半导体制造技术—第四讲：淀积工艺
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高密度等离子体化学气相淀积工艺简介
高密度等离子体化学气相淀积工艺简介随着半导体技术的飞速发展，半导体器件特征尺寸的显著减小，相应地也对芯 片制造工艺提出了更高的要求，其中一个具有挑战性的难题就是绝缘介质在各 个薄膜层之间均匀无孔的填充以提供充分有效的隔离保护，包括浅槽隔离（STI ），金属前绝缘层（PMD ，金属层间绝缘层（IMD ）等等。
本文所介绍的 高密度等离子体化学气相淀积（HDP CVD 工艺自20世纪90年代中期开始被先 进的芯片工厂采用以来，以其卓越的填孔能力，稳定的淀积质量，可靠的电学 特性等诸多优点而迅速成为 0.25微米以下先进工艺的主流。
图1所示即为在 超大规模集成电路中HDP CVDL 艺的典型应用。
PASSIVATION PECVD SINPETEOSHi D«p RW U$G HOP-USC CMPHi Dep RqU USGHi D 呻 Rot* 吒G 、 HDP-PSC^?S 4BCFC 刖一^ Th^nnoJ Ox-匚扌 CUP // 图1 HDP GVD 工艺在趙大規摟集成电路中的典型应用HDP CVD 勺工艺原理在HDP CVDE 艺问世之前，大多数芯片厂普遍采用等离子体增强化学气相 沉积（PE CVD ）进行绝缘介质的填充。
这种工艺对于大于 0.8微米的间隙具有良 好的填孔效果，然而对于小于0.8微米的间隙，用单步PE CVDT 艺填充具有高 的深宽比（定义为间隙的深度和宽度的比值）的间隙时会在其中部产生夹断 （pinch-off ） 和空洞（图 2）。
/ HDP USG Z CMPf?]2PECVD工艺填孑l中产生的夹斯和空洞为了解决这一难题，淀积-刻蚀-淀积工艺被用以填充0.5微米至0.8微米的间隙，也就是说，在初始淀积完成部分填孔尚未发生夹断时紧跟着进行刻蚀工艺以重新打开间隙入口，之后再次淀积以完成对整个间隙的填充（图 3 ）。
显而易见，为了填充越小的间隙，越来越多的工艺循环需要被执行，在不断降低产量的同时也显著增加了芯片成本，而且由于本身工艺的局限性，即便采用循环工艺，PE CVD寸于小于0.5微米的间隙还是无能为力.其他一些传统CVD 工艺，如常压CVD（APCVD）亚常压CVD（SACVD虽然可以提供对小至0.25微米的间隙的无孔填充，但这些缺乏等离子体辅助淀积产生的膜会依赖下层表面而显示出不同的淀积特性，另外还有低密度和吸潮性等缺点，需要PE CVD增加上保护层和下保护层，或者进行后淀积处理（如退火回流等）。
半导体制造技术—第四讲：淀积工艺
化学淀积工艺可以应用于半导体制造中的各 种薄膜制备如氧化物、氮化物、金属等
提供反应物质：反应气体是淀积过程中形成薄膜的主要物质来源 控制反应速率：反应气体的浓度和流量可以控制反应速率从而影响薄膜的厚度和质量 影响薄膜性质：反应气体的种类和比例可以影响薄膜的性质如导电性、光学性能等 参与化学反应：反应气体在淀积过程中参与化学反应形成所需的薄膜材料
半导体制造技术之淀 积工艺
汇报人：
目录
添加目录标题
淀积工艺概述
淀积工艺的原理
淀积工艺的应用
淀积工艺的优缺点
淀积工艺的未来展 望
添加章节标题
淀积工艺概述
淀积工艺是半导体制造过程中的关键步骤之一 主要目的是在硅晶圆上沉积一层或多层薄膜 薄膜可以是金属、氧化物、氮化物等 淀积工艺包括化学气相淀积（CVD）、物理气相淀积（PVD）等方法
研究方向：新型材料、新工艺、新设备 技术挑战：提高性能、降低成本、提高可靠性 研发目标：实现更高性能、更低成本、更可靠的淀积工艺 研发成果：新型材料、新工艺、新设备的研发和应用
太阳能电池：利用淀积工艺制造高效太阳能电池提高光电转换效率 燃料电池：利用淀积工艺制造高性能燃料电池提高能源转换效率 储能设备：利用淀积工艺制造高性能储能设备提高储能效率和稳定性 电动汽车：利用淀积工艺制造高性能电动汽车电池提高续航里程和充电速度
物理淀积的优 点是沉积速度 快沉积层厚度 均匀沉积层质
量高
化学淀积是一种通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
化学淀积可以分为气相化学淀积和液相 化学淀积两种类型
气相化学淀积是通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
液相化学淀积是通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
化学淀积工艺可以应用于半导体制造中的各 种薄膜制备如氧化物、氮化物、金属等
提供反应物质：反应气体是淀积过程中形成薄膜的主要物质来源 控制反应速率：反应气体的浓度和流量可以控制反应速率从而影响薄膜的厚度和质量 影响薄膜性质：反应气体的种类和比例可以影响薄膜的性质如导电性、光学性能等 参与化学反应：反应气体在淀积过程中参与化学反应形成所需的薄膜材料
半导体制造技术之淀 积工艺
汇报人：
目录
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淀积工艺概述
淀积工艺的原理
淀积工艺的应用
淀积工艺的优缺点
淀积工艺的未来展 望
