淀积aa制是安定学习教案.pptx

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1、会计学1淀积淀积aa制是安定制是安定(ndng)第一页，共114页。9.1薄薄膜淀积膜淀积 所谓薄膜，是指在衬底上生长的薄的固体物质，其某一维的尺寸（通常是厚度）远远小于另外两维上的尺寸。这些(zhxi)膜很薄，以致它们的电学和机械学特性完全不同于同种材料的更厚的膜。在制造工艺中，多种不同类型的膜淀积到硅片上。在某些情况下，这些(zhxi)膜成为器件结构中的一个完整部分，另外一些膜则充当了工艺过程中的牺牲层，并且在后续的工艺中被去掉。第1页/共113页第二页，共114页。半半导导体体制制造造中中的的薄薄膜膜淀淀积积是是指指任任何何在在硅硅片片衬衬底底上通过化学或者物理方法淀积一层膜的工艺。上通

2、过化学或者物理方法淀积一层膜的工艺。这这层层膜膜可可以以是是导导体体、绝绝缘缘物物质质或或者者半半导导体体材材料。料。淀淀积积膜膜的的材材质质有有二二氧氧化化硅硅（SiO2SiO2）、氮氮化化硅硅（Si3N4Si3N4）、多多晶晶硅硅或或金金属属，比比如如(b(b r)r)铜铜和和难难熔熔金金属（如钨），以及金属化合物（如属（如钨），以及金属化合物（如TiNTiN）等。）等。这这类类薄薄膜膜在在半半导导体体制制造造工工艺艺中中广广泛泛用用于于介介质质绝绝缘缘层层，阻阻挡挡保保护护层层，栅栅极极，金金属属互互连连层层，种种子子层，扩散阻挡层等。层，扩散阻挡层等。第2页/共113页第三页，共114

3、页。淀积的氮化硅作为淀积的氮化硅作为淀积的氮化硅作为淀积的氮化硅作为(zuwi)(zuwi)阻挡保护阻挡保护阻挡保护阻挡保护层层层层Si3N4第3页/共113页第四页，共114页。淀积刻蚀制备(zhbi)多晶硅栅多晶硅栅第4页/共113页第五页，共114页。WAlSiO2Ti 互连工艺(gngy)中各类淀积的薄膜第5页/共113页第六页，共114页。薄膜特性薄膜特性薄膜特性薄膜特性(txng)(txng)在硅片加工中可以接受的膜必须具备在硅片加工中可以接受的膜必须具备需要的膜特性。为了满足需要的膜特性。为了满足(m(m nz)nz)器件性器件性能的要求，可以接受的膜一般应具有如能的要求，可以接

4、受的膜一般应具有如下特性：下特性：第6页/共113页第七页，共114页。1 1）好的台阶覆盖能力）好的台阶覆盖能力）好的台阶覆盖能力）好的台阶覆盖能力2 2）填充高的深宽比间隙的能力）填充高的深宽比间隙的能力）填充高的深宽比间隙的能力）填充高的深宽比间隙的能力3 3）好的厚度均匀性）好的厚度均匀性）好的厚度均匀性）好的厚度均匀性4 4）高纯度和高密度）高纯度和高密度）高纯度和高密度）高纯度和高密度5 5）受控制的化学剂量受控制的化学剂量受控制的化学剂量受控制的化学剂量6 6）高度的结构完整性和低的膜应力高度的结构完整性和低的膜应力高度的结构完整性和低的膜应力高度的结构完整性和低的膜应力7 7）

5、好的电学特性好的电学特性好的电学特性好的电学特性8 8）对衬底材料对衬底材料对衬底材料对衬底材料(cilio)(cilio)或下层膜好的粘附性或下层膜好的粘附性或下层膜好的粘附性或下层膜好的粘附性第7页/共113页第八页，共114页。（1 1）膜对台阶）膜对台阶）膜对台阶）膜对台阶(tiji)(tiji)的覆盖的覆盖的覆盖的覆盖n n图形制作在硅片表面生成三维的拓扑图形制作在硅片表面生成三维的拓扑(tu p)(tu p)形状，形状，这就形成了硅片表面的台阶和沟槽。如果淀积的膜这就形成了硅片表面的台阶和沟槽。如果淀积的膜在台阶上过度的变薄，就容易导致过高的膜应力，在台阶上过度的变薄，就容易导致过

6、高的膜应力，电短路或者在器件中产生步希望的诱生电荷。电短路或者在器件中产生步希望的诱生电荷。n n膜应力要尽可能的小，因为应力会导致衬底发生凸膜应力要尽可能的小，因为应力会导致衬底发生凸起或凹陷的变形。起或凹陷的变形。n n所有的淀积技术都会在膜中产生应力所有的淀积技术都会在膜中产生应力第8页/共113页第九页，共114页。膜对台阶膜对台阶膜对台阶膜对台阶(tiji)(tiji)的覆盖的覆盖的覆盖的覆盖共形台阶覆盖非共型台阶覆盖均匀厚度第9页/共113页第十页，共114页。（2 2）高的深宽比间隙）高的深宽比间隙）高的深宽比间隙）高的深宽比间隙(jin x)(jin x)n n深宽比用来描述硅

