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1、微细加工与微细加工与MEMS技术技术-张庆中张庆中-13-CVD反应室反应室反应气体输入反应气体输入 SiH4(1%浓度浓度)能量能量Si 化学汽相淀积（化学汽相淀积（Chemical Vapor Deposition，CVDCVD）是基）是基于化学反应的薄膜淀积方法。以气体形式提供的反应物质，于化学反应的薄膜淀积方法。以气体形式提供的反应物质，在在热能热能、等离子体、紫外光等的作用下，在衬底表面经化学反应、等离子体、紫外光等的作用下，在衬底表面经化学反应（分解或合成）形成固体物质的淀积。（分解或合成）形成固体物质的淀积。废气排出废气排出 2H2 13.4 简单简单 CVD 系统评价系统评价
2、化学汽相淀积过程化学汽相淀积过程化学汽相淀积过程化学汽相淀积过程 1、反应气体从反应室入口向硅片附近输运；、反应气体从反应室入口向硅片附近输运；2、反应气体通过同质反应生成系列次生分子；、反应气体通过同质反应生成系列次生分子；3、次生分子扩散穿过滞流层到达硅片表面并被吸附次生分子扩散穿过滞流层到达硅片表面并被吸附次生分子扩散穿过滞流层到达硅片表面并被吸附次生分子扩散穿过滞流层到达硅片表面并被吸附；4、在硅片表面发生异质反应生成固体薄膜在硅片表面发生异质反应生成固体薄膜在硅片表面发生异质反应生成固体薄膜在硅片表面发生异质反应生成固体薄膜；5、气体副产物解吸附；、气体副产物解吸附；6、副产物离开硅
3、片表面；、副产物离开硅片表面；7、副产物离开反应室。、副产物离开反应室。CVD 过程中与淀积速率有关的两个关键步骤是：过程中与淀积速率有关的两个关键步骤是：式中，式中，称为，称为 气相质量转移系数气相质量转移系数气相质量转移系数气相质量转移系数，a=1.75 2。2、在硅片表面处发生反应，生成薄膜。消耗掉的反应剂的、在硅片表面处发生反应，生成薄膜。消耗掉的反应剂的粒子流密度为粒子流密度为式中，式中，称为，称为 表面反应速率常数表面反应速率常数表面反应速率常数表面反应速率常数。1、反应气体以扩散方式穿过滞流层到达硅片表面，并被吸、反应气体以扩散方式穿过滞流层到达硅片表面，并被吸附于硅片表面。这称
4、为附于硅片表面。这称为 质量输运过程质量输运过程质量输运过程质量输运过程。扩散流密度为。扩散流密度为将以上各方程联立求解，可得将以上各方程联立求解，可得 稳态时，稳态时，J1=J2=J，且淀积速率正比于，且淀积速率正比于 J。式中，式中，当温度较高时，当温度较高时，hg ks，J=ksCg，淀积速率由，淀积速率由 ks 决定。决定。由于由于 ks 与温度密切有关，所以这时淀积速率与温度的关系很密与温度密切有关，所以这时淀积速率与温度的关系很密切，必须严格控制温度及其均匀性，常采用热壁系统。这时淀切，必须严格控制温度及其均匀性，常采用热壁系统。这时淀积速率与气流的关系不大，可设计成大批量系统。积
5、速率与气流的关系不大，可设计成大批量系统。此外，此外，Dg 和和 与气压有关与气压有关，所以在不同的气压范围，所以在不同的气压范围，hg和和 ks 的相对大小也不同。的相对大小也不同。除了除了 淀积速率淀积速率淀积速率淀积速率 以外，评价以外，评价 CVD 系统的指标还有系统的指标还有 薄膜应力薄膜应力薄膜应力薄膜应力、台阶覆盖台阶覆盖台阶覆盖台阶覆盖 和和 薄膜的组分薄膜的组分薄膜的组分薄膜的组分 等。等。CVD 薄膜的台阶覆盖性通常是很好的。薄膜的台阶覆盖性通常是很好的。CVD 薄膜的主要薄膜的主要问题是薄膜的化学组分。例如，在硅烷分解工艺形成的硅薄膜问题是薄膜的化学组分。例如，在硅烷分解
