工艺技术(薄膜工艺-淀积)ppt

发布者:admin 发布时间:2019-10-28 21:32 浏览次数:

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  引 言 随着特征尺寸越来越小,在当今的高级微芯片加工过程中,需要6层甚至更多的金属来做连接,各金属之间的绝缘就显得非常重要,所以在芯片制造过程中,淀积可靠的薄膜材料至关重要。 ULSI硅片上的多层金属化 芯片中的金属层 薄膜特性 好的台阶覆盖能力 填充高的深宽比间隙的能力 好的厚度均匀性 高纯度和高密度 受控制的化学剂量 低的膜应力 好的电学特性 对衬底材料或下层膜好的黏附性 膜对台阶的覆盖 如果淀积的膜在台阶上过渡的变薄,就容易导致高的膜应力、电短路。应力还可能导致衬底发生凸起或凹陷的变形。 高的深宽比间隙 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。 高的深宽比间隙 制备薄膜的方法之一: 化学汽相淀积(CVD) (Chemical Vapor Deposition) 通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。 产生化学变化 反应物必须以气相的形式参加反应 膜中所有材料物质都来源于外部的源 CVD传输和反应步骤 CVD的反应速度取决于质量传输和表面反应两个因素。 质量传输限制 CVD反应的速率不能超过反应气体从主气体流传输到硅片表面的速率。 在质量传输阶段淀积工艺对温度不敏感,这意味着无论温度如何,传输到硅片表面加速反应的反应气体的量都不足。在此情况下,CVD工艺通常是受质量传输所限制的。 速度限制 在更低的反应温度和压力下,反应物到达硅片表面的速度将超过表面化学反应的速度。 在更低的反应温度和压力下,由于只有更少的能量来驱动表面反应,表面反应速度会降低。最终反应物达到硅片表面的速度将超过表面化学反应的速度。在这种情况下。淀积速度是受化学反应速度限制的,此时称速度限制。 常压化学汽相淀积(APCVD) 质量传输限制,相对简单 低压化学汽相淀积(LPCVD) 反应速度限制,更好的膜性能 等离子增强化学汽相淀积(PECVD) 等离子体辅助 CVD 等离子体增强 CVD(PECVD) 高密度等离子体 CVD(HDPCVD) 各种类型 CVD 反应器及其主要特点 连续加工的APCVD 反应炉 LPCVD 为了获得低压,必须在中等线℃。 LPCVD的反应室通常是反应速度限制的。在这种低压条件下,反应气体的质量传输不再限制反应的速度。 与APCVD相比,LPCVD系统有更低的成本、更高的产量及更好的膜性能。 LPCVD LPCVD 淀积氧化硅 等离子体辅助CVD 等离子体 等离子体是一种高能量、离子化的气体。 当从中性原子中去除一个价电子时,形成正离子和自由电子。 在一个有限的工艺腔内,利用强直流或交流磁场或用某些电子源轰击气体原子都会导致气体原子的离子化。 离子的形成 CVD 过程中使用等离子体的好处 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。 在等离子体辅助 CVD 中膜的形成 PECVD 化学气相淀积的设备 Chemical Vapor Deposition (CVD) Tungsten 高密度等离子体淀积腔 CVD单晶硅 (外延): 最初的外延生长技术是指: 利用化学气相淀积的方法在单晶衬底上生长一薄层单晶硅的技术。 硅片上外延生长硅 外延的主要优点 可根据需要方便地控制薄层单晶的电阻率、电导类型、厚度及杂质分布等参数,增加了工艺设计和器件制造的灵活性。 硅气相外延炉 CVD二氧化硅: 可以作为金属化时的介质层,而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜等。 低温CVD氧化层:低于500℃ 中等温度淀积:500~800℃ 高温淀积:900℃左右 薄膜掺杂PSG、BSG、BPSG、FSG 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。 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。 