7、片上图形间隙的形貌，深宽比定义为间深宽比用来描述硅片上图形间隙的形貌，深宽比定义为间深宽比用来描述硅片上图形间隙的形貌，深宽比定义为间深宽比用来描述硅片上图形间隙的形貌，深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值。隙的深度和宽度的比值。隙的深度和宽度的比值。隙的深度和宽度的比值。n n对于亚对于亚对于亚对于亚0.25um0.25um尺寸的器件工艺，填充硅片表面上很小的尺寸的器件工艺，填充硅片表面上很小的尺寸的器件工艺，填充硅片表面上很小的尺寸的器件工艺，填充硅片表面上很小的间隙和孔的能力就成为最重要的薄膜工艺特性，例如穿过间隙和孔的能力就成为最重要的薄膜工艺特性，例如穿过间隙和孔的能力就成为最重要的薄

8、膜工艺特性，例如穿过间隙和孔的能力就成为最重要的薄膜工艺特性，例如穿过层间介质层间介质层间介质层间介质(ILD)(ILD)的通孔（的通孔（的通孔（的通孔（ViaVia），以及浅槽隔离），以及浅槽隔离），以及浅槽隔离），以及浅槽隔离(STI)(STI)的槽。的槽。的槽。的槽。n n高深宽比典型值大于高深宽比典型值大于高深宽比典型值大于高深宽比典型值大于3:13:1。高深宽比的间隙使得。高深宽比的间隙使得。高深宽比的间隙使得。高深宽比的间隙使得(shde)(shde)难难难难于淀积形成厚度均匀的膜，并且容易产生夹断（于淀积形成厚度均匀的膜，并且容易产生夹断（于淀积形成厚度均匀的膜，并且容易产生夹断

9、（于淀积形成厚度均匀的膜，并且容易产生夹断（pinch-pinch-offoff）和空洞。）和空洞。）和空洞。）和空洞。第10页/共113页第十一页，共114页。高深高深高深高深(goshn)(goshn)宽比宽比宽比宽比的间隙的间隙的间隙的间隙第11页/共113页第十二页，共114页。膜淀积的深宽比膜淀积的深宽比膜淀积的深宽比膜淀积的深宽比深宽比 =深度 宽度=2 1深宽比 =500 250 500 D250 W第12页/共113页第十三页，共114页。（3 3）厚度厚度厚度厚度(hud)(hud)均匀性均匀性均匀性均匀性n n薄膜要求具有均匀的厚度。因为薄膜要求具有均匀的厚度。因为(yn

10、wi)(yn wi)材料的电材料的电阻会随薄膜厚度的变化而变化，同时，膜层越薄，阻会随薄膜厚度的变化而变化，同时，膜层越薄，缺陷就越多，如针孔等，这会导致膜本身的机械强缺陷就越多，如针孔等，这会导致膜本身的机械强度降低。度降低。n n不均匀的薄膜在光刻中的影响也很大，导致侧壁倾不均匀的薄膜在光刻中的影响也很大，导致侧壁倾斜，粗糙和曝光不均匀等。斜，粗糙和曝光不均匀等。n n对于薄膜工艺，通常需要有良好的表面平坦度来尽对于薄膜工艺，通常需要有良好的表面平坦度来尽可能减少台阶和缝隙。可能减少台阶和缝隙。第13页/共113页第十四页，共114页。n n高纯度的膜意味着膜中没有那些会影响到膜质量的化高

11、纯度的膜意味着膜中没有那些会影响到膜质量的化学元素或原子。要避免沾污物（如可动离子沾污）和学元素或原子。要避免沾污物（如可动离子沾污）和颗粒颗粒(kl)(kl)。n n膜密度也是膜质量的重要指标，它显示了膜层中针孔膜密度也是膜质量的重要指标，它显示了膜层中针孔和空洞的多少。与无孔膜相比，一个多孔的膜的密度和空洞的多少。与无孔膜相比，一个多孔的膜的密度会更低，在一些情况下折射率也更小。会更低，在一些情况下折射率也更小。（4 4）膜的纯度）膜的纯度）膜的纯度）膜的纯度(chnd)(chnd)和密度和密度和密度和密度第14页/共113页第十五页，共114页。（5 5）化学）化学）化学）化学(huxu

