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1、1,化學(xué)氣相淀積工藝,2,,,3,半導(dǎo)體薄膜:Si,GaAs介質(zhì)薄膜: SiO2, BPSG, Si3N4,金屬薄膜:Al, Cu,在集成電路制備中,許多材料由淀積工藝形成,4,Figure 11.4,薄膜是指一種在襯底上生長(zhǎng)的薄固體物質(zhì)。如果一種固體物質(zhì)具有三維尺寸,那么薄膜是指一維尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩外兩維上的尺寸。,5,對(duì)薄膜的要求,Desired composition, low contaminates, good elec
2、trical and mechanical properties. 組分正確,沾污少,電和 機(jī)械性能好 Uniform thickness across wafer, and wafer-to -wafer. 每一硅片和硅片之間均勻性好3. Good step coverage (“conformal coverage”). 臺(tái)階
3、覆蓋性好4. Good filling of spaces. 填充性好5. Planarized films . 平整性好,6,Step Coverage Issues:,7,Filling Issues:,8,Examples or problems in actual structures. a) stepcoverage in sputter deposition of Al. b). void
4、s inCVD oxide,9,可以用深寬比來(lái)描述一個(gè)小間隙(如槽或孔)深寬比定義為間隙的深度和寬度的比值,高深寬比間隙難淀積均勻厚度的膜。隨著集成電路特征尺寸的不斷減小,對(duì)于高深寬比間隙的均勻、無(wú)空洞的填充淀積工藝顯得至關(guān)重要。,10,Two main types of deposition methods have beendeveloped and are used in CMOS technology:兩種主要的淀積方式
5、? Chemical Vapor Deposition (CVD)- APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD? Physical Vapor Deposition (PVD)- evaporation, sputter deposition,化學(xué)氣相淀積,物理氣相淀積,區(qū)別在于:反應(yīng)物的來(lái)源是否經(jīng)過(guò)化學(xué)變化。,11,,,12,化學(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)化合物或化合物的混合物在基體受熱面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而在基體表面上生
6、成不揮發(fā)的涂層。,化學(xué)氣相沉積(CVD),3個(gè)要點(diǎn):1.產(chǎn)生化學(xué)變化;2.膜中所有的材料物質(zhì)都源于外部的源;化學(xué)氣相淀積工藝中的反應(yīng)物必須以氣相形式參加反應(yīng)。,13,CVD工藝優(yōu)點(diǎn),(1)CVD成膜溫度遠(yuǎn)低于體材料的熔點(diǎn)。因此減輕了襯底片的熱形變,抑制了缺陷生成; 設(shè)備簡(jiǎn)單,重復(fù)性好;(2)薄膜的成分精確可控、配比范圍大;(3)淀積速率一般高于PVD(物理氣相淀積,如蒸發(fā)、濺射等),效率高;厚度范圍廣,由幾百埃至數(shù)毫米,可
7、以實(shí)現(xiàn)厚膜淀積,且能大量生產(chǎn);(4)淀積膜結(jié)構(gòu)完整、致密,良好的臺(tái)階覆蓋能力,且與襯底粘附性好。(5)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,缺點(diǎn)是淀積過(guò)程容易對(duì)薄膜表面形成污染、對(duì)環(huán)境的污染等,14,CVD過(guò)程,15,(1) 常壓化學(xué)氣相淀積(APCVD);(2) 低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD);(3)等離子體輔助 CVD等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相
8、淀積(PECVD)高密度等離子體化學(xué)氣相淀積(HDPCVD)另外還有次常壓化學(xué)氣相淀積SAPCVD (sub atmosphere pressure CVD)等。,常用的CVD技術(shù)有:,16,1.常壓化學(xué)氣相淀積(NPCVD Normal Pressure CVD)(APCVD Atmosphere Pressure),常壓化學(xué)氣相淀積(APCVD/NPCVD)是指在大氣壓下進(jìn)行的一種化學(xué)氣相淀積的方法,這