6、工艺形成的硅薄膜中可能含有高浓度的氢，使薄膜的密度降低。反应室中残存的中可能含有高浓度的氢，使薄膜的密度降低。反应室中残存的氧和水可能与硅反应形成氧和水可能与硅反应形成 SiO2。用。用 CVD 法生长的法生长的 SiO2 膜中也膜中也可能含有其它化学成分而使薄膜的密度降低，通常需要在高温可能含有其它化学成分而使薄膜的密度降低，通常需要在高温下氧气中进行下氧气中进行“增密增密增密增密”处理。处理。反应室是开放的反应室是开放的，分为卧式和立式两种，分为卧式和立式两种，以卧式更常用，以卧式更常用。在在 APCVD 的压力和温度范围内的压力和温度范围内 hg 和和 ks 处于同一数量级，必须处于同一
7、数量级，必须考虑气流的影响，所以硅片应水平放置。为避免反应剂在反应考虑气流的影响，所以硅片应水平放置。为避免反应剂在反应室壁上淀积并产生掉渣，室壁上淀积并产生掉渣，APCVD 通常采用冷壁方式。通常采用冷壁方式。APCVD 中影响膜厚均匀性的因素：中影响膜厚均匀性的因素：(1)的不均匀，的不均匀，(2)反应剂浓度由前至后的下降。改进方法是将基座设计成斜坡反应剂浓度由前至后的下降。改进方法是将基座设计成斜坡状，或采用状，或采用 LPCVD 技术。技术。气流气流 13.5 常压常压 CVD (1)SiH4+O2 系统，系统，T=300 400 oC SiH4+2 O2 SiO2+2 H2O (3)
8、TEOS+O2 系统，系统，T=500 700 oC Si(OC2H5)4+12 O2 SiO2+8 CO2+10 H2O (2)SiH4+NO2 系统，系统，T=300 900 oC SiH4+4 NO2 SiO2+4 NO+2 H2O 常压常压 CVD 技术一般仅用于淀积技术一般仅用于淀积 SiO2 膜，例如，膜，例如，当需要淀积含少量磷的当需要淀积含少量磷的 SiO2 膜（称为磷硅玻璃膜（称为磷硅玻璃，PSG），），或含少量硼的或含少量硼的 SiO2 膜（称为硼硅玻璃，膜（称为硼硅玻璃，BSG）时，可以在反应）时，可以在反应气体中添加少量的磷烷或硼烷。气体中添加少量的磷烷或硼烷。2、CV
9、D 法的反应发生在法的反应发生在 SiO2 的表面，膜厚与时间始终成的表面，膜厚与时间始终成线性关系。而热氧化法时，一旦线性关系。而热氧化法时，一旦 SiO2 膜形成以后，反应剂必须膜形成以后，反应剂必须穿过穿过 SiO2 膜，反应发生在膜，反应发生在 SiO2/Si 界面上，淀积速率变慢；界面上，淀积速率变慢；1、CVD 法法 SiO2 膜膜中的硅来自外加的反应气体，而热氧化中的硅来自外加的反应气体，而热氧化法法 SiO2 膜膜中的硅来自硅衬底本身，氧化过程中要消耗掉一部分中的硅来自硅衬底本身，氧化过程中要消耗掉一部分衬底中的硅；衬底中的硅；3、CVD 法温度较低，可减轻杂质再分布和硅片的热
10、形变，法温度较低，可减轻杂质再分布和硅片的热形变，适于浅结器件及适于浅结器件及 VLSI。但膜的质量较差，通常需经增密处理。但膜的质量较差，通常需经增密处理。而热氧化法的温度高，而热氧化法的温度高，SiO2 结构致密，膜的质量较好。结构致密，膜的质量较好。当采用当采用 CVD 工艺在工艺在 Si 表面淀积表面淀积 SiO2 膜时，与热氧化工艺膜时，与热氧化工艺的不同之处是，的不同之处是，为了克服为了克服 APCVD 的缺点，出现了的缺点，出现了 LPCVD，其反应室为，其反应室为半密封，用真空泵进行抽气，并严格控制进气端的进气量，使半密封，用真空泵进行抽气，并严格控制进气端的进气量，使反应室内
