wafer-fab-process11教学讲解课件.ppt

1、Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0氧化氧化1Layer 薄膜淀薄膜淀积，积，金属化金属化2Patten 光光刻，刻蚀刻，刻蚀 3离子注入离子注入4Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0生产硅衬底可分为三个基本步骤：生产多晶硅：通过还原，提纯的方法获得半导体级多晶硅。晶体生长：硅单晶体的生长过程；制造晶片：将单晶硅棒经过一些列的工艺过程后制程硅单晶

2、片前言：Si 衬底制备 Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0直拉（CZ）法：就是把熔化了的半导体级硅液体变成有正确晶向并且被掺杂成n或p型的固体硅锭。半导体级硅及少量掺杂剂放入石英坩埚加热熔化籽晶接触熔体表面并缓 慢拉起生长所需直径单晶单晶硅工艺Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0CZ单晶炉：单晶硅工艺Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0CZ法生长单晶的过程单晶硅工艺Trainin

3、g ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0区熔法：籽晶固定到已掺杂好的多晶硅棒一端，放入生长炉内，用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域，晶体生长中的加热过程沿着晶棒的轴向移动。单晶硅工艺Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.01.2.4硅片制备晶体生长整形切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检查包装硅片制备的基本工艺步骤硅片制备工艺Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0硅片制备工艺Training ManualDYNAM

4、ICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0氧化膜的用途氧化膜的用途1热氧化生长热氧化生长2快速热处理快速热处理34Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0氧化物可通过热生长或淀积的方法生成。热生长：在升温环境里，通过外部供给高纯氧气使之与硅片反应，在硅片表面得到一层热生长的氧化层。淀积：通过外边供给氧气和硅源，使它们在腔体内反应，从而在硅片表面形成一层薄膜。热生长和淀积的区别：热生长在生长过程中

5、消耗了衬底硅，而淀积不消耗衬底硅材料。由于硅片表面非常平整，使得在硅片表面生长或淀积的氧化物主要为层状结构，称之为薄膜。常被认为最普遍应用的半导体衬底材料，一个主要原因就是硅片的这种生长氧化层的能力（另一个主要原因是硅相对高的熔点温度）。引言Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0氧化层在制造微芯片中的应用有以下几个方面：v保护器件免划伤和隔离沾污v表面钝化v栅氧或储存器单元结构中的介质材料v掺杂中的注入屏蔽v金属导电层间的介质层氧化膜的用途Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DY

6、NAMICS 11.0v器件保护和隔离SiO2是种坚硬和无孔的材料，可用来有效隔离硅表面的有源器件。通常晶体管之间的电隔离可以用LOCOS工艺：在它们之间的区域热生长厚SiO2实现隔离。对于0.25m工艺可用STI（浅槽隔离）：用淀积的氧化物做主要的介质材料。v表面钝化什么是表面钝化：热生长的SiO2可以通过束缚硅的悬挂键，降低它的表面态密度，这种效果成为表面钝化。它能防止电性能退化并减少由潮湿、离子或其它外部沾污引起的漏电流的通路。氧化层作为钝化层的要求：均匀的厚度、无针孔和空隙等质量要求。如用来抑制金属层的电荷堆积的厚氧化层（场氧化物层）其典型厚度在25001500 之间。氧化膜的用途Tr

7、aining ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0v栅氧电介质MOS技术中常用的重要栅氧结构，用极薄的氧化层做介质材料，栅氧要保证高质量和稳定性，所以一般通过热生长获得。栅氧厚度：按器件技术比例要求，规范选取栅氧厚度。如对0.18 m工艺，典型栅氧厚度是2015 栅氧要求：高质量、极好的膜厚均匀性、无杂质。氧化膜的用途Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0v掺杂阻挡二氧化硅可做为硅表面选择性掺杂的有效掩蔽层：硅片表面形成氧化层，将掩膜透光处的SiO2刻蚀，形成窗口，掺杂材