添加章节标题
淀积工艺概述
淀积工艺是半导体制造过程中的关键步骤之一 主要目的是在硅晶圆上沉积一层或多层薄膜 薄膜可以是金属、氧化物、氮化物等 淀积工艺包括化学气相淀积（CVD）、物理气相淀积（PVD）等方法
研究方向：新型材料、新工艺、新设备 技术挑战：提高性能、降低成本、提高可靠性 研发目标：实现更高性能、更低成本、更可靠的淀积工艺 研发成果：新型材料、新工艺、新设备的研发和应用
太阳能电池：利用淀积工艺制造高效太阳能电池提高光电转换效率 燃料电池：利用淀积工艺制造高性能燃料电池提高能源转换效率 储能设备：利用淀积工艺制造高性能储能设备提高储能效率和稳定性 电动汽车：利用淀积工艺制造高性能电动汽车电池提高续航里程和充电速度
物理淀积的优 点是沉积速度 快沉积层厚度 均匀沉积层质
量高
化学淀积是一种通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
化学淀积可以分为气相化学淀积和液相 化学淀积两种类型
气相化学淀积是通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
液相化学淀积是通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
化学淀积工艺可以应用于半导体制造中的各 种薄膜制备如氧化物、氮化物、金属等
高密度等离子体化学气相淀积工艺简介
高密度等离子体化学气相淀积工艺简介随着半导体技术的飞速发展，半导体器件特征尺寸的显著减小，相应地也对芯片制造工艺提出了更高的要求，其中一个具有挑战性的难题就是绝缘介质在各个薄膜层之间均匀无孔的填充以提供充分有效的隔离保护，包括浅槽隔离（STI)，金属前绝缘层（PMD），金属层间绝缘层（IMD）等等。
本文所介绍的高密度等离子体化学气相淀积（HDP CVD)工艺自20世纪90年代中期开始被先进的芯片工厂采用以来，以其卓越的填孔能力，稳定的淀积质量，可靠的电学特性等诸多优点而迅速成为0.25微米以下先进工艺的主流。
图1所示即为在超大规模集成电路中HDP CVD工艺的典型应用。
HDP CVD的工艺原理在HDP CVD工艺问世之前，大多数芯片厂普遍采用等离子体增强化学气相沉积(PE CVD)进行绝缘介质的填充。
这种工艺对于大于0.8微米的间隙具有良好的填孔效果，然而对于小于0.8微米的间隙，用单步PE CVD工艺填充具有高的深宽比(定义为间隙的深度和宽度的比值)的间隙时会在其中部产生夹断(pinch-off)和空洞(图2)。
为了解决这一难题，淀积-刻蚀-淀积工艺被用以填充0.5微米至0.8微米的间隙,也就是说，在初始淀积完成部分填孔尚未发生夹断时紧跟着进行刻蚀工艺以重新打开间隙入口，之后再次淀积以完成对整个间隙的填充（图3）。
显而易见，为了填充越小的间隙,越来越多的工艺循环需要被执行,在不断降低产量的同时也显著增加了芯片成本，而且由于本身工艺的局限性，即便采用循环工艺，PE CVD对于小于0.5微米的间隙还是无能为力.其他一些传统CVD 工艺,如常压CVD(APCVD)和亚常压CVD(SACVD)虽然可以提供对小至0.25微米的间隙的无孔填充,但这些缺乏等离子体辅助淀积产生的膜会依赖下层表面而显示出不同的淀积特性，另外还有低密度和吸潮性等缺点，需要PE CVD增加上保护层和下保护层，或者进行后淀积处理(如退火回流等)。
半导体制造技术—第四讲：淀积工艺
半导体知识人
CVD 反应器类型
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 批处理 单片
Figure 11.11
半导体知识人
各种类型 CVD 反应器及其主要特点
高温二氧化硅 (掺杂或不 掺杂),氮化硅、多晶硅等
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).
Table 11.2
半导体知识人
固态薄膜
厚
宽 与衬底相比 薄膜非常薄
Oxide Silicon substrate
Figure 11.4
半导体知识人
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
SiH4(气)+2PH3(气)+O2(气) SiO2(固)+2P(固)+5H2(气)
半导体知识人
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 要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说， P2O5 含量（重量比）不超过 4 ％，这是因为磷硅玻 璃（PSG）有吸潮作用。 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。
CVD 反应器类型
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 批处理 单片
Figure 11.11
半导体知识人
各种类型 CVD 反应器及其主要特点
高温二氧化硅 (掺杂或不 掺杂),氮化硅、多晶硅等
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).