9、是化學(xué)氣相淀積最初所采用的方法。,17,APCVD系統(tǒng)示意圖,4,18,APCVD的缺點(diǎn): 1.硅片水平放置,量產(chǎn)受限,易污染。 2.反應(yīng)速度受多種因素影響,反應(yīng)室尺寸、氣體流速、硅片位置等都會(huì)影響速度。 3.均勻性不太好,所以APCVD一般用在厚的介質(zhì)淀積。APCVD系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):具有高沉積速率,可達(dá)6000~10000埃/min,通常在集成電路制程中。APCVD只應(yīng)用于生長(zhǎng)保護(hù)鈍化層。,19,2. 低壓化學(xué)汽相淀積(
10、LPCVD),隨著半導(dǎo)體工藝特征尺寸的減小,對(duì)薄膜的均勻性要求及膜厚的誤差要求不斷提高,出現(xiàn)了低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)。低壓化學(xué)氣相淀積是指系統(tǒng)工作在較低的壓強(qiáng)下(一般在100Pa以下)的一種化學(xué)氣相淀積的方法。LPCVD技術(shù)不僅用于制備硅外延層,還廣泛用于各種無(wú)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)。,20,21,在這個(gè)系統(tǒng)中沉積室(deposition chamber)是由石英管(quartz tube)所構(gòu)成
11、,而芯片則是豎立于一個(gè)特制的固定架上,可以擴(kuò)大裝片量。 在LPCVD系統(tǒng)中須要安裝一個(gè)抽真空系統(tǒng),使沉積室內(nèi)保持在所設(shè)定的低壓狀況,并且使用壓力計(jì)來(lái)監(jiān)控制程壓力,22,LPCVD系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):具有優(yōu)異的薄膜均勻度,以及較佳的階梯覆蓋能力,并且可以沉積大面積的芯片;LPCVD的缺點(diǎn):沉積速率較低,而且經(jīng)常使用具有毒性、腐蝕性、可燃性的氣體。由于LPCVD所沉積的薄膜具有較優(yōu)良的性質(zhì),因此在集成電路制程中LPCVD是用以成長(zhǎng)單晶薄膜及其
12、對(duì)品質(zhì)要求較高的薄膜。,23,APCVD生長(zhǎng)速率快,但成膜均勻性不好,容易產(chǎn)生影響薄膜質(zhì)量的微粒,基本不應(yīng)用于集成電路制造。LPCVD反應(yīng)系統(tǒng)一般要求溫度在650℃以上,不能應(yīng)用到后段。 后段工藝中薄膜生長(zhǎng)的反應(yīng)溫度較低,需引入額外的非熱能能量或降低反應(yīng)所需激活能以得到足夠反應(yīng)能量。,24,前者代表是PECVD和HDPCVD,等離子體提供的能量大大降低反應(yīng)所需熱能,從而降低反應(yīng)溫度到400℃以下;后者代表是采用TEOS 與O3反應(yīng)系統(tǒng)
13、的SACVD,由于O3在較低溫度下就可以提供氧自由基,反應(yīng)所需激活能小于TEOS與O2 系統(tǒng),因此較低溫度下也可以提供足夠的淀積速率。,25,等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)是指采用高頻等離子體驅(qū)動(dòng)的一種氣相淀積技術(shù),是一種射頻輝光放電的物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)。該氣相淀積的方法可以在非常低的襯底溫度下淀積薄膜,例如在鋁(AL)上淀積Si02。工藝上PECVD主要用于淀積絕緣層。,3.等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PCVD 或P
14、ECVD:Plasma-enhanced CVD,26,PECVD是在低壓氣體上施加一個(gè)高頻電場(chǎng),使氣體電離,產(chǎn)生等離子體。等離子體中的電子和離子,在電場(chǎng)作用下,不斷旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng),獲得能量而被加速。這些高能粒子與反應(yīng)氣體分子、原子不斷發(fā)生碰撞,使反應(yīng)氣體電離或被激活成性質(zhì)活潑的活性基團(tuán)。高化學(xué)活性的反應(yīng)物可使成膜反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行。,27,,熱板式PECVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖,28,PECVD的沉積原理與一般的CVD之間并沒(méi)有太大的差異