8、料可以通过此窗口进入硅片。没有窗口的地方，氧化物可以保护硅表面，避免杂质扩散，从而实现了选择性杂质注入。氧化膜的用途v金属层间的介质层一般条件下二氧化硅不能导电，是微芯片金属层间有效的绝缘体。SiO2能防止上层金属和下层金属间短路。通常用化学气相淀积方法获得。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0热氧化生长热氧化生长的各种运用对厚度有不同的要求：半导体应用 典型氧化物厚度（）栅氧（0.18 m）2060 电容器的电介质 5100掺杂掩蔽的氧化物 4001200（依赖于掺杂剂、注入能量、时间温度）STI隔离氧化物 150LOC

9、OS垫氧 200500场氧 25001500二氧化硅的厚度可以通过其颜色来估计，不同厚度对应不同颜色。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0氧化的化学反应干氧：生长有干氧，没有水汽的氛围里 化学反应为：反应速率随温度增加而增快Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0湿氧：反应中有水汽参与反应方程式：湿法氧化时，氧化反应速率会大大加快，是因为水蒸气比氧气在二氧化硅中扩散更快、溶解度更高。缺点：反应生成的氢分子会束缚在固态的二氧化硅层内，使得氧化层的密度比干氧小

10、，该情况可通过在惰性气体中加热氧化来改善。氧化的化学反应Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0掺氯氧化：在干氧中添加微量的Cl2、HCl或C2 HCl3等含氯的气态物。在氧气氧化的同时，氯结合到氧化层中，并集中分布在SiO2-Si界面附近，掺氯氧化有如下作用：可吸收、提取硅中有害杂质：高温下氯可以和包括钠在内的多种金属杂质作用，生成挥发性的化合物，从反应室中排除。集中分布在SiO2-Si界面附近的氯还能使迁移到这里的钠离子的正电荷效应减弱并被陷住不动，从而使其丧失电活性和不稳定性。氯填补了氧空位，所以二氧化硅层中的固定电荷和

11、界面态密度降低。氧化的化学反应Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0氧化生长模式无论干氧或者湿氧，二氧化硅生长都要消耗硅，硅消耗的厚度占氧化物总厚度的0.46，意味着每生长1000的氧化物，就有460的硅被消耗。在硅片和氧化物的界面处，通过氧化物的氧气运动控制并限制氧化层的生长。对于连续生长氧化层，氧气必须进去和硅片接触紧密。氧化物的生长发生在氧分子通过已生成的二氧化硅层运动进入硅片的过程中。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0二氧化硅膜的增厚是通过如下

12、几个步骤完成：氧化剂从气相内部输运到气体氧化层界面 扩散穿过已经生成的氧化层，抵达二氧化硅和硅界面 在界面处与硅发生氧化反应 发应的副产物扩散出氧化层，并向主气流转移氧化生长模式Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0氧化生长模式1、LOCOS工艺：0.25 m工艺以上的器件隔离方法。方法：用淀积氮化物（Si3N4)作为氧化阻挡层，热氧化后，氮化物和氮化物掩膜下的氧化物都将被去除，露出赤裸的硅表面，为形成器件做准备。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0氧化

13、生长模式Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0垫氧：为了减小氮化物掩膜和硅之间的应力，在它们之间生长一层薄氧化层，称为垫氧。鸟嘴效应：氧扩散穿越已生长的氧化物时，它是在各个方向上扩散的。一些氧原子纵向扩散进入硅，另一些氧原子横向扩散，这意味着氮化物掩膜下有着轻微的侧面氧化生长。由于氧化层比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生长将抬高氮化物的边缘。我们称之为鸟嘴效应。鸟嘴效应是在LOCOS工艺中不受欢迎的副产物，氧化物较厚时，鸟嘴效应更显著氧化生长模式Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS

14、 11.0DYNAMICS 11.0浅槽隔离（STI)：用于亚0.25 m工艺的选择性氧化STI工艺：用氮化硅Si3N4做掩膜，经淀积、图形化、刻蚀硅后形成槽。掩膜图形暴露区域，热氧化150200埃厚的氧化层后，才能蚀硅成槽。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0高温炉设备用于热工艺的基本设备有三种：卧式炉:用来放置和加热硅片的石英管处于水平位置立式炉：亦称VDF，更易自动化，可改善操作者的安全以及减少颗粒沾污。与卧式炉相比，能更好地控制温度及其均匀性。可同时处理大量的硅片（100200片）。以20 C/分或者更小的速率升高

15、或降低硅片温度。快速热处理（RTP)：小型快速加热系统，带有辐射热和冷却源，通常一次处理一片硅片。具有非常快的、局域化的加热时间，只对硅片进行加热(不对炉壁加热），（而立式和卧式对硅片和炉壁都加热）。典型的RTP设备可以达到每秒几十度的升降温速率，Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0热氧化的目标是按厚度生长无缺陷、均匀的SiO2膜，用于特定硅片制造步骤的氧化工艺条件的类型取决于氧化层厚的和性能要求：干氧生长：通常用于薄氧化物（如栅氧、垫氧）的生长，由于钠离子沾污，在氧化过程中将HCl加入O2中，获得高质量的氧化物。湿氧生长

16、：通常用于厚氧化物（如场氧、扩散掩膜）的生长，生长时气氛中使用水汽（水汽中不含HCl）热氧化工艺流程Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0热氧化工艺流程Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0氧化前的清洗清洗可保证获得高质量的氧化，清洗的目的是去除所有表面沾污：颗粒、有机物、金属和自然氧化层。以下内容对尽量减少沾污非常重要：炉体及其相关设备的清洗维护（特别是对石英器皿）工艺中化学物品的纯度氧化气氛的纯度（炉中氧源的纯度）硅片清洗和操作实践清洗液：湿法化学清洗

17、液：SC-1和SC-2清洗体系清洗设备：手动和自动湿法清洗槽、超声波系统、酸喷涂器、清水或干法系统。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.05.1引言 现代半导体器件和电路的进展要求对大量的不同材料进行集成化。制造这些器件需要对不同的材料进行可控沉积和加工：金属金属主要用于各种半导体区域之间的互连，绝缘体绝缘体则用于金属导线和半导体间的电隔离，二氧化硅和其它材料的沉积可用于生成器件的有源区，如硅的金属氧化物半导体场效应晶

18、体管的有源区。对金属、半导体、绝缘体进行加工是在衬底硅片表面的薄层中进行的。器件的特性依赖于这些沉积层的化学、物理及结构特性。多层金属化：指用来连接硅片上高密度堆积器件的那些金属层和绝缘介质层。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0一、相关术语1、金属层：用铝合金作为互连线，将金属铝淀积到整个硅片的表面，形成固态

19、薄膜，然后进行刻蚀来定义互连线的宽度和间距。每层金属被定义为Metal-1、Metal-2，以此类推。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.02、关键层：指那些线条宽度被刻蚀为器件特征尺寸的金属层。对于甚大规模集成电路而言，特征尺寸的范围一般为：形成栅的多晶硅、氧结构和距离硅片表面最近的金属层。对颗粒沾污很敏感。3、非关键层：指处于上部的金属层，有更大的线宽，对颗粒沾污不够敏感。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.04、介质层：第一层层间介质（ILD-1)，

20、也称金属前绝缘层（PMD）：介于硅上有源器件和第一层金属之间的电绝缘层称为。典型的ILD-1是一层掺杂的SiO2或者玻璃。ILD-1的重要作用可从两方面解释：电学上，ILD-1层隔离晶体管器件和互连金属层；物理上，ILD-1层隔离晶体管器件和可移动粒子等杂质源。层间介质（ILD）：应用于器件中不同的金属层之间。ILD充当两层导电金属或者相邻金属线条之间的隔离膜。通常，ILD采用介电常数为3.9到4.0的SiO2材料。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS

21、 11.0DYNAMICS 11.0二、膜淀积薄膜：指一种在衬底上生长的薄的固体物质，其某一维尺寸通常远远小于另外两维上的尺寸。描述薄膜的单位是埃。半导体制造中的薄膜淀积是指任何在硅片衬底上物理淀积一层膜的工艺。这层膜可以是导体、绝缘体或者半导体材料，（如二氧化硅、氮化硅、多晶硅以及金属）薄膜的特性：v好的台阶覆盖能力v填充高的深宽比间隙的能力v好的厚度均匀性v高纯度和高密度v受控制的化学剂量Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0v高度的结构完整性和低的膜应力v好的电学特性v对衬底材料或下层膜好的粘附性Training Ma

22、nualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0v膜对台阶的覆盖：图形制作可以在硅片表面生成具有三个空间维度的图形，这就形成了硅片表面的台阶，如果淀积的膜在台阶上变薄，就容易导致高的膜应力、电短路或者在器件中产生不希望的诱生电荷。所以膜的应力要尽量小。v高的深宽比间隙：可以用深宽比来描述一个小的间隙（槽或孔）。深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值。填充硅片表面上很小的间隙和孔的能力成为最重要的薄膜特性。对于穿过层间介质的通孔，以及用来进行浅槽隔离的槽等，都需要有效间隙填充。高深宽比的间隙使得难于淀积形成厚度均匀的膜，并且会产生夹断和空洞。随着高密度集成电路特

23、征尺寸的不断减小，对于高深宽比的间隙可以进行均匀、无空洞填充淀积工艺显得至关重要。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0v厚度均匀性：薄膜厚度均匀，意味着薄膜应布满下层材料的各处。材料的电阻会随着膜厚度的变化而变化，而且膜越薄，就会有更多的缺陷，导致膜本身的机械强度降低。v膜纯度和密度：高纯度的膜意味着膜中没有那些会影响质量的化学元素或者原子，如膜中含有H就会使膜特性蜕化。膜密度也是膜质量的重要指标，它显示膜层中针孔和空洞的多少。与无孔膜相比，一个多孔膜的密度会更低，在一些情况下折射率也更小。Training ManualD

24、YNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0v受控的化学剂量分析：理想的膜要有均匀的组成成分。化学剂量分析是指在化合物或分子中一种组分的量与另一种组分量的比值。淀积中发生的化学反应往往比较复杂，得到的膜组分可能并非要求的组分，所以淀积工艺的一个目标是要在反应中有合适数量的分子，以便使淀积得到的膜的组分接近于化学反应方程式中对应的组分比例。v膜的粘附性：为了避免膜的分层和开裂，薄膜对衬底要有好的粘附性。开裂的膜会导致膜表面粗糙，杂质也可以穿过膜。对于起隔离作用的膜，开裂会导致电路短路或漏电流。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS

25、 11.0DYNAMICS 11.0v膜的结构：淀积工艺中，淀积物趋向聚集并生成晶粒。如果膜层中晶粒大小变化，膜的电学和机械特性会变化，这将影响膜的长期可靠性。膜在生长中会产生不希望的应力使硅片衬底变形，导致膜开裂、分层或者空洞的形成，所有薄膜淀积过程中总是希望减小应力。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0三、薄膜生长1、淀积薄膜的过程有三个不同的阶段、淀积薄膜的过程有三个不同的阶段：v第一步是晶核形成，这一步发生在起初少量原子或分子反应物结合起来，形成附着在硅片表面的分离的小膜层。v第二步聚集成束，也称为岛生长。这些随机

26、方向的岛束依照表面的迁移率核束密度来生长。v第三步形成连续的膜，岛束汇集合并形成固态的薄层并延伸铺满衬底表面。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.02、淀积膜过程的一些影响因素、淀积膜过程的一些影响因素：独立的岛束在遇到相邻的岛束之前，其大小取决于衬底表面的反应物移动速率以及反应核的密度。高的表面速率或低的成核速度会促进相对大的岛束的形成。低的表面速率和高的成核速率会导致短程无序的无定形膜的生长，低的淀积温度通常会导致无定形膜的生成，因为低的热能会减低反应物在表面的速率。淀积的膜可以是无定形、多晶或者单晶。起隔离作用的膜或金