Table 11.2
半导体知识人
固态薄膜
厚
宽 与衬底相比 薄膜非常薄
Oxide Silicon substrate
Figure 11.4
半导体知识人
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
SiH4(气)+2PH3(气)+O2(气) SiO2(固)+2P(固)+5H2(气)
半导体知识人
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 要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说， P2O5 含量（重量比）不超过 4 ％，这是因为磷硅玻 璃（PSG）有吸潮作用。 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。
《半导体材料制备技术》培训课件：半导体薄膜的生长与淀积
2 、淀积薄膜对衬底的附着力更高，致密性更 好，淀积速率较高。
3、若不能有效控制等离子体中高能带电粒子 对生长表面的轰击，会影响薄膜结构完整性。
光CVD和LCVD：低温又不存在重离子轰击
光CVD方法利用气体分子对特定波长光的强吸 收作用提供反应动力
特点：参与反应和淀积的物质都有很强的选择性， 且淀积温度很低，因而薄膜不仅结构完美，纯度 也很高
V族源
Ⅴ族元素的化合物一般都采用砷烷(AsH3) 、磷烷(PH3) ,两 者均系剧毒气体。因此研究毒性较小的有机砷来代替实属必要。 有机砷化合物的毒性,随分子中含H 原子数目减小而降低,然而 使用毒性最低的TMAs ,将在淀积膜中引入大量C 沾污，因此,含 有2个H原子的叔丁基砷化氢(TBAs) ,被认为是目前较好的AsH3 的取代物;而取代PH3 以叔丁基磷化氢(TBP) 最有希望。
不经过固－液相变或固－气相变，直接或 通过同样也是固体的中间介质向生长界面 输运生长物质的外延生长。
两种可能的形式：一种是固体生长源直接 与生长表面接触；一种是固体生长源与生 长表面之间隔一层由其他固体物质构成的 输运介质。
离子注入的退火
锗核辐射探测器 欧姆接触的制作
非晶体 晶体
非晶体 晶体
器件工艺中主要用来制作金属接触；II-VI族化合 物；氧化物半导体 。
真空蒸发法原理
在任何温度下，材料表面都存在蒸汽，当材料的温 度低于熔化温度时，产生蒸汽的过程称为升华，而 熔化时产生蒸汽的过程称为蒸发。
真空蒸发：真空条件下，加热蒸发源，使原子或分 子从蒸发源表面逸出，形成蒸汽流入射到衬底表面， 凝结成固态薄膜
SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl SiCl4氢还原法的反应温度偏高，该方法并不十分
3、若不能有效控制等离子体中高能带电粒子 对生长表面的轰击，会影响薄膜结构完整性。
光CVD和LCVD：低温又不存在重离子轰击
光CVD方法利用气体分子对特定波长光的强吸 收作用提供反应动力
特点：参与反应和淀积的物质都有很强的选择性， 且淀积温度很低，因而薄膜不仅结构完美，纯度 也很高
V族源
Ⅴ族元素的化合物一般都采用砷烷(AsH3) 、磷烷(PH3) ,两 者均系剧毒气体。因此研究毒性较小的有机砷来代替实属必要。 有机砷化合物的毒性,随分子中含H 原子数目减小而降低,然而 使用毒性最低的TMAs ,将在淀积膜中引入大量C 沾污，因此,含 有2个H原子的叔丁基砷化氢(TBAs) ,被认为是目前较好的AsH3 的取代物;而取代PH3 以叔丁基磷化氢(TBP) 最有希望。
不经过固－液相变或固－气相变，直接或 通过同样也是固体的中间介质向生长界面 输运生长物质的外延生长。
两种可能的形式：一种是固体生长源直接 与生长表面接触；一种是固体生长源与生 长表面之间隔一层由其他固体物质构成的 输运介质。
离子注入的退火
锗核辐射探测器 欧姆接触的制作
非晶体 晶体
非晶体 晶体
器件工艺中主要用来制作金属接触；II-VI族化合 物；氧化物半导体 。
真空蒸发法原理
在任何温度下，材料表面都存在蒸汽，当材料的温 度低于熔化温度时，产生蒸汽的过程称为升华，而 熔化时产生蒸汽的过程称为蒸发。
真空蒸发：真空条件下，加热蒸发源，使原子或分 子从蒸发源表面逸出，形成蒸汽流入射到衬底表面， 凝结成固态薄膜
SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl SiCl4氢还原法的反应温度偏高，该方法并不十分
半导体制造技术11-淀积
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
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。
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
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
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
引言
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。
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
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
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）.
半导体工艺原理薄膜技术物理气相淀积
议的13.56MHz。
在一定气压条件下，在阴阳电极之间加交变电压频 率在射频范围时，会产生稳定的射频辉光放电。
第三十五页，共50页
射频放电的激发源
E型放电：高频电场直接激发
H型放电：高频磁场感应激发
射频辉光放电与直流放电很不相同： •电场周期性改变方向，带电粒子不容易到达电极和器壁， 减少了带电粒子的损失。在两极之间不断振荡运动的电子 可从高频电场中获得足够能量，使气体分子电离，电场较 低就可维持放电。 •阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿必要条件。
阀门
气体流量Q (L·atm/min)：
Q
qm
p g
气流用标准体积来测量，指相同气体,在0℃和
1atm下所占的体积。
பைடு நூலகம்
第十一页，共50页
气体传导率C
C Q P1 P2
C与电导率一样并联相加；串联时倒数相加
若大量气体流过真空系统，要保持腔体压力接近泵的压力，就要 求真空系统有大的传导率----管道直径；泵放置位置
4.1 原理
