化学气相沉积(中文版)2016

USG Si Si Si
USG Si
USG Si
浅沟槽绝缘 (STI)
侧壁空间层形成
二氧化硅
多晶硅栅极
二氧化硅侧壁空间层
多晶硅栅极
基片
基片
金属沉积前的介电质层(PMD)
• PMD:金属沉积前的流平层 • 为降低流平温度，PMD一般为掺杂的氧化物 PSG或BPSG • PSG(掺磷SiO2,即磷硅玻璃)： 可减少硅玻璃 的加热回流温度,可以形成更为平坦的表面. • BPSG (在PSG基础上掺硼形成的硼磷硅玻璃) ：可以进一步减低回流的圆滑温度而磷的浓 度不会过量
• SiH4(吸附)=Si(固)+2H2(气)
在一般的掺杂浓度下,同样的掺杂浓度下, 多晶硅 的电阻率比单晶硅的电阻率高得多,主要是由于晶粒间 界含有大量的悬挂键,可以俘获自由载流子,但在高掺 杂情况下, 多晶硅的电阻率比单晶硅的电阻相差不大. 高掺杂多晶硅作为栅电极和短程互联线在MOS集 成电路得到广泛应用。 常常将钨、钛、钴(考虑到离子注入后的退火,这里 只能用难熔金属)等硅化物做在多晶硅薄膜上,形成具有 较低的方块电阻（相对于单独的多晶硅而言）。
–通常是 400 °C
• 等离子体增强-四乙氧基硅烷, 臭氧-四 乙氧基硅烷 和 高密度等离子体
CVD氮化硅的特性与沉积方法
• 很适合于作钝化层,因为 • 它有非常强的抗扩散能力,尤其是钠和水 汽在氮化硅中的扩散系数很小; •另外，还可以作PSG 或 BPSG的扩散阻挡层
CVD氧化硅与CVD氮化硅的特性
然后用氢气还原反应沉积剩余的钨膜；
2WF6 (气)+ 3H2(气) →W(固)+6HF(气) 因为直接用氢气还原反应沉积的钨膜，在TiN表 面不能很好附着. • (4)钨膜的回刻； • (5)附着层与接触层的回刻。
硅化钨的化学气相沉积
• 常常将钨、钛、钴等硅化物做在多晶硅薄膜上, 形成多层栅结构，以具有较低的方块电阻（相 对于单独的多晶硅而言）。
改善接触电 阻的Ti 膜
作业
1、简述PVD的含义，PVD成膜主要有哪两种方法？简述各自的原理。 2、简述CVD的含义?简述APCVD、LPCVD和PECVD各自的主要特点。
PSG在摄氏1100 ° C, N2气氛中退火 20分钟回流圆滑情形
0wt% 2.2wt%
4.6wt%
7.2wt%
资料来源: VLSI Technology, by S.M. Sze
磷越高,回流的温度越低
BPSG在摄氏 850 ° C和N2气氛 中回流圆滑30分钟
PMD制程的发展
尺寸 > 2 mm PMD PSG BPSG 平坦化 回流圓滑
• Si(OC2H5)4+O2→SiO2+4C2H4+2H2O
成膜质量好,但如果铝层已沉积,这个温度是不允许的
PE-TEOS 对O3-TEOS
等离子体增强-TEOS 臭氧-TEOS
阶梯覆盖率: 50% 保形性: 87.5%
阶梯覆盖率: 90% 保形性: 100%
CVD 氧化层 vs. 加热成长的氧化层
回流圓滑
再流動溫度 1100 。C
2 - 0.35 mm
0.25 mm 0.18 mm
850 - 900 。C
750 。C -
BPSG
PSG
回流圓滑+ CMP
CMP
CMP:化学机械抛光
化学机械抛光
CMP
CMP(化学机械抛光)平坦化制程
金属
金属
金属
金属层间介电质层(IMD)
• 金属层间介电质层(IMD)主要起绝缘作用 • 一般为未掺杂的硅玻璃 (USG) 或 FSG • 温度受限于铝金属熔化
氧化硅 (SiO 2) 高介电强度, > 1 x 107 V/cm 低介电常数, k = 3.9 对水气与可移动离子的阻挡性 不佳(Na+) 紫外线可穿透 可以被P或B掺杂 氮化硅 (Si 3N4) 高介电强度, > 1 x 107 V/cm 高介电常数, k = 7.0 对水气与可移动离子的阻挡性佳(Na+) 氮化物紫外线无法穿透
用钨填充接触孔和通孔的主要工 艺：
• (1)沉积接触层：通常是用Ti作接触层， 因为Ti与硅有更小的接触电阻； • (2)沉积附着/阻挡层：通常是TiN，因为 钨对TiN有较好的附着性
• (3)覆盖式化学气相沉积钨：典型工艺是两步沉 积，首先使用硅烷还原反应形成一薄层钨，大 约几十个纳米左右， 2WF6 (气)+ SiH4(气) →W(固)+3SiF4 (气) +6H2 (气)
化学气相沉积(CVD)
化学气相沉积(CVD)概念
• 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)
• 气体或蒸气在晶圆表面产生化学反应，并 形成固态薄膜的沉积方法.
