淀积表面薄膜的形成教学PPTppt

发布者:admin 发布时间:2019-10-26 03:28 浏览次数:

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  第章淀积表面薄膜的形成薄膜分类导电薄膜绝缘薄膜章作用作为器件、电路的一部分(电感)工艺中的牺牲层内容安排章SiOSiN多晶硅层章金属层本章目标介绍多层金属化。介绍薄膜的特性介绍薄膜生长的三个阶段。了解化学气相淀积CVD的个步骤及不同类型的反应。描述CVD反应如何受限制解释反应动力学以及对CVD掺杂薄膜的效应。介绍不同类型的CVD淀积系统解释设备功能讨论某种特定工具对薄膜应用的优点和局限。各自对应淀积的材料。解释绝缘材料对芯片技术的重要性。讨论外延技术和三种不同的外延层淀积方法。解释旋涂绝缘介质。引言:MSI的晶体管的各层薄膜不平ProcessFlowinaWaferFabFigureFilmLayeringinWaferFabDiffusionThinFilms薄膜的相关术语TerminologyMultilayerMetallizationMetalLayersDielectricLayers薄膜简介及主要应用金属层材料:铝、铜名称:M、M金属层:增加一层成本增加:关键层:底层金属M非关键层:上层金属考虑:速度与功耗寄生参数(电容、电感、电阻)MultilevelMetallizationonaULSIWaferMetalLayersinaChipMicrographcourtesyofIntegratedCircuitEngineeringPhoto介质层ILD层间介质interlayerdielectricSiO介电常数~之间作用:电学物理薄膜淀积薄膜:某一维尺寸远小于另外两维单位:埃Aring材料:SiO、SiN、多晶硅、铝、铜、钨(难熔金属)薄膜特性好的台阶覆盖能力填充高的深宽比能力好的厚度均匀性高纯度和高密度受控制的化学剂量高度的结构完整性和低膜应力好的电学特性对衬底或下层好的粘附性SolidThinFilmFigure膜对台阶的覆盖Figure不均匀的台阶覆盖膜淀积的外形Figure高深宽比间隙膜生长步骤晶核形成聚集成束(岛生长)形成连续膜高表面速率、低的成核速度低表面速率、高的成核速度无定形膜单晶多晶膜淀积技术CVDChemicalVaporDeposition化学气相淀积TheEssentialAspectsofCVD产生化学变化,化学反应或热分解(或高温分解)。膜中所有的材料物质都来自外部的源。CVD工艺中的反应物必须以气相形式参加反应。ChemicalVaporDepositionToolPhotographcourtesyofNovellus,SequelCVDPhotoCVD化学过程化学气相淀积过程有种基本的化学反应高温分解:通过加热化合物分解光分解:利用辐射使化合物分解还原反应:反应物质和氢发生反应氧化反应:反应物质和氧发生反应氧化还原反应:反应和反应组合反应后形成两种新的化合物CVDReactionCVD反应步骤(了解)速度限制:最慢过程决定(类似木桶原理)CVD气流动力学表面停滞层PressureinCVDDopingDuringCVDPSG磷硅玻璃PhosphosilicateGlassBSG硼硅玻璃FSG氟硅玻璃CVD工艺特点、CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软化点因而减轻了衬底片的热形变减小了沾污抑制了缺陷生成减轻了杂质的再分布适于制造浅结分立器件以及VLSI电路、薄膜的成分精确可控、配比范围大重复性好、淀积速率一般高于PVD(物理气相淀积如蒸发、溅射等)厚度范围从几百Aring至数毫米生产量大、淀积膜结构完整、致密与衬底粘附性好台阶覆盖性能好。CVD传输和反应步骤FigureGasFlowinCVDFigureGasFlowDynamicsattheWaferSurfaceFigureCVD的速度限制质量传输(输运)限制反应速度快提供反应的气体不足反应速度限制反应物都能够达到硅片表面反应速度慢CVD淀积系统CVDEquipmentDesignCVDreactorheatingCVDreactorconfigurationCVDreactorsummaryAtmosphericPressureCVD,APCVDLowPressureCVD,LPCVDPlasmaAssistedCVDPlasmaEnhancedCVD,PECVDHighDensityPlasmaCVD,HDPCVDCVD技术分类APCVD工艺化学反应在常压下进行气流的作用明显。APCVD的设备比较简单但是产量低片内及片间均匀性较差台阶覆盖能力差易产生雾状颗粒、粉末等。为提高均匀性必须提高稀释气体流量同时降低淀积温度。