12、)(huxu)剂量分析剂量分析剂量分析剂量分析n n理想的膜要具有均匀的组成成分。在化学理想的膜要具有均匀的组成成分。在化学(huxu)(huxu)反反应中随着化学应中随着化学(huxu)(huxu)物质的变化，化学物质的变化，化学(huxu)(huxu)剂剂量分析可以描述反应停止或者平衡后反应物和生成物量分析可以描述反应停止或者平衡后反应物和生成物量的变化。量的变化。n n淀积工艺的目标之一是要在反应中有合适数量的分子，淀积工艺的目标之一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以便使淀积得到的膜的组分接近于化学(huxu)(huxu)反应反应方程式中对应的组分比例。方

13、程式中对应的组分比例。n n组分比列对膜的化学组分比列对膜的化学(huxu)(huxu)物理性质以及机械性能物理性质以及机械性能的影响很大。的影响很大。第15页/共113页第十六页，共114页。（6 6）膜的结构）膜的结构）膜的结构）膜的结构(jigu)(jigu)n n在淀积工艺中，淀积物趋向聚集在淀积工艺中，淀积物趋向聚集(jj)(jj)并生成晶粒。并生成晶粒。如果膜层中晶粒大小变化，膜的电学和机械学特性如果膜层中晶粒大小变化，膜的电学和机械学特性就会发生变化，这将影响膜的长期可靠性。如：电就会发生变化，这将影响膜的长期可靠性。如：电迁移。迁移。n n膜生长中会产生不希望的应力使得硅片衬底

14、变形，膜生长中会产生不希望的应力使得硅片衬底变形，导致膜开裂，分层或者空洞的形成。如，氮化硅薄导致膜开裂，分层或者空洞的形成。如，氮化硅薄膜中混入氢杂质会导致压缩应力。膜中混入氢杂质会导致压缩应力。第16页/共113页第十七页，共114页。（7 7）膜的粘附）膜的粘附）膜的粘附）膜的粘附(zhn f)(zhn f)性性性性n n薄膜对衬底材料或下层膜材料都要有好的粘附性，以薄膜对衬底材料或下层膜材料都要有好的粘附性，以避免薄膜分层和开裂。避免薄膜分层和开裂。n n开裂的膜会导致膜表面粗糙开裂的膜会导致膜表面粗糙(cco)(cco)，杂质也可以穿，杂质也可以穿过膜。对于起隔离作用的膜，开裂会导致

15、电短路或者过膜。对于起隔离作用的膜，开裂会导致电短路或者漏电流。漏电流。n n薄膜表面的粘附性由表面洁净程度，薄膜能与之合金薄膜表面的粘附性由表面洁净程度，薄膜能与之合金的材料类型等决定。的材料类型等决定。第17页/共113页第十八页，共114页。薄膜生长薄膜生长薄膜生长薄膜生长 淀淀淀淀积积积积膜膜膜膜的的的的过过过过程程程程有有有有三三三三个个个个不不不不同同同同的的的的阶阶阶阶段段段段。第第第第一一一一步步步步是是是是晶晶晶晶核核核核形形形形成成成成，成成成成束束束束的的的的稳稳稳稳定定定定小小小小晶晶晶晶核核核核形形形形成成成成，这这这这一一一一步步步步发发发发生生生生在在在在起起起起

16、初初初初少少少少量量量量原原原原子子子子或或或或分分分分子子子子反反反反应应应应物物物物结结结结合合合合起起起起来来来来，形形形形成成成成附附附附着着着着在在在在硅硅硅硅片片片片表表表表面面面面的的的的分分分分离离离离的的的的小小小小膜膜膜膜层层层层的的的的时时时时候候候候。晶晶晶晶核核核核直直直直接接接接(zhji)(zhji)形形形形成于硅片表面，是薄膜进一步生长的基础。成于硅片表面，是薄膜进一步生长的基础。成于硅片表面，是薄膜进一步生长的基础。成于硅片表面，是薄膜进一步生长的基础。第18页/共113页第十九页，共114页。第二步聚集(jj)成束，也称为岛生长。这些随机方向的岛束依照表面的

17、迁移率和束密度来生长。岛束不断生长，直到第三步即形成连续的膜，这些岛束汇集合并形成固态的薄层并延伸铺满衬底表面。第19页/共113页第二十页，共114页。薄膜生长薄膜生长(shngzhng)的步骤的步骤连续的膜气体分子成核凝聚衬底第20页/共113页第二十一页，共114页。膜淀积技术膜淀积技术在在硅硅片片衬衬底底上上淀淀积积薄薄膜膜有有多多种种技技术术。其其中中主主要要的的淀淀积积方方法法(fngf)可可分分为为化化学学工工艺艺和和物物理理工工艺艺。见见表表9.1。本本 章章 主主 要要 介介 绍绍 用用 化化 学学 气气 相相 淀淀 积积（CVD）、外外延延和和旋旋涂涂绝绝缘缘介介质质（SO

