第六章 薄膜淀积

p+ Silicon substrate
芯片中的金属层
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）.
CVD 中的气流
气流
反应物的 扩散
反应副产物
淀积的膜 硅衬底
硅片表面的气流
气流
气流
边界层
滞留层
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，速度限制将受约于表面反应，即在 较低压下CVD工艺是反应速度限制的。 • 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：
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)
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。包括以下特点：
固态薄膜
厚
宽 与衬底相比 薄膜非常薄
Oxide Silicon substrate
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
膜对台阶的覆盖
p+ silicon substrate
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 CMOS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 , 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 。
3. 和后续高温工艺的兼容性；
p-well p- Epitaxial layer
p+ Silicon substrate
• 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就能是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。
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
• 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。 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 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
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。
计算机终端 工作接口
气流控制器
LPCVD
炉温控制器
炉 三温区 加热器
压力控制器
温度控制器
尾气
真空泵
N2
O2
加热器
TEOS
Key Reasons for the Use of Doped Polysilicon in the Gate Structure
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；
(a) 气体注入类型
反应气体
N2 N2 N2 N2 N2 N2
硅片 加热器
(b) 通气类型
APCVD TEOS-O3改善后的台阶覆盖
Trench fill by chemical vapor deposition TEOS-O3
Trench CVD oxide Nitride
n-well
Liner oxide
SiH4(气)+2PH3(气)+O2(气) SiO2(固)+2P(固)+5H2(气)
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）
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)
物理工艺 电镀
电化学淀积 (ECD), 通常指电镀 化学镀层
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)
高温二氧化硅 (掺杂或不 掺杂),氮化硅、多晶硅等
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。
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，副产物事是氢。 SiH4 + O2 SiO2 + 2H2
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。
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
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。
化学气相淀积的设备
CVD 化学过程
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；
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 上过渡的变薄，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。
均匀厚度
共形台阶覆盖
非共形台阶覆盖
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)
PSG 回流后平坦化的表面
回流前
回流后
PSG
PSG
金属或多晶硅
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阿（约 0.1 ～5托），反应温度一般在300～900℃，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，是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。
第六章 薄膜淀积
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。
CMOS晶体管的各层膜
氮化硅 顶层
氧化硅 垫氧化层 Байду номын сангаасLD
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
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。
硅片表面的边界层
连续气流
反应物扩散
边界层
淀积膜 硅衬底
LPCVD Reaction Chamber for Deposition of Oxides, Nitrides, or Polysilicon
三温区加热部件 压力表
抽气至真空泵
气体入口 热电偶 (内部) 钉式热电偶 (外部，控制)
用 TEOS LPCVD 淀积氧化硅
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).
连续加工的APCVD 反应炉
反应气体 1 惰性分隔气体 膜 反应气体 2 硅片
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
各种类型 CVD 反应器及其主要特点
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
深宽比
=
深度 宽度
深宽比
=
500 Å
250 Å
=
2
1
D
500 Å
W
250 Å
高的深宽比间隙
Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering
薄膜生长的步骤
气体分子
成核
凝聚
连续的膜
Substrate
膜淀积技术
化学工艺 化学气相淀积 (CVD)