薄膜气相淀积工艺.ppt

1 薄膜气相淀积工艺 2 3 半导体薄膜 Si GaAs介质薄膜 SiO2 BPSG Si3N4 金属薄膜 Al Cu 在集成电路制备中 许多材料由淀积工艺形成 4 Figure11 4 薄膜是指一种在衬底上生长的薄固体物质 如果一种固体物质具有三维尺寸 那么薄膜是指一维尺寸远远小于两外两维上的尺寸 5 对薄膜的要求 Desiredcomposition lowcontaminates goodelectricalandmechanicalproperties 组分正确 沾污少 电和机械性能好Uniformthicknessacrosswafer andwafer to wafer 每一硅片和硅片之间均匀性好3 Goodstepcoverage conformalcoverage 台阶覆盖性好4 Goodfillingofspaces 填充性好5 Planarizedfilms 平整性好 6 StepCoverageIssues 7 FillingIssues 8 Examplesorproblemsinactualstructures a stepcoverageinsputterdepositionofAl b voidsinCVDoxide 9 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 高深宽比间隙难淀积均匀厚度的膜 随着集成电路特征尺寸的不断减小 对于高深宽比间隙的均匀 无空洞的填充淀积工艺显得至关重要 10 TwomaintypesofdepositionmethodshavebeendevelopedandareusedinCMOStechnology 两种主要的淀积方式 ChemicalVaporDeposition CVD APCVD LPCVD PECVD HDPCVD PhysicalVaporDeposition PVD evaporation sputterdeposition 化学气相淀积 物理气相淀积 区别在于 反应物的来源是否经过化学变化 11 12 化学气相沉积是利用气态化合物或化合物的混合物在基体受热面上发生化学反应 从而在基体表面上生成不挥发的涂层 化学气相沉积 CVD 3个要点 1 产生化学变化 2 膜中所有的材料物质都源于外部的源 化学气相淀积工艺中的反应物必须以气相形式参加反应 13 CVD工艺优点 1 CVD成膜温度远低于体材料的熔点 因此减轻了衬底片的热形变 抑制了缺陷生成 设备简单 重复性好 2 薄膜的成分精确可控 配比范围大 3 淀积速率一般高于PVD 物理气相淀积 如蒸发 溅射等 效率高 厚度范围广 由几百埃至数毫米 可以实现厚膜淀积 且能大量生产 4 淀积膜结构完整 致密 良好的台阶覆盖能力 且与衬底粘附性好 5 CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜 例如掺杂或不掺杂的SiO2 多晶硅 非晶硅 氮化硅 金属 钨 钼 等 缺点是淀积过程容易对薄膜表面形成污染 对环境的污染等 14 CVD过程 15 1 常压化学气相淀积 APCVD 2 低压化学气相淀积 LPCVD 3 等离子体辅助CVD等离子体增强化学气相淀积 PECVD 高密度等离子体化学气相淀积 HDPCVD 另外还有次常压化学气相淀积SAPCVD subatmospherepressureCVD 和MOCVD等 常用的CVD技术有 16 1 常压化学气相淀积 NPCVDNormalPressureCVD APCVDAtmospherePressure 常压化学气相淀积 APCVD NPCVD 是指在大气压下进行的一种化学气相淀积的方法 这是化学气相淀积最初所采用的方法 17 APCVD系统示意图 4 18 APCVD的缺点 1 硅片水平放置 量产受限 易污染 2 反应速度受多种因素影响 反应室尺寸 气体流速 硅片位置等都会影响速度 3 均匀性不太好 所以APCVD一般用在厚的介质淀积 APCVD系统的优点 具有高沉积速率 可达6000 10000埃 min 通常在集成电路制程中 APCVD只应用于生长保护钝化层 19 2 低压化学汽相淀积 LPCVD 随着半导体工艺特征尺寸的减小 对薄膜的均匀性要求及膜厚的误差要求不断提高 出现了低压化学气相淀积 LPCVD 低压化学气相淀积是指系统工作在较低的压强下 一般在100Pa以下 的一种化学气相淀积的方法 