无光放电区：极 少量原子受到高 能宇宙射线激发 而电离；电流微 弱、，且不稳定
汤生放电区： 电压升高，电 子、离子的能 量逐渐升高， α作用；γ作用
；
几Pa-几十Pa气体
辉光放电：气体 放电击穿；负阻 现象；阴极电流 密度一定，有效 放电面积随电流
增加而增大；
反常辉光放电 ：阴极全部成 为有效放电区 域，只有增加
当转子继续转到135°时，上转子封入 的气体与排气口相通，重复上述过程。
第十六页，共50页
高、超高真空度的获得
在微电子加工领域，高真空泵分为两类： （1）转移动量给气态分子而抽吸气体
（2）俘获气体分子
在一定气压条件下，在阴阳电极之间加交变电压频 率在射频范围时，会产生稳定的射频辉光放电。
第三十五页，共50页
射频放电的激发源
E型放电：高频电场直接激发
H型放电：高频磁场感应激发
射频辉光放电与直流放电很不相同： •电场周期性改变方向，带电粒子不容易到达电极和器壁， 减少了带电粒子的损失。在两极之间不断振荡运动的电子 可从高频电场中获得足够能量，使气体分子电离，电场较 低就可维持放电。 •阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿必要条件。
阀门
气体流量Q (L·atm/min)：
Q
qm
p g
气流用标准体积来测量，指相同气体,在0℃和
1atm下所占的体积。
பைடு நூலகம்
第十一页，共50页
气体传导率C
C Q P1 P2
C与电导率一样并联相加；串联时倒数相加
若大量气体流过真空系统，要保持腔体压力接近泵的压力，就要 求真空系统有大的传导率----管道直径；泵放置位置
4.1 原理
无光放电区：极 少量原子受到高 能宇宙射线激发 而电离；电流微 弱、，且不稳定
汤生放电区： 电压升高，电 子、离子的能 量逐渐升高， α作用；γ作用
；
几Pa-几十Pa气体
辉光放电：气体 放电击穿；负阻 现象；阴极电流 密度一定，有效 放电面积随电流
增加而增大；
反常辉光放电 ：阴极全部成 为有效放电区 域，只有增加
当转子继续转到135°时，上转子封入 的气体与排气口相通，重复上述过程。
第十六页，共50页
高、超高真空度的获得
在微电子加工领域，高真空泵分为两类： （1）转移动量给气态分子而抽吸气体
（2）俘获气体分子
电子科大微电子工艺(第四章)淀积wg3-4-4解析
3). LPCVDPoly－Si（多晶硅）
■ LPCVDPoly－Si的用途：
① 掺杂的Poly－Si在MOS器件中用做栅电极 ② 掺杂的Poly－Si做多晶电阻
■ LPCVDPoly－Si工艺： SiH4 → Si＋ 2H2 温度：575℃～650℃ 压力： 0.2～1.0Torr 淀积速率：10～20nm/分
4.2 化学气相淀积原理
化学气相淀积气源
4.2 化学气相淀积原理
4. 常规薄膜生长过程
4.2 化学气相淀积原理
成核 聚焦成束/岛生长 连续成膜
4.2 化学气相淀积原理
5. CVD薄膜淀积反应步骤
4.2 化学气相淀积原理
1)气体传输至淀积区域：反应气体从反应腔入口区域到 硅片表面的淀积区域
2)膜先驱物形成：气相反应导致膜先驱物（将组成膜最 初的原子和分子）和副产物的形成
1. 常压CVD(APCVD)淀积工艺
4.3 化学气相淀积工艺
APCVD工艺： APCVD通常用于淀积SiO2和掺杂的SiO2（PSG、BPSG、 FSG等），这些薄膜主要用于层间介质ILD和槽介质填 充。
1).用2～10％的SiH4淀积SiO2： SiH4＋O2 →SiO2＋H2
温度：450℃～500℃ 压力：760Torr 优点：可在金属铝连线上淀积SiO2作为ILD 缺点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都很差。
■ 金属和金属化合物薄膜将在后续章节中介绍。
4.1 引 言
4.薄膜的概念：在衬底上生长的薄固体物质，在三维结构 中厚度远远小于长和宽。
5. 集成电路对薄膜的要求（薄膜特性）： 1) 好的台阶覆盖能力 2) 填充高的深宽比间隙的能力 3) 好的厚度均匀性 4) 高纯度和高密度 5) 受控制的化学剂量 6) 高度的结构完整性和低的应力 7) 好的电学特性 8) 对衬底材料或下层膜好的粘附性
■ LPCVDPoly－Si的用途：
① 掺杂的Poly－Si在MOS器件中用做栅电极 ② 掺杂的Poly－Si做多晶电阻
■ LPCVDPoly－Si工艺： SiH4 → Si＋ 2H2 温度：575℃～650℃ 压力： 0.2～1.0Torr 淀积速率：10～20nm/分
4.2 化学气相淀积原理
化学气相淀积气源
4.2 化学气相淀积原理
4. 常规薄膜生长过程
4.2 化学气相淀积原理
成核 聚焦成束/岛生长 连续成膜
4.2 化学气相淀积原理
5. CVD薄膜淀积反应步骤
4.2 化学气相淀积原理
1)气体传输至淀积区域：反应气体从反应腔入口区域到 硅片表面的淀积区域
2)膜先驱物形成：气相反应导致膜先驱物（将组成膜最 初的原子和分子）和副产物的形成
1. 常压CVD(APCVD)淀积工艺
4.3 化学气相淀积工艺
APCVD工艺： APCVD通常用于淀积SiO2和掺杂的SiO2（PSG、BPSG、 FSG等），这些薄膜主要用于层间介质ILD和槽介质填 充。
1).用2～10％的SiH4淀积SiO2： SiH4＋O2 →SiO2＋H2
温度：450℃～500℃ 压力：760Torr 优点：可在金属铝连线上淀积SiO2作为ILD 缺点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都很差。
■ 金属和金属化合物薄膜将在后续章节中介绍。
4.1 引 言
4.薄膜的概念：在衬底上生长的薄固体物质，在三维结构 中厚度远远小于长和宽。
5. 集成电路对薄膜的要求（薄膜特性）： 1) 好的台阶覆盖能力 2) 填充高的深宽比间隙的能力 3) 好的厚度均匀性 4) 高纯度和高密度 5) 受控制的化学剂量 6) 高度的结构完整性和低的应力 7) 好的电学特性 8) 对衬底材料或下层膜好的粘附性
第四章半导体器件工艺学之淀积
一、薄膜特性（质量参数要求）
高密度：连续的 不含孔隙 厚度一致（均匀性） 对台阶的覆盖好 高的深宽比间隙填充能力 高纯度 合适的化学剂量 低的膜应力 对下层材料的粘附性
台阶覆盖
间隙填充能力
用深宽比来描述一个间隙（孔或槽） 深宽比=深/宽 高的深宽比典型值一般为3 有时是5或更大 一般膜淀积时槽的底部和边缘比较薄
类似于真空蒸发淀积，是用来淀积外延层 可达到原子分辨率的一种方法 MBE系统提供电磁场使硅原子蒸发，这些 硅原子束离开硅源，流动通过腔体，淀积 在单晶硅片上 特点：低温，减少了自掺杂和外扩散 生长速度慢 膜形成易控制，可实现单层增量控制 产率低，花费高
§4-4金属化与平坦化
什么是金属化 基本概念： 互连 接触 通孔 栓塞
