶体管。隔离技术必须适应不同器件技术间的等比例缩小（如结深、栅氧厚度等）。目前MOS技术中的两个基本隔离技术是：通过硅的局部氧化（LOCOS）隔离实现的局部场隔离和浅槽隔离（STI）。局部氧化（LOCOS）11.3 介质及其性能浅槽隔离（STI）11.3 介质及其性能 在0.25um以下的技术节点中，浅槽隔离（STI）技术被广泛应用。STI取代LOCOS的原因有如下几点：1.更有效的器件隔离需要，尤其对DRAM器件而言；2.对晶体管隔离而言，表面积显著减小；3.超强的闩锁保护能力；4.对沟道没有侵蚀作用；5.与CMP的兼容。11.3 介质及其性能浅槽隔离（STI）浅槽隔离（STI）11.3 介质及其性能旋涂绝缘介质n旋涂玻璃(SOG)n旋涂绝缘介质(SOD)11.3 介质及其性能 有许多低k绝缘介质采用硅片旋涂的方法，称为旋涂绝缘介质（SOD），应用这些材料的工艺类似于低成本IC制造中的旋涂玻璃（SOG）。用 Spin-On-Glass 填充间隙2)处理后的SOG1)最初的SOG 间隙填充3)CVD 氧化硅帽Cap11.3 介质及其性能HSQ 低k值绝缘介质工艺参数11.3 介质及其性能外延生长定义 外延就是在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层（见下图），新淀积的这层称为外延层。外延为器件设计者在优化器件性能方面提供了很大的灵活性，例如可以控制外延层厚度、掺杂浓度、轮廓，而这些因素是与硅片衬底无关的。外延层还可以减少CMOS器件的闩锁效应。IC制造中最普通的外延反应是高温CVD系统。如果外延生长膜和衬底材料相同（例如硅衬底上生长硅），这样的膜生长称为同质外延。膜材料与衬底材料不一致的情况（例如硅衬底上生长氧化铝），称为异质外延。外延反应可用的气体源包括SiCl4/SiH2Cl2/SiHCl3 淀积温度为：800105011.4 外延外延生长方法11.4 外延n外延生长方法n气相外延（VPE）n金属有机物气相外延（MOVPE）n分子束外延生长(MBE)n液态外延生长（LPE）硅片上外延生长硅SiSiClClHHSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiClHClH化学反应副产物淀积的硅外延层多晶硅衬底11.4 外延外延生长优点n可生长出高质量、缺陷少的单晶层。用外延法生长的硅单晶层比一般的单晶层质量好；外延层中，一般不含有氧和碳n外延中的杂质类型可人为控制。(n/P+P/n+)n掺杂浓度和厚度可人为控制n可生长异质结外延11.4 外延外延生长反应 简简单单地地说说，SiClSiCl4 4氢氢还还原原法法外外延延就就是是把把硅硅单单晶晶片片（衬衬底底）加加热热到到12001200左左右右，将将掺掺有有SiClSiCl4 4蒸蒸汽汽的氢气流过片子表面，利用高温下的化学反应：的氢气流过片子表面，利用高温下的化学反应：11.4 外延 硅硅原原子子被被释释放放，在在硅硅表表面面上上生生成成外外延延层层，HClHCl则则被气流排走。被气流排走。外延生长反应n总反应式是一个可逆反应。如果反应室中的HCl不能及时排除，则有腐蚀硅衬底的作用。实际上，生长前的所谓HCl气相腐蚀，就是利用了这一作用，以去除衬底表面所残留的损伤层。n总反应式是一个吸热反应。只在温度高于1000时才有明显的反应速度。因此，用SiCl4外延时，加热温度必须在1000以上。11.4 外延外延掺杂种类 外延层中的杂质来源有：1）人为掺杂：是气相掺杂，人为可控的；2）自掺杂：反向扩散（固相掺杂）；蒸发效应（气相掺杂）；腐蚀效应（气相掺杂）；11.4 外延人为掺杂 n型：气态源 PH3、AsH3 液态源PCl3、AsCl3（易挥发成气态）P型：气态源 B2H6（乙硼烷）液态源BBr3、BCl3（易挥发成气态）11.4 外延共同特点：气态或液态易挥发，有足够的蒸汽分压；都是替位杂质；易燃、易爆、剧毒；人为掺杂11.4 外延化学反应（以n型磷掺杂为例）（高温分解）（用H2还原）它们都是一个杂质源分子淀积一个杂质原子。烷烃：氯化物：自掺杂 自掺杂：是通过工艺过程本身就带来的，不可避免的掺杂现象。自掺杂分三种类型（即来自三个方面的原因）：11.4 外延n扩散效应n蒸发效应n腐蚀效应扩散效应 扩散效应：扩散效应：外延生长过程本身就是一种高温处理过程，在这一过程中必然同时存在杂质的扩散（衬底杂质与外延层杂质互相扩散），从而使得衬底外延层界面处的杂质浓度分布不是突变的。衬底向外延层的扩散也叫反扩散。11.4 外延扩散效应11.4 外延蒸发效应蒸发效应：蒸发效应：正面：因为外延的生长速度远远大于杂质扩散的速度，所以在30秒后，杂质就蒸发不出去了；背面：杂质的这种蒸发主要是衬底背面的蒸发。因为背面与加热基座直接接触，温度最高。11.4 外延腐蚀效应腐蚀效应：腐蚀效应：由于SiCl4 氢还原法中存在两个腐蚀反应，此腐蚀过程使得外延生长时发生“自掺杂”现象，从而造成外延层中杂质浓度的再分布。11.4 外延气相外延示意图掺杂剂(AsH3 or B2 H3)H2SiH2 Cl2RF 感应加热线圈感应基座硅片真空泵11.4 外延硅气相外延炉排气排气排气RF加热RF 加热气体入口气体入口卧式反应炉桶式反应炉立式反应炉11.4 外延THE ENDTHE END