LPCVD技术不仅用于制备硅外延层 还广泛用于各种无定形钝化膜及多晶硅薄膜的淀积 是一种重要的薄膜淀积技术 20 21 在这个系统中沉积室 depositionchamber 是由石英管 quartztube 所构成 而芯片则是竖立于一个特制的固定架上 可以扩大装片量 在LPCVD系统中须要安装一个抽真空系统 使沉积室内保持在所设定的低压状况 并且使用压力计来监控制程压力 22 LPCVD系统的优点 具有优异的薄膜均匀度 以及较佳的阶梯覆盖能力 并且可以沉积大面积的芯片 LPCVD的缺点 沉积速率较低 而且经常使用具有毒性 腐蚀性 可燃性的气体 由于LPCVD所沉积的薄膜具有较优良的性质 因此在集成电路制程中LPCVD是用以成长单晶薄膜及其对品质要求较高的薄膜 23 APCVD生长速率快 但成膜均匀性不好 容易产生影响薄膜质量的微粒 基本不应用于集成电路制造 LPCVD反应系统一般要求温度在650 以上 不能应用到后段 后段工艺中薄膜生长的反应温度较低 需引入额外的非热能能量或降低反应所需激活能以得到足够反应能量 24 前者代表是PECVD和HDPCVD 等离子体提供的能量大大降低反应所需热能 从而降低反应温度到400 以下 后者代表是采用TEOS与O3反应系统的SACVD 由于O3在较低温度下就可以提供氧自由基 反应所需激活能小于TEOS与O2系统 因此较低温度下也可以提供足够的淀积速率 25 等离子体增强化学气相淀积 PECVD 是指采用高频等离子体驱动的一种气相淀积技术 是一种射频辉光放电的物理过程和化学反应相结合的技术 该气相淀积的方法可以在非常低的衬底温度下淀积薄膜 例如在铝 AL 上淀积Si02 工艺上PECVD主要用于淀积绝缘层 3 等离子体增强化学气相淀积PCVD或PECVD Plasma enhancedCVD 26 PECVD是在低压气体上施加一个高频电场 使气体电离 产生等离子体 等离子体中的电子和离子 在电场作用下 不断旋转和运动 获得能量而被加速 这些高能粒子与反应气体分子 原子不断发生碰撞 使反应气体电离或被激活成性质活泼的活性基团 高化学活性的反应物可使成膜反应在较低温度下进行 27 热板式PECVD反应器的结构示意图 28 PECVD的沉积原理与一般的CVD之间并没有太大的差异 等离子体中的反应物是化学活性较高的离子或自由基 而且衬底表面受到离子的撞击也会使得化学活性提高 这两项因素都可促进基板表面的化学反应速率 因PECVD在较低的温度即可沉积薄膜 在集成电路制程中 PECVD通常是用来沉积SiO2与Si3N4等介电质薄膜 PECVD的主要优点是具有较低的沉积温度下达到高的沉积速率 29 1 更低的工艺温度 250 450 2 对高的深宽比间隙有好的填充能力 用高密度等离子体 3 淀积的膜对硅片有优良的黏附能力 4 高的淀积速率 5 少的针孔和空洞 因为有高的膜密度 6 工艺温度低 因而应用范围广 CVD过程中使用等离子体的好处 30 各种类型CVD反应器及其主要特点 31 典型物质淀积简介 SiO2生长 低温CVD氧化层 低于500 中等温度淀积 500 800 高温淀积 900 左右 一 二氧化硅 SiO2 薄膜 32 1 SiO2的用途 非掺杂SiO2 用于离子注入或扩散的掩蔽膜 多层金属化层之间的绝缘 场区氧化层掺杂SiO2 用于器件钝化 磷硅玻璃回流 将掺磷 硼或砷的氧化物用作扩散源 33 2 淀积SiO2的方法 硅烷法和TEOS法A 硅烷和氧反应低压化学气相淀积 LPCVD 500 SiH4 O2SiO2 2H24PH3 5O22P2O5 6H2 钝化层sio2 34 TEOS是正硅酸乙脂 分子式为Si C2H5O 4 室温下是一种液体 可以直接分解生成SiO2层 用TEOS分解法具有温度低 均匀性好 台阶覆盖优良 膜质量好等优点 另一种是通过TEOS与O2 O3反应 来得到SiO2 Si OC2H5 4 O2 SiO2 副产物 产物平整度很好 但反应温度一般大于600 35 臭氧 O3 包含三个氧原子 比氧气有更强的反应活性 因此 这步工艺可以不用等离子体 在低温下 如400 进行 因为不需要等离子体 O3就能使TEOS分解 因此反应可以在常压 APCVD 760托 或者亚常压 SAPCVD 600托 下 所以用O3代替O2与TEOS反应可以大大降低反应温度 通过降低反应所需激活能以得到足够反应能量 因此用在集成电路制造后段工艺中 优点 对于高的深宽比槽有良好的覆盖填充能力 