1、1薄膜气相淀积工艺薄膜气相淀积工艺23q半导体薄膜：半导体薄膜：Si，GaAsq介质薄膜介质薄膜:SiO2,BPSG,Si3N4,q金属薄膜金属薄膜:Al,Cu 在集成电路制备在集成电路制备中，许多材料由中，许多材料由淀积工艺淀积工艺形成形成4Silicon substrateOxide宽宽长长厚厚与衬底相比与衬底相比薄膜非常薄薄膜非常薄Figure 11.4薄膜薄膜是指一种在衬底上生长的薄固体物质。如果一是指一种在衬底上生长的薄固体物质。如果一种种固体物质具有三维尺寸，固体物质具有三维尺寸，那么那么薄膜是指一维尺寸薄膜是指一维尺寸远远小于两外两维上的尺寸。远远小于两外两维上的尺寸。5对薄膜的
2、要求对薄膜的要求1.Desired composition,low contaminates,good electrical and mechanical properties.组分正确，沾污少，电和组分正确，沾污少，电和 机械性能好机械性能好2.Uniform thickness across wafer,and wafer-to-wafer.每一硅片和硅片之间均匀性好每一硅片和硅片之间均匀性好3.Good step coverage(“conformal coverage”).台阶覆盖性好台阶覆盖性好4.Good filling of spaces.填充性好填充性好5.Planarized
3、 films.平整性好平整性好 6Step Coverage Issues:7Filling Issues:8Examples or problems in actual structures.a)stepcoverage in sputter deposition of Al.b).voids inCVD oxide9可以用可以用深宽比深宽比来描述一个小间隙（如槽或孔）来描述一个小间隙（如槽或孔）深宽比定义深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值为间隙的深度和宽度的比值高深宽比间隙难淀积均匀厚度的膜。高深宽比间隙难淀积均匀厚度的膜。随着集成电随着集成电路特征尺寸的不断减小，对于高深宽比间隙的均路特
4、征尺寸的不断减小，对于高深宽比间隙的均匀、无空洞的填充淀积工艺显得至关重要。匀、无空洞的填充淀积工艺显得至关重要。10Two main types of deposition methods have beendeveloped and are used in CMOS technology:两种主要的淀积方式两种主要的淀积方式 Chemical Vapor Deposition(CVD)-APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD Physical Vapor Deposition(PVD)-evaporation,sputter deposition化学气相淀积化学气相淀积物理气相淀
5、积物理气相淀积n区别在于：区别在于：反应物的来源是否经过化学变化。反应物的来源是否经过化学变化。1112化学气相沉积化学气相沉积是利用是利用气态气态化合物或化合物的混合物在化合物或化合物的混合物在基体受热面上基体受热面上发生化学反应发生化学反应，从而在基体表面上生成，从而在基体表面上生成不挥发的涂层。不挥发的涂层。化学气相沉积化学气相沉积(CVD)(CVD)3 3个要点：个要点：1.产生产生化学变化；化学变化；2.膜中膜中所有的所有的材料材料物质都源于外部的源；物质都源于外部的源；3.化学气相淀积工艺中的化学气相淀积工艺中的反应物必须以气相形式参加反应物必须以气相形式参加反应。反应。13CVD
6、工艺优点n（1）CVD成膜成膜温度温度远远低于体材料的熔点低于体材料的熔点。因此减轻了。因此减轻了衬底片的热形变，衬底片的热形变，抑制了缺陷生成抑制了缺陷生成;设备简单，重复性设备简单，重复性好；好；n（2）薄膜的）薄膜的成分精确可控、配比范围大成分精确可控、配比范围大；n（3）淀积速率一般高于）淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如蒸发、（物理气相淀积，如蒸发、溅射等），溅射等），效率高；厚度范围广效率高；厚度范围广，由几百埃至数毫米，由几百埃至数毫米，可以实现厚膜淀积可以实现厚膜淀积，且能大量生产；，且能大量生产；n（4）淀积膜）淀积膜结构完整、致密，良好的台阶覆盖能力，结构完整、致密，
