微电子工艺课件11zhang.ppt

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1、第十一章第十一章 淀积淀积学习目标：学习目标：1 1、描述多层金属化，叙述并解释薄膜生长的三个阶段；、描述多层金属化，叙述并解释薄膜生长的三个阶段；、描述多层金属化，叙述并解释薄膜生长的三个阶段；、描述多层金属化，叙述并解释薄膜生长的三个阶段；2 2、不同薄膜不同淀积技术；、不同薄膜不同淀积技术；、不同薄膜不同淀积技术；、不同薄膜不同淀积技术；3 3、化学汽相淀积（、化学汽相淀积（、化学汽相淀积（、化学汽相淀积（CVDCVD）反应的）反应的）反应的）反应的8 8个基本步骤，包括不个基本步骤，包括不个基本步骤，包括不个基本步骤，包括不 同类型的化学反应；同类型的化学反应；同类型的化学反应；同类型

2、的化学反应；4 4、描述、描述、描述、描述CVDCVD反应如何受限制，解释反应动力学以及对反应如何受限制，解释反应动力学以及对反应如何受限制，解释反应动力学以及对反应如何受限制，解释反应动力学以及对 CVDCVD薄膜掺杂的效应；薄膜掺杂的效应；薄膜掺杂的效应；薄膜掺杂的效应；5 5、描述不同类型的、描述不同类型的、描述不同类型的、描述不同类型的CVDCVD淀积系统，设备的功能，讨论特淀积系统，设备的功能，讨论特淀积系统，设备的功能，讨论特淀积系统，设备的功能，讨论特 定工具对薄膜应用的优点和局限；定工具对薄膜应用的优点和局限；定工具对薄膜应用的优点和局限；定工具对薄膜应用的优点和局限；6 6、

3、解释绝缘材料对芯片技术的重要性；、解释绝缘材料对芯片技术的重要性；、解释绝缘材料对芯片技术的重要性；、解释绝缘材料对芯片技术的重要性；7 7、讨论外延技术和三种不同的外延层淀积方法；、讨论外延技术和三种不同的外延层淀积方法；、讨论外延技术和三种不同的外延层淀积方法；、讨论外延技术和三种不同的外延层淀积方法；8 8、解释绝缘旋涂介质（、解释绝缘旋涂介质（、解释绝缘旋涂介质（、解释绝缘旋涂介质（SODSOD）1第十一章第十一章 淀积淀积2薄膜分类：1.导电薄膜2.绝缘薄膜（11章）作用：1.作为器件、电路的一部分（电感）2.工艺中的牺牲层内容安排：11章 SiO2 2 Si3 3N4 4 多晶硅层

4、12章 金属层1、微芯片加工是平面加工工艺，包含在硅片上生、微芯片加工是平面加工工艺，包含在硅片上生 长不同膜层的步骤；长不同膜层的步骤；2、淀积工艺是成膜手段之一（、淀积工艺是成膜手段之一（还有哪几种？还有哪几种？）；）；3、导电薄膜（、导电薄膜（12章）和绝缘薄膜（本章）；章）和绝缘薄膜（本章）；4、结构的一部分或牺牲层；、结构的一部分或牺牲层；5、术语：、术语：金属层、关键层、介质层金属层、关键层、介质层第十一章第十一章 淀积淀积11.1 引言引言3第十一章第十一章 淀积淀积11.1 引言引言4金属层金属层材料：铝、铜名称：M1、M6金属层：增加一层成本增加：15%关键层：底层金属M1非

5、关键层：上层金属考虑：速度与功耗，寄生参数（电容、电感、电阻）第十一章第十一章 淀积淀积11.1 引言引言MSI 的MOS晶体管的各层薄膜（不平不平）5第十一章第十一章 淀积淀积11.1 引言引言6第十一章第十一章 淀积淀积11.1 引言引言Multilevel Metallization on a ULSI Wafer7第十一章第十一章 淀积淀积11.1 引言引言8第十一章第十一章 淀积淀积11.1 引言引言9介质层介质层ILD 层间介质 interlayer dielectricSiO2 2介电常数 3.94.0之间作用：n n电学电学n n物理物理薄膜薄膜：在一种衬底上生长的薄固体物质；