缺点 SiO2膜多孔 因而通常需要回流来去掉潮气并增加膜密度 用TEOS O3淀积SiO2 36 APCVDTEOS O3改善后的台阶覆盖 37 38 二 氮化硅薄膜 1 氮化硅薄膜在集成电路中的主要应用 有三个方面 1 用作为硅选择氧化和等平面氧化的氧化掩膜 2 钝化膜 3 电容介质 氮化硅的化学汽相淀积 中等温度 780 820 的LPCVD或低温 300 PECVD方法淀积 39 2 低压化学气相淀积氮化硅薄膜 A 氮化硅的低压淀积方程式 氮化硅的低压化学气相淀积主要通过硅烷 二氯二氢硅与氨在700 8000C温度范围内反应生成 主要反应式如下LPCVD3SiH2Cl2 7NH3 Si3N4 3NH4CL 3HCl 6H2 PECVD3SiH4 4NH3 Si3N4 12H2 40 3 等离子体增强化学气相淀积氮化硅薄膜 A 等离子淀积优点及方程式 等离子增强CVD的突出优点是淀积温度低 最常用的温度是300 3500C 等离子体增强化学气相淀积氮化硅 常由SiH4与氨或SiH4与氮在氩等离子气氛下反应 其反应式如下 SiH4 NH3 SiNH 3H2 SiH4 N2 2SiNH 3H2 41 用LPCVD和PECVD氮化硅的性质 42 高密度等离子体淀积腔 Photo11 4 2020 1 29 43 可编辑 44 多晶硅的化学汽相淀积 利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一 它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高 而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入 使MOS集成电路的集成度得到很大提高 三 多晶硅薄膜 45 淀积多晶硅淀积多晶硅一般采用化学汽相淀积 LPCVD 的方法 利用化学反应在硅片上生长多晶硅薄膜 适当控制压力 温度并引入反应的蒸汽 经过足够长的时间 便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅 46 四 硅化钨 金属电极引线 大多用PVD方法来形成 但是这种方法形成的金属薄膜阶梯覆盖能力不好 因此除了金属铝以外 其他金属的淀积全部用CVD法 47 1 硅化钨 硅化钨熔点高 稳定性好 电阻率低 在集成电路中应用十分广泛主要应用在改善金属铝与硅之间的欧姆接触 以及MOS器件栅极部分的金属层2WF6 7SiH4 2WSix 3SiF4 14H2 Wsix其X值大约在2 6 2 8 此时电阻率较高 约700 900欧 厘米 为降低电阻率 需要经过退火处理 48 2 金属钨 LPCVD淀积的钨 作为上下金属层间的连接物 称为 插塞钨 反应一是硅将WF6内的钨还原出来 称为硅还原反应二称为氢还原反应反应三称为硅烷还原反应 如果是金属层和硅之间的接触 可利用反应一进行 如果不是则利用反应二 反应三是在整个表面进行钨的淀积 又称 覆盖式钨淀积 49 PSG PhosphosilicateGlass 磷硅玻璃 BPSG BorophosphosilicateGlass 硼磷硅玻璃 FSG FluorinatedSilicateGlass 氟硅玻璃 等二氧化硅原有的有序网络结构 由于硼磷杂质 B2O3 P2O5 的加入而变得疏松 在高温条件下某种程度上具有像液体一样的流动能力 Reflow 因此BPSG薄膜具有卓越的填孔能力 并且能够提高整个硅片表面的平坦化 从而为光刻及后道工艺提供更大的工艺范围 五 硅玻璃 50 PSG回流后平坦化的表面 Figure11 14 51 在磷硅玻璃中 磷以P2O5的形式存在 磷硅玻璃由P2O5和SiO2的混合物共同组成 PSG膜具有吸收和阻挡钠离子向硅衬底扩散的能力 大大改善了器件的稳定性 因此在集成电路中用作钝化膜 其不足之处是磷浓度较高时有吸潮特性 对于要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说 P2O5含量 重量比 不超过4 浓度太低则不易达到流动和平缓台阶的作用因此 用BPSG来代替PSG 硼的作用 降低回流温度 回流温度随硼含量的增加而降低 磷 阻挡钠离子的作用 一般在BPSG中 硼和磷的含量各占4 回流温度800 950 比PSG降低300 52 SiH4 O2 SiO2 2H2 4POCL3 3O2 