7、良好的台阶覆盖能力，且与衬底粘附性好且与衬底粘附性好。n（5）CVD方法几乎方法几乎可以淀积可以淀积集成电路工艺中所需要的集成电路工艺中所需要的各种薄膜各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属氮化硅、金属(钨、钼钨、钼)等等缺点是缺点是淀积过程容易淀积过程容易对薄膜表面形成污染、对薄膜表面形成污染、对环境的污染对环境的污染等等14 CVD CVD过程过程15(1)常压化学气相淀积（常压化学气相淀积（APCVD）；）；(2)低压化学气相淀积（低压化学气相淀积（LPCVD）；）；(3)等离子体辅助等离子体辅助 CVD等离子体增强化学气相
8、淀积（等离子体增强化学气相淀积（PECVD）高密度等离子体化学气相淀积（高密度等离子体化学气相淀积（HDPCVD）另外还有另外还有次常压化学气相淀积次常压化学气相淀积SAPCVD SAPCVD（sub sub atmosphere pressure CVDatmosphere pressure CVD）和）和MOCVDMOCVD等。等。常用的常用的CVDCVD技术有：技术有：161.1.常压常压化学气相淀积化学气相淀积(NPCVD NormalPressureCVD)(APCVD Atmosphere Pressure)常压化学气相淀积常压化学气相淀积(APCVD/NPCVD)(APCVD/N
9、PCVD)是指在是指在大气压下大气压下进行的一种化学气相淀积的方法，进行的一种化学气相淀积的方法，这是化学气相淀积这是化学气相淀积最初所采用的方法最初所采用的方法。17APCVD系统示意图系统示意图418nAPCVD的缺点：的缺点：n 1.硅片水平放置，量产受限，易污染。硅片水平放置，量产受限，易污染。n 2.反应速度受多种因素影响，反应室尺寸、气体反应速度受多种因素影响，反应室尺寸、气体流速、硅片位置等都会影响速度。流速、硅片位置等都会影响速度。n 3均匀性不太好，均匀性不太好，所以所以APCVD一般用在厚的介一般用在厚的介质淀积。质淀积。nAPCVD系统的优点系统的优点:n具有具有高沉积速
10、率高沉积速率，可达，可达600010000埃埃/min通常在集成电路制程中。通常在集成电路制程中。APCVD只应用于只应用于生长保护钝化层。生长保护钝化层。192.2.低压化学汽相淀积低压化学汽相淀积(LPCVD)(LPCVD)随着半导体工艺特征尺寸的减小，对薄膜随着半导体工艺特征尺寸的减小，对薄膜的的均匀性要求均匀性要求及膜厚的及膜厚的误差要求误差要求不断提高，不断提高，出现了出现了低压化学气相淀积低压化学气相淀积(LPCVD)。低压化低压化学气相淀积是学气相淀积是指系统工作在较低的压强下指系统工作在较低的压强下(一一般在般在100Pa以下以下)的一种化学气相淀积的方法。的一种化学气相淀积的
11、方法。LPCVD技术不仅用于制备技术不仅用于制备硅外延层硅外延层，还广泛，还广泛用于各种用于各种无定形钝化膜无定形钝化膜及及多晶硅薄膜多晶硅薄膜的淀积，的淀积，是一种重要的薄膜淀积技术。是一种重要的薄膜淀积技术。2021n在这个系统中沉积室在这个系统中沉积室(deposition chamber)是由石英管是由石英管(quartz tube)所构成，而所构成，而芯片芯片则则是是竖立竖立于一个特制的固定架上，于一个特制的固定架上，可以扩大可以扩大装片量装片量。n在在LPCVD系统中须要安装一个系统中须要安装一个抽真空系统，抽真空系统，使沉积室内保持在所设定的低压状况，并使沉积室内保持在所设定的低
12、压状况，并且且使用压力计使用压力计来来监控监控制程制程压力压力22nLPCVD系统的优点：系统的优点：具有优异的薄膜均匀度，具有优异的薄膜均匀度，以及较佳的阶梯覆盖能力，并且可以沉积大面以及较佳的阶梯覆盖能力，并且可以沉积大面积的芯片；积的芯片；nLPCVD的缺点：的缺点：沉积速率较低，而且经常使用沉积速率较低，而且经常使用具有毒性、腐蚀性、可燃性的气体。具有毒性、腐蚀性、可燃性的气体。n由于由于LPCVD所沉积的薄膜具有较优良的性质，所沉积的薄膜具有较优良的性质，因此在集成电路制程中因此在集成电路制程中LPCVD是用以是用以成长单晶成长单晶薄膜薄膜及其对及其对品质要求较高的薄膜品质要求较高的