18、D）方方法法(fngf)来来淀淀积积绝绝缘缘薄薄膜。膜。第21页/共113页第二十二页，共114页。第22页/共113页第二十三页，共114页。不同不同不同不同(b tn(b tn)淀积方法的应用淀积方法的应用淀积方法的应用淀积方法的应用n nCVDCVD通常用来淀积介质或金属膜。通常用来淀积介质或金属膜。n n旋涂绝缘介质应用液态介质膜，旋涂绝缘介质应用液态介质膜，SOGSOG是一种是一种(y zh(y zh n n)传统的局传统的局部平坦化方法。部平坦化方法。n n电镀技术在传统硅片制造工艺中甚少使用，但是在铜互连工艺电镀技术在传统硅片制造工艺中甚少使用，但是在铜互连工艺中有希望大规模使用

19、。中有希望大规模使用。n n溅射常用来淀积金属膜及种子层。溅射常用来淀积金属膜及种子层。n n蒸发是制备金属膜的传统方法，在被淘汰后，在蒸发是制备金属膜的传统方法，在被淘汰后，在lift-offlift-off工艺中有工艺中有所应用。所应用。第23页/共113页第二十四页，共114页。9.2化学化学(huxu)气相淀积气相淀积 化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition）是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体(qt)供给反应腔，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用或在基片表面的化学反应(热分解或化学合成)生成需要的薄膜。第24页/共113页第二

20、十五页，共114页。化学化学(huxu)气相淀积的基本性质气相淀积的基本性质n n工艺过程中发生化学反应。n n膜中所有(suyu)的材料物质都源于外部的源。n n工艺中的反应物均以气相的形式参加反应。第25页/共113页第二十六页，共114页。第26页/共113页第二十七页，共114页。的化学过程 CVD过程有5种基本(jbn)的化学反应:1高温分解 2光分解 3还原反应 4氧化反应 5氧化还原反应第27页/共113页第二十八页，共114页。反应反应反应反应 化化化化学学学学气气气气相相相相淀淀淀淀积积积积工工工工艺艺艺艺反反反反应应应应发发发发生生生生在在在在硅硅硅硅片片片片表表表表面面面

21、面或或或或者者者者非非非非常常常常接接接接近近近近表表表表面面面面的的的的区区区区域域域域，这这这这是是是是一一一一种种种种异异异异类类类类反反反反应应应应（也也也也叫叫叫叫表表表表面面面面催催催催化化化化）。某某某某些些些些反反反反应应应应会会会会在在在在硅硅硅硅片片片片表表表表面面面面的的的的上上上上方方方方(shn(shnfn)fn)较较较较高高高高区区区区域域域域发发发发生生生生，这这这这称称称称为为为为同同同同类类类类反反反反应应应应。同同同同类类类类反反反反应应应应是是是是要要要要避避避避免免免免的的的的，因因因因为为为为反反反反应应应应生生生生成成成成物物物物会会会会形形形形成成

22、成成束束束束状状状状物物物物，这这这这会会会会导导导导致致致致反反反反应应应应物物物物粘粘粘粘附附附附性性性性差差差差、低低低低密密密密度度度度和和和和高高高高缺缺缺缺陷陷陷陷。在在在在CVDCVD工工工工艺艺艺艺中中中中，需要异类反应来生成高质量的膜。需要异类反应来生成高质量的膜。需要异类反应来生成高质量的膜。需要异类反应来生成高质量的膜。第28页/共113页第二十九页，共114页。一一一一CVDCVD反应反应反应反应(fnyng)(fnyng)步骤步骤步骤步骤 基基基基 本本本本 的的的的 化化化化 学学学学 气气气气 相相相相 淀淀淀淀 积积积积 反反反反 应应应应(fnyng)(fny

23、ng)包含包含包含包含8 8个主要步骤见图个主要步骤见图个主要步骤见图个主要步骤见图9.49.4。1 1气体传输至淀积区域；气体传输至淀积区域；气体传输至淀积区域；气体传输至淀积区域；2 2膜先驱物的形成；膜先驱物的形成；膜先驱物的形成；膜先驱物的形成；3 3膜先驱物附着在硅片表面；膜先驱物附着在硅片表面；膜先驱物附着在硅片表面；膜先驱物附着在硅片表面；第29页/共113页第三十页，共114页。4膜先驱(xinq)物粘附；5膜先驱(xinq)物扩散；6表面反应；7副产物从表面移除；8副产物从反应腔移除。第30页/共113页第三十一页，共114页。CVDCVD传输传输传输传输(chun sh)(

24、chun sh)和反应步骤图和反应步骤图和反应步骤图和反应步骤图CVD 反应室衬底连续膜 8)副产物去除 1)反应物的质量传输副产物 2)薄膜先驱物反应 3)气体分子扩散 4)先驱物的吸附 5)先驱物扩散到衬底中 6)表面反应 7)副产物的解吸附作用排气Gas delivery第31页/共113页第三十二页，共114页。二速度限制阶段二速度限制阶段二速度限制阶段二速度限制阶段 整整整整个个个个淀淀淀淀积积积积的的的的速速速速率率率率取取取取决决决决于于于于8 8个个个个过过过过程程程程中中中中最最最最慢慢慢慢的的的的一一一一步步步步，即即即即扩扩扩扩散散散散(kusn)(kusn)速速速速率率