2P2O5 6HCL 总反应方程式 a 3SiH4 6O2 4POCL3 3SiO2 2P2O5 12HCL b SiH4 g 4PH3 g 6O2 g SiO2 s 2P2O5 g 2H2 g c SiH4 2PH3 7N2O SiO2 P2O5 5H2 7N2 PSG PSG可以用磷扩散形成 也可以用气相淀积形成 反应物为硅烷SiH4和三氯氧磷POCL3在氮气的携带下进入淀积反应室 与氧气进行反应 53 BPSG BPSG薄膜的制备方法 等离子体增强化学气相沉积 PECVD 和次大气压化学气相沉积 SAPCVD Sub atmosphericpressurechemicalvapordeposition BPSG薄膜制备主要采用SAPCVD工艺方法 Y因为其填孔能力更好 除此之外 SACVD是没有使用射频所产生的等离子体 因而避免了等离子体引起的器件损伤 54 硅源 正硅酸乙脂 分子式为Si C2H5O4 TEOS氧源 臭氧和TEOS硼源 三乙基硼 TEB 硼烷 B2H6磷源 TEPO磷酸三乙脂 C2H5O 3PO 55 掺杂的二氧化硅作用 a 改善SiO2钝化膜的保护特性b 可以得到高度平坦化的工艺 56 1 57 习题 什么叫化学气相淀积 常用的CVD法有哪些 各自的优缺点 如何用CVD制备SiO2 多晶硅 氮化硅 中 和 的作用是什么 58 物理气相淀积 59 物理气相淀积 PVD 物理气相淀积 physicalvapordeposition 简称PVD 是指在真空条件下 用物理的方法 即物质的相变过程 将材料汽化成原子 分子或使其电离成离子 并通过气相过程 在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜的技术 即以单质的固体材料作为源 如铝 金 铬等 然后设法将它变为气态 再在衬底表面淀积而成薄膜 60 61 62 63 64 65 66 PVD技术的两种基本工艺 蒸镀法 蒸发 在真空的环境中 用电阻加热或电子束和激光轰击等方法把要蒸发的材料加热到一定温度 使材料中分子或原子的热振动能量超过表面的束缚能 从而使大量分子或原子蒸发或升华 并直接沉淀在基片上形成薄膜 溅镀法 溅射 利用气体放电产生的正离子在电场作用下的高速运动轰击作为阴极的靶 使靶材中的原子或分子逸出来而沉淀到被镀材料的表面 形成所需要的薄膜 此技术一般使用氩等惰性气体 由在高真空中将氩离子加速以撞击溅镀靶材后 可将靶材原子一个个溅击出来 并使被溅击出来的材质 通常为铝 钛或其合金 如雪片般沉积在晶圆表面 67 1蒸发 在半导体制造的早期 所有金属层都是通过蒸发PVD方法淀积的 为了获得更好的台阶覆盖 间隙填充和溅射速度 在70年代后期 在大多数硅片制造技术领域溅射已取代蒸发 68 69 常用的几种加热器形状 丝状 舟状 坩埚 70 71 蒸发加热的主要方法 1 电阻加热 铝 金 铬 2 电子束加热 3000 难熔金属 3 激光加热真空蒸发镀膜最常用的是电阻加热法 以电阻 灯丝 蒸发器 通过发热的原理来加热蒸镀原料 最高蒸发温度达1700 其优点是加热源的结构简单 造价低廉 操作方便 缺点是不适用于难熔金属和耐高温的介质材料 72 电子束加热和激光加热则能克服电阻加热的缺点 电子束加热 利用加速电子碰撞蒸发材料而使其蒸发 蒸发源配有电子腔 利用磁场或电场加速并聚焦电子束 使电子束聚集在蒸发材料的局部而形成加热束斑 束斑温度可达3000 6000 电子束的动能变成热能 使材料蒸发 激光加热是利用大功率的激光作为加热源 但由于大功率激光器的造价很高 目前只能在少数研究性实验室中使用 73 溅射已成为IC制造中金属淀积的主流工艺溅射工艺相对于蒸发工艺的优势在于 1 台阶覆盖性得到改善2 辐射缺陷远小于电子束蒸发3 容易制备难熔金属 合金材料和复合材料薄膜 2溅射 74 溅射工作原理 溅射 sputtering 又叫阴极溅射 cathodicsputtering 通过用由稀有气体在低真空下放电获得的正离子轰击置于阴极的固体表面 靶 使固体原子 或分子 从表面射出 进而以一定能量淀积在基片上 形成薄膜 75 76 基本溅射步骤 在高真空腔等离子体中产生正氩离子 并向具有负电势的靶材料加速 在加速过程中获得动量 并轰击靶 离子通过物理过程从靶上撞击出 溅射 原子 靶具有想要的材料组分 被撞击出 溅射 的原子迁移到硅片表面 阳极 被溅射的原子在硅片表面凝聚形成薄膜 与靶材料相比 薄膜具有与它基本相