13、薄膜。23n APCVDAPCVD生长速率快生长速率快，但成但成膜均匀性不好膜均匀性不好，容易产容易产生生影响薄膜质量的影响薄膜质量的微粒微粒，基本不应用于集成电路基本不应用于集成电路制造。制造。LPCVDLPCVD反应系统一般要求反应系统一般要求温度在温度在650650以上，以上，不能应用到后段不能应用到后段。后段工艺中薄膜生长的反应温度较低后段工艺中薄膜生长的反应温度较低，需，需引入引入额额外的外的非热能能量非热能能量或或降低反应所需激活能降低反应所需激活能以得到足以得到足够反应能量。够反应能量。24n前者代表是前者代表是PECVDPECVD和和HDPCVDHDPCVD，等离子体提供等离子
14、体提供的能量大大降低反应所需热能，从而降低反的能量大大降低反应所需热能，从而降低反应温度到应温度到400400以下；以下；后者代表是采用后者代表是采用TEOS TEOS 与与O O3 3反应系统的反应系统的SACVDSACVD，由于由于O O3 3在较低温度下在较低温度下就可以提供氧自由基，反应所需激活能小于就可以提供氧自由基，反应所需激活能小于TEOSTEOS与与O2 O2 系统，因此较低温度下也可以提系统，因此较低温度下也可以提供足够的淀积速率。供足够的淀积速率。25 等离子体增强化学气相淀积等离子体增强化学气相淀积(PECVD)是是指采用指采用高频等离子体高频等离子体驱动的一种气相淀积驱
15、动的一种气相淀积技术，是一种射频辉光放电的技术，是一种射频辉光放电的物理过程和物理过程和化学反应化学反应相结合的技术。该气相淀积的方相结合的技术。该气相淀积的方法法可以在非常低的衬底温度下淀积薄膜可以在非常低的衬底温度下淀积薄膜，例如在铝例如在铝(AL)上淀积上淀积Si02。工艺上。工艺上PECVD主要用于淀积绝缘层。主要用于淀积绝缘层。3.等离子体增强化学气相淀积等离子体增强化学气相淀积PCVD 或或PECVD：Plasma-enhanced CVD26nPECVD是在低压气体上施加一个高频电场，使气体电是在低压气体上施加一个高频电场，使气体电离，产生等离子体。等离子体中的电子和离子，在电离
16、，产生等离子体。等离子体中的电子和离子，在电场作用下，不断旋转和运动，获得能量而被加速。这场作用下，不断旋转和运动，获得能量而被加速。这些高能粒子与反应气体分子、原子不断发生碰撞，使些高能粒子与反应气体分子、原子不断发生碰撞，使反应气体电离或被激活成性质活泼的活性基团。反应气体电离或被激活成性质活泼的活性基团。高化高化学活性的反应物学活性的反应物可可使成膜反应在较低温度下进行。使成膜反应在较低温度下进行。27热板式热板式PECVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图28nPECVD的沉积原理与一般的的沉积原理与一般的CVD之间并没有太之间并没有太大的差异。大的差异。等离子体中的反应物是化学活性
17、较等离子体中的反应物是化学活性较高的离子或自由基，高的离子或自由基，而且而且衬底表面受到离子的衬底表面受到离子的撞击也会使得化学活性提高撞击也会使得化学活性提高。这两项因素都可。这两项因素都可促进基板表面的化学反应速率，促进基板表面的化学反应速率，因因PECVD在较在较低的温度即可沉积薄膜低的温度即可沉积薄膜。n在集成电路制程中，在集成电路制程中，PECVD通常是用来沉积通常是用来沉积SiO2 与与Si3N4 等介电质薄膜等介电质薄膜。PECVD的主要的主要优点优点是具有是具有较低的沉积温度下达到高的沉积速较低的沉积温度下达到高的沉积速率率291.更低的工艺温度更低的工艺温度(250 450)
18、；2.对高的深宽比间隙有对高的深宽比间隙有好的填充能力好的填充能力(用高密度等用高密度等离子体离子体)；3.淀积的膜对硅片有淀积的膜对硅片有优良的黏附能力优良的黏附能力；4.高的淀积速率；高的淀积速率；5.少的针孔和空洞，因为有少的针孔和空洞，因为有高的膜密度高的膜密度；6.工艺温度低，因而工艺温度低，因而应用范围广。应用范围广。CVD 过程中使用等离子体的好处过程中使用等离子体的好处30各种类型各种类型 CVD 反应器及其主要特点反应器及其主要特点工艺工艺 优点优点 缺点缺点 应用应用 APCVD(常压常压 CVD)反应简单反应简单 淀积速度快淀积速度快 低温低温 台阶覆盖能力差台阶覆盖能力
19、差,有颗粒沾污，薄膜有颗粒沾污，薄膜均匀性差，低产出均匀性差，低产出率率 低温二氧化硅低温二氧化硅(掺杂或不掺杂掺杂或不掺杂).LPCVD(低压低压 CVD)高纯度和均匀性，高纯度和均匀性，一致的台阶覆盖能一致的台阶覆盖能力，大的硅片容量力，大的硅片容量 高温，低的淀积速高温，低的淀积速率，要求真空系统率，要求真空系统支持支持 高温二氧化硅高温二氧化硅(掺杂掺杂或不掺杂或不掺杂),氮化硅、氮化硅、多晶硅等多晶硅等 等离子体辅助等离子体辅助 CVD:等离子体增强等离子体增强CVD(PECVD)高密度等离子体高密度等离子体CVD(HDPCVD)低温，快速淀积，低温，快速淀积，好的台阶覆盖能好的台阶