6、：在一种衬底上生长的薄固体物质；薄膜淀积薄膜淀积：任何在硅片衬底上物理淀积一层膜：任何在硅片衬底上物理淀积一层膜 的工艺（半导体、导体或绝缘物质）。的工艺（半导体、导体或绝缘物质）。第十一章第十一章 淀积淀积11.2 膜淀积膜淀积10第十一章第十一章 淀积淀积11.2 膜淀积膜淀积11薄膜所应该具备的特性薄膜所应该具备的特性：1、好的台阶覆盖能力；、好的台阶覆盖能力；2、填充高的深宽比能隙的能力；、填充高的深宽比能隙的能力；3、好的厚度均匀性；、好的厚度均匀性；4、高纯度和高密度；、高纯度和高密度；5、可控的、可控的化学计量配比（化学计量配比（stoichiometry）6、高度的结构完整性和

7、低的膜应力；、高度的结构完整性和低的膜应力；7、好的电学特性；、好的电学特性；8、对衬底材料或下层膜的好的粘附性。、对衬底材料或下层膜的好的粘附性。第十一章第十一章 淀积淀积11.2.1 薄膜特性薄膜特性12第十一章第十一章 淀积淀积11.2.1 薄膜特性薄膜特性13第十一章第十一章 淀积淀积11.2.1 薄膜特性薄膜特性14第十一章第十一章 淀积淀积11.2.1 薄膜特性薄膜特性15薄膜生长三阶段薄膜生长三阶段薄膜生长三阶段薄膜生长三阶段：1.1.晶核形成晶核形成2.2.聚集成束（岛生长）聚集成束（岛生长）3.3.形成连续膜形成连续膜高表面速率、低的成核速度高表面速率、低的成核速度低表面速率

8、、高的成核速度低表面速率、高的成核速度无定形膜无定形膜 单晶单晶 多晶多晶第十一章第十一章 淀积淀积11.2.2 薄膜生长薄膜生长16第十一章第十一章 淀积淀积11.2.2 薄膜生长薄膜生长17薄膜生长步骤第十一章第十一章 淀积淀积11.2.3 膜淀积技术膜淀积技术CVDCVD用于淀积金属膜或介质膜，用于淀积金属膜或介质膜，用于淀积金属膜或介质膜，用于淀积金属膜或介质膜，SODSOD用来淀积液态介用来淀积液态介用来淀积液态介用来淀积液态介质膜，对金属材料而言，质膜，对金属材料而言，质膜，对金属材料而言，质膜，对金属材料而言，PVDPVD最常用。最常用。最常用。最常用。18CVD：通过气体的混合

9、反应在硅片表面淀积一层：通过气体的混合反应在硅片表面淀积一层固体膜的工艺，硅片表面及其邻近的区域被加热固体膜的工艺，硅片表面及其邻近的区域被加热来向反应系统提供附加的能量。来向反应系统提供附加的能量。1、产生化学变化（化学反应、热分解）；、产生化学变化（化学反应、热分解）；2、膜中的所有的材料物质来源于外部的源；、膜中的所有的材料物质来源于外部的源；3、CVD工艺中的反应物以气相形式参加反应。工艺中的反应物以气相形式参加反应。第十一章第十一章 淀积淀积11.3 化学汽相淀积化学汽相淀积19第十一章第十一章 淀积淀积11.3 化学汽相淀积化学汽相淀积20CVD 过程中过程中5种基本化学反应种基本

10、化学反应：1、高温分解（化学键断裂）；、高温分解（化学键断裂）；2、光分解；、光分解；3、还原反应；、还原反应；4、氧化反应；、氧化反应；5、氧化还原反应。、氧化还原反应。第十一章第十一章 淀积淀积11.3.1 CVD化学过程化学过程21异类反应（表面）、同类反应（表面上方）异类反应（表面）、同类反应（表面上方）第十一章第十一章 淀积淀积11.3.2 CVD反应反应22第十一章第十一章 淀积淀积11.3.2 CVD反应反应23 CVD工艺特点工艺特点1、CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软化点，因而减轻了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，