15、。等離子體中的反應(yīng)物是化學(xué)活性較高的離子或自由基,而且襯底表面受到離子的撞擊也會(huì)使得化學(xué)活性提高。這兩項(xiàng)因素都可促進(jìn)基板表面的化學(xué)反應(yīng)速率,因PECVD在較低的溫度即可沉積薄膜。在集成電路制程中,PECVD通常是用來(lái)沉積SiO2 與Si3N4 等介電質(zhì)薄膜。PECVD的主要優(yōu)點(diǎn)是具有較低的沉積溫度下達(dá)到高的沉積速率,29,1.更低的工藝溫度 (250 – 450℃);2.對(duì)高的深寬比間隙有好的填充能力 (用高密度等離子體);3
16、.淀積的膜對(duì)硅片有優(yōu)良的黏附能力;4.高的淀積速率;5.少的針孔和空洞,因?yàn)橛懈叩哪っ芏龋?.工藝溫度低,因而應(yīng)用范圍廣。,,CVD 過(guò)程中使用等離子體的好處,30,各種類(lèi)型 CVD 反應(yīng)器及其主要特點(diǎn),,31,典型物質(zhì)淀積簡(jiǎn)介,SiO2生長(zhǎng):低溫CVD氧化層:低于500℃中等溫度淀積:500~800℃高溫淀積:900℃左右,,一、二氧化硅(SiO2)薄膜,32,1.SiO2的用途,非摻雜SiO2:用于離子注入或擴(kuò)散
17、的掩蔽膜,多層金屬化層之間的絕緣,場(chǎng)區(qū)氧化層摻雜SiO2:用于器件鈍化,磷硅玻璃回流,將摻磷、硼或砷的氧化物用作擴(kuò)散源,33,2.淀積SiO2的方法:,硅烷法和TEOS法A.硅烷和氧反應(yīng)低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD) :<500℃SiH4+O2 SiO2 +2H24PH3+5O2 2P2O5 +6H2(鈍化層sio2),34,TEOS是正硅酸乙脂。分子式為Si(C2H5O) 4,室溫
18、下是一種液體??梢灾苯臃纸馍蒘iO2層。,用TEOS分解法具有溫度低,均勻性好,臺(tái)階覆蓋優(yōu)良、膜質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),另一種是通過(guò)TEOS與O2/O3反應(yīng),來(lái)得到SiO2。Si(OC2 H5)4+O2→SiO2 +副產(chǎn)物,產(chǎn)物平整度很好,但反應(yīng)溫度一般大于600℃。,35,臭氧(O3)包含三個(gè)氧原子,比氧氣有更強(qiáng)的反應(yīng)活性,因此,這步工藝可以不用等離子體,在低溫下(如400℃)進(jìn)行,因?yàn)椴恍枰入x子體,O3就能使TEOS分解,因此反應(yīng)可
19、以在常壓(APCVD,760托)或者亞常壓(SAPCVD,600托)下。所以用O3代替O2與TEOS反應(yīng)可以大大降低反應(yīng)溫度。通過(guò)降低反應(yīng)所需激活能以得到足夠反應(yīng)能量。因此用在集成電路制造后段工藝中。優(yōu)點(diǎn):對(duì)于高的深寬比槽有良好的覆蓋填充能力。 缺點(diǎn):SiO2膜多孔,因而通常需要回流來(lái)去掉潮氣并增加膜密度。,用TEOS-O3淀積SiO2,36,APCVD TEOS-O3改善后的臺(tái)階覆蓋,37,38,二、氮化硅薄膜,1.氮化硅薄膜
20、在集成電路中的主要應(yīng)用,有三個(gè)方面:(1)用作為硅選擇氧化和等平面氧化的氧化掩膜;(2)鈍化膜;(3)電容介質(zhì)。,氮化硅的化學(xué)汽相淀積:中等溫度(780~820℃)的LPCVD或低溫(300℃) PECVD方法淀積,39,2. 低壓化學(xué)氣相淀積氮化硅薄膜,A、氮化硅的低壓淀積方程式:氮化硅的低壓化學(xué)氣相淀積主要通過(guò)硅烷、二氯二氫硅與氨在700-8000C溫度范圍內(nèi)反應(yīng)生成。主要反應(yīng)式如下LPCVD 3SiH2Cl2+7NH
21、3?Si3N4 ? +3NH4CL ? +3HCl? +6H2 ? PECVD3SiH4 + 4NH3 ? Si3N4 + 12H2,40,3.等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積氮化硅薄膜,A、等離子淀積優(yōu)點(diǎn)及方程式:等離子增強(qiáng)CVD的突出優(yōu)點(diǎn)是淀積溫度低,最常用的溫度是300-3500C。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積氮化硅,常由SiH4與氨或SiH4與氮在氬等離子氣氛下反應(yīng),其反應(yīng)式如下: SiH4 + NH3 →SiNH + 3H2
22、 2SiH4 + N2 →2SiNH + 3H2,41,用LPCVD 和 PECVD 氮化硅的性質(zhì),42,高密度等離子體淀積腔,,Photo 11.4,43,多晶硅的化學(xué)汽相淀積:利用多晶硅替代金屬鋁作為MOS器件的柵極是MOS集成電路技術(shù)的重大突破之一,它比利用金屬鋁作為柵極的MOS器件性能得到很大提高,而且采用多晶硅柵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)源漏區(qū)自對(duì)準(zhǔn)離子注入,使MOS集成電路的集成度得到很大提高。,三.多晶硅薄膜,44,淀積多晶硅