20、覆盖能力，好的间隙填充力，好的间隙填充能力能力 要求要求 RF 系统，系统，高高成本，有颗粒沾污成本，有颗粒沾污 高的深宽比间隙的填高的深宽比间隙的填充，充，ILD,钝化钝化(Si3N4).31典型物质淀积简介典型物质淀积简介nSiO2生长：生长：n低温低温CVDCVD氧化层：低于氧化层：低于500500n中等温度淀积：中等温度淀积：500500800800n高温淀积：高温淀积：900900左右左右一、二氧化硅（一、二氧化硅（SiO2）薄膜）薄膜321.SiO1.SiO2 2的用途的用途非掺杂非掺杂SiOSiO2 2:用于离子注入或扩散的掩蔽膜，用于离子注入或扩散的掩蔽膜，多层金属化层之间的绝
21、缘，场区氧化层多层金属化层之间的绝缘，场区氧化层掺杂掺杂SiOSiO2 2:用于器件钝化，磷硅玻璃回流，用于器件钝化，磷硅玻璃回流，将掺磷、硼或砷的氧化物用作将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源扩散源332.淀积SiOSiO2 2的方法的方法:n硅烷法和硅烷法和TEOSTEOS法法nA.A.硅烷和氧反应硅烷和氧反应n低压化学气相淀积低压化学气相淀积(LPCVD)(LPCVD)：500500nSiH4+O2 SiO2+2H24PH3+5O2 2P2O5+6H2（钝化层（钝化层sio2）40040034nTEOS是是正硅酸乙脂正硅酸乙脂。分子式为。分子式为Si(C2H5O)4，室，室温下是一种温下是一
22、种液体。液体。可以直接分解生成可以直接分解生成SiO2层。层。650650750750Si(OC2H5)4 SiO2+4C2H4+2H2用用TEOSTEOS分解法具有分解法具有温度低，均匀性好，台阶覆盖优良、温度低，均匀性好，台阶覆盖优良、膜质量好膜质量好等优点等优点另一种是通过另一种是通过TEOSTEOS与与O2/O3O2/O3反应，来得到反应，来得到SiO2SiO2。Si(OC2 H5)4+O2SiO2+副产物，副产物，产物平整度很好产物平整度很好，但反应但反应温度温度一般一般大于大于600。35n臭氧（臭氧（O3）包含三个氧原子，包含三个氧原子，比氧气有更强的反应活性，比氧气有更强的反应
23、活性，因此，这步工艺可以不用等离子体，在因此，这步工艺可以不用等离子体，在低温下（如低温下（如400400）进行，）进行，因为因为不需要等离子体，不需要等离子体，O3O3就能使就能使TEOSTEOS分分解，因此反应可以在常压（解，因此反应可以在常压（APCVD,760APCVD,760托）或者亚常压托）或者亚常压(SAPCVD(SAPCVD，600600托托)下下。n所以所以用用O3代替代替O2与与TEOS反应可以大大降低反应温度。反应可以大大降低反应温度。通过通过降低反应所需激活能降低反应所需激活能以得到足够反应能量。因此以得到足够反应能量。因此用用在集成电路制造后段工艺中。在集成电路制造后
24、段工艺中。n优点优点：对于高的深宽比槽有：对于高的深宽比槽有良好的覆盖填充能力良好的覆盖填充能力。缺点缺点：SiO2SiO2膜多孔，因而通常需要回流来去掉潮气并增膜多孔，因而通常需要回流来去掉潮气并增加膜密度。加膜密度。用用TEOSO3淀积淀积SiO236APCVD TEOS-O3改善后的台阶覆盖改善后的台阶覆盖Liner oxidep Silicon substratep Epitaxial layern-wellp-wellTrench CVD oxideTEOS-O3Trench fill by chemical vapor depositionNitride-+3738二、氮化硅薄膜二
25、、氮化硅薄膜1.氮化硅薄膜在集成电路中的主要应用氮化硅薄膜在集成电路中的主要应用,有有三个方三个方面面:(1)用作为硅选择氧化和等平面氧化的用作为硅选择氧化和等平面氧化的氧化掩膜氧化掩膜；(2)钝化膜；钝化膜；(3)电容介质。电容介质。氮化硅的化学汽相淀积：氮化硅的化学汽相淀积：中等温度中等温度(780820)的的LPCVD或低温或低温(300)PECVD方法淀积方法淀积392.低压化学气相淀积氮化硅薄膜低压化学气相淀积氮化硅薄膜nA A、氮化硅的低压淀积方程式：、氮化硅的低压淀积方程式：n氮化硅的低压化学气相淀积主要通过氮化硅的低压化学气相淀积主要通过硅烷硅烷、二氯二二氯二氢硅氢硅与与氨氨在