11、减轻了杂质衬底片的热形变，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的再分布，适于制造浅结分立器件以及VLSI电路；电路；2、薄膜的成分精确可控、配比范围大，重复性好；、薄膜的成分精确可控、配比范围大，重复性好；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、溅射等）物理气相淀积，如蒸发、溅射等）；厚度范围从几百；厚度范围从几百至数毫米，生产量大；至数毫米，生产量大；4、淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好，台阶覆盖性能、淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好，台阶覆盖性能好。好。第十一章第十一章 淀积淀积11.3.2 CVD反应反应24CVD

12、 传输和反应步骤传输和反应步骤第十一章第十一章 淀积淀积11.3.2 CVD反应反应速度限制阶段：速度限制阶段：温度升高会促进表面反应速度的增加，温度升高会促进表面反应速度的增加，温度升高会促进表面反应速度的增加，温度升高会促进表面反应速度的增加，反应速度最慢的阶段将决定淀积过程的速度。反应速度最慢的阶段将决定淀积过程的速度。反应速度最慢的阶段将决定淀积过程的速度。反应速度最慢的阶段将决定淀积过程的速度。质量传输限制淀积工艺：质量传输限制淀积工艺：CVDCVD速率不可能超过反应气速率不可能超过反应气速率不可能超过反应气速率不可能超过反应气体传输到硅片表面的速率（温度不敏感性）。体传输到硅片表面

13、的速率（温度不敏感性）。体传输到硅片表面的速率（温度不敏感性）。体传输到硅片表面的速率（温度不敏感性）。在更低的反应温度和压力下，表面反应速度会降低，此在更低的反应温度和压力下，表面反应速度会降低，此在更低的反应温度和压力下，表面反应速度会降低，此在更低的反应温度和压力下，表面反应速度会降低，此时为时为时为时为反应速度限制淀积工艺。反应速度限制淀积工艺。反应速度限制淀积工艺。反应速度限制淀积工艺。25第十一章第十一章 淀积淀积11.3.2 CVD反应反应26速度限制：最慢过程决定质量传输限制：反应速度快，反应气体不足反应速度限制：反应物都能够达到硅片表面，反应速度慢第十一章第十一章 淀积淀积1

14、1.3.2 CVD反应反应主要因素：主要因素：反应气体输运到表面的速度以及表面反应气体输运到表面的速度以及表面的化学反应速度的化学反应速度27第十一章第十一章 淀积淀积11.3.2 CVD反应反应CVD反应中的压力：反应中的压力：低压下反应物更快地到达低压下反应物更快地到达衬底表面衬底表面-反应速度限制反应速度限制28硅片表面的气流硅片表面的气流第十一章第十一章 淀积淀积11.3.2 CVD反应反应CVD过程中的掺杂过程中的掺杂磷硅玻璃（磷硅玻璃（P2O5小于小于4%，防止吸潮），防止吸潮）硼硅玻璃硼硅玻璃硼磷硅玻璃硼磷硅玻璃氟硅玻璃氟硅玻璃29第十一章第十一章 淀积淀积11.4 CVD淀积系

15、统淀积系统CVDCVD工艺具有不同的反应腔设计，工艺具有不同的反应腔设计，工艺具有不同的反应腔设计，工艺具有不同的反应腔设计，常压常压常压常压CVDCVD（APCVDAPCVD）和和和和减压减压减压减压CVDCVD，减压，减压，减压，减压CVDCVD分为分为分为分为LPCVDLPCVD（热能）和等离子体（热能）和等离子体（热能）和等离子体（热能）和等离子体辅助减压辅助减压辅助减压辅助减压CVDCVD（热能和等离子体，（热能和等离子体，（热能和等离子体，（热能和等离子体，PECVDPECVD和和和和HDPCVDHDPCVD）30第十一章第十一章 淀积淀积11.4 CVD淀积系统淀积系统CVDCV