常压CVD（APCVD） 低压CVD（LPCVD） 等离子体辅助CVD（PECVD）
1.常压CVD（APCVD）
属于质量传输限制：反应速度可以保证 反应气体的量不充足 特点： 淀积速度快 台阶覆盖能力差 气体消耗量大 低产出率 应用：淀积SiO2和掺杂的氧化硅，用于层间 绝缘、保护性覆盖物、表面平坦化等功能 的
金属热蒸发台
真空蒸发法结构示意图
电子束蒸发法结构示意图
溅射
高能粒子撞击靶，撞击出原子，沉积在基 片上，形成薄膜 特点： 可在大晶圆上控制淀积均匀的薄膜 膜厚均匀，台阶覆盖能力好 保持复杂合金原组分 能淀积高熔点和难溶金属 能够在淀积金属前清除硅片表面沾污和本 身的氧化层（原位溅射）
溅射机制
3.等离子体辅助CVD（PECVD）
在LPCVD基础上，加高频电场，使反应气 体电离成等离子体，发生反应，沉积成膜 特点：低压，可与LPCVD比拟 低温 快速淀积 好的台阶覆盖能力 要求RF系统 成本高 应用：淀积热稳定性差的材料
化学气相淀积
6
薄膜生长的步骤
1.成核
2.核的生长 聚集成束， 也称为岛生长
3.连续的薄膜
7
气体分子
成核
凝聚
连续的膜
Substrate
8
淀积主要有两大类：
化学气相淀积 （Chemical Vapor Deposition：CVD）
物理气相淀积 （Physical Vapor Deposition: PVD）
化学气相淀积
1
基本上，集成电路是由数层材质不同的薄 膜组成，而使这些薄膜覆盖在硅晶片上的技 术，便是所谓的薄膜沉积及薄膜成长技术－ －薄膜淀积
淀积：就是指薄膜材料的沉积和生长等技 术，指一种材料以物理方式沉积在晶圆表面 上的工艺过程。
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）
28
1.常压化学气相淀积
(NPCVD Normal Pressure CVD) (APCVD Atmosphere Pressure)
常压化学气相淀积(APCVD/NPCVD)是指 在大气压下进行的一种化学气相淀积的方法， 这是化学气相淀积最初所采用的方法。
29
APCVD系统示意图
4
30
APCVD的缺点： 1.硅片水平放置，量产受限，易污染。 2.反应速度受多种因素影响，反应室尺寸、
按反应器壁温可分为：
热壁；冷壁。
按反应器形状分：
A.立式，（又可细分为钟罩式和桶式）；
B.卧式。
23
1.Si3N4淀积原理
化学气相淀积Si3N4 ，一般是使含硅的化合物蒸汽在 高温下发生化学反应，并在基片表面淀积一层Si3N4 膜，常用的几种化合物反应如下： 硅烷和氨气反应：
薄膜生长的步骤
1.成核
2.核的生长 聚集成束， 也称为岛生长
3.连续的薄膜
7
气体分子
成核
凝聚
连续的膜
Substrate
8
淀积主要有两大类：
化学气相淀积 （Chemical Vapor Deposition：CVD）
物理气相淀积 （Physical Vapor Deposition: PVD）
化学气相淀积
1
基本上，集成电路是由数层材质不同的薄 膜组成，而使这些薄膜覆盖在硅晶片上的技 术，便是所谓的薄膜沉积及薄膜成长技术－ －薄膜淀积
淀积：就是指薄膜材料的沉积和生长等技 术，指一种材料以物理方式沉积在晶圆表面 上的工艺过程。
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）
28
1.常压化学气相淀积
(NPCVD Normal Pressure CVD) (APCVD Atmosphere Pressure)
常压化学气相淀积(APCVD/NPCVD)是指 在大气压下进行的一种化学气相淀积的方法， 这是化学气相淀积最初所采用的方法。
29
APCVD系统示意图
4
30
APCVD的缺点： 1.硅片水平放置，量产受限，易污染。 2.反应速度受多种因素影响，反应室尺寸、
按反应器壁温可分为：
热壁；冷壁。
按反应器形状分：
A.立式，（又可细分为钟罩式和桶式）；
B.卧式。
23
1.Si3N4淀积原理
化学气相淀积Si3N4 ，一般是使含硅的化合物蒸汽在 高温下发生化学反应，并在基片表面淀积一层Si3N4 膜，常用的几种化合物反应如下： 硅烷和氨气反应：
半导体工艺技术薄膜淀积 PPT
淀积参数的影响 - 温度
- 压强 - 硅烷浓度 - 掺杂剂浓度
✓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
多晶硅的淀积速率 通常不是硅烷浓度的线性函数
一级反应线性关系
v
CT N
ksY
表面吸附的影响
氧化硅的淀积方法
1）低温CVD（250~450C） 硅烷为源的淀积——APCVD，LPCVD，P玻P2O璃E5C网和V络SDiO体2组成的二元
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。
外延单晶硅的化学反应式
✓ 半导体、介质、金属薄膜
✓ 常压化学气相淀积（APCVD），低压CVD (LPCVD)，等离子体增强淀积（PECVD）等
CVD反应必须满足三个挥发性标准
✓ 在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压 ✓ 除淀积物质外,反应产物必须是挥发性的 ✓ 淀积物本身必须具有足够低的蒸气压
(1)反应剂被携带气体引入反应器 后，在衬底表面附近形成“滞留 层”，然后，在主气流中的反应剂 越过边界层扩散到硅片表面 (2)反应剂被吸附在硅片表面，并 进行化学反应
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，in situ），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
第四讲：淀积工艺(半导体制造技术).讲课教案
p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate
Figure 11.3
p+
电信学院微电子教研室
芯片中的金属层
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
Photo 11.1
电信学院微电子教研室
• 薄膜淀积
半导体器件工艺中的“薄膜”是一种固态薄 膜，薄膜的种类和制备方法在第四章中已作过简 单介绍。
括不同类型的化学反应。
4. 描述CVD反应如何受限制，解释反应动力学以及CVD薄膜掺 杂的效应。
5. 描述不同类型的CVD淀积系统，解释设备的功能。讨论某种 特定工具对薄膜应用的优点和局限。
6. 解释绝缘材料对芯片制造技术的重要性，给出应用的例子。 7. 讨论外延技术和三种不同的外延淀积方法。 8. 解释旋涂绝缘介质。
第四讲：淀积工艺(半导体制造 技术).