26、在700-800700-8000 0C C温度范围内反应生成。主要反温度范围内反应生成。主要反应式如下应式如下nLPCVD LPCVD n3SiH3SiH2 2ClCl2 2+7NH+7NH3 3SiSi3 3N N4 4 +3NH+3NH4 4CL CL +3HCl+3HCl +6H+6H2 2 nPECVDPECVDn3SiH4+4NH3 Si3N4+12H2 403.等离子体增强化学气相淀积氮化等离子体增强化学气相淀积氮化硅薄膜硅薄膜A A、等离子淀积优点及方程式：等离子增、等离子淀积优点及方程式：等离子增强强CVDCVD的突出优点是的突出优点是淀积温度低，淀积温度低，最常最常用的温度是
27、用的温度是3003003503500 0C C。等离子体增强。等离子体增强化学气相淀积氮化硅，常由化学气相淀积氮化硅，常由SiHSiH4 4与氨与氨或或SiH4SiH4与氮与氮在氩等离子气氛下反应，其反在氩等离子气氛下反应，其反应式如下：应式如下：SiHSiH4 4+NH+NH3 3 SiNH SiNH+3H+3H2 2 SiHSiH4 4+N+N2 2 2SiNH+3H 2SiNH+3H2 2 41用用LPCVD 和和 PECVD 氮化硅的性质氮化硅的性质42高密度等离子体淀积腔高密度等离子体淀积腔Photo 11.4 43 多晶硅的化学汽相淀积：多晶硅的化学汽相淀积：利用利用多晶硅多晶硅替
28、代金属铝作为替代金属铝作为MOS器件的器件的栅极栅极是是MOS集集成电路技术的重大突破之一，它成电路技术的重大突破之一，它比利用金比利用金属铝作为栅极的属铝作为栅极的MOSMOS器件性能得到很大提高器件性能得到很大提高，而且而且采用多晶硅栅技术采用多晶硅栅技术可以可以实现实现源漏区自源漏区自对准离子注入对准离子注入，使，使MOS集成电路的集成度集成电路的集成度得到很大提高。得到很大提高。三三.多晶硅薄膜多晶硅薄膜44 淀积多晶硅淀积多晶硅 淀 积 多 晶 硅 一 般 采 用 化 学 汽 相 淀 积淀 积 多 晶 硅 一 般 采 用 化 学 汽 相 淀 积（LPCVDLPCVD）的）的方法。利用
29、化学反应在硅片上生方法。利用化学反应在硅片上生长多晶硅薄膜。适当控制压力、温度并引入反长多晶硅薄膜。适当控制压力、温度并引入反应的蒸汽，经过足够长的时间，便可在硅表面应的蒸汽，经过足够长的时间，便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅。淀积一层高纯度的多晶硅。2427000HSiSiHC45四、硅化钨四、硅化钨n金属电极引线金属电极引线，大多，大多用用PVD方法来形成方法来形成，但，但是这种方法形成的金属薄膜是这种方法形成的金属薄膜阶梯覆盖能力不阶梯覆盖能力不好好。因此。因此除了金属铝以外除了金属铝以外，其他金属的淀积其他金属的淀积全部用全部用CVD法法461.1.硅化钨硅化钨n硅化钨熔点高，稳定性
30、好，电硅化钨熔点高，稳定性好，电阻率低，在集成电路中应用十阻率低，在集成电路中应用十分广泛分广泛n主要应用在主要应用在改善金属铝与硅之改善金属铝与硅之间的欧姆接触间的欧姆接触，以及，以及MOS器件器件栅极部分的金属层栅极部分的金属层n2WF6+7SiH42WSix 3SiF4 +14H2 nWsix其其X值大约在值大约在2.62.8，此时电阻率较高，约此时电阻率较高，约700900欧欧.厘米。厘米。为降低电阻率为降低电阻率，需要，需要经过经过退火处理。退火处理。472.2.金属钨金属钨nLPCVDLPCVD淀积的钨，作为上下金属层间的连接物，淀积的钨，作为上下金属层间的连接物，称为称为“插塞钨
31、插塞钨”反应一是硅将反应一是硅将WF6WF6内的钨还原出来，称为内的钨还原出来，称为硅还原硅还原反应二称为反应二称为氢还原反应氢还原反应反应三称为反应三称为硅烷还原反应硅烷还原反应如果是金属层和硅之间的接触，可利用反应一进如果是金属层和硅之间的接触，可利用反应一进行，如果不是则利用反应二。反应三是在整个表行，如果不是则利用反应二。反应三是在整个表面进行钨的淀积，又称面进行钨的淀积，又称“覆盖式钨淀积覆盖式钨淀积”48nPSG(Phosphosilicate Glass,磷磷硅硅玻璃玻璃),nBPSG(Borophosphosilicate Glass,硼磷硅玻璃硼磷硅玻璃),nFSG(Fluo