25、率率或或或或沉积速率（表面反应速率）沉积速率（表面反应速率）沉积速率（表面反应速率）沉积速率（表面反应速率）第32页/共113页第三十三页，共114页。u扩散速率沉积速率沉积速率uu uu 通过扩散通过扩散(kusn)到达表到达表面的气体量很大，表面反应来面的气体量很大，表面反应来不及消化扩散不及消化扩散(kusn)进入的进入的反应物，此时的机制即为表面反应物，此时的机制即为表面反应限制（反应限制（surface reaction limited）的；通常发生于低温）的；通常发生于低温时。时。第34页/共113页第三十五页，共114页。三三CVD气流动力学气流动力学所所谓谓气气体体流流动动，指

26、指的的是是反反应应气气体体输输送送到到硅硅片片表表面面的的反反应应区区域域（见见图图9.5）。CVD气气体体流流动动的的主主要要因因素素包包括括(boku)，反反应应气气体体从从主主气气体体流流中中到到硅硅片片表表面面的的输输送以及在表面的化学反应速度。送以及在表面的化学反应速度。第35页/共113页第三十六页，共114页。在在在在CVDCVD中的气流中的气流中的气流中的气流(qli)(qli)气流淀积的膜 硅衬底反应产物反应物的扩散第36页/共113页第三十七页，共114页。在硅片表面的很小区域里，由于摩擦力的作用，气体流动为零或者接近零，这导致产生了一个气体流动边界层，距离表面越远气流速率

27、越大，在足够远处气体达到了某一平均气流速度。如果边界层范围很窄，那么在接近硅片表面区域可认为边界层是不动的，也称为停滞(tngzh)层（参看图9.6）。第37页/共113页第三十八页，共114页。在硅片表面在硅片表面(biomin)的气流的气流 气流 边界层 气流停滞层第38页/共113页第三十九页，共114页。四四CVD反应中的压力反应中的压力如果如果CVD发生在低压下，反发生在低压下，反应气体通过边界层到达表面的扩散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（也会加强从衬底移到衬底的输运（也会加强从衬底移除反应副产物的作用）。在除

28、反应副产物的作用）。在CVD反应中低压的作用就是反应中低压的作用就是(jish)使使反应物更快地到达衬底表面。这种反应物更快地到达衬底表面。这种情况下，表面反应速率成为限制的情况下，表面反应速率成为限制的步骤，即在较低压下步骤，即在较低压下CVD工艺是工艺是反应速度限制的。这意味着在反应反应速度限制的。这意味着在反应腔中硅片可以间隔很近地纵向叠堆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。的输运并不影响整步工艺。第39页/共113页第四十页，共114页。五五CVD过程中的掺杂过程中的掺杂(chnz)CVD淀淀积积过过程程中中

29、，在在SiO2中中掺入杂质对硅片加工来说很重要。掺入杂质对硅片加工来说很重要。例例如如，在在淀淀积积SiO2的的过过程程中中，反反应应气气体体中中加加入入PH3后后，会会形形成成磷磷硅硅玻玻璃璃（由由P2O5和和SiO2的的混混合物共同组成）。称为合物共同组成）。称为PSG。而而用用乙乙硼硼烷烷（B2H6）替替代代磷磷烷烷（PH3），就就可可得得到到硼硼硅硅玻玻璃璃（BSG）。在在SiO2中中掺掺入入氟氟，就得到了氟硅玻璃（就得到了氟硅玻璃（FSG）。）。它它作作为为第第一一代代低低k值值淀淀积积材材料料被用在被用在0.18m器件上。器件上。第40页/共113页第四十一页，共114页。六氧化硅

30、掺杂和硅掺杂六氧化硅掺杂和硅掺杂需需要要指指出出氧氧化化硅硅掺掺杂杂不不同同于于硅硅掺掺杂杂。对对硅硅掺掺杂杂，在在一一个个单单晶晶向向结结构构中中，在在杂杂质质和和硅硅原原子子之之间间会会发发生生释释放放电电子子或或者者接接受受电电子子。淀淀积积的的氧氧化化硅硅是是一一种种无无定定型型的的晶晶体体结结构构，杂杂质质不不接接受受或或者者释释放放电电子子。杂杂质质可可以以调调整整SiO2的的物物理理特特性性，例例如如限限制制(xinzh)可可动动离离子的能力。子的能力。第41页/共113页第四十二页，共114页。9.3CVD9.3CVD淀积系统淀积系统淀积系统淀积系统(xtng)(xtng)各种