27、属膜通常是无定形或多晶的；在氧化物层上淀积的硅是多晶的；在单晶硅片衬底上淀积可以形成单晶膜。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0四、膜淀积技术主要的淀积方法可分为化学工艺和物理工艺化学工艺：化学气相淀积（CVD）常压化学气相淀积（APCVD)低压化学气相淀积(LPCVD)等离子体辅助化学气相淀积 金属有机物化学气相淀积 电镀（电化学淀积）电化学淀积（ECD）化学镀层物理工艺：物理气相淀积（PVD或溅射）蒸发 旋涂方法 旋涂玻璃（SOG）旋涂绝缘介质（SOD）Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAM

28、ICS 11.0DYNAMICS 11.0本章主要介绍化学气相淀积（CVD）、外延和旋涂绝缘介质（SOD）方法。化学气相淀积化学气相淀积通常用来淀积介质膜或金属膜。旋涂绝缘介质旋涂绝缘介质（SOD）应用液态介质膜，然后进行高温的处理过程。对于铝等金属材料，溅射或者物理气相淀积是最常用的方法。电镀电镀被广泛用来进行磁盘驱动器的磁头上的薄膜淀积，在硅片制造中还未被采用。蒸发法蒸发法是制备金属层的传统的方法，但是这种方法的间隙填充能力很差，已被溅射工艺取代。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.05.2化学气相淀积化学气相淀积：是通

29、过气体混合的化学反应在硅片表面淀积一层固体膜的工艺，硅片表面及邻近区域被加热来向反应系统提供附加的能量。化学气相淀积的基本方面包括：产生化学变化，这可以通过化学反应或是热分解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Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.05.2.1 CVD化学过程化学气相淀积过程有5种基本的化学反应：v高温分解：通常在无氧的条件下，通过加热化合物分解（化学键断裂）v光分解：利用辐射使化合物的化学键断裂分解v还原反应：反应物分子和氢发生的反应v氧化反应：反应物原子或分子和氧

30、发生的反应v氧化还原反应：反应3与4的组合，反应后形成两种新的化合物Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0CVD反应：异类反应：工艺反应发生在硅片表面或者非常接近表面的区域，称异类反应。CVD需要异类反应来生成高质量的膜。同类反应：某些反应发生在硅片表面的上方较高区域，称同类反应。同类反应应避免，因为反应生成物会形成束状物，导致反应物 粘附性差、低密度和高缺陷。5.2.2CVD反应Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.01、CVD反应步骤：（1）气体传输至淀

31、积区域：反应气体从反应腔入口区域流动到硅片表面的淀积区域（2）膜先驱物的形成：气相反应导致膜先驱物（将组成膜最初的原子和分子）和副产物的形成（3）膜先驱物附着在硅片表面：大量的膜先驱物输运到硅片表面（4）膜先驱物的粘附：膜先驱物粘附在硅片表面（5）膜先驱物扩散：膜先驱物向膜生长区域的表面扩散（6）表面反应：表面化学反应导致膜淀积和副产物的生成（7）副产物从表面移除：移除表面反应副产物（8）副产物从反应腔移除：反应的副产物从淀积区域随气流流动到反应腔出口并排出Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0概念解释：吸附吸附：发生在淀积

32、过程的化学键合，使气态的原子或分子以化学方式附着在固态硅片表面。解吸附解吸附：从硅片表面移除反应副产物。SiH4(g)SiH2(g)+H2(g)SiH4(g)+SiH2 Si2H6 (g)Si2H6 (g)2Si(s)+3 H2(g)Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.02、CVD反应速度限制因素：质量传输限制质量传输限制：温度升高会促进表面反应速度增加，但CVD反应的速率不可能超越气体从主气体流传输到硅片表面的速率，即使升高温度也不可能在增加反应速度。也就是说，无论温度如何，传输到硅片表面加速反应的反应气体的量都不足。反应