金属的淀积 Chemical Vapor Deposition (CVD) Tungsten 小 结 薄膜特性要求 CVD反应步骤和原理 CVD分类 APCVD、LPCVD、PECVD CVD淀积不同材料 si 、sio2、多晶硅、氮化硅、金属 排气 排气 排气 RF加热 RF 加热 气体入口 气体入口 卧式反应炉 桶式反应炉 立式反应炉 TEOS Source Chemical Reactions WF6 + 3 H2 ? W + 6 HF Process Conditions Flow Rate: 100 to 300 sccm Pressure: 100 mTorr Temperature: 400 degrees C. * Confidential Figure 11.3 钝化层 压点金属 p+ Silicon substrate Via ILD-2 ILD-3 ILD-4 ILD-5 M-1 M-2 M-3 M-4 p- Epitaxial layer p+ ILD-6 LI oxide STI n-well p-well ILD-1 Poly gate n+ p+ p+ n+ n+ LI metal Photo 11.1 共形台阶覆盖 非共形台阶覆盖 均匀厚度 —制造业— 深宽比 = 深度 宽度 = 2 1 深宽比 = 500 ? 250 ? 500 ? D 250 ? W Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering CVD的种类 Table 11.2 硅片 膜 反应气体 2 反应气体 1 惰性分隔气体 (a) 气体注入类型 N2 反应气体 加热器 N2 N2 N2 N2 N2 硅片 (b) 通气类型 三温区加热部件 钉式热电偶 (外部,控制) 压力表 抽气至真空泵 气体入口 热电偶 (内部) 压力控制器 三温区加热器 加热器 TEOS N2 O2 真空泵 气流控制器 LPCVD 炉 温度控制器 计算机终端 工作接口 炉温控制器 尾气 中等线℃ 载气 载气 气态源 液态源 固态源 前驱物气体 前驱物/源 挥发 F +9 离子是质子(+)与电子(-)数不等地原子 电子从主原子中分离出来. 少一个电子的氟原子 到原子失去一个电子时产生一个正离子 F +9 具有质子(+9)和电子(-9)数目相等地中性粒子是原子 氟原子总共有7个价电子 价层环最多能有8个电子 价层电子 (-) 内层电子(-) 在原子核中的质子(未显示电子) PECVD 反应室 连续膜 8) 副产物 去除 1) 反应物进 入反应室 衬底 2) 电场使反 应物分解 3) 薄膜初始 物形成 4) 初始物吸附 5) 初始物扩散到衬底中 6) 表面反应 7) 副产物的解 吸附作用 排气 气体传送 RF 发生器 副产物 电极 电极 RF 场 Process gases Gas flow controller Pressure controller Roughing pump Turbo pump Gas panel RF generator Matching network Microcontroller operator Interface Exhaust Gas dispersion screen Electrodes Output Cassette Input Cassette Wafer Hander Wafers Water-cooled Showerheads Multistation Sequential Deposition Chamber Resistively Heated Pedestal Photo 11.4 P-silicon epi layer P+silicon substrate 用CVD淀积不同的材料薄膜 Si Si Cl Cl H H Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Cl H Cl H 化学反应 副产物 淀积的硅 外延层 多晶硅衬底 * Confidential * * 工艺 优点 缺点 应用 APCVD (常压CVD) 反应简单 淀积速度快 低温 台阶覆盖能力差, 有颗粒沾污 低产出率 低温二氧化硅 (掺杂或不掺杂). LPCVD (低压 CVD) 高纯度和均匀性, 一致的台阶覆盖能力,大的硅片容量 高温,低的淀积速率,需要更多的维护,要求真空系统支持 高温二氧化硅 (掺杂或不掺杂),氮化硅、多晶硅等 等离子体辅助 CVD: 等离子体增强CVD (PECVD) 高密度等离子体CVD (HDPCVD) 低温,快速淀积,好的台阶覆盖能力,好的间隙填充能力 要求RF系统,高成本,压力远大于张力,化学物质(如H2)和颗粒沾污 高的深宽比间隙的填充,金属上的SiO2,ILD-1,ILD, 为了双镶嵌结构的铜籽晶层,钝化( Si3N4).

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