第五章薄膜淀积工艺(中)

(5)
二氧化硅淀积工艺的发展趋势 SiO2 高密度等离子体CVD
a. HDP-CVD
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。
(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 ⇒ 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 气压降低也可减少气相成核
图13.12 常见LPCVD反应器结构
整批式热壁LPCVD反应器结构图
(3)
三、化学气相淀积工艺
■ 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
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）
（三）CVD 技术分类及设备简介
1. 常压化学气相淀积 APCVD，Atmospheric Pressure CVD 2. 低压化学气相淀积 LPCVD，Low Pressure CVD
从0.35µm工艺开始， FSG已经被普遍用于金属－金属间介质。
2、多晶硅（Poly-Si）的淀积
(1) 多晶硅工艺及应用
■ 多晶硅在CMOS工艺中用做器件栅极；
a. 用途
■ 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。
PSG薄膜的回流效果示意图
■ PSG的回流（Reflow）工艺：1000～1100℃，N2/O2/H2O ■ PSG中磷含量的控制： （4～8 wt%） 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
(5)
二氧化硅淀积工艺的发展趋势
b. 掺氟的SiO2（FSG）
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。
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。
后端温度升高，补偿硅烷消耗
■ 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。
b. 气压： 0.2~1.0 Torr ■ 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
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。
3、氮化硅（Si3N4）的淀积
(1) 氮化硅薄膜在IC中的应用：
■ 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
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
c. 硅烷浓度： 硅烷分气压
■ 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。
(3) 多晶硅薄膜结构与淀积参数的关系 淀积温度、掺杂和淀积后的热处理影响多晶硅薄膜的结构。 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。
APCVD气压：1atm
LPCVD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.
等离子体化学气相淀积（PECVD）
保护层的淀积。 Si3N4: SiH2Cl2 +NH3 PSG: SiH4 +PH3 +O2
■ 特点：在低温下（<400℃）进行，适于金属层间介质及钝化
APCVD工艺
(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）
■ ห้องสมุดไป่ตู้SG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。
■ 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5 wt%）。
主要用于多晶硅化物—第一层金属之间的绝缘介质
(3)
淀积二氧化硅的性质
(4)
淀积法制备二氧化硅的优缺点
■ 优势： 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
■ 不足： 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
c. 氧、氮、碳等杂质使无定形硅到1000 ℃以上仍是稳定的。 注意
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
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。
(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。
LPCVD 的典型应用 SiH4/Ar(He) SiH2Cl2 +NH3 ∼ 620℃ 750~800℃
多晶硅 Si3N4
SiO2
PSG BSG
SiH2Cl2 +N2O
SiH4+PH3 +O2 SiH4+B2H6 +O2
∼ 910℃
∼ 450℃ ∼ 450℃
(4) LPCVD的问题：淀积温度较高、淀积速率偏低、颗粒沾污
PECVD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
（四）典型物质（材料）的CVD工艺
1、二氧化硅的淀积
■ 淀积二氧化硅可分为非掺杂二氧化硅和掺杂二氧化硅。 ■ 淀积二氧化硅的应用：
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
(1) 二氧化硅淀积的工艺方法： 也可用
■ LPCVD SiO2 低温（500℃以下） SiH4 +O2 中温（650 ℃ ～750 ℃） TEOS（正硅酸乙酯）分解 高温（～900 ℃） SiH2Cl2 +N2O ■ PECVD SiO2：TEOS分解、SiH4 +N2O
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。
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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1×1021 cm-3。
离子注入掺杂：可同时制作P型和N型掺杂多晶硅。
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
图13.9 连续供片式APCVD系统
图13.11 用于使喷嘴处淀积最小化的喷头设计
2.低压化学气相淀积（LPCVD）
(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。
第五章 薄膜淀积工艺 （中）
薄膜淀积（Thin Film Deposition）工艺
■ ■ ■ ■ ■ 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） 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
3. 等离子体增强化学气相淀积
PECVD，Plasma Enhanced CVD 4. 其他特殊的CVD工艺：金属CVD，RTCVD，……
1. 常压化学气相淀积（APCVD）
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
层，也有用于小尺寸MOS器件的栅介质。 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。
(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
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
(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
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
金属填充接触孔示意图
b. 多晶硅工艺：多片式热壁LPCVD工艺淀积：
575～650℃，0.2~1.0 Torr，淀积速率大约在100～1000埃/分钟
(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 ℃
■ 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
■ 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
钨插塞工艺示意图
课后作业
教材第352页：第3、5、7题