32、rinated Silicate Glass,氟硅玻璃氟硅玻璃)等等n二氧化硅二氧化硅原有的有序网络结构，原有的有序网络结构，由于硼磷杂质（由于硼磷杂质（B2O3B2O3，P2O5P2O5）的加入而变得疏松）的加入而变得疏松，在，在高温条件下高温条件下某种程度上某种程度上具有具有像液体一样的像液体一样的流动能力流动能力（ReflowReflow）。）。因此因此BPSGBPSG薄薄膜具有卓越的填孔能力，膜具有卓越的填孔能力，并且并且能够提高整个硅片表面能够提高整个硅片表面的平坦化，的平坦化，从而为光刻及后道工艺提供更大的工艺范从而为光刻及后道工艺提供更大的工艺范围。围。五、硅玻璃五、硅玻璃49P
33、SG 回流后平坦化的表面回流后平坦化的表面回流后PSG回流前PSG金属或多晶硅Figure 11.1450n在磷硅玻璃中，磷以在磷硅玻璃中，磷以P2O5的形式存在，磷硅的形式存在，磷硅玻璃由玻璃由P2O5和和SiO2的混合物共同组成；的混合物共同组成；nPSGPSG膜具有膜具有吸收和阻挡钠离子吸收和阻挡钠离子向硅衬底扩散的向硅衬底扩散的能力，能力，大大改善了器件的稳定性。大大改善了器件的稳定性。因此在集因此在集成电路中用作成电路中用作钝化膜钝化膜。n其其不足不足之处是之处是磷浓度较高磷浓度较高时有时有吸潮吸潮特性，对特性，对于要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来于要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说
34、说,P2O5 含量（重量比）不超过含量（重量比）不超过4;浓度太低浓度太低则则不易达到流动和平缓台阶的作用不易达到流动和平缓台阶的作用n因此，用因此，用BPSG来代替来代替PSG。硼的作用硼的作用：降：降低回流温度，回流温度随硼含量的增加而降低回流温度，回流温度随硼含量的增加而降低；（低；（磷磷：阻挡钠离子的作用）：阻挡钠离子的作用）n一般在一般在BPSG中，硼和磷的含量各占中，硼和磷的含量各占4，回，回流温度流温度800950，比，比PSG降低降低300 51nSiH4+O2SiO2 +2H2 n4 POCL3+3O2 2P2O5 +6HCL n总反应方程式总反应方程式n(a)3 SiH46
35、O2+4 POCL3 3SiO2 +2P2O5 +12HCL n(b)SiH4(g)+4PH3(g)+6O2(g)SiO2(s)+2P2 O5(g)+2H2(g)n(c)SiH4+2PH3+7N2O SiO2+P2O5+5H2+7N2。PSGPSGPSGPSG可以用磷扩散形成，也可以用气相淀积形可以用磷扩散形成，也可以用气相淀积形成，反应物为成，反应物为硅烷硅烷SiH4和三氯氧磷和三氯氧磷POCL3在氮气在氮气的携带下进入淀积反应室，与氧气进行反应的携带下进入淀积反应室，与氧气进行反应52BPSGnBPSGBPSG薄膜的制备方法薄膜的制备方法:n等离子体增强化学气相沉积等离子体增强化学气相沉积
36、（PECVDPECVD）和和n次大气压化学气相沉积次大气压化学气相沉积（SAPCVD:SAPCVD:Sub-atmospheric pressure chemical vapor deposition）。nBPSGBPSG薄膜制备薄膜制备主要采用主要采用SAPCVDSAPCVD工艺方法。工艺方法。Y Y因因为其为其填孔能力更好填孔能力更好.除此之外除此之外,SACVD,SACVD是是没有使没有使用用射频所产生的射频所产生的等离子体等离子体,因而因而避免了等离子避免了等离子体引起的器件损伤体引起的器件损伤53硅源：正硅酸乙脂。分子式为硅源：正硅酸乙脂。分子式为Si(C2H5O4)Si(C2H5O
37、4)，TEOSTEOS氧源：臭氧和氧源：臭氧和TEOSTEOS硼源：三乙基硼硼源：三乙基硼/TEB/TEB，硼烷：，硼烷：B2H6B2H6磷源：磷源：TEPO TEPO 磷酸三乙脂磷酸三乙脂：(C(C2 2H H5 5O)O)3 3POPO54 掺杂的二氧化硅作用：掺杂的二氧化硅作用：a）改善）改善SiO2钝化膜的保护特性钝化膜的保护特性 b）可以得到高度平坦化的工艺）可以得到高度平坦化的工艺55156习题习题 n什么叫化学气相淀积？什么叫化学气相淀积？n常用的常用的CVD法有哪些？各自的优缺点？法有哪些？各自的优缺点？n如何用如何用CVD制备制备SiO2，多晶硅，多晶硅,氮化硅氮化硅n中和的