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
电信学院微电子教研室
目标
通过本章的学习，将能够：
1. 描述出多层金属化。叙述并解释薄膜生长的三个阶段。 2. 提供对不同薄膜淀积技术的慨况。 3. 列举并描述化学气相淀积（CVD）反应的8个基本步骤，包
电信学院微电子教研室
ULSI硅片上的多层金属化
钝化层
ILD-6
压点金属
ILD-5 M-4
ILD-4 M-3
M-2
M-1 Via
LI metal
Poly gate
n+
p+
p+
n-well
ILD-3 ILD-2
ILD-1 LI oxide
半导体淀积工艺及其设备技术研究
将腔室惰性气体电离袁离子 不需要高温条件袁 有较好
加速后将原料原子轰击出来袁 的致密度和性能袁 缺点是对
溅射在晶片表面
晶片造成轰击损伤
在蒸发或溅射原料的同时袁 沉 积 的 膜 与 基 体 粘 合 较
离子束 再用某种离子束对原料进行 好袁缺点是结构复杂袁有强的
轰击反应袁生成合成薄膜
射线和辐射损伤
化学气相沉积又称 CVD（Chemical Vapor Deposition），是把 含有薄膜元素的气体通过气体流量计输送到反应腔晶片表面， 利用加热、等离子体、紫外光或激光等能源，使其相互反应沉积 薄膜。CVD 分类方法较多，技术成熟又较为常用的有低压化学 气相成积 （Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD）、 金属有机化合物气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor De原 position，MOCVD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD），表 2 为几种 CVD 的基本原理和性能特点。
高能粒子束轰击的方式，将靶材蒸发成气态使之淀积在工件表
面成膜的方式。PVD 技术有蒸发、溅射和离子束沉 3 大方向，表
图 2 半导体器件剖面
1 为几种 PVD 的基本原理和性能特点。 表 1 主要的物理气相沉积方法
PVD 蒸发
溅射
基本原理
性能特点
在真空腔室通过电流或电 结构简单袁 主要用于低熔 子束加热原料袁 生成原料蒸 点的金属膜袁 缺点是沉积的 汽袁沉积在冷却的晶片表面 膜与基体附着不牢
长薄层单晶材料
全防护成本较高
在真空腔室施加直流或射 结构简单袁 温度低尧 速率 PECVD 频电压袁 等离子体活化源气 快袁薄膜高纯度尧高致密尧应
半导体工艺-薄膜淀积
SiCl4浓度不能太高，否则反而侵蚀Si（图）
SiCl4 (vapor) + Si (solid)
2SiCl2 (vapor)
掺杂剂的反应：
AsH3 (vapor)
As (solid) + 3/2H2 (vapor)
15
Si外延薄膜CVD生长过程 SiCl4
吸附 反应或分解
表面迁移到突出位置，合并进生长层
18
1.3、外延层缺陷
从衬底来的缺陷：高质量衬底，无位错 从界面来的缺陷：界面污染物，清洗表面 沉淀或位错环：局部过饱和掺杂杂质或其他杂质 小角晶界或孪晶：不当方位外延薄膜相遇结合 线位错：晶格不匹配异质外延，形变由位错来弛豫
19
1.3、外延层缺陷
同质外延：严格的晶格匹配外延工艺，如Si/Si 异质外延：晶格匹配外延和形变层外延，如 AlxGa1-xAs/GaAs, GexSi1-x/Si
外延薄膜在真空环境中生长，杂质污染较小，无机械损伤; 灵活控制不同区域掺杂浓度，改善半导体器件性能。
外 延 生 长 工 艺 ： 化 学 气 相 沉 积 （ CVD ） 和 分 子 束 外 延 （MBE）。
7
1.1、化学气相沉积（CVD）
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）
氧化层
Si
气流层
C
C0
扩散通量F1
SiO2
Si
x C0为氧化层表面处氧化剂浓度
Ci为Si-SiO2界面处氧化剂浓度
20
晶格匹配外延
外延---晶格匹形配变层外延
同质外延：严格的晶格匹配外延工艺 异质外延：晶格匹配外延和形变层外延
21
异质外延：晶格匹配外延和形变层外延
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半导体知识人
CVD 反应
• 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）膜先驱物的形成； 3）膜先驱物附着在硅片表面； 4）膜先驱物黏附； 5）膜先驱物扩散； 6）表面反应； 7）副产物从表面移除； 8）副产物从反应腔移除。
半导体知识人
半导体知识人
目 标
通过本章的学习，将能够：
1. 描述出多层金属化。叙述并解释薄膜生长的三个阶段。 2. 提供对不同薄膜淀积技术的慨况。 3. 列举并描述化学气相淀积（ CVD ）反应的 8 个基本步骤，包 括不同类型的化学反应。 4. 描述CVD反应如何受限制，解释反应动力学以及CVD薄膜掺 杂的效应。 5. 描述不同类型的CVD淀积系统，解释设备的功能。讨论某种 特定工具对薄膜应用的优点和局限。 6. 解释绝缘材料对芯片制造技术的重要性，给出应用的例子。 7. 讨论外延技术和三种不同的外延淀积方法。 8. 解释旋涂绝缘介质。
半导体知识人
CVD 淀积系统
• CVD 设备设计 – CVD 反应器的加热 – CVD 反应器的配置 – CVD 反应器的总结 • 常压 CVD（ APCVD ） • 低压 CVD（ LPCVD） • 等离子体辅助 CVD • 等离子体增强 CVD（PECVD） • 高密度等离子体 CVD（HDPCVD）
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。