23、 淀積多晶硅一般采用化學(xué)汽相淀積(LPCVD)的方法。利用化學(xué)反應(yīng)在硅片上生長(zhǎng)多晶硅薄膜。適當(dāng)控制壓力、溫度并引入反應(yīng)的蒸汽,經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間,便可在硅表面淀積一層高純度的多晶硅。,45,四、硅化鎢,金屬電極引線,大多用PVD方法來(lái)形成,但是這種方法形成的金屬薄膜階梯覆蓋能力不好。因此除了金屬鋁以外,其他金屬的淀積全部用CVD法,46,1.硅化鎢,硅化鎢熔點(diǎn)高,穩(wěn)定性好,電阻率低,在集成電路中應(yīng)用十分廣泛主要應(yīng)用在改善金屬鋁與硅
24、之間的歐姆接觸,以及MOS器件柵極部分的金屬層2WF6+7SiH4?2WSix ? +3SiF4 ?+14H2?Wsix其X值大約在2.6~2.8,此時(shí)電阻率較高,約700~900歐.厘米。為降低電阻率,需要經(jīng)過(guò)退火處理。,47,2.金屬鎢,LPCVD淀積的鎢,作為上下金屬層間的連接物,稱(chēng)為“插塞鎢”,反應(yīng)一是硅將WF6內(nèi)的鎢還原出來(lái),稱(chēng)為硅還原反應(yīng)二稱(chēng)為氫還原反應(yīng)反應(yīng)三稱(chēng)為硅烷還原反應(yīng),如果是金屬層和硅之間的接觸,可利用反應(yīng)一
25、進(jìn)行,如果不是則利用反應(yīng)二。反應(yīng)三是在整個(gè)表面進(jìn)行鎢的淀積,又稱(chēng)“覆蓋式鎢淀積”,48,PSG (Phosphosilicate Glass, 磷硅玻璃),BPSG (Borophosphosilicate Glass, 硼磷硅玻璃),FSG (Fluorinated Silicate Glass, 氟硅玻璃)等二氧化硅原有的有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由于硼磷雜質(zhì)(B2O3,P2O5)的加入而變得疏松,在高溫條件下某種程度上具有像液體一樣的流
26、動(dòng)能力(Reflow)。因此BPSG薄膜具有卓越的填孔能力,并且能夠提高整個(gè)硅片表面的平坦化,從而為光刻及后道工藝提供更大的工藝范圍。,五、硅玻璃,49,PSG 回流后平坦化的表面,Figure 11.14,50,在磷硅玻璃中,磷以P2O5的形式存在,磷硅玻璃由P2O5和SiO2的混合物共同組成;PSG膜具有吸收和阻擋鈉離子向硅襯底擴(kuò)散的能力,大大改善了器件的穩(wěn)定性。因此在集成電路中用作鈍化膜。其不足之處是磷濃度較高時(shí)有吸潮特性,對(duì)
27、于要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃來(lái)說(shuō),P2O5 含量(重量比)不超過(guò)4%;濃度太低則不易達(dá)到流動(dòng)和平緩臺(tái)階的作用因此,用BPSG來(lái)代替PSG。硼的作用:降低回流溫度,回流溫度隨硼含量的增加而降低;(磷:阻擋鈉離子的作用)一般在BPSG中,硼和磷的含量各占4%,回流溫度800~950℃,比PSG降低300 ℃,51,SiH4+O2?SiO2 ? +2H2?4 POCL3+3O2 ?2P2O5 ? +6HCL ?總反應(yīng)方程式(a)
28、 3 SiH4+6O2+4 POCL3 ? 3SiO2 ? + 2P2O5 ?+12HCL ? (b) SiH4(g) + 4PH3(g) + 6O2(g) →SiO2(s) +2P2 O5(g) + 2H2(g)(c) SiH4 + 2PH3 + 7N2O →SiO2 + P2O5 + 5H2 + 7N2。,PSG,PSG可以用磷擴(kuò)散形成,也可以用氣相淀積形成,反應(yīng)物為硅烷SiH4和三氯氧磷POCL3在氮?dú)獾臄y帶下進(jìn)入淀積反應(yīng)室,
29、與氧氣進(jìn)行反應(yīng),52,BPSG,BPSG薄膜的制備方法:等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)和次大氣壓化學(xué)氣相沉積(SAPCVD:Sub-atmospheric pressure chemical vapor deposition )。BPSG薄膜制備主要采用SAPCVD工藝方法。Y因?yàn)槠涮羁啄芰Ω?除此之外,SACVD是沒(méi)有使用射頻所產(chǎn)生的等離子體,因而避免了等離子體引起的器件損傷,53,硅源:正硅酸乙脂。分子式為Si(C
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