11、的气压保持在反应室内的气压保持在 p=0.2 1 Torr。当气压由当气压由 750 Torr 降到降到 0.75 Torr 时，时，hg 将增大约将增大约 100 倍，倍，使得使得 ks hg，于是淀积速率由，于是淀积速率由 ks 控制，变得与温度关系密切控制，变得与温度关系密切而与气流关系不大。这使而与气流关系不大。这使 LPCVD 有如下有如下 优点：优点：优点：优点：13.6 热壁系统中的低压热壁系统中的低压 CVD 气压的下降会使气压的下降会使 hG 增大，增大，1、硅片可以以很小的间隔垂直放置，生产效率高；、硅片可以以很小的间隔垂直放置，生产效率高；2、硅片垂直放置后，可避免管壁上
12、的掉渣对硅片的影响；、硅片垂直放置后，可避免管壁上的掉渣对硅片的影响；3、于是可采用热壁方式，设备简单，温度均匀性好；、于是可采用热壁方式，设备简单，温度均匀性好；4、对温度的控制较之对气流的控制要容易得多，有利于、对温度的控制较之对气流的控制要容易得多，有利于改善膜厚和组分的均匀性；改善膜厚和组分的均匀性；5、台阶覆盖性更好。、台阶覆盖性更好。(1)SiH4 热分解淀积热分解淀积 Poly-Si，T=625 oC，p=0.2 1 Torr SiH4 Si+2 H2 (2)SiH4+NH3 系统淀积系统淀积 Si3N4，T=825 oC，p=0.7 Torr 3 SiH4+4 NH3 Si3N
13、4+12 H2 低压低压 CVD 技术可用于淀积技术可用于淀积 Poly-Si、Si3N4、SiO2 等多种等多种薄膜，例如薄膜，例如 (3)TEOS+O2 系统淀积系统淀积 SiO2，T=500 700 oC Si(OC2H5)4+12 O2 SiO2+8 CO2+10 H2O 化学汽相淀积的化学汽相淀积的化学汽相淀积的化学汽相淀积的 SiSi3 3N N4 4 的性质的性质的性质的性质 1、介电常数为、介电常数为 6 9，远大于，远大于 SiO2 的的 3.9，绝缘层电容大；，绝缘层电容大；2、导热性能优于、导热性能优于 SiO2，常用于多层布线的介质；，常用于多层布线的介质；3、抗抗氧氧
14、化化能能力力强强，广广泛泛用用于于对对氧氧化化的的掩掩蔽蔽。950时时，厚厚度度 100 的的 Si3N4 能掩蔽能掩蔽 7000 的湿氧氧化；的湿氧氧化；4、电阻率高达、电阻率高达 1016cm，绝缘性能良好；，绝缘性能良好；5、掩掩蔽蔽 Na+离离子子能能力力强强；对对各各种种气气体体、水水汽汽以以及及 P、B、As、O2、Ga、In 等有较强的掩蔽能力，为极好的钝化材料；等有较强的掩蔽能力，为极好的钝化材料；6、化学稳定性好，仅被、化学稳定性好，仅被 HF 和热和热 H3PO4 腐蚀；腐蚀；7、应力很大，因而膜厚应低于、应力很大，因而膜厚应低于 2000，硅衬底与，硅衬底与 Si3N4