38、作用是什么？中和的作用是什么？57物理气相淀积物理气相淀积58物理气相淀积（物理气相淀积（PVD）n物理气相淀积物理气相淀积(physical vapor deposition)，简称简称PVD。是指在是指在真空条件下，用物理的方法真空条件下，用物理的方法（即物质的相变过程），（即物质的相变过程），将材料汽化成原子、将材料汽化成原子、分子或使其电离成离子，并通过气相过程，在分子或使其电离成离子，并通过气相过程，在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜的技术。薄膜的技术。n即以单质的即以单质的固体材料作为源固体材料作为源（如铝，金，铬（如铝，金，铬等
39、），等），然后然后设法设法将它变为气态将它变为气态，再在衬底表面，再在衬底表面淀积而成薄膜。淀积而成薄膜。596061626364Vacuum chamberEvaporationMaterialSubstrateHeaterCloudSputteringMaterialSubstratePlasma65PVD技术的两种基本工艺技术的两种基本工艺n蒸镀法（蒸发）蒸镀法（蒸发）：在真空的环境中，用电阻加热或电子在真空的环境中，用电阻加热或电子束和激光轰击等方法把要蒸发的材料加热到一定温度，束和激光轰击等方法把要蒸发的材料加热到一定温度，使材料中分子或原子的热振动能量使材料中分子或原子的热振动能量
40、超过表面的束缚能超过表面的束缚能，从而使大量分子或原子从而使大量分子或原子蒸发或升华蒸发或升华，并直接沉淀在基片，并直接沉淀在基片上形成薄膜。上形成薄膜。n溅镀法（溅射）：溅镀法（溅射）：利用气体放电产生的利用气体放电产生的正离子正离子在电场作在电场作用下的高速运动轰击作为用下的高速运动轰击作为阴极的靶阴极的靶，使靶材中的原子或，使靶材中的原子或分子逸出来而沉淀到被镀材料的表面，形成所需要的薄分子逸出来而沉淀到被镀材料的表面，形成所需要的薄膜。膜。n此技术此技术一般使用氩一般使用氩等惰性气体，由在高真空中将氩离子等惰性气体，由在高真空中将氩离子加速以撞击溅镀靶材后，可将靶材原子一个个溅击出来，
41、加速以撞击溅镀靶材后，可将靶材原子一个个溅击出来，并使被溅击出来的材质（通常为铝、钛或其合金）如雪并使被溅击出来的材质（通常为铝、钛或其合金）如雪片般沉积在晶圆表面。片般沉积在晶圆表面。661 1 蒸蒸 发发 在半导体制造的在半导体制造的早期，早期，所有金属层都是通所有金属层都是通过过蒸发蒸发PVD方法淀积的。为了获得更好的台方法淀积的。为了获得更好的台阶覆盖、间隙填充和溅射速度，在阶覆盖、间隙填充和溅射速度，在70年代后年代后期，期，在大多数硅片制造技术领域在大多数硅片制造技术领域溅射已取代溅射已取代蒸发蒸发。6768常用的几种加热器形状常用的几种加热器形状 丝状舟状坩埚6970n蒸发加热的
42、蒸发加热的主要方法：主要方法：(1)电阻加热电阻加热（铝（铝,金金,铬铬)(2)电子束加热电子束加热（3000,难熔金属难熔金属)(3)激光加热激光加热n真空真空蒸发蒸发镀膜镀膜最常用最常用的是的是电阻加热电阻加热法，以电法，以电阻（灯丝、蒸发器）通过发热的原理来加热阻（灯丝、蒸发器）通过发热的原理来加热蒸镀原料，最高蒸发温度达蒸镀原料，最高蒸发温度达1700n其其优点优点是加热源的结构简单，造价低廉，操是加热源的结构简单，造价低廉，操作方便；作方便；缺点缺点是不适用于难熔金属和耐高温是不适用于难熔金属和耐高温的介质材料。的介质材料。71n电子束加热电子束加热和和激光加热激光加热则能克服电阻加
43、热的缺点。则能克服电阻加热的缺点。n电子束加热：电子束加热：利用加速电子碰撞蒸发材料而使其利用加速电子碰撞蒸发材料而使其蒸发。蒸发源配有电子腔，利用磁场或电场加速蒸发。蒸发源配有电子腔，利用磁场或电场加速并聚焦电子束，使电子束聚集在蒸发材料的局部并聚焦电子束，使电子束聚集在蒸发材料的局部而形成加热束斑，束斑温度可达而形成加热束斑，束斑温度可达30006000。电子束的动能变成热能，使材料蒸发。电子束的动能变成热能，使材料蒸发。n激光加热激光加热是利用大功率的激光作为加热源，但由是利用大功率的激光作为加热源，但由于大功率激光器的造价很高，目前于大功率激光器的造价很高，目前只能在少数研只能在少数研
44、究性实验室中使用。究性实验室中使用。72n溅射已成为溅射已成为ICIC制造中金属淀积的主流工艺制造中金属淀积的主流工艺n溅射工艺相对于蒸发工艺的优势在于：溅射工艺相对于蒸发工艺的优势在于：1.1.台阶覆盖性得到改善台阶覆盖性得到改善2.2.辐射缺陷远小于电子束蒸发辐射缺陷远小于电子束蒸发3.3.容易制备难熔金属、合金材料和复合材料薄膜容易制备难熔金属、合金材料和复合材料薄膜2 溅溅 射射73溅射工作原理溅射工作原理n溅射（溅射（sputteringsputtering）又叫）又叫阴极溅射阴极溅射（cathodiccathodic sputteringsputtering）。通过用由稀有气体在低