半导体知识人
以上5中基本反应中，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 SiO 2 膜。反应生成物 SiO2 淀积在硅 片表面，副产物事是氢。 SiH4 + O2 SiO2 + 2H2
第四讲：淀积工艺
半导体知识人
概
述
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 导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。金属和金属化合物薄膜 的淀积将在第13章中介绍。
半导体知识人
MSI时代nMOS晶体管的各层膜
氮化硅 顶层
氧化硅 垫氧化层 ILD
n+
金属
氧化硅 场氧化层
p+ n-well
Poly n+
多晶
金属
p+
金属前氧化层 侧墙氧化层
栅氧化层
p- epi layer
p+ silicon substrate
Figure 11.1
半导体知识人
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 1 µm。如图所 示，由于特征高度的变化，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（第六页的图），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。
半导体知识人
CVD 反应器类型
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 批处理 单片
Figure 11.11
半导体知识人
各种类型 CVD 反应器及其主要特点
SiH4(气)+2PH3(气)+O2(气) SiO2(固)+2P(固)+5H2(气)
半导体知识人
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 要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说， P2O5 含量（重量比）不超过 4 ％，这是因为磷硅玻 璃（PSG）有吸潮作用。 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。
CVD 传输和反应步骤图
1) 反应物的质 量传输 气体传送
CVD 反应室
2) 薄膜先驱 物反应 3) 气体分 子扩散 4) 先驱物 的吸附
7) 副产物的解 吸附作用 副产物
8) 副产物 去除 排气
5) 先驱物扩散 到衬底中
6) 表面反应
连续膜
Substrate
Figure 11.8
半导体知识人
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。列入，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。
半导体知识人
ULSI硅片上的多层金属化
钝化层
ILD-6
压点金属
ILD-5 M-4 ILD-4 M-3 ILD-3 M-2 ILD-2 M-1 Via Poly gate LI metal n+ p+ n-well p+ LI oxide STI n+ p-well n+ p+ ILD-1
p- Epitaxial layer
半导体知识人
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，此时称表面反应控 制限制。
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（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。
Substrate
Figure 11.7
半导体知识人
膜淀积技术
化学工艺 化学气相淀积 (CVD)
常压化学气相淀积 (APCVD) 或亚常压化学气相淀积 (SACVD) 低压化学气相淀积 (LPCVD) 等离子体辅助 CVD 等离子体增强 CVD (PECVD) 高密度等离子体化 学气相淀积 (HDPCVD) 气相外延(VPE)和 金属有机化学气相淀积 (MOCVD)
1) 2) 3) SiH4(气态) SiH2(气态) + H2(气态) （高温分解） Si2H6(气态) （反应半 （最终产 SiH4(气态) + SiH2(气态) 成品形成） Si2H6(气态) 品形成）
2Si (固态) + 3H2(气态)
以上实例是硅气相外延的一个反应过程
半导43; Silicon substrate
Figure 11.3
半导体知识人
芯片中的金属层
Photo 11.1
半导体知识人
薄膜淀积
半导体器件工艺中的“薄膜”是一种固态薄 膜，薄膜的种类和制备方法在第四章中已作过简 单介绍。 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（ SiO 2 ）、氮化硅（ Si 3 N4 ）、多 晶硅以及金属（Cu、W）.
深宽比
=
深度 宽度
深宽比
=
500 Å
250 Å
=
2
1
D
500 Å
W
250 Å
Figure 11.6
半导体知识人
高的深宽比间隙
Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering
Photo 11.2
半导体知识人
薄膜生长的步骤
气体分子
成核
凝聚
连续的膜
工艺
APCVD (常压 CVD) 反应简单 淀积速度快 低温 高纯度和均匀性， 一致的台阶覆盖能力， 大的硅片容量
优点
缺点
台阶覆盖能力差, 有颗粒沾污 低产出率 高温，低的淀积速率， 需要更多的维护，要求 真空系统支持
应用
低温二氧化硅 (掺杂或不掺杂).