沉积制程
气源分子到达晶圆表面
气源分子在表面移动
气源分子在表面反应
成核作用：岛状 物形成
沉积制程
岛状物成长
岛状物成长， 横截面图
岛状物合并
连续薄膜
CVD制程
• APCVD：常压化学气相沉积法 • LPCVD：低压化学气相沉积法 • PECVD ：等离子体增强型化学气相沉 积法
APCVD反应器示意图
N2 制程气体 N2
晶圆
晶圆
加热器
输送带清洁装置
输送带 排气
常压化学气相沉积法(APCVD)
• APCVD制程发生在大气压力常压下,适合在开放 环境下进行自动化连续生产. • APCVD易于发生气相反应,沉积速率较快,可超 过1000Å/min,适合沉积厚介质层. 但由于反应速度较快,两种反应气体在还 未到达硅片表面就已经发生化学反应而产生生 成物颗粒,这些生成物颗粒落在硅片表面,影响 硅片表面的薄膜生长过程,比较容易形成粗糙 的多孔薄膜,使得薄膜的形貌变差.
SiO2
Si Si
SiO2 Si
热成长薄膜
硅裸片晶圆
CVD沉积薄膜
CVD二氧化硅应用
• • • • 钝化层 浅沟槽绝缘(STI) 侧壁空间层 金属沉积前的介电质层(PMD)
• 金属层间介电质层(IMD)
浅沟槽绝缘(STI)
成长衬垫氧化层 沉积氮化硅 蚀刻氮化硅 ，氧化硅与 硅基片 成长阻挡氧 化层 CVD USG 沟槽填充 CMP USG USG 退火 剥除氮化硅 与氧化硅
PECVD氮化硅薄膜
SiH4(气)+NH3 (或N2气) →SixNy Hx+H2 (气)
沉积温度低(200~400℃),适合作钝化层
金属的化学气相沉积
• 钨的电阻率比铝合金要大，但是比相应 的难熔金属硅化物及氮化物的电阻率要 低，其主要作用为： • 钨塞（钨栓）：当接触孔和通孔的最小 尺寸大于1μm时，用Al膜可以实现很好的 填充，但是对于特征尺寸小于1μm的工艺 ，Al无法完全填充接触孔和通孔，但 CVD钨则能完全填充。 • 钨的另一用途为局部短程互联线
硅烷分子结构
H
H
Si
H H
H
Si H
H
H
CVD源材料吸附: 硅烷
• 硅烷分子完全对称的四面体 • 不会形成化学吸附或物理吸附 • 但硅烷高温分解或等离子体分解的分子碎 片, SiH3, SiH2, or SiH, 很容易与基片表面形 成化学键，黏附系数大 • 表面迁移率低, 通常会产生悬突和很差的阶 梯覆盖
副产品被 泵浦抽走
加热板
保形覆盖
• 保形覆盖是指无论衬底表面有什么样的 倾斜图形,在所有图形的上面都能沉积有 相同厚度的薄膜
到达角度
180° B A
270° 90°
C
薄膜的厚度正比于到达角的取值范围
阶梯覆盖性与保形性
CVD 薄膜
c
a
结构
h d
b
w
基片
严重时会形成空洞
金属 介电质
金属
介电质
空洞
上述方法需要在600℃以上的温度下进行， 只适合于接触孔的沉积
6Ti[N(CH3 )2] 4(气)+8NH3(气) →6TiN(固)+24HN(CH3)2(气) +N2 (气)
上述方法可以在400℃以下的温度下进行， 适合于接触孔和互联线通孔的沉积
介电质薄膜在CMOS电路的应用
金属硅化物
氮化硅 氧化硅
O3 TEOS BPSG
氮化硅阻擋層
金屬硅化物 多晶硅
二氧化硅的CVD沉积方法 TEOS为源的低温PECVD二氧化硅
• Si(OC2H5)4+O2→SiO2+副产物
比用气体硅烷源更安全,因为TEOS室温下为液体, 而且化学性能不活泼,所沉积薄膜保形性好。
中温(650~750℃)LPCVD二氧化硅
WF6 (气)+2SiH4(气) →WSi2(固)+6HF(气) +H2 (气)
O3-TEOS BPSG间隙填充
O3 TEOS BPSG
氮化矽阻擋層
金屬矽化物 多晶矽
具有深宽比4:1 的0.25 mm 间隙
TiN的化学气相沉积
• 钨的附着层 • 阻挡层
• 用CVD法制备的TiN，保形好，
6TiCl4 (气)+8NH3(气) →6TiN(固)+24HCl(气) +N2 (气)
