復(fù)旦集成電路工藝課件-12

集成電路工藝原理

仇志軍zjqiu@邯鄲校區(qū)物理樓435室1大綱第一章前言第二章晶體生長(zhǎng)第三章實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗第四章光刻第五章

熱氧化第六章熱擴(kuò)散第七章離子注入第八章

薄膜淀積第九章刻蝕第十章后端工藝與集成第十一章未來(lái)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)2半導(dǎo)體薄膜：Si介質(zhì)薄膜：SiO2，Si3N4,BPSG，…金屬薄膜：Al，Cu，W，Ti，…在集成電路制備中，很多薄膜材料由淀積工藝形成單晶薄膜：Si,SiGe（外延）多晶薄膜：poly-SiDeposition31）化學(xué)氣相淀積—ChemicalVaporDeposition(CVD)一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長(zhǎng)技術(shù)。例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2）物理氣相淀積—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某種物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即將原子或分子轉(zhuǎn)移到襯底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術(shù)。例如：蒸發(fā)evaporation，濺射sputtering兩類主要的淀積方式4除了CVD和PVD外，制備薄膜的方法還有:銅互連是由電鍍工藝制作旋涂Spin-on鍍/電鍍electrolessplating/electroplating5外延：在單晶襯底上生長(zhǎng)一層新的單晶層，晶向取決于襯底外延硅應(yīng)用舉例6CMOS柵電極材料；多層金屬化電極的導(dǎo)電材料多晶硅薄膜的應(yīng)用7ChemicalVaporDeposition(CVD)PolycrystallineSinglecrystal(epitaxy)CourtesyJohanPejnefors,20018對(duì)薄膜的要求組分正確，玷污少，電學(xué)和機(jī)械性能好片內(nèi)及片間（每一硅片和硅片之間）均勻性好3.臺(tái)階覆蓋性好（conformalcoverage—保角覆蓋）填充性好平整性好

9化學(xué)氣相淀積（CVD）單晶(外延）、多晶、非晶（無(wú)定型）薄膜半導(dǎo)體、介質(zhì)、金屬薄膜常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD），低壓CVD(LPCVD)，等離子體增強(qiáng)淀積（PECVD）等CVD反應(yīng)必須滿足三個(gè)揮發(fā)性標(biāo)準(zhǔn)在淀積溫度下,反應(yīng)劑必須具備足夠高的蒸汽壓除淀積物質(zhì)外,反應(yīng)產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓10(1)反應(yīng)劑被攜帶氣體引入反應(yīng)器后，在襯底表面附近形成“滯留層”，然后，在主氣流中的反應(yīng)劑越過(guò)邊界層擴(kuò)散到硅片表面(2)反應(yīng)劑被吸附在硅片表面，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)(3)化學(xué)反應(yīng)生成的固態(tài)物質(zhì)，即所需要的淀積物，在硅片表面成核、生長(zhǎng)成薄膜(4)反應(yīng)后的氣相副產(chǎn)物，離開襯底表面，擴(kuò)散回邊界層，并隨輸運(yùn)氣體排出反應(yīng)室化學(xué)氣相淀積的基本過(guò)程11F1是反應(yīng)劑分子的粒子流密度F2代表在襯底表面化學(xué)反應(yīng)消耗的反應(yīng)劑分子流密度生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)從簡(jiǎn)單的生長(zhǎng)模型出發(fā)，用動(dòng)力學(xué)方法研究化學(xué)氣相淀積推導(dǎo)出生長(zhǎng)速率的表達(dá)式及其兩種極限情況與熱氧化生長(zhǎng)稍有不同的是，沒(méi)有了在SiO2中的擴(kuò)散流12hG是質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)（cm/sec）

ks

是表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù)（cm/sec）在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應(yīng)相等。這樣得到可得：13設(shè)則生長(zhǎng)速率這里Y為在氣體中反應(yīng)劑分子的摩爾比值,CG為每cm3中反應(yīng)劑分子數(shù)，這里CT為在氣體中每cm3的所有分子總數(shù)PG