15、间间应该用应该用 SiO2 作为缓冲层。作为缓冲层。PECVD 系统有冷壁平板式反应器（与等离子体刻蚀系统系统有冷壁平板式反应器（与等离子体刻蚀系统类似）、热壁平板式反应器（与类似）、热壁平板式反应器（与 LPCVD 系统类似）和高密度系统类似）和高密度等离子体反应器。等离子体反应器。工作气体工作气体射频源射频源阴阴极极阳阳极极加热器加热器 PECVD 通常用于淀积绝缘层，所以必须用射频方式产生等通常用于淀积绝缘层，所以必须用射频方式产生等离子体。离子的轰击为次生物质提供能量，使之能在较低的温离子体。离子的轰击为次生物质提供能量，使之能在较低的温度下就可以在硅片上发生化学反应而淀积薄膜。度下就
16、可以在硅片上发生化学反应而淀积薄膜。13.7 等离子体增强等离子体增强 CVD（PECVD）PECVD 的的 优点优点优点优点 1、淀积温度低，通常为、淀积温度低，通常为 300 350 oC，特别适宜于在浅结，特别适宜于在浅结器件上和在金属布线上作钝化层之用；器件上和在金属布线上作钝化层之用；2、所淀积的薄膜易于进行等离子体刻蚀；、所淀积的薄膜易于进行等离子体刻蚀；3、所淀积的薄膜的针孔密度小，台阶覆盖性更好；、所淀积的薄膜的针孔密度小，台阶覆盖性更好；4、通过改变气流可以使薄膜组分由氧化物连续地变化到氮、通过改变气流可以使薄膜组分由氧化物连续地变化到氮化物，使技术上实现层叠及缓变薄膜成为可
17、能。化物，使技术上实现层叠及缓变薄膜成为可能。13.8 金属金属 CVD 金属进入接触孔时要求有良好的台阶覆盖，而金属进入接触孔时要求有良好的台阶覆盖，而 CVD 工艺工艺有极好的台阶覆盖性，所以用有极好的台阶覆盖性，所以用 CVD 工艺淀积金属薄膜有重要工艺淀积金属薄膜有重要意义。已经对多种金属进行了试验，其中最成功的是钨，意义。已经对多种金属进行了试验，其中最成功的是钨，WF6+3 H2 W+6 HF 在淀积的初始阶段需要用在淀积的初始阶段需要用 SiH4 作为还原剂，否则不能生成作为还原剂，否则不能生成钨膜。当气体中富钨膜。当气体中富 WF6 时生成的是纯钨，当气体中富时生成的是纯钨，当
18、气体中富 SiH4 时生时生成的是钨硅化物。成的是钨硅化物。钨膜可作为多层金属化系统的缓冲层或阻挡层。由于钨有钨膜可作为多层金属化系统的缓冲层或阻挡层。由于钨有优先在导电衬底而不在绝缘体上成核的特性，可以选择性地只优先在导电衬底而不在绝缘体上成核的特性，可以选择性地只在接触孔内淀积钨。在接触孔内淀积钨。金属金属 CVD 工艺还可以用于淀积作为互连线的工艺还可以用于淀积作为互连线的 Al、AlSi 和和 AlCuSi、作为接触层或阻挡层的、作为接触层或阻挡层的 Mo 和和 TiN、Cu 互连技术中的互连技术中的 Cu 等，例如，等，例如，13.9 铜互连技术与多层布线铜互连技术与多层布线 随着随
19、着 IC 集成度的不断提高，互连线面积占整个芯片面积集成度的不断提高，互连线面积占整个芯片面积的比例越来越大。如果互连线的长、宽、高也同器件一样按比的比例越来越大。如果互连线的长、宽、高也同器件一样按比例缩小，则其寄生串连电阻将按同样的比例增大。实际上由于例缩小，则其寄生串连电阻将按同样的比例增大。实际上由于芯片面积的不断增大，有些互连线的长度并不能按比例缩短。芯片面积的不断增大，有些互连线的长度并不能按比例缩短。再考虑到电源电压的趋势是不断降低，所以互连线的寄生串连再考虑到电源电压的趋势是不断降低，所以互连线的寄生串连电阻问题将更加严重。互连线的寄生电容也比预期的大。它们电阻问题将更加严重。