31、CVD装置都包括以下主要部分：1）反应气体输入部分；2）反应室；3）反应激活(j hu)能源供应部分；4）气体排出部分。第42页/共113页第四十三页，共114页。CVD装置装置(zhungzh)原理图原理图支架旋转加热装置基片薄膜反应室反应气体CVD反应尾气排出第43页/共113页第四十四页，共114页。化学化学化学化学(huxu)(huxu)气相淀积设备气相淀积设备气相淀积设备气相淀积设备第44页/共113页第四十五页，共114页。各种各种各种各种(zh zh n n)反应室（反应腔示意图）反应室（反应腔示意图）反应室（反应腔示意图）反应室（反应腔示意图）第45页/共113页第四十六页，共

32、114页。第46页/共113页第四十七页，共114页。APCVD发生在质量(zhling)输运限制区域。在任何给定时间，在硅片表面不可能有足够的气体分子供发生反应。由于反应在常压下进行，反应器设计能够相对简单并允许高的淀积速度。图9.7是两种不同类型的连续工艺APCVD系统。第47页/共113页第四十八页，共114页。连续连续连续连续(linx)(linx)加工的加工的加工的加工的APCVDAPCVD反应炉反应炉反应炉反应炉WaferFilmReactant gas 2Reactant gas 1Inert separator gas(a)气体注入类型N2Reactant gasesHeate

33、rN2N2N2N2N2Wafer(b)通气类型第48页/共113页第四十九页，共114页。连续工艺APCVD系统有高的设备产量、优良的均匀性以及制造大直径硅片的能力(nngl)。APCVD最经常的应用是淀积SiO2和掺杂的氧化硅。传统上这些膜通常作为层间介质、保护性覆盖物或者表面平坦化。第49页/共113页第五十页，共114页。APCVD的的问问题题是是：高高的的气气体体消消耗耗，并并且且需需要要(xyo)经经常常清清洁洁反反应应腔腔。由由于于膜膜也也会会淀淀积积到到传传送送装装置置上上，因因而而传传送送带带装装置置也也需需要要(xyo)洁洁净净处处理理（可可以以是是原原位位洁洁净净，或或是是

34、在在使使用用中中洁洁净净）。APCVD淀淀积积的的膜膜通通常常台阶覆盖能力差。台阶覆盖能力差。第50页/共113页第五十一页，共114页。LPCVD的反应腔通常是反应速度限制的。在这种减压条件下，增加反应气体分子扩散以便(ybin)到达硅片的气体质量传输不再限制反应的速度。只要严格控制温度，就可以在大量硅片表面淀积均匀的膜。第51页/共113页第五十二页，共114页。LPCVD的应用有：SiO2(做层间介质、浅槽隔离的填充物和侧墙等)；氮化硅（做钝化保护层或掩膜材料）；多晶硅（做栅电极(dinj)或电阻）；氧化氮化硅（兼有氧化硅和氮化硅的优点，改善了热稳定性、抗断裂能力、降低膜应力）。第52页

35、/共113页第五十三页，共114页。LPCVD LPCVD反应反应反应反应(f(f nyng)nyng)腔腔腔腔Three-zone heating elementSpike thermocouples(external,control)Pressure gaugeExhaust to vacuum pumpGas inletProfile thermocouples(internal)第53页/共113页第五十四页，共114页。LPCVDLPCVD水平式炉管和垂直水平式炉管和垂直水平式炉管和垂直水平式炉管和垂直(chuzh)(chuzh)式炉式炉式炉式炉管管管管第54页/共113页第五十五页

36、，共114页。等离子体辅助等离子体辅助等离子体辅助等离子体辅助CVDCVD 等等等等离离离离子子子子体体体体辅辅辅辅助助助助CVDCVD包包包包括括括括等等等等离离离离子子子子体体体体增增增增强强强强(zngqing)CVD(zngqing)CVD（PECVDPECVD）和和和和高高高高密密密密度度度度等等等等离离离离子子子子体体体体CVDCVD（HDPCVDHDPCVD）。在在在在CVDCVD过过过过程程程程中中中中使使使使用用用用等等等等离子体的好处是：离子体的好处是：离子体的好处是：离子体的好处是：第55页/共113页第五十六页，共114页。更低的工艺温度（250450）对高的深宽比间隙

37、有好的填充(tinchng)能力（用HDPCVD）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，因而应用范围广第56页/共113页第五十七页，共114页。等离子等离子等离子等离子CVDn n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并淀积成膜。n n通过(tnggu)等离子CVD淀积的膜通常不具备化学定量分析特点。n nPECVD的压强跟LPCVD可比拟，但是反应温度远低于LPCVD。n nPECVD是典型的冷壁等离子体反应，因而产生的颗粒更少。第57页/共113页第五十八页，共114页。PECVDPECVD应用应用