33、速度限制反应速度限制：反应物到达硅片表面的速度将超过表面化学反应的速度。这种情况下，淀积速度是受反应速度限制的。即使有更多的反应物，由于低温不能提供所需的足够能量，反应速度也不会增加。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.03、CVD反应中的压力：如果CVD发生在低压下，反应气体通过边界层到达表面的扩散作用会显著增加。这会增加反应物到衬底的输运（也会加强从衬底移除反应副产物的作用）。在CVD反应中低压的作用就是使反应物更快地到达衬底低压的作用就是使反应物更快地到达衬底表面表面。在这种情况下，CVD工艺是受反应速度限制的。这意味

34、着在反应工艺腔中硅片可以间隔很近地纵向叠堆起来，因为反应物从主气流到硅片的输运并不影响整步工艺。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.04、CVD过程中的掺杂(1)SiO2中掺磷形成磷硅玻璃（PSG)：磷硅玻璃是由P2O5和SiO2的混合物共同组成。其中P2O5的含量不超过4。在SiO2中引入P2O5可以减小膜应力，进而改善膜的完整性。掺杂会增加玻璃的抗吸水性，PSG层还可以有效地固定离子杂质，离子会吸附到磷原子上，因而不能通过PSG层扩散到达硅片表面。掺杂方法：在淀积SiO2的过程中，反应气体中加入PH3后，会形成磷硅玻璃。

35、化学反应：SiH4(g）+2PH3 （g）+O2（g）SiO2(s)+2P(s)+5H2(g)600650CTraining ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0(2)硼硅玻璃（BSG）：用乙硼烷（B2H6)替代磷化氢（PH3），就可得到硼硅玻璃。硼硅玻璃需要高温（如1000 C）回流过程来平坦化硅片表面的台阶并使膜更加致密。（3）硼磷硅玻璃（BPSG）：在SiO2中引入重量百分比为2到6的B2O3,与 P2O5形成硼磷硅玻璃。为了淀积后得到一个好的阶梯覆盖能力的致密的SiO2，SiO2需要进行高温回流直到其变软并可流动。BPSG回流一般是

36、8001000 C一小时。回流也会改善BPSG固定可动离子杂质的能力。通常，BPSG用来作ILD-1淀积。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0（4）氟硅玻璃（FSG）：就是氟化的氧化硅，作为第一代低k值ILD淀积材料被用在0.18m器件上。在氧化硅中掺氟，材料的介电常数从3.9降到3.5。为了形成FSG膜，需要在SiH4和O2的混合反应气体中加入SiF4。采用FSG的一个问题是氟化学键的不稳定以及由此导致的腐蚀缺陷，需要限制氟的含量在6左右。如果氟遇到水就会产生腐蚀SiO2的HF。为了避免这种情况，可在淀积反应过程中引入H

37、来去除弱键和F原子。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0CVD设备：根据反应腔中的压力CVD可分为 常压CVD（APCVD)减压CVD减压CVD又可分为 低压CVD（LPCVD)等离子体辅助减压CVD 等离子体增强减压CVD (PECVD)高密度等离子体CVD (HDPCVD)5.3CVD淀积系统Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0CVD反应器的加热：热壁：不仅加热硅片，还加热硅片的支持物以及反应腔的侧壁。热壁 反应会在硅片表面和反应腔的侧壁上形成膜，

38、因而要求经常清 洗或者原位清除来减少颗粒沾污。冷壁：只加热硅片和硅片支持物。反应器的侧壁温度较低没有足够的 能量发生淀积。采用RF感应加热或者红外线加热。减少了反应 器中颗粒的形成。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0工艺 优点 缺点 应用APCVD 反应简单 台阶覆盖能力差 低温SiO2（常压CVD）淀积速度快 有颗粒沾污 （掺杂或不掺杂）低温 低产出率LPCVD 高纯度和均匀性 高温、低的淀积速率 高温SiO2、Si3N4（低压CVD）一致的台阶覆盖能力 需要更多的维护，要求 多晶硅、W、WSi2 大的硅片容量 真空系