20、互连线的寄生电容也比预期的大。它们的主要影响是增大功耗、降低可用电压和增大延迟时间。的主要影响是增大功耗、降低可用电压和增大延迟时间。解决办法：采用铜互连技术与多层布线技术。解决办法：采用铜互连技术与多层布线技术。1 1、铝互连技术和金互连技术、铝互连技术和金互连技术、铝互连技术和金互连技术、铝互连技术和金互连技术 铝互连线的电阻率较低，可以不加接触层、粘附层和阻挡铝互连线的电阻率较低，可以不加接触层、粘附层和阻挡层等，工艺简单，容易与铝丝键合，产品价格低廉，因而获得层等，工艺简单，容易与铝丝键合，产品价格低廉，因而获得了广泛的使用。了广泛的使用。铝的主要缺点是：铝的主要缺点是：PN 结中的铝
21、钉现象和电迁移效应。此外，结中的铝钉现象和电迁移效应。此外，铝的电阻率约为铜的铝的电阻率约为铜的 1.6 倍。倍。金的抗电迁移能力很强，特别是采用金丝球形热压键合，金的抗电迁移能力很强，特别是采用金丝球形热压键合，键合点特别牢固，适于特殊要求的高可靠集成电路。金互连线键合点特别牢固，适于特殊要求的高可靠集成电路。金互连线的成本较高，主要用于的成本较高，主要用于 GaAs 集成电路中。集成电路中。虽然银的电阻率是最低的，但是银与硅的粘附性很差，在虽然银的电阻率是最低的，但是银与硅的粘附性很差，在SiO2 中的扩散很快，而且电迁移效应严重。中的扩散很快，而且电迁移效应严重。2 2、铜互连技术、铜互
22、连技术、铜互连技术、铜互连技术 铜具有电阻率低和抗电迁移性强的优点，适宜于细线条的铜具有电阻率低和抗电迁移性强的优点，适宜于细线条的超大规模和超高速集成电路。在超大规模和超高速集成电路。在 0.25 m 的的 256 M DRAM 中已中已开始采用铜互连技术，首先是在电流较大的顶层金属互连线上开始采用铜互连技术，首先是在电流较大的顶层金属互连线上采用。预计铜互连技术在采用。预计铜互连技术在 0.1 m 以下的集成电路中会得到越来以下的集成电路中会得到越来越多的应用。而在若干年后，铜可能会完全取代铝。越多的应用。而在若干年后，铜可能会完全取代铝。在铜互连技术方面在铜互连技术方面，目前处于领先水平
23、的有，目前处于领先水平的有 IBM 公司公司、Motorola 公司和公司和 TI 公司。公司。妨碍用铜作互连线的主要原因有妨碍用铜作互连线的主要原因有妨碍用铜作互连线的主要原因有妨碍用铜作互连线的主要原因有 对于上述第（对于上述第（3）个困难，需采用特殊的可以避开刻蚀的）个困难，需采用特殊的可以避开刻蚀的方法来制作铜互连线，即所谓方法来制作铜互连线，即所谓“镶嵌工艺镶嵌工艺”，如下图所示。，如下图所示。对于以上第（对于以上第（1）、（）、（2）两个困难，现已开发出在铜与硅）两个困难，现已开发出在铜与硅衬底之间引入过渡层的技术，此过渡层不仅能改善铜与硅衬底衬底之间引入过渡层的技术，此过渡层不仅
24、能改善铜与硅衬底之间的附着性，同时还能起到阻止铜向硅衬底扩散的作用。之间的附着性，同时还能起到阻止铜向硅衬底扩散的作用。（1）铜的化学性质不太活泼，与衬底的粘附性比铝差；）铜的化学性质不太活泼，与衬底的粘附性比铝差；（2）铜容易扩散进入硅衬底，严重影响器件性能；）铜容易扩散进入硅衬底，严重影响器件性能；（3）迄今为止尚无实用的刻蚀铜的有效方法。）迄今为止尚无实用的刻蚀铜的有效方法。生长绝缘介质生长绝缘介质光刻槽光刻槽定向填充铜定向填充铜化学机械抛光化学机械抛光再次生长绝缘介质及光刻槽再次生长绝缘介质及光刻槽再次填充铜及化学机械抛光再次填充铜及化学机械抛光 3 3、多层布线、多层布线、多层布线、