目前普遍采用LTCVD(常压下低温化学气相淀积)来淀积SiO和掺杂SiO膜如磷硅玻璃(PSG)。、基本化学反应稀释的SiH(硅烷)同过量O反应在热衬底上生长SiO:SiHOSiOH稀释的SiH和PH(磷烷)同过量O反应生成磷硅玻璃(PSG)PSG是一种两元玻璃质化合物:(x)SiHxPHO(SiO)x(PO)xH、常压LTCVD工艺特点()温度升高淀积速率增大淀积温度选择在~℃()SiH或O流量增大淀积速率增大()在保证足够淀积速率下应选择足够大的稀释气体(N)流量避免大量SiO白色粉末的形成同时提高均匀性()淀积的SiO或PSG膜均需在~℃温度下(N或惰性气体)处理~min目的在于提高膜的密度、抗蚀性及介电击穿强度。连续加工的APCVD反应炉APCVDTEOSO正硅酸乙酯-臭氧好的台阶覆盖性FigurePlanarizedSurfaceafterReflowofPSGFigurePSG磷硅玻璃SiO中掺杂磷特点:阻止杂质钠的扩散吸收杂质。柔软可以在~degC时流动可以得到平滑的外形。可以作为最后的钝化膜。压焊点处腐蚀开口。LPCVD硅片表面的边界层LPCVDReactionChamber淀积氧化物、氮化物和多晶硅Figure氧化层淀积LPCVDFigure、LPCVD工艺主要优点()较低的化学反应温度()良好的阶梯覆盖和均匀性()采用垂直方式的晶圆装载提高了生产效率和降低了在微粒中的暴露()对气体流动的动态变化依赖性低()气相反应中微粒的形成时间减少()反应可在标准的反应炉内完成二氧化硅:在大规模集成电路中LPCVDSiO有许多应用。LPCVD制备SiO的方法:低压度下热分解TEOS(正硅酸乙脂)可以加氧气也可以不加。膜的生长率约Aringmin用硅烷制备SiO:在较低温度下(度)氧化硅烷的方法LPCVD淀积SiO氮化硅(SiN):通常用做硅片最终的钝化层能很好的抑制杂质和潮气的扩散。用LPCVD淀积可以获得良好阶梯覆盖能力和高度均匀性的氮化硅膜。它具有高的介电常数因而不能作绝缘介质会导致导体间大的电容。LPCVD制备的氮化硅在膜的均匀性和产量上都比用APCVD淀积的要好。减压和℃条件下SiClH(气态)+NH(气态)=SiN(固态)+HCl(气态)+H(气态)多晶硅:多晶硅通常用LPCVD方法淀积。在MOS器件中掺杂的多晶硅作为栅电极。有掺杂多晶硅作栅电极的原因:通过掺杂可得到铁电的电阻和二氧化硅优良的界面特性和后续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在℃通过热分解硅烷用LPCVD淀积多晶硅SiH(气态)=Si(固态)+H(气态)栅电极多晶硅Figure温度:~degC掺杂多晶硅及对比多晶硅掺杂三种扩散高温过程电阻率很低掺杂浓度超过固溶度极限。迁移率~cmVs离子注入剂量大时电阻率高倍迁移率~cmVs低温过程淀积过程中加入杂质气体~迁移率~cmVs低温过程多晶硅温度系数:timesdegC,氧化氮化硅:含氧的氮化硅称为氧化氮化硅(SiOxNy)它具有氧化硅和氮化硅的优点。与氮化硅相比氧化氮化硅改善了热稳定性、抗断裂性、降低膜的应力。对薄栅氧来说在SiSiO界面处的氧化氮化硅可以改进器件的电学性能。可以用不同的技术来制备氧化氮化硅膜氧化SiN用NH氮化SiO或者直接生长SiOxNy。还可以通过SiH、NO、NH来反应制备。、LPCVD工艺分类()水平对流热传导LPCVD()超高真空CVD(UHVCVD)PECVD工艺(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)辉光放电等离子场中的高能电子撞击反应物气体分子使之激活并电离产生化学性质很活泼的自由基团并使衬底产生更为活泼的表面结点从而启动并加快了低温下的化学反应实现化学气相淀积的技术。、设备的组成反应室和衬底加热系统、射频功率源、供气及抽气系统。在CVD过程中使用等离子体的好处更低的工艺温度(℃)对高的深度比间隙有好的填充能力(用高密度等离子体)淀积的膜对硅片有优良的粘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淀积介质的反应温度产品淀积温度degCSiO~SiN~等离子SiN~等离子SiO~多晶硅~淀积速率随温度的变化淀积速率随压力变化CVD传输和反应步骤FigurePECVD淀积氧化物、氮化物,氮氧化硅和钨Figure低压CVD与等离子增强CVD氮化硅的性质比较Table高密度等离子CVDPhotoHighdensityplasmaHighlydirectionalduetowaferbiasFillshighaspectratiogapsBacksideHecoolingtorelievehighthermalload同步刻蚀-淀积淀积-刻蚀-淀积工艺高密度等离子体CVD(HDPCVD)工艺的五个步骤IoninduceddepositionSputteretchRedepositionHotneutralCVDReflectionHDPCVD特点:低温~degCFigure介质Dielectrics及特性DielectricConstantGapFillChipPerformanceLowkDielectricHighkDielectricDeviceIsolationLOCOSSTIPartProcessforDielectricGapFillFigureULSI中的低k材料介质层K=空气低k介质作为层间介质优点:减少相邻导线间的电耦合损失提高金属导线的传输速率。