39、统支持 等离子体辅助CVD 低温、快速淀积、好 要求RF系统，高成本 高的深宽比间隙填充 的台阶覆盖能力、好 压力远大于张力，化学 金属上的低温SiO2,的间隙填充能力 物质和颗粒沾污 ILD-1,ILD钝化Si3N4各种类型CVD反应器及其主要特点Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0一、APCVD（常压CVD）APCVD的优点：高的设备产量、优良的均匀性以及制造大直径硅 片的能力。APCVD的缺点：高的气体消耗，并

40、且需要经常清洁反应腔，由于 膜也会淀积在传送装置上，因而传送带装置也需 要洁净处理。APCVD淀积的膜台阶覆盖能力差。APCVD的应用：最常用来淀积SiO2和掺杂的氧化硅（如PSG、BPSG、FSG）。传统上这些膜通常作为层间介质 （ILD），保护性覆盖物或者表面平坦化。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0APCVD淀积SiO21、用SiH4淀积 SiO2工艺：在450500C低温，用氩气或氮气将SiH4稀释到很低含量 （体积百分比一般是210），用O2氧化SiH4来淀积SiO2。优势：在铝连线上作为ILD的SiO2淀积。

41、缺点：台阶覆盖能力和间隙填充能力很差，所以对于关键的ULSI，APCVD并不适用。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.02、用TEOS臭氧淀积SiO2TEOS一种有机液体，正硅酸乙酯，分子式Si(C2H5O4)。臭氧包含三个氧原子，比氧气具有更强的反应活性。工艺：在低温400 C，用一种输运气体如氮气传送TEOS气体混合物 到达反应腔，与臭氧发生反应，淀积SiO2。反应方程式：Si(C2H5O4)+8O3 SiO2 +10H2O +8CO2优点：对于高的深宽比的槽有优良的覆盖填充能力；反应过程中仅 利用热CVD工艺淀积SiO

42、2，避免了硅片表面和边角损伤。缺点：用APCVD TEOSO3淀积的SiO2膜多孔，需要回流来去掉潮 气并增加膜密度。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0二、LPCVD（低压CVD）优点:更低的成本、更高的产量及更好的膜性能。通常在中等真空度 下，反应温度一般为300900 C。常规的氧化炉及多腔集成 设备都可以应用于LPCVD。LPCVD是反应速度限制，在减压条件 下，增加反应气体分子扩散到硅片的气体质量传输不再限制反 应速度，只有严格控制温度。具有优良的台阶覆盖能力。缺点：是热壁，颗粒淀积在反应器的内壁上。需要周期性的

43、维护来 去除反应腔内的颗粒。清洁方法：取出脏的石英管，用手工转动内部泡有HF的管道。原位清洁：采用能与反应器内壁上固体沉积物反应的等 离子体发生氟气，生成挥发性生成物并排出系统；另一种原 位清洁是用ClF3，在高温下进行热清洁。原位清洁减少了设 备的停工时间，降低了颗粒数，减少了个人接触化学物质的机会。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0LPCVD应用1、淀积SiO2（1）用TEOS制备SiO2在低压650750 C下，热分解TEOS，可以加入O2（也可以不加）。TEOS用载流气体携带。由于气体分子在表面的快速扩散，可以制

44、作均匀性优异的SiO2。（2）用硅烷制备SiO2在较低的温度450 C下，淀积SiO2。类似于APCVD淀积SiO2。但这种工艺的台阶覆盖能力差。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.02、淀积氮化硅 Si3N4通常被用作硅片最终的钝化保护层，因为它能很好地抑制杂质和潮气的扩散。用LPCVD淀积，可获得具有良好阶梯覆盖能力和高度均匀的Si3N4膜。Si3N4也被用作掩膜材料。由于Si3N4具有高的介电常数，不能作为ILD绝缘介质，它会导致导体之间大的电容。淀积工艺：在700800 C下，用二氯二氢硅（SiCl2H2)和氨气（N