25、多层布线 目前水平已达到目前水平已达到 6 8 层，若干年后可达层，若干年后可达 10 层以上。层以上。多层布线中需要解决的技术问题有多层布线中需要解决的技术问题有 (1)寻找低寻找低 K 值材料作为互连线之间的介质层，以减小互值材料作为互连线之间的介质层，以减小互连线之间的寄生电容，从而降低连线之间的寄生电容，从而降低 RC 延迟时间。这方面目前有延迟时间。这方面目前有 SiOF 和旋转涂复有机物技术可适用于和旋转涂复有机物技术可适用于 0.25 m 技术。技术。TI 公司公司公布了一种将铜和超低公布了一种将铜和超低 K 值材料相结合的适用于值材料相结合的适用于 0.15 m 的技的技术术，
26、其超低，其超低 K 值材料是一种微孔网状干凝胶值材料是一种微孔网状干凝胶。通过改变孔隙。通过改变孔隙率可在率可在 1 3.9 的范围内调节相对介电常数。的范围内调节相对介电常数。更先进的技术是采用化学机械抛光（更先进的技术是采用化学机械抛光（CMP）工艺来获得足）工艺来获得足够的表面平整度。够的表面平整度。(2)为为了了在在光光刻刻系系统统焦焦深深较较小小的的情情况况下下，能能对对以以后后的的布布线线层层进行清晰的曝光，必须解决表面平坦化问题。进行清晰的曝光，必须解决表面平坦化问题。在绝缘层高低不平的整个硅片表面涂布光刻胶或聚酰亚胺，在绝缘层高低不平的整个硅片表面涂布光刻胶或聚酰亚胺，得到平坦
27、的表面。选择适当的等离子刻蚀工艺，使其对光刻胶得到平坦的表面。选择适当的等离子刻蚀工艺，使其对光刻胶的刻蚀速率与对下面绝缘层的刻蚀速率近似相等。经等离子刻的刻蚀速率与对下面绝缘层的刻蚀速率近似相等。经等离子刻蚀后，原来绝缘层厚的地方，光刻胶较薄，绝缘层被刻蚀掉的蚀后，原来绝缘层厚的地方，光刻胶较薄，绝缘层被刻蚀掉的厚度就比较大，从而实现绝缘层表面的平坦化。厚度就比较大，从而实现绝缘层表面的平坦化。（3）散热问题。多层布线妨碍了高度方向上的散热途径。）散热问题。多层布线妨碍了高度方向上的散热途径。各层之间的通孔可以起到一定的散热作用。通孔较少的地方可各层之间的通孔可以起到一定的散热作用。通孔较少
28、的地方可开设专门的散热通孔，并在其中填充导热性良好而不导电的材开设专门的散热通孔，并在其中填充导热性良好而不导电的材料如料如 AlN。13.10 小结小结 APCVD 工艺仅用于工艺仅用于 SiO2 膜的淀积，其主要问题是颗粒与膜的淀积，其主要问题是颗粒与粉尘的形成。粉尘的形成。LPCVD 工艺可用于淀积工艺可用于淀积 Poly-Si、Si3N4、SiO2 等薄膜，由于低气压下淀积速率由等薄膜，由于低气压下淀积速率由 kS 控制，变得与温度关系密控制，变得与温度关系密切而与气流关系不大，这使切而与气流关系不大，这使 LPCVD 具有一系列的优点。在要具有一系列的优点。在要求低淀积温度的场合可采
29、用求低淀积温度的场合可采用 PECVD 工艺，但膜质量稍差。金工艺，但膜质量稍差。金属属 CVD 是一个新的重要领域，它允许高密度互连的制作。是一个新的重要领域，它允许高密度互连的制作。习习 题题 1、已知某、已知某淀积淀积工工艺艺在在 700oC下受反下受反应应速率限制，激活能速率限制，激活能为为2eV，在此温度下淀，在此温度下淀积积速率为速率为 100nm/min，则在，则在 800oC下预期的下预期的淀积速率为多少？如果淀积速率为多少？如果 800oC下的淀积速率远低于预期值，则下的淀积速率远低于预期值，则可以得到什么样的结论？可以得到什么样的结论？2、LPCVD 较较 APCVD 有什么特点有什么特点?为为什么什么?