第九章 薄膜工艺

1、第九章 薄膜工艺ULSI硅片上的多层金属化多层金属化指的是用来连接硅片上高密度堆积器件的那些金属层和绝缘层。增加金属层的代价很高。在CMOS工艺中增加一层金属层会增加大约15%的硅片制作成本。薄膜的定义 所谓薄膜，是指一种在衬底上生长的薄固体物质，其在某一维尺寸上远远小于另外两维上的尺寸。膜的形成过程Continuous filmGas moleculesNucleationCoalescenceSubstrate晶核形成 聚集生长（岛生长） 形成连续的膜沉积的膜可以是无定形、多晶或单晶的。沉积工艺的分类 薄膜沉积主要分为物理沉积（PVD, physical vapor deposition

2、）和化学沉积（CVD, chemical vapor deposition） PVD可分为两种技术： (a)蒸镀（Evaporation） (b)溅射（Sputtering）物理沉积的示意蒸镀 通过把被蒸镀物质(如铝)加热，利用被蒸镀物质在高温下(接近物质的熔点)的饱和蒸气压，来进行薄膜沉积。 这个过程是在压力为107到104 mbar（104 Pa）的真空室内进行的。在这个压力范围内，粒子的平均自由程超过了真空室的内部尺寸。 平均自由程：kT/21/2Pd2 一个原子平均自由通过的距离，也就是没有与其他原子的碰撞。装置结构RoughingpumpHi-Vac valveHi-Vac pump

3、Process chamber(bell jar)CrucibleEvaporating metalWafer carrier主要蒸发源 直接受热电阻源 电子束蒸发源 感应受热源 各种热源的优缺点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 铝线工艺简介电位移（electromigration） Mean time to failu

5、re: 蒸镀工艺的优缺点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 溅射工艺 是利用等离子体中的离子，对被溅镀物质电极进行轰击，使气相等离子体内具有被溅镀物质的粒子，这些粒子沉积到硅表面形成薄膜 。 溅射在中低真空中进行10 mtorr，100Pa 直流溅射系统与步骤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射频(RF)溅射系统 等离子体由RF场而非DC场产生（13.56MHz)磁控溅射 在这种方法中，磁场是叠加在电场上的，这样电子在场中的运动线路便不是直线而是以螺旋线的形式向正极运动的，从而增加了碰撞电离的机会，离子密度增大。 溅射的优缺点 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 化学气相沉积 化学气相沉积是通过气体混合的化学反应在硅片表面沉积一层固体膜

10、的工艺，其基本方面包括： 产生化学变化 膜中所有的材料物质都源于外部的源 反应物必须以气相形式产生反应CVD传输与反应步骤图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技术特点 具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点。 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 常用的CVD技术 (1) 常压化学气相淀积（APCVD）；(2) 低压化学气相淀积（LPCVD）；(3) 等离子增强化学气相淀积（PECVD） APCVD APCVD是指在大气压下进行的一种化学气相淀积的方法 所需的系统简单，反应速度快，其淀积速

12、率可超过1000埃/min，特别适于介质淀积，但是它的缺点是均匀性较差。 LPCVD 是指系统工作在较低的压强下（30250Pa）的一种化学气相淀积的方法 。 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 。 由于反应室内压力减少至10-1000Pa。反应气体，载气体的平均自由行程及扩散常数变大，因此，基板上的膜厚及相对阻抗分布可大为改善。反应气体的消耗亦可减少。 LPCVDPECVD 是指采用高频等离子体驱动的一种气相淀积技术 ； 可以在非常低的衬底温度下淀积薄膜 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沉积 polysilicons usage - gates, - high value resistors, - “local” 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沉积 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)氮化硅的沉积 silicon nitrides usag