16、D反应器加热（热壁还是冷壁）反应器加热（热壁还是冷壁）反应器加热（热壁还是冷壁）反应器加热（热壁还是冷壁）LPCVDLPCVD：反应速度限制；：反应速度限制；：反应速度限制；：反应速度限制；APCVDAPCVD：质量输运限制：质量输运限制：质量输运限制：质量输运限制31第十一章第十一章 淀积淀积11.4 CVD淀积系统淀积系统32第十一章第十一章 淀积淀积11.4.2 APCVD3311.4.1 APCVD11.4.1 APCVD工艺工艺工艺工艺 化学反应在常压下进行，气流的作用明显。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，片内及片间均匀性的设备比较简单，但

17、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。目前普遍采用采用 LTCVD（常压下低温化学气相淀积）来淀积（常压下低温化学气相淀积）来淀积 SiO2 和掺杂和掺杂 SiO2 膜如磷硅玻璃（膜如磷硅玻璃（PSG）。第十一章第十一章 淀积淀积11.4.2 APCVD34 1、基本化学反应、基本化学反应 稀释的稀释的SiH4（硅烷）同过量（硅烷）同过量 O2 反应在热衬底上生长反应在热衬底上生长SiO2：SiH4+

18、O2 SiO2+2H2 稀稀释释的的SiH4和和PH3（磷磷烷烷）同同过过量量O2反反应应生生成成磷磷硅硅玻玻璃璃（PSG），），PSG是一种两元玻璃质化合物：是一种两元玻璃质化合物：(1-x)SiH4+2xPH3+3O2 (SiO2)1-x(P2O5)x+H2第十一章第十一章 淀积淀积11.4.2 APCVD35 2、常压、常压LTCVD工艺特点工艺特点 （1）温度升高，淀积速率增大，淀积温度选择在）温度升高，淀积速率增大，淀积温度选择在400450；（2）SiH4或或O2流量增大，淀积速率增大；流量增大，淀积速率增大；（3）在在保保证证足足够够淀淀积积速速率率下下，应应选选择择足足够够大大

19、的的稀稀释释气气体体（N2）流量，避免大量）流量，避免大量SiO2白色粉末的形成，同时提高均匀性；白色粉末的形成，同时提高均匀性；（4）淀淀积积的的 SiO2 或或PSG膜膜均均需需在在7001000温温度度下下（N2 或或惰惰性性气气体体）处处理理 515 min，目目的的在在于于提提高高膜膜的的密密度度、抗抗蚀蚀性性及及介介电电击穿强度。击穿强度。第十一章第十一章 淀积淀积11.4.2 APCVD36WaferFilmReactant gas 2Reactant gas 1Inert separator gas(a)Gas-injection type气体注入类型第十一章第十一章 淀积淀积

20、11.4.2 APCVD37通气类型第十一章第十一章 淀积淀积11.4.2 APCVD38APCVD TEOS-O3好的台阶覆盖性第十一章第十一章 淀积淀积11.4.2 APCVD掺杂掺杂SiO239Planarized Surface after Reflow of PSG第十一章第十一章 淀积淀积11.4.3 LPCVD更低的成本、更高的产量以及更好的膜性能更低的成本、更高的产量以及更好的膜性能温度均匀性（反应速度限制型）温度均匀性（反应速度限制型）40第十一章第十一章 淀积淀积11.4.3 LPCVD41第十一章第十一章 淀积淀积11.4.3 LPCVD42第十一章第十一章 淀积淀积11

21、.4.3 LPCVD432、LPCVD工艺主要优点工艺主要优点 （1）较低的化学反应温度）较低的化学反应温度 （2）良好的阶梯覆盖和均匀性）良好的阶梯覆盖和均匀性 （3）采采用用垂垂直直方方式式的的晶晶圆圆装装载载，提提高高了了生生产产效效率率和和降降低低了了在微粒中的暴露在微粒中的暴露 （4）对气体流动的动态变化依赖性低）对气体流动的动态变化依赖性低 （5）气相反应中微粒的形成时间减少）气相反应中微粒的形成时间减少 （6）反应可在标准的反应炉内完成）反应可在标准的反应炉内完成第十一章第十一章 淀积淀积11.4.3 LPCVD44 二氧化硅：在大规模集成电路中二氧化硅：在大规模集成电路中二氧化