45、真空下）。通过用由稀有气体在低真空下放电获得的正离子轰击置于阴极的固体表面放电获得的正离子轰击置于阴极的固体表面（靶），使固体原子（或分子）从表面射出，（靶），使固体原子（或分子）从表面射出，进而以一定能量淀积在基片上，形成薄膜进而以一定能量淀积在基片上，形成薄膜7475基本溅射步骤基本溅射步骤n在高真空腔等离子体中产生正氩离子，并向具有负电在高真空腔等离子体中产生正氩离子，并向具有负电势的靶材料加速；势的靶材料加速；n在加速过程中获得动量，并轰击靶；在加速过程中获得动量，并轰击靶；n离子通过物理过程从靶上撞击出（溅射）原子，靶具离子通过物理过程从靶上撞击出（溅射）原子，靶具有想要的材料组分；
46、有想要的材料组分；n被撞击出（溅射）的原子迁移到硅片表面（阳极）；被撞击出（溅射）的原子迁移到硅片表面（阳极）；n被溅射的原子在硅片表面凝聚形成薄膜，与靶材料相被溅射的原子在硅片表面凝聚形成薄膜，与靶材料相比，薄膜具有与它基本相同的材料组分；比，薄膜具有与它基本相同的材料组分；n额外材料由真空泵抽走。额外材料由真空泵抽走。76简单归纳为简单归纳为4个个n1.产生氩气离子并导向一个靶，（铝靶材）。产生氩气离子并导向一个靶，（铝靶材）。n2.离子把靶表面的原子轰击出来。离子把靶表面的原子轰击出来。n3.被轰出的原子向硅片运动。被轰出的原子向硅片运动。n4.原子在表面上成膜。原子在表面上成膜。77溅
47、射镀膜的基本原理溅射镀膜的基本原理 用高能粒子（经电场加速的正离子）冲击作为阴极用高能粒子（经电场加速的正离子）冲击作为阴极的固态靶，靶原子与这些高能粒子交换能量后从表面的固态靶，靶原子与这些高能粒子交换能量后从表面飞出，淀积在作为阳极的硅片上，形成薄膜。飞出，淀积在作为阳极的硅片上，形成薄膜。直流二极溅射台直流二极溅射台 高频溅射台高频溅射台7879n溅射用的轰击粒子通常是带正电荷的惰性气体离溅射用的轰击粒子通常是带正电荷的惰性气体离子，用得最多的是子，用得最多的是氩离子氩离子。氩电离后，氩离子在。氩电离后，氩离子在电场加速下获得动能轰击靶极。电场加速下获得动能轰击靶极。n当氩离子能量当氩离
48、子能量低于低于5 5电子伏时电子伏时,仅对靶极最外表层仅对靶极最外表层产生作用，产生作用，主要使主要使靶极表面原子吸附的靶极表面原子吸附的杂质脱附杂质脱附。n当氩离子当氩离子能量达到能量达到靶极原子的靶极原子的结合能结合能（约为靶极（约为靶极材料的升华热）材料的升华热）时时，引起靶极表面的原子迁移，引起靶极表面的原子迁移，产生表面损伤。产生表面损伤。n轰击粒子的轰击粒子的能量超过靶极材料升华热的四倍时能量超过靶极材料升华热的四倍时，原子被推出晶格位置成为汽相逸出而原子被推出晶格位置成为汽相逸出而产生溅射产生溅射。对于大多数金属对于大多数金属，溅射阈能约为，溅射阈能约为10102525电子伏。电
49、子伏。物理现象物理现象80n溅射在集成电路中的应用：溅射在集成电路中的应用：溅射工艺主要用于溅射工艺主要用于溅射刻蚀溅射刻蚀和和薄膜淀积薄膜淀积两个方面两个方面n溅射刻蚀时，被刻蚀的材料置于靶极位置，受氩溅射刻蚀时，被刻蚀的材料置于靶极位置，受氩离子的轰击进行刻蚀。离子的轰击进行刻蚀。n溅射刻蚀时，应尽可能从溅射室中除去溅出的靶溅射刻蚀时，应尽可能从溅射室中除去溅出的靶极原子。常用的方法是引入反应气体，使之与溅极原子。常用的方法是引入反应气体，使之与溅出的靶极原子反应生成挥发性气体，通过真空系出的靶极原子反应生成挥发性气体，通过真空系统从溅射室中排出。统从溅射室中排出。81n淀积薄膜时，淀积薄
50、膜时，溅射源置于靶极，受氩离子轰击溅射源置于靶极，受氩离子轰击后发生溅射后发生溅射。如果靶材是单质的，如果靶材是单质的，则在衬底上则在衬底上生成生成靶极物质的靶极物质的单质薄膜单质薄膜；若在溅射室内有意；若在溅射室内有意识地识地引入反应气体引入反应气体，使之与溅出的靶材原子发，使之与溅出的靶材原子发生化学反应而淀积于衬底，便可生化学反应而淀积于衬底，便可形成形成靶极材料靶极材料的的化合物薄膜化合物薄膜。n通常，制取化合物或合金薄膜是用化合物或合通常，制取化合物或合金薄膜是用化合物或合金靶直接进行溅射而得。在溅射中，溅出的原金靶直接进行溅射而得。在溅射中，溅出的原子是与具有数千电子伏的高能离子交
