半导体制造技术11-淀积

ILD-3
M-2
ILD-2
M-1 Via
ILD-1
LI metal
Poly gate
LI oxide
n+
p+
p+
STI
n+
n+
p+
n-well
p-well
p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate
11.1 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
Trench CVD oxide Nitride
Liner oxide
n-well
p-well
p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate
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。
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。
11.2 化学汽相淀积 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 反应器类型 热壁 冷壁 持续移动 外延 高压 喷嘴 桶 冷壁平面 等离子体辅助 纵向流动等温
常压
低压












CVD反应器类型
批处理
单片














11.2 化学汽相淀积
各种反应器 类型及特点
工艺
优点
缺点
应用
APCVD (常压 CVD)
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1µm。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。
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Biblioteka 顶层垫氧化层Poly
n+
金属前氧化层 侧墙氧化层
栅氧化层
ILD 场氧化层
n+
p- epi layer
氮化硅
氧化硅
氧化硅 多晶
p+
金属
金属
p+
n-well
p+ silicon substrate
11.2 化学汽相淀积 CVD过程中的掺杂
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。离子会吸附到磷原子上，因 而不能通过PSG层扩散达到硅片表面。
1) SiH4(气态)
SiH2(气态)+ H2(气态)（高温分解）
2) SiH4(气态) + SiH2(气态) 成品形成）
Si2H6(气态) （反应半
3) Si2H6(气态) 品形成）
2Si (固态) + 3H2(气态) （最终产
11.2 化学汽相淀积 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。
反应简单 淀积速度快 低温
台阶覆盖能力差, 有颗粒沾污 低产出率
低温二氧化硅 (掺杂或不掺杂).
LPCVD (低压 CVD)
高纯度和均匀性，
一致的台阶覆盖能力， 大的硅片容量
高温，低的淀积速率， 需要更多的维护，要求 真空系统支持
高温二氧化硅 (掺杂或不 掺杂),氮化硅、多晶硅等
等离子体辅助 CVD:
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。
11.2 化学汽相淀积 速度限制阶段
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。
113介质及其性能60互连延迟与特征尺寸的关系2520151005101520特征尺寸mm互连延迟rc门延迟113介质及其性能61总互连线电容051015202530间距mm113介质及其性能62低k值绝缘介质要求电学机械学热学化学工艺金属化低介电常数好的黏附性热稳定性耐酸和碱图形制作低的接触电阻低介电损失低的收缩性低的热扩散系数选择腐蚀好的间隙填充能力低的电子迁移低的漏电流抗开裂高导热低的杂质平坦化低的应力高可靠性低应力无侵蚀低的针孔光滑表面好的硬度低的湿气吸少的微粒与势垒金属兼可接受的存储寿命113介质及其性能63dram叠层电容示意图谈sio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siodielectricdopedpolysiliconcapacitorplatedopedpolysiliconcapacitorplateburiedcontactdiffusion113介质及其性能高k值绝缘介质应用64113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ta其k值一般为2030并且很容易集成到现在通用的工艺中
等离子体增强 CVD (PECVD)
高密度等离子体 CVD (HDPCVD)
低温，快速淀积，好的 台阶覆盖能力，好的间 隙填充能力
要求 RF 系统，高成 本，压力远大于张力，
化学物质（如 H2）和 颗粒沾污
高的深宽比间隙的填充， 金属上的 SiO2,ILD-1,ILD,
为了双镶嵌结构的铜籽晶 层，钝化( Si3N4).
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。
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
ILD-6
压点金属
ILD-5 M-4
ILD-4 M-3
半导体制造技术
第十一章 淀积
本章概要
概述 化学气相淀积 介质及其性能 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。
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
厚
宽
与衬底相比 薄膜非常薄
固态薄膜
Oxide Silicon substrate
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。
11.2 化学汽相淀积
CVD设备
11.2 化学汽相淀积 CVD技术特点：
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
CVD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
均匀厚度
共形台阶覆盖
非共形台阶覆盖
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
深宽比 = 500 Å = 2 250 Å 1
D W
500 Å
250 Å
11.1 概述
高的深宽比间隙
Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering
11.2 化学汽相淀积 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)
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。
11.1 概述
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
薄膜特性
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。
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 CVD化学过程
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
11.2 化学汽相淀积 CVD淀积系统
11.2 化学汽相淀积 CVD淀积系统
根据反应腔中的压力，CVD反应可分为以 下几类：
常压 CVD（ APCVD ）
低压 CVD（ LPCVD）
等离子体辅助 CVD
减压CVD
等离子体增强 CVD（ PECVD ）
高密度等离子体 CVD （HDPCVD）
11.1 概述
气体分子
成核
薄膜生长的步骤
凝聚
连续的膜
Substrate
11.1 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；
11.2 化学汽相淀积
连续加工的 APCVD反应炉
惰性分隔气体 膜
反应气体 1
反应气体 2 硅片
(a) 气体注入类型
N2 N2
反应气体
N2
N2
N2 N2
硅片
加热器 (b) 通气类型
11.2 化学汽相淀积
APCVD TEOS-O3 改善后的台阶覆盖
Trench fill by chemical vapor deposition TEOS-O3
SiO2 + 2H2
11.2 化学汽相淀积 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（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
反应物的 扩散
反应副产物
淀积的膜
硅衬底
11.2 化学汽相淀积 硅片表面的气流
11.2 化学汽相淀积CVD传输和反应步骤图
1) 反应物的质 量传输
气体传送
2) 薄膜先驱 物反应
3) 气体分 子扩散
4) 先驱物 的吸附
CVD 反应室
副产物
7) 副产物的解 吸附作用
5) 先驱物扩散 到衬底中
6) 表面反应
8) 副产物 去除 排气
连续膜
Substrate
11.2 化学汽相淀积 硅气相外延实例