是反應(yīng)劑分子的分壓，PG1，PG1PG2

PG3…..等是系統(tǒng)中其它氣體的分壓N是形成薄膜的單位體積中的原子數(shù)。對(duì)硅外延N為5×1022cm-3

14Y一定時(shí)，v由hG和ks中較小者決定1、如果hG>>ks，則Cs≈CG,這種情況為表面反應(yīng)控制過(guò)程有2、如果hG<<ks，則CS≈0，這是質(zhì)量傳輸控制過(guò)程有

質(zhì)量輸運(yùn)控制，對(duì)溫度不敏感表面（反應(yīng)）控制，對(duì)溫度特別敏感15T對(duì)ks的影響較hG大許多，因此：

hG<<ks質(zhì)量傳輸控制過(guò)程出現(xiàn)在高溫hG>>ks表面控制過(guò)程在較低溫度出現(xiàn)生長(zhǎng)速率和溫度的關(guān)系硅外延：Ea=1.6eV斜率與激活能Ea成正比hG≈constant16以硅外延為例（1atm，APCVD）hG

常數(shù)Ea值相同外延硅淀積往往是在高溫下進(jìn)行，以確保所有硅原子淀積時(shí)排列整齊，形成單晶層。為質(zhì)量輸運(yùn)控制過(guò)程。此時(shí)對(duì)溫度控制要求不是很高，但是對(duì)氣流要求高。多晶硅生長(zhǎng)是在低溫進(jìn)行，是表面反應(yīng)控制，對(duì)溫度要求控制精度高。17當(dāng)工作在高溫區(qū),質(zhì)量控制為主導(dǎo)，hG是常數(shù)，此時(shí)反應(yīng)氣體通過(guò)邊界層的擴(kuò)散很重要，即反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)和晶片如何放置顯得很重要。記住關(guān)鍵兩點(diǎn)：ks

控制的淀積主要和溫度有關(guān)hG

控制的淀積主要和反應(yīng)腔體幾何形狀有關(guān)18單晶硅外延要采用圖中的臥式反應(yīng)設(shè)備，放置硅片的石墨舟為什么要有傾斜?19這里界面層厚度s是x方向平板長(zhǎng)度的函數(shù)。a.隨著x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀積受質(zhì)量傳輸控制，則淀積速度會(huì)下降b.沿支座方向反應(yīng)氣體濃度的減少,同樣導(dǎo)致淀積速度會(huì)下降為氣體粘度為氣體密度U為氣體速度20因此，支座傾斜可以促使s(x)沿x變化減小原理：由于支座傾斜后，氣流的流過(guò)的截面積下降，導(dǎo)致氣流速度的增加，進(jìn)而導(dǎo)致s(x)沿x減小和hG的增加。從而用加大hG的方法來(lái)補(bǔ)償沿支座長(zhǎng)度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速率的下降。尤其對(duì)質(zhì)量傳輸控制的淀積至關(guān)重要，如APCVD法外延硅。21外延單晶硅的化學(xué)反應(yīng)式以上所有反應(yīng)是可逆的，因此還原反應(yīng)和HCl對(duì)硅的腐蝕均可發(fā)生，這和反應(yīng)劑的摩爾分量和生長(zhǎng)溫度有關(guān)。22目前外延常用氣源及相應(yīng)總體化學(xué)反應(yīng)硅外延：硅鍺外延：選擇性外延：加HCl原位摻雜外延：加BH3/B2H6，PH3/AsH323TwodifferentmodesofepitaxyNon-selectiveepitaxialgrowth(NSEG)Selectiveepitaxialgrowth(SEG)OxideEpiSubstrateSubstrateEpiPoly24斜率與激活能Ea成正比APCVD的主要問(wèn)題：低產(chǎn)率（throughput）高溫淀積：硅片需水平放置低溫淀積：反應(yīng)速率低25低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）因此低壓可以大大提高h(yuǎn)G的值。例如在壓力為1torr時(shí)，DG可以提高760倍，而ds只提高約7倍，所以hG可以提高100倍。氣體在界面不再受到傳輸速率限制。在質(zhì)量輸運(yùn)控制區(qū)域：26分子自由程變長(zhǎng)，反應(yīng)氣體質(zhì)量遷移速率相對(duì)于表面反應(yīng)速率大大增加，這就克服了質(zhì)量傳輸限制，使淀積薄膜的厚度均勻性提高，也便于采用直插密集裝片降低氣體壓力，氣體分子的自由程加長(zhǎng)，氣相反應(yīng)中容易生成亞穩(wěn)態(tài)的中間產(chǎn)物，從而降低了反應(yīng)激活能，因此，在不改變淀積速率的情況下，淀積溫度就可以低于APCVD的淀積溫度反比于氣體壓強(qiáng)r為氣體分子的半徑平均自由程2728增加產(chǎn)率—晶片可直插放置許多片（100-200）工藝對(duì)溫度靈敏,但是采用溫度控制好的熱壁式系統(tǒng)可解決溫度控制問(wèn)題氣流耗盡仍是影響均勻性的因素，可以設(shè)定溫差5～25C，或分段進(jìn)氣29Batchprocessing：同時(shí)100-200片薄膜厚度均勻性好可以精確控制薄膜的成份和結(jié)構(gòu)臺(tái)階覆蓋性較好低溫淀積過(guò)程淀積速率快生產(chǎn)效率高生產(chǎn)成本低LPCVD法的主要特點(diǎn)有時(shí)，淀積溫度需很低，薄膜質(zhì)量要求又很高。如：在形成的Al層上面淀積介質(zhì)等。解決辦法：等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD30多晶硅淀積方法

