第九章薄膜工藝

1、第九章 薄膜工藝ULSI硅片上的多層金屬化多層金屬化指的是用來連接硅片上高密度堆積器件的那些金屬層和絕緣層。增加金屬層的代價很高。在CMOS工藝中增加一層金屬層會增加大約15%的硅片制作成本。薄膜的定義 所謂薄膜，是指一種在襯底上生長的薄固體物質(zhì)，其在某一維尺寸上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另外兩維上的尺寸。膜的形成過程Continuous filmGas moleculesNucleationCoalescenceSubstrate晶核形成 聚集生長（島生長） 形成連續(xù)的膜沉積的膜可以是無定形、多晶或單晶的。沉積工藝的分類 薄膜沉積主要分為物理沉積（PVD, physical vapor deposition

2、）和化學(xué)沉積（CVD, chemical vapor deposition） PVD可分為兩種技術(shù)： (a)蒸鍍（Evaporation） (b)濺射（Sputtering）物理沉積的示意蒸鍍 通過把被蒸鍍物質(zhì)(如鋁)加熱，利用被蒸鍍物質(zhì)在高溫下(接近物質(zhì)的熔點)的飽和蒸氣壓，來進(jìn)行薄膜沉積。 這個過程是在壓力為107到104 mbar（104 Pa）的真空室內(nèi)進(jìn)行的。在這個壓力范圍內(nèi)，粒子的平均自由程超過了真空室的內(nèi)部尺寸。 平均自由程：kT/21/2Pd2 一個原子平均自由通過的距離，也就是沒有與其他原子的碰撞。裝置結(jié)構(gòu)RoughingpumpHi-Vac valveHi-Vac pump

3、Process chamber(bell jar)CrucibleEvaporating metalWafer carrier主要蒸發(fā)源 直接受熱電阻源 電子束蒸發(fā)源 感應(yīng)受熱源 各種熱源的優(yōu)缺點Resistive evaporation Uses resistive heating to evaporate a metallic filament Drawbacks Limited to low melting point metals Small filament size limits deposit thicknessElectron-beam evaporation Uses a s

4、tream of high energy electrons (5-30 keV) to evaporate source material Can evaporate any material Electron-beam guns with power up to 1200 kw Drawbacks At 10kv incident electrons can produce x-rays Redeposition of metal droplets blown of source by vapor 鋁線工藝簡介電位移（electromigration） Mean time to failu

5、re: 蒸鍍工藝的優(yōu)缺點Advantages Films can be deposited at high rates (e.g., 0.5 mm/min) Low energy atoms (0.1 ev) leave little surface damage Little residual gas and impurity incorporation due to high vacuum conditions No substrate heatingLimitations Accurately controlled alloy compounds are difficult to ach

6、ieve No in situ substrate cleaning Poor step coverage Variation of deposit thickness for large/multiple substrates X-ray damage 濺射工藝 是利用等離子體中的離子，對被濺鍍物質(zhì)電極進(jìn)行轟擊，使氣相等離子體內(nèi)具有被濺鍍物質(zhì)的粒子，這些粒子沉積到硅表面形成薄膜 。 濺射在中低真空中進(jìn)行10 mtorr，100Pa 直流濺射系統(tǒng)與步驟Exhauste-e-e-DC diode sputtererSubstrate 1) Electric fields create Ar+ i

7、ons. 2) High-energy Ar+ ions collide with metal target. 3) Metallic atoms are dislodged from target.Anode (+)Cathode (-)Argon atomsElectric fieldMetal targetPlasma 5) Metal deposits on substrate 6) Excess matter is removed from chamber by a vacuum pump.4) Metal atoms migrate toward substrate.Gas del

8、ivery射頻(RF)濺射系統(tǒng) 等離子體由RF場而非DC場產(chǎn)生（13.56MHz)磁控濺射 在這種方法中，磁場是疊加在電場上的，這樣電子在場中的運動線路便不是直線而是以螺旋線的形式向正極運動的，從而增加了碰撞電離的機會，離子密度增大。 濺射的優(yōu)缺點 Advantages Can use large area targets for uniform thickness over large substrates Easy film thickness control via time Ease of alloy deposition Substrate surface can be sputte

9、r cleaned (etched) Step coverage Sufficient material for many depositions No x-ray damageLimitations Deposition rate of some materials quite low Some materials (e.g., organics) degrade due to ionic bombardment Incorporation of impurities due to low-medium vacuum 化學(xué)氣相沉積 化學(xué)氣相沉積是通過氣體混合的化學(xué)反應(yīng)在硅片表面沉積一層固體膜

10、的工藝，其基本方面包括： 產(chǎn)生化學(xué)變化 膜中所有的材料物質(zhì)都源于外部的源 反應(yīng)物必須以氣相形式產(chǎn)生反應(yīng)CVD傳輸與反應(yīng)步驟圖CVD ReactorSubstrateContinuous film 8) By-product removal 1) Mass transport of reactantsBy-products 2) Film precursor reactions 3) Diffusion of gas molecules 4) Adsorption of precursors 5) Precursor diffusion into substrate 6) Surface rea

11、ctions 7) Desorption of byproductsExhaustGas deliveryCVD技術(shù)特點 具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復(fù)性好、臺階覆蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設(shè)備簡單等一系列優(yōu)點。 CVD方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬)等 常用的CVD技術(shù) (1) 常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD）；(2) 低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）；(3) 等離子增強化學(xué)氣相淀積（PECVD） APCVD APCVD是指在大氣壓下進(jìn)行的一種化學(xué)氣相淀積的方法 所需的系統(tǒng)簡單，反應(yīng)速度快，其淀積速

12、率可超過1000埃/min，特別適于介質(zhì)淀積，但是它的缺點是均勻性較差。 LPCVD 是指系統(tǒng)工作在較低的壓強下（30250Pa）的一種化學(xué)氣相淀積的方法 。 不僅用于制備硅外延層，還廣泛用于各種無定形鈍化膜及多晶硅薄膜的淀積，是一種重要的薄膜淀積技術(shù) 。 由于反應(yīng)室內(nèi)壓力減少至10-1000Pa。反應(yīng)氣體，載氣體的平均自由行程及擴散常數(shù)變大，因此，基板上的膜厚及相對阻抗分布可大為改善。反應(yīng)氣體的消耗亦可減少。 LPCVDPECVD 是指采用高頻等離子體驅(qū)動的一種氣相淀積技術(shù) ； 可以在非常低的襯底溫度下淀積薄膜 PECVD reactorContinuous film 8) By-produ

13、ct removal 1) Reactants enter chamberSubstrate 2) Dissociation of reactants by electric fields 3) Film precursors are formed 4) Adsorption of precursors 5) Precursor diffusion into substrate 6) Surface reactions 7) Desorption of by-productsExhaustGas deliveryRF generatorBy-productsElectrodeElectrode

14、RF field多晶硅的CVD沉積 polysilicons usage - gates, - high value resistors, - “l(fā)ocal” interconnects deposition- silane pyrolysis: 600 C-700 C SiH4= Si + 2H2 atmospheric, cold wall, 5% silane in hydrogen, 1/2 m/min LPCVD (1 Torr), hot wall, 20-100% silane, hundreds nm/min grain size dependent on growth temperature, subsequent processing多晶硅的CVD沉積 in-situ doping p-type: diborane B2H6 can cause substantial increase in deposition rate n-type: arsine AsH3, phosphine PH3 can cause substantial decrease in deposition rate dope after deposition (implant, diffusion)氮化硅的沉積 silicon nitrides usag