LPCVD (低压 CVD) 等离子体辅助 CVD: 等离子体增强 CVD (PECVD) 高密度等离子体 CVD (HDPCVD)
物理工艺 电镀
电化学淀积 (ECD), 通常指电镀 化学镀层
物理气相淀积 (PVD)或溅射
直流二极管
蒸发
旋涂方法
旋涂玻璃 s (SOG) 旋涂绝缘介 质(SOD)
灯丝和电子束
射频 (RF)
分子束外延 (MBE)
直流磁电管
离子化金属等离子 体 (IMP)
Table 11.1
半导体知识人
化学气相淀积
化学气相淀积（ CVD ）是通过气体混合的化 学反应在硅片表面淀积一层固体膜的工艺。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。包括：
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。
CVD 反应
• 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）膜先驱物的形成； 3）膜先驱物附着在硅片表面； 4）膜先驱物黏附； 5）膜先驱物扩散； 6）表面反应； 7）副产物从表面移除； 8）副产物从反应腔移除。
半导体知识人
半导体知识人
目 标
通过本章的学习，将能够：
1. 描述出多层金属化。叙述并解释薄膜生长的三个阶段。 2. 提供对不同薄膜淀积技术的慨况。 3. 列举并描述化学气相淀积（ CVD ）反应的 8 个基本步骤，包 括不同类型的化学反应。 4. 描述CVD反应如何受限制，解释反应动力学以及CVD薄膜掺 杂的效应。 5. 描述不同类型的CVD淀积系统，解释设备的功能。讨论某种 特定工具对薄膜应用的优点和局限。 6. 解释绝缘材料对芯片制造技术的重要性，给出应用的例子。 7. 讨论外延技术和三种不同的外延淀积方法。 8. 解释旋涂绝缘介质。
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CVD 淀积系统
• CVD 设备设计 – CVD 反应器的加热 – CVD 反应器的配置 – CVD 反应器的总结 • 常压 CVD（ APCVD ） • 低压 CVD（ LPCVD） • 等离子体辅助 CVD • 等离子体增强 CVD（PECVD） • 高密度等离子体 CVD（HDPCVD）
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。
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以上5中基本反应中，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 SiO 2 膜。反应生成物 SiO2 淀积在硅 片表面，副产物事是氢。 SiH4 + O2 SiO2 + 2H2
第四讲：淀积工艺
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概
述
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 导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。金属和金属化合物薄膜 的淀积将在第13章中介绍。
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氮化硅 顶层
氧化硅 垫氧化层 ILD
n+
金属
氧化硅 场氧化层
p+ n-well
Poly n+
多晶
金属
p+
金属前氧化层 侧墙氧化层
栅氧化层
p- epi layer
p+ silicon substrate
Figure 11.1
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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 1 µm。如图所 示，由于特征高度的变化，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（第六页的图），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。
半导体知识人
CVD 反应器类型
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 批处理 单片
Figure 11.11
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各种类型 CVD 反应器及其主要特点
SiH4(气)+2PH3(气)+O2(气) SiO2(固)+2P(固)+5H2(气)
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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 要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说， P2O5 含量（重量比）不超过 4 ％，这是因为磷硅玻 璃（PSG）有吸潮作用。 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。
CVD 传输和反应步骤图
1) 反应物的质 量传输 气体传送
CVD 反应室
2) 薄膜先驱 物反应 3) 气体分 子扩散 4) 先驱物 的吸附
7) 副产物的解 吸附作用 副产物
8) 副产物 去除 排气
5) 先驱物扩散 到衬底中
6) 表面反应
连续膜
Substrate
Figure 11.8
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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。列入，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。
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ULSI硅片上的多层金属化
钝化层
ILD-6
压点金属
ILD-5 M-4 ILD-4 M-3 ILD-3 M-2 ILD-2 M-1 Via Poly gate LI metal n+ p+ n-well p+ LI oxide STI n+ p-well n+ p+ ILD-1
p- Epitaxial layer
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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，此时称表面反应控 制限制。
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（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。
Substrate
Figure 11.7
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膜淀积技术
化学工艺 化学气相淀积 (CVD)
常压化学气相淀积 (APCVD) 或亚常压化学气相淀积 (SACVD) 低压化学气相淀积 (LPCVD) 等离子体辅助 CVD 等离子体增强 CVD (PECVD) 高密度等离子体化 学气相淀积 (HDPCVD) 气相外延(VPE)和 金属有机化学气相淀积 (MOCVD)
1) 2) 3) SiH4(气态) SiH2(气态) + H2(气态) （高温分解） Si2H6(气态) （反应半 （最终产 SiH4(气态) + SiH2(气态) 成品形成） Si2H6(气态) 品形成）
2Si (固态) + 3H2(气态)
以上实例是硅气相外延的一个反应过程
半导43; Silicon substrate
Figure 11.3
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芯片中的金属层
Photo 11.1
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薄膜淀积
半导体器件工艺中的“薄膜”是一种固态薄 膜，薄膜的种类和制备方法在第四章中已作过简 单介绍。 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（ SiO 2 ）、氮化硅（ Si 3 N4 ）、多 晶硅以及金属（Cu、W）.
深宽比
=
深度 宽度
深宽比
=
500 Å
250 Å
=
2
1
D
500 Å
W
250 Å
Figure 11.6
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高的深宽比间隙
Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering
Photo 11.2
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薄膜生长的步骤
气体分子
成核
凝聚
连续的膜
工艺
APCVD (常压 CVD) 反应简单 淀积速度快 低温 高纯度和均匀性， 一致的台阶覆盖能力， 大的硅片容量
优点
缺点
台阶覆盖能力差, 有颗粒沾污 低产出率 高温，低的淀积速率， 需要更多的维护，要求 真空系统支持
应用
低温二氧化硅 (掺杂或不掺杂).
LPCVD (低压 CVD) 等离子体辅助 CVD: 等离子体增强 CVD (PECVD) 高密度等离子体 CVD (HDPCVD)
物理工艺 电镀
电化学淀积 (ECD), 通常指电镀 化学镀层
物理气相淀积 (PVD)或溅射
直流二极管
蒸发
旋涂方法
旋涂玻璃 s (SOG) 旋涂绝缘介 质(SOD)
灯丝和电子束
射频 (RF)
分子束外延 (MBE)
直流磁电管
离子化金属等离子 体 (IMP)
Table 11.1
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化学气相淀积
化学气相淀积（ CVD ）是通过气体混合的化 学反应在硅片表面淀积一层固体膜的工艺。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。包括：
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。