低压化学气相沉积法(LPCVD)
• 低气压(133.3Pa)下的CVD较长的平均自由路径可 减少气相成核几率,减少颗粒,不需气体隔离,孔 洞少，成膜质量好
•但是反应速率较低,需要较高的衬底温度
低压化学气相沉积系统
压力计 晶圆 加热线圈 晶圆装 载门
至真空帮 浦
制程气体入口 温度
晶舟 中心区 均温区
四乙氧基硅烷(TEOS)
H
• 室温下为液态 • 化学性能不活泼 • 安全
H H H H C H H C H H H O
C C O Si O C C H
H H H O C H H H H C H H
CVD 源材料吸附:四乙氧基硅烷 (TEOS)
• 四乙氧基硅烷 (tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS ,Si(OC2H5)4)，也称正硅酸四乙酯 • 大型有机分子 • TEOS分子不是完整对称的 • 可以与表面形成氢键并物理吸附在基片表面 • 表面迁移率高 • 好的阶梯覆盖、保形性与间隙填充 • 广泛使用在氧化物的沉积上
两种主要CVD源材料的主要特点
硅烷成本低，沉积速率较快
因为TEOS比硅烷热分解产物的黏附系数小一个数量 级,所以TEOS在表面的迁移能力与再发射能力都很 强,台阶覆盖性较好.
CVD工艺应用
• • • • • • 多晶硅 SiO2 Si3N4 W 硅化钨 TiN
多晶硅的特性与沉积方法
多晶硅薄膜是由小单晶(大约是100nm量级)的晶粒 组成,因此存在大量的晶粒间界 多晶硅薄膜的沉积,通常主要是采用LPCVD工 艺,在580~650下热分解硅烷实现的
石英 管
距离
等离子体增强型化学气相沉积
(PECVD)
• 射频在沉积气体中感应等离子体场以提 高反应效率，因此，低温低压下有高的 沉积速率.
• 表面所吸附的原子不断受到离子与电子 的轰击,容易迁移,使成膜均匀性好,台阶覆 盖性好
等离子体增强型化学气相沉积 (PECVD)
制程反 应室 制程反 应室 晶圆 等离子体 RF功率产生器
O3-TEOS BPSG间隙填充
O3 TEOS BPSG
氮化硅阻擋層
金屬硅化物 多晶硅
具有深宽比4:1 的0.25 mm 间隙
Leabharlann Baidu
LPCVD氮化硅薄膜
SiCl2H2(气)+4NH3 (气) →Si3N4 (固)+ 6HCl (气)+ 6H2 (气) 需要较高的沉积温度(700~800℃),可用作电容的介质层, 不适合作钝化层
金属 介电质
金属 4
金属层间介电质3
金属 3
金属层间介电质2
影响阶梯覆盖的因素
• 源材料的到达角度 • 源材料的再发射 • 源材料的表面迁移率 黏附系数
黏附系数
• 源材料原子和基片表面产生一次碰撞的过 程中，能与基片表面形成一个化学键并被 表面吸附的机率
黏附系数
源材料 SiH4 SiH3 SiH2 SiH TEOS WF6 黏附系数 3x10-4至3x10-5 0.04 至 0.08 0.15 0.94 10-3 10-4
CVD 源材料
• 硅烷 (SiH4) • 四乙氧基硅烷 (tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS ,Si(OC2H5)4)
CVD 源材料: 硅烷
• 自燃性的 (自己会燃烧), 易爆的, 以及有毒的 • 打开没有彻底吹除净化的硅烷气体管路， 可能引起火灾或是小爆炸，并形成微细的 二氧化硅粒子使气体管路布满灰尘
金属互连层 Metal 2, Al?Cu 抗反射 层ARC 金属沉积前 流平层PMD 氮化硅 防扩散层 侧壁空间层 SiO2 多晶硅栅 栅氧化层 STI W USG 金属 1, Al•Cu W n+ n+ BPSG USG p+ p+ P型井区 N型井区 P型外延层 P型晶圆 Al•Cu
第二钝化层 PD2 第一钝化层 PD1 多层金属间 绝缘层IMD W柱 改善W与SiO2 附着力的TiN 浅沟槽绝缘 层STI