InterconnectDelay(RC)vs特征尺寸(m)的变化FigureTotalInterconnectWiringCapacitanceRedrawnwithpermissionfromSemiconductorInternational,SeptemberFigureLowkDielectricFilmRequirementsTableGeneralDiagramofDRAMStackedCapacitorsTaOFigureShallowTrenchIsolation旋涂绝缘介质SOD(SpinonDielectrics)SpinonGlass(SOG)SpinonDielectric(SOD)EpitaxyEpitaxygrowthmethodsVaporphaseepitaxyMetalorganicCVDMolecularbeamepitaxyQualityMeasuresCVDTroubleshootingGapFillwithSpinOnGlass(SOG)FigureHSQLowk绝缘介质工艺参数外延(Epitaxy)EpitaxyGrowthModelEpitaxyGrowthMethods气相外延VaporPhaseEpitaxy(VPE)金属有机外延MetalorganicCVD(MOCVD)分子束外延(MolecularBeamEpitaxy(MBE))高真空条件下严格控制外延层厚度和掺杂的均匀性。外延就是在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层。新淀积的这层称为外延层。外延为器件设计者在优化器件性能方面提供了很大的灵活性。IC制造中最普通的外延反应是高温CVD系统。如果外延层和衬底相同这样的生长的膜称为同质外延与衬底不一致称为异质外延(一般比较少)。外延硅通常采用CVD淀积系统。外延生长前必须清除硅片的自然氧化层、残余的有机杂质和金属杂质获得完美的表面。IC制备中一般采用以下三种外延方法:气相外延(VPE)、金属有机CVD(MOCVD)、分子束外延(MBE)气相外延(VPE)硅片制造中最常用的硅外延方法是气相外延(VPE)在温度为℃的硅片表面通过含有所需化学物质的气体化合物就可以实现气相外延。金属有机物CVD(MOCVD)可以指淀积金属以及氧化物的多晶或无定型膜。MOCVD是VPE的一种一般被用来淀积化合物半导体外延层。主要用于激光器、法光二极管以及光电集成电路。也可以用来为未来的IC制造淀积有机低K绝缘层。分子束外延(MBE)温度为~℃背景真空为~乇可以严格控制外延层厚度和掺杂的均匀性生长速率比较慢。外延材料优点提高材料的厚度均匀电阻率一致性好。降低隔离区面积提高集成度外延与衬底之间的区域有吸除缺陷的作用能够提高外延层的少子寿命。采用高阻薄外延层能够降低衬底寄生电容提高电路速度改善电路的功率特性和频率特性降低闭锁效应。SiliconEpitaxialGrowthonaSiliconWaferFigureIllustrationofVaporPhaseEpitaxyFigureSiliconVaporPhaseEpitaxyReactorsFigureCVD质量测量用PECVD淀积高深宽比的空洞膜应力膜厚度折射率EffectsofKeyholesinILDonMetalStepCoverageFigureCVD检查及故障排除与膜相关的污染膜厚度ChapterReviewSummaryKeyTermsReviewQuestionsEquipmentSuppliersrsquoWebSitesReferences最新课件及资料下载http:wlxtpptmainaspx电子科技大学现代教育中心网络学堂微电子工艺课程Pwd:或请在此邮箱中下载:iccom密码:hhxxttxs(好好学习天天向上的第一个拼音)附录:压力换算Pa帕bar巴kgfcmatm标准大气压at工程大气压Torr托mmHO毫米水柱mmHg毫米汞柱Psi磅寸Pa帕bar巴kgfcmatm标准大气压at工程大气压Torr托mmHO毫米水柱mmHg毫米汞柱Psi磅寸

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