LPCVD，主要用硅烷法，即在600-650℃溫度下，由硅烷熱分解而制成，總體化學(xué)反應(yīng)（overallreaction）方程是：SiH4→Si(多晶)+2H2

低于575℃所淀積的硅是無(wú)定形或非晶硅（amorphousSi）；高于600℃淀積的硅是多晶，通常具有柱狀結(jié)構(gòu)（columnstructure）；當(dāng)非晶經(jīng)高溫（>600

℃）退火后，會(huì)結(jié)晶（crystallization）；柱狀結(jié)構(gòu)多晶硅經(jīng)高溫退火后，晶粒要長(zhǎng)大（graingrowth）。31多晶硅的摻雜氣固相擴(kuò)散離子注入在淀積過(guò)程中加入摻雜氣體（稱為原位摻雜，insitu），與外延摻雜類似多晶硅的氧化多晶硅通常在900~1000℃范圍內(nèi)進(jìn)行干氧氧化未摻雜或輕摻雜多晶硅的氧化速率介於（111）和（100）單晶硅的氧化速率之間摻磷多晶硅的氧化速率要比未摻雜（或輕摻雜）多晶硅的氧化速率快32625CLPCVD多晶硅的TEM照片33薄膜淀積速率隨溫度上升而迅速增加淀積速率隨硅烷濃度（硅烷分壓）增加而增加淀積參數(shù)的影響

-溫度

-壓強(qiáng)

-硅烷濃度

-摻雜劑濃度34多晶硅的淀積速率通常不是硅烷濃度的線性函數(shù)表面吸附的影響一級(jí)反應(yīng)線性關(guān)系35氧化硅的淀積方法1）低溫CVD（250~450C）可以同時(shí)摻雜，如：PH3，形成PSG磷硅玻璃：硅烷為源的淀積——APCVD，LPCVD，PECVD淀積溫度低，可作為鈍化層，密度小于熱生長(zhǎng)氧化硅，臺(tái)階覆蓋差。用HD-PECVD可以獲得低溫（120C）的高質(zhì)量氧化硅膜也可以PECVD：P2O5和SiO2組成的二元玻璃網(wǎng)絡(luò)體應(yīng)力小，流動(dòng)性增加堿金屬離子的吸雜中心易吸水形成磷酸36TEOS（正硅酸乙酯）為源的淀積2）中溫LPCVD（680~730C）（1）不能淀積在Al層上（為什么？）（2）厚度均勻性好，臺(tái)階覆蓋優(yōu)良，SiO2膜質(zhì)量較好（3）加入PH3等可形成PSG

TEOS也可采用PECVD低溫淀積（250～425C）—臺(tái)階覆蓋優(yōu)良，用于互連介質(zhì)層37臺(tái)階覆蓋（保角性conformality）1、淀積速率正比于氣體分子到達(dá)角度38PSG回流工藝可解決臺(tái)階覆蓋問(wèn)題PSG回流工藝：將形成PSG的樣品加熱到1000－1100C,使PSG軟化流動(dòng)，改善臺(tái)階形狀一般6~8wt%PBPS