38、应用应用(yngyng)(yngyng)n nPECVD二氧化硅(r yng hu gu)n n SiH42N2OSiO22N22H2n nPECVD氮化硅n n SiH4NH3SixNyHzH2n n SiH4N2SixNyHzH2n nPECVD氮氧化硅n n 用N2O和Si3N4反应第58页/共113页第五十九页，共114页。高密度等离子体高密度等离子体高密度等离子体高密度等离子体(dnglz(dnglz t t)CVD)CVDn n高的等离子体密度和偏置给高能离子带来的定向高的等离子体密度和偏置给高能离子带来的定向使得使得HPCVDHPCVD淀积的薄膜可以填充高深宽比的间隙。淀积的薄膜

39、可以填充高深宽比的间隙。n nHDPCVDHDPCVD具有同步淀积和刻蚀的作用，使得高深具有同步淀积和刻蚀的作用，使得高深宽比的间隙可以良好填充并且没有空洞宽比的间隙可以良好填充并且没有空洞(kngdng)(kngdng)形成。形成。n n 第59页/共113页第六十页，共114页。高密度等离子体高密度等离子体高密度等离子体高密度等离子体(dnglz(dnglz t t)淀积腔淀积腔淀积腔淀积腔第60页/共113页第六十一页，共114页。淀积刻蚀淀积工艺淀积刻蚀淀积工艺淀积刻蚀淀积工艺淀积刻蚀淀积工艺(gngy)(gngy)用PECVD淀积的膜在间隙入口处产生的夹断现象，导致在间隙填充中的空洞

40、钥匙孔缺陷面包块效应金属SiO2解决方案如下：1)离子诱导薄膜初始产物的淀积2）氩离子溅射刻蚀掉间隙入口处多余的膜，在膜上导致斜面外形3)再淀积被刻蚀的材料。重复过程，最终形成上下一致的形貌Cap第61页/共113页第六十二页，共114页。9.49.4介质介质介质介质(jizh)(jizh)及其性能及其性能及其性能及其性能介电常数介电常数非非导导电电材材料料的的介介电电常常数数是是指指材材料料在在电电场场影影响响(yngxing)下下存存储储电电势势能能的的有有效效性性，也也就就是是代代表表隔隔离离材材料料作作为为电电容容的的能能力力。最最低低的的k值值为为1，代代表表空空气气。高高k介介质质

41、可可以以存存储储更更多多的的电电能能。低低k介介质质可可以降低寄生电容，减少信号延迟。以降低寄生电容，减少信号延迟。第62页/共113页第六十三页，共114页。一低一低k介电常数介电常数掺掺杂杂SiO2通通常常是是最最普普通通的的层层间间介介质质。减减小小绝绝缘缘介介质质的的k值值，可可以以减减少少相相邻邻导导线线间间的的电电耦耦合合损损失失，从从而而提提高高金金属属(jnsh)导导线线的的传传导导速速率率。对对于于金金属属(jnsh)线线间间隔隔很很近近的的小小尺尺寸寸器器件件，随随着着线线宽宽减减小小，导导体体和和介介质质的的电电耦耦合合效效应应会会增增加加，用用低低k值值材材料料可可以以

42、补补偿偿这一点。这一点。第63页/共113页第六十四页，共114页。线电容C正比与绝缘介质材料的k值。低k值的绝缘介质可以(ky)减小芯片总的互连电容，减小RC信号延迟，提高芯片性能，降低功耗。第64页/共113页第六十五页，共114页。互连延迟互连延迟互连延迟互连延迟(ynch)(ynch)（RCRC）与特征尺寸的关）与特征尺寸的关）与特征尺寸的关）与特征尺寸的关系系系系(m)m)2.52.01.51.00.500.51.01.52.0特征尺寸(mm)延迟时间(10-9 sec)互连延迟(RC)门延迟第65页/共113页第六十六页，共114页。ULSIULSI互连中具有应用互连中具有应用互连

43、中具有应用互连中具有应用(yngyng)(yngyng)潜力的低潜力的低潜力的低潜力的低K K值值值值ILDILD材料材料材料材料类型材料介电常数气相淀积聚合物玻璃状氟硅酸盐3.54.0聚对二甲苯氮2.6聚对二甲苯氟2.42.5黑金刚石（掺碳氧化物）2.73.0聚四氟乙烯1.93旋涂聚合物聚胺2.7-2.9SiLK芳香族碳氢聚合物2.7无定形氟化硅2.1干凝胶（多孔二氧化硅）1.1-2.0第66页/共113页第六十七页，共114页。【例题【例题(lt)】1.估算两条平行铝导线估算两条平行铝导线(doxin)的本征的本征RC。导线。导线(doxin)的横的横截面积为截面积为0.50.5um,长为

