半导体制造工艺技术(PPT 68页)
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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
Figure 11.10
电信学院微电子教研室
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。
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
电信学院微电子教研室
MSI时代nMOS晶体管的各层膜
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
Photo 11.3
电信学院微电子教研室
CVD 化学过程
• 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； • 氧化还原反应： 反应3与4地组合，反应后形成两
p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate
Figure 11.3
p+
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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。
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
Substrate
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
Figure 11.7
电信学院微电子教研室
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)
电镀
电化学淀积 (ECD),
通常指电镀
化学镀层
气相外延(VPE)和 金属有机化学气相淀积
(MOCVD)
物理工艺
物理气相淀积 (PVD)或溅射
蒸发
旋涂方法
直流二极管
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
电信学院微电子教研室
CVD 传输和反应步骤图
1) 反应物的质 量传输
气体传送
2) 薄膜先驱 物反应
3) 气体分 子扩散
4) 先驱物 的吸附
CVD 反应室
副产物
7) 副产物的解 吸附作用
5) 先驱物扩散 到衬底中
6) 表面反应
8) 副产物 去除 排气
连续膜
Substrபைடு நூலகம்te
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
Figure 11.8
电信学院微电子教研室
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。
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。
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
电信学院微电子教研室
化学气相淀积的设备
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
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。
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
SiH4 + O2
SiO2 + 2H2
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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。
种新的化合物。
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
电信学院微电子教研室
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SiO2膜。反应生成物SiO2淀积在硅 片表面，副产物事是氢。
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
STI
n+
n+
p-well
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
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。
D
500
Å
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
W
Figure 11.6
250 Å 电信学院微电子教研室
高的深宽比间隙
Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
Figure 11.1
电信学院微电子教研室
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。
灯丝和电子束 旋涂玻璃 s (SOG)
射频 (RF)
分子束外延 (MBE)
旋涂绝缘介 质(SOD)
直流磁电管
离子化金属等离子 体 (IMP)
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
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：
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）.
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
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电信学院微电子教研室
• 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。
均匀厚度
共形台阶覆盖
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
非共形台阶覆盖
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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
• SiH4(气态)
SiH2(气态) + H2(气态) （高温分解）
• SiH4(气态) + SiH2(气态) 成品形成）
Si2H6(气态) （反应半
• Si2H6(气态) 品形成）
2Si (固态) + 3H2(气态) （最终产
以上实例是硅气相外延的一个反应过程
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
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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。
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
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膜对台阶的覆盖
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。
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。
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
• 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：
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CVD 中的气流
反应物的 扩散
反应副产物
淀积的膜 硅衬底
气流
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
Figure 11.9
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硅片表面的气流
气流 边界层
气流 滞留层
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淀积
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
电信学院微电子教研室
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。
固态薄膜
厚 宽
与衬底相比 薄膜非常薄
Oxide Silicon substrate
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Figure 11.4
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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
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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
Figure 11.10
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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。
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MSI时代nMOS晶体管的各层膜
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
Photo 11.3
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CVD 化学过程
• 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； • 氧化还原反应： 反应3与4地组合，反应后形成两
p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate
Figure 11.3
p+
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芯片中的金属层
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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。
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薄膜生长的步骤
气体分子
成核
凝聚
连续的膜
Substrate
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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)
电镀
电化学淀积 (ECD),
通常指电镀
化学镀层
气相外延(VPE)和 金属有机化学气相淀积
(MOCVD)
物理工艺
物理气相淀积 (PVD)或溅射
蒸发
旋涂方法
直流二极管
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CVD 传输和反应步骤图
1) 反应物的质 量传输
气体传送
2) 薄膜先驱 物反应
3) 气体分 子扩散
4) 先驱物 的吸附
CVD 反应室
副产物
7) 副产物的解 吸附作用
5) 先驱物扩散 到衬底中
6) 表面反应
8) 副产物 去除 排气
连续膜
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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。
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。
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化学气相淀积的设备
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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。
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SiH4 + O2
SiO2 + 2H2
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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。
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SiO2膜。反应生成物SiO2淀积在硅 片表面，副产物事是氢。
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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
M-2
M-1 Via
LI metal
Poly gate
n+
p+
p+
n-well
ILD-3 ILD-2
ILD-1 LI oxide
STI
n+
n+
p-well
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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。
D
500
Å
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W
Figure 11.6
250 Å 电信学院微电子教研室
高的深宽比间隙
Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering
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Figure 11.1
电信学院微电子教研室
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。
灯丝和电子束 旋涂玻璃 s (SOG)
射频 (RF)
分子束外延 (MBE)
旋涂绝缘介 质(SOD)
直流磁电管
离子化金属等离子 体 (IMP)
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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：
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）.
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• 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。
均匀厚度
共形台阶覆盖
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非共形台阶覆盖
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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
• SiH4(气态)
SiH2(气态) + H2(气态) （高温分解）
• SiH4(气态) + SiH2(气态) 成品形成）
Si2H6(气态) （反应半
• Si2H6(气态) 品形成）
2Si (固态) + 3H2(气态) （最终产
以上实例是硅气相外延的一个反应过程
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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。
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膜对台阶的覆盖
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。
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。
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• 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：
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CVD 中的气流
反应物的 扩散
反应副产物
淀积的膜 硅衬底
气流
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硅片表面的气流
气流 边界层
气流 滞留层
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淀积
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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。
固态薄膜
厚 宽
与衬底相比 薄膜非常薄
Oxide Silicon substrate
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Figure 11.4
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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