45、H3)反应淀积Si3N4。反应方程式：3 SiCl2H2（g)+4 NH3(g)Si3N4(s)+6HCl（g)+6H2(g)Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.03、多晶硅多晶硅膜通常用LPCVD方法。MOS器件中，常用掺杂的多晶硅作为栅电极。用掺杂的多晶硅作为栅电极的原因：通过掺杂可得到特定的电阻和二氧化硅优良的界面特性和后续的高温工艺的兼容性比金属电极 更高的可靠性在陡峭的结构上淀积的均匀性实现栅的自对准工艺Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0多晶

46、硅淀积的方法：温度：575650C，反应：低压用纯硅烷或者含量为20%30%的硅烷和氮气的混合气体通入反应系统，在压强0.21.0 托条件下淀积多晶硅。化学反应：SiH4(g)Si(s)+2H2(g)掺杂：向反应混合气体中加入AsH3、PH3、B2 H6等进行原位掺杂。也可在淀积后用离子注入进行掺杂。多晶硅掺杂后的电阻高度依赖于淀积温度、掺杂浓度以及退火温度对晶粒大小的影响。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.04、氧化氮化硅含氧的氮化硅称为氧化氮化硅（SiOXNY)，它兼有氧化硅和氮化硅的优点：（1）与氮化硅相比，氧化氮化

47、硅改善了热稳定性、抗断裂能力、降低的膜应力。（2）氧化氮化硅的另一个优点是膜中的氮积累在硅界面处，减少了拉伸的硅-氧键的浓度，减少了热载流子的产生。对于薄栅氧来说，在Si/SiO2界面处的氧化氮化硅层可以改进器件的电学性能。氧化氮化硅的制备：用NH3氮化二氧化硅，或者直接生长SiOXNY（通过SiH4、N2O、NH3反应制备）。氮化硅 和氧化氮化硅通常作为绝缘介质膜进行选择刻蚀的刻蚀终止层。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0三、等离子体辅助CVD在CVD过程中使用等离子体 的好处：更低的工艺温度（250450C）对高的深

48、宽比间隙有好的填充能力淀积的膜对硅片有优良的黏附能力高的淀积速率少的针孔和空洞，因而有高的膜密度工艺温度低，因而应用范围广Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.01、膜的形成在真空腔中施加射频功率使气体分子分解，就会发生等离子体增强CVD并淀积形成膜。被激发的分子具有化学活性很容易与其他原子键合形成黏附在硅片表面的膜。反应过程（共分8步）：反应物进入反应室电场使反应物分解薄膜初始物形成初始物吸附初始物扩散到衬底中表面反应副产物的解吸附作用副产物去除Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.

49、0DYNAMICS 11.02、等离子体增强CVD（PECVD）等离子体增强CVD过程使用等离子体能量来产生并维持CVD反应。与LPCVD相比，PECVD的反应温度远远低于LPCVD的反应温度。如LPCVD淀积氮化硅的温度一般是800900C，而铝的熔点是660C，因此不能用LPCVD在铝上淀积氮化硅，而应用采用淀积温度为350C的PECVD就很合适。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.03、高密度等离子体CVD（HDPCVD）HDPCVD：等离子体在低压下以高密度混合气体的形式直接接触到反应腔中硅片的表面。它主要的优点是可

50、以在300400C较低的淀积温度下，制备出填充高深宽比的间隙的膜。Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.02023-5-1976金属化金属化1多层互联多层互联2Training ManualDYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.0DYNAMICS 11.02023-5-1977 金属化是将金属薄膜淀积到半导体晶片表面的工金属化是将金属薄膜淀积到半导体晶片表面的工艺；艺；淀积方法：真空蒸发、溅射和淀积方法：真空蒸发、溅射和CVD方法；方法；IC 制备工艺中广泛使用的金属材料包括：制备工艺中广泛使用的金属材料包括：多晶