44、长为1mm，它们被介电常数它们被介电常数k=2.7的聚酰亚的聚酰亚胺电介质所隔开，其厚度为胺电介质所隔开，其厚度为0.5um。已知铝的电阻率为。已知铝的电阻率为。第67页/共113页第六十八页，共114页。低低低低K K绝缘绝缘绝缘绝缘(juyun)(juyun)介质的要求介质的要求介质的要求介质的要求n n电学电学n n机械学机械学n n热学热学(rxu)n n化学化学n n工艺工艺n n金属化金属化第68页/共113页第六十九页，共114页。Intel 8层互连工艺层互连工艺(gngy)第69页/共113页第七十页，共114页。二高二高k介电常数介电常数现现在在对对高高k介介电电常常数数材

45、材料料也也研研究究的的非非常常多多。这这主主要要是是为为了了在在DRAM存存储储器器中中的的应应用用以以及及最最终终取代超薄栅氧。取代超薄栅氧。DRAM存存 储储 单单 元元 的的 设设 计计(shj)采采用用了了复复杂杂的的叠叠层层电电容容结结构构，如如果果用用高高k介介电电常常数数材材料料替替代代传传统统的的SiO2/SiNx结结构构，就就可可获获得得更更简简单单的的叠叠层层结结构构而而降降低低制制作作成成本本。在在小小于于0.1微微米米的的器器件件中中，栅栅氧氧的的厚厚度度只只有有几几个个埃埃或或十十几几个个埃埃，隧隧穿穿电电流流会会成成为为一一个个严严重重的的问问题题，这需要有新的高这

46、需要有新的高k栅介质材料。栅介质材料。第70页/共113页第七十一页，共114页。可用于替代可用于替代(tdi)的高的高K材料材料材料材料介电常数介电常数二元材料二元材料Ta2O525TiO240Si3N47Y2O317顺电钙钛矿顺电钙钛矿SrTiO3140(Ba1-xSrx)TiO3300-500Ba(Ti1-xZrx)O3300(Pb1-xLax)(Zr1-yTiy)O3800-1000Pb(Mg1/3Nb2/3)O31000-2000铁电钙钛矿铁电钙钛矿Pb(Zr0.47Ti0.53)O31000第71页/共113页第七十二页，共114页。【例题【例题(lt)】2.【书P142】：一个D

47、RAM电容器具有下列(xili)参数：C=40fF，A=1.28m2，SiO2的k=3.9。如果用Ta2O5取代SiO2，厚度不变，那么电容器的等效面积变为多少？第72页/共113页第七十三页，共114页。器件隔离器件隔离MOS器器件件制制造造中中的的器器件件隔隔离离技技术术为为硅硅片片上上的的器器件件提提供供了了电电学学隔隔离离。隔隔离离技技术术用用来来减减少少或或消消除除(xioch)在在MOS平平面面制制造造中中的的寄寄生场效应晶体管。生场效应晶体管。第73页/共113页第七十四页，共114页。一一.局部氧化（局部氧化（LOCOS）对对于于特特征征尺尺寸寸为为0.35m以以及及更更大大的

48、的器器件件，传传统统上上采采用用硅硅的的局局部部氧氧化化技技术术来来隔隔离离。该该技技术术采采用用图图形形化化的的Si3N4岛岛来来定定义义氧氧生生长长的的区区域域。限限制制LOCOS隔隔离离在在特特征征尺尺寸寸小小于于或或等等于于0.25m工工艺艺中中应应用用的的主主要要因因素素是是硅硅氧氧化化过过程程中中氧氧的的侧侧向向(cxin)生生长长，即即产产生生鸟鸟嘴嘴效效应应，侧侧向向(cxin)生生长长为为最最小小面面积积和和可可获获得得的的表表面面形形貌貌增增加加了了天然的限制。天然的限制。第74页/共113页第七十五页，共114页。silicon substratep-welln-well

49、CMOSLOCOS IsolationGrow Thin OxideDeposit NitrideDeposit ResistUV ExposureDevelop ResistEtch NitrideRemove Resist第75页/共113页第七十六页，共114页。CMOSLOCOS Isolationsilicon substratep-welln-wellDeposit ResistUV ExposureDevelop ResistField Implant BRemove ResistGrow Field OxideFoxRemove NitrideRemove Oxide第76页/

50、共113页第七十七页，共114页。鸟嘴鸟嘴鸟嘴鸟嘴(ni(ni o zuo zu)效应效应效应效应SEMSEM剖面图剖面图剖面图剖面图第77页/共113页第七十八页，共114页。二二.浅槽隔离（浅槽隔离（STI）在在0.25m和和以以下下(yxi)的的工工艺艺中中，浅浅槽槽隔隔离离技技术术被被广广泛泛应应用用。STI取取代代LOCOS的的原原因因有有如如下下几几点：点：1）更有效的器件隔离的需要。）更有效的器件隔离的需要。2）对对晶晶体体管管隔隔离离而而言言，表表面面积积显著减小；显著减小；3）超强的闩锁保护能力；）超强的闩锁保护能力；4）对沟道没有侵蚀；）对沟道没有侵蚀；5）与）与CMP的兼