硅集成电路工艺基础7

3SiCl2 H 2 (气 ) 4NH3 (气 ) Si3 N4 (固 ) 6HCl(气 ) 6H 2 (气 )
上节课内容小结
钨的化学气相沉积
在集成电路互连系统中，钨主要用途有两个方面： 填充通孔和接触孔：对于特征尺寸小于1m的工艺，由于深宽比太 大，PVD铝无法完全填充，而CVD钨能够完全填充。 局部互连材料：由于钨的电导率较低，只能用于短程互连线，而铝 和铜仍然用于全局互连。
PSG在高温下可以流动，从而可以形成更为平坦的表面，使随后淀积的 薄膜有更好的台阶覆盖。
回流平坦化温度1000-1100 ℃ 。
磷最好限制在6-8wt％。
2. 硼磷硅玻璃
可以获得850 ℃以下的玻璃回流平坦化，比PSG回流平坦化温度低，降 低了浅结中的杂质扩散。
上节课内容小结
CVD氮化硅的特性及沉积方法
氮化硅薄膜是无定形的绝缘材料，在集成电路中可以作为： 钝化层：强掩蔽力（Na、水汽），保形覆盖，针孔较少 低温PECVD:
SiH4 (气 ) NH3 (或N2 )( 气 ) Six N y H z (固 ) H2 (气 )
选择性氧化的掩蔽膜：氧很难透过Si3N4，SiO2作为缓冲层应力补偿 LPCVD氮化硅：
2. 中温LPCVD SiO2
在中等温度下（680-730℃范围），以TEOS为源LPCVD淀积的SiO2薄膜 有更好的保形性。
上节课内容小结
3. TEOS与臭氧混合源的二氧化硅淀积
加入臭氧(O3)做为反应剂可以得到很高的淀积速率。
由TEOS/O3方法淀积的二氧化硅薄膜有非常好的保形性，可以很好地填充深宽 比大于6:1的沟槽，以及间距为0.35m金属线之间的间隙，而不形成空隙。
同质外延层是生长在完整晶体的某个晶面上，晶面的构造特征描述为： 平台、扭转、台阶，是切割硅片时偏离了晶向产生的，这样的表面称为 近晶面。
平台 单原子层阶梯 Adatom
Kink
阶梯原子
平台空位
外延生长过程
1 反应剂被生长的表面吸附。 2 发生化学反应，生成硅和副产物，副产物立即排出，硅原子始终保持 被表面吸附的状态，称为吸附原子。 3 二维层状生长过程（晶格匹配体系） 如果一个吸附硅原子处于平台上的A位置，
以在较低的温度下进行外延，且生长速率较高，可用于生长厚外延层。 ⑤二氯硅烷（SiH2Cl2，DCS）：SiH2Cl2广泛应用于在更低温度下生长高
质量薄外延层，外延层的缺陷密度低，是选择外延常用的一种硅源。
④硅烷（SiH4）：可在低于900度的温度下生长很薄的外延层，而且可得 到高淀积率。
7.1.2 外延薄膜的生长模型
覆盖式化学气相沉积钨与回刻
上节课内容小结
CVD 钨的化学反应
2WF6 (气) 3Si(固） 2W (固） 3SiF4 (气)（反应自停止） 2WF6 (气) 3SiH4 (气） 2W (固） 12HF(气)
7.1 硅气相外延的基本原理
7.1.1 硅源
目前生长硅外延层主要有四种源：
①四氯化硅（SiCl4）：早期的集成电路一般采用SiCl4源，使用SiCl4生长
外延层需要很高的温度，不适应现今集成电路工艺的要求，目前主要应 用在传统的外延工艺中。
②三氯硅烷（SiHCl3，TCS）： SiHCl3与SiCl4特性相似，但SiHCl3源可
外延工艺在CMOS集成电路中的应用
如图所示，CMOS器件是做在很薄的轻掺杂p型的外延层上。
与做在体硅上相比，在外延层上制做的CMOS器件有很好的电介质完 整性和很小的漏电流。
主要内容
气相外延的基本原理 外延层中的杂质分布 低压外延 选择外延 SOS技术
MBE（分子束外延）
外延层厚度和电阻率的测量
有几种可能发生：
如果吸附原子A保持不动，其他硅原子可以 被吸附过来，形成硅串或硅岛。 大量的硅串在合并时，必定会产生严重的缺陷 或形成多晶薄膜。
如果吸附原子具有比较高的能量，那么这个
原子更倾向于沿着表面迁移，如果迁移到一个 台阶边缘的位置，如图B位置，由于Si-Si键的 相互作用，位置B比位置A更稳定，吸附原子 就有很大的可能性保持在此位置。 吸附原子最稳定的位置是所谓的扭转位置 （kink position），如图中的位置C。当吸附 原子到达一个扭转位置时，形成了一半的Si-Si 键，进一步的迁移就不太可能发生了。 在继续生长过程中，更多的吸附原子必定会 迁移到扭转位置，从而加入到生长的薄膜中。
随温度升高，硅原子表面迁移率增强， 在与其他吸附原子形成硅串之前就已经到 达了扭转点，易形成单晶。 在固定淀积温度下，存在一个最大淀积 率。超过最大淀积率，会生成多晶薄膜； 低于最大淀积率，生成单晶外延层。 高温低生长速率时，易生长单晶；而低 温高生长率易生成多晶。
维持单晶生长的最大淀积率随温度升
高呈指数上升，如图，可求出激活能为
5eV。 5eV的激活能相当于硅的自扩散激活
能。由此，我们可以说单晶外延生长与
硅自扩散的机制是相同的。
上节课内容小结 CVD二氧化硅的特性和沉积方法
1. 低温CVD SiO2
硅烷与氧气反应制备二氧化硅，LPCVD
硅烷和N2O反应，PECVD TEOS为源，PECVD SiO2可以对深宽比为0.8的沟槽实现无空隙填充。
三层绝缘结构：
在TEOS/O3淀积之前，先用PECVD方法淀积一层薄的SiO2层，以保证有相同的 沉积速率（淀积速率依赖于薄膜淀积的表面材料）； 在TEOS/O3淀积SiO2层； 再用PECVD方法淀积一层SiO2作为保护层，避免氧化层中含有的Si-OH键吸收 水汽。
上节课内容小结
CVD掺杂二氧化硅 1. 磷硅玻璃
薄膜生长是依靠晶体表面台阶的横向 运动进行的，即为二维层状生长模型。
（作业2）
ຫໍສະໝຸດ Baidu
高质量的外延生长需要非常清洁的硅 表面。因为外延是横向生长的，晶体表 面的杂质会阻碍生长，进而在薄膜上产 生层错或位错缺陷。
最大淀积率
如果吸附原子的迁移过程受到抑制，就有可能生成多晶薄膜，与淀积速率 和温度有关。
在高生长速率的情况下，吸附原子没有 足够的时间迁移到扭转点，会形成多晶；