22、硅：在大规模集成电路中二氧化硅：在大规模集成电路中LPCVD SiOLPCVD SiO2 2有许多有许多有许多有许多应用。应用。应用。应用。LPCVDLPCVD制备制备制备制备SiOSiO2 2的方法：的方法：的方法：的方法：1 1 低压低压低压低压650-750650-750度下，热分解度下，热分解度下，热分解度下，热分解TEOSTEOS（正硅酸乙脂），（正硅酸乙脂），（正硅酸乙脂），（正硅酸乙脂），可以加氧气，也可以不加。膜的生长率约可以加氧气，也可以不加。膜的生长率约可以加氧气，也可以不加。膜的生长率约可以加氧气，也可以不加。膜的生长率约100-150100-150/min./min.2

23、 2 用硅用硅用硅用硅烷烷烷烷制制制制备备备备SiOSiO2 2：在较低温度下（：在较低温度下（：在较低温度下（：在较低温度下（450450度）氧化硅度）氧化硅度）氧化硅度）氧化硅烷的方法烷的方法烷的方法烷的方法LPCVDLPCVD淀积淀积淀积淀积SiOSiO2 2第十一章第十一章 淀积淀积11.4.3 LPCVD氮化硅氮化硅 用做最终的钝化层，抑制杂质和潮气的扩散用做最终的钝化层，抑制杂质和潮气的扩散多晶硅作为栅电极的原因：多晶硅作为栅电极的原因：1、通过掺杂可得到特定的电阻；、通过掺杂可得到特定的电阻；2、与二氧化硅的优良的界面特性；、与二氧化硅的优良的界面特性；3、后续高温工艺的兼容性；

24、、后续高温工艺的兼容性；4、比金属电极（、比金属电极（Al）更高的可靠性；）更高的可靠性；5、在陡峭的结构上淀积的均匀性；、在陡峭的结构上淀积的均匀性；6、实现栅的自对准工艺。、实现栅的自对准工艺。45第十一章第十一章 淀积淀积11.4.3 LPCVD46第十一章第十一章 淀积淀积11.4.3 LPCVD47掺杂多晶硅及对比掺杂多晶硅及对比1.扩散：高温过程电阻率很低，掺杂浓度超过固溶度极限。1021，迁移率3040cm2/Vs2.离子注入：剂量大时，1020，电阻率高10倍迁移率3040cm2/Vs 低温过程3.淀积过程中加入杂质气体：1020 1021，迁移率3040cm2/Vs 低温过程

25、多晶硅温度系数：110-3/C,第十一章第十一章 淀积淀积11.4.3 LPCVD48 氧化氮化硅：氧化氮化硅：氧化氮化硅：氧化氮化硅：含氧的氮化硅称为氧化氮化硅（含氧的氮化硅称为氧化氮化硅（含氧的氮化硅称为氧化氮化硅（含氧的氮化硅称为氧化氮化硅（SiOSiOx xNNy y），），），），它具有氧化硅和氮化硅的优点。与氮化硅相比，氧化氮化硅它具有氧化硅和氮化硅的优点。与氮化硅相比，氧化氮化硅它具有氧化硅和氮化硅的优点。与氮化硅相比，氧化氮化硅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，改善了热稳定性、抗断裂性、降低膜的应力。对薄栅

26、氧来说，改善了热稳定性、抗断裂性、降低膜的应力。对薄栅氧来说，改善了热稳定性、抗断裂性、降低膜的应力。对薄栅氧来说，在在在在Si/SiOSi/SiO2 2界面处的氧化氮化硅可以改进器件的电学性能。界面处的氧化氮化硅可以改进器件的电学性能。界面处的氧化氮化硅可以改进器件的电学性能。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，氧化可以用不同的技术来制备氧化氮化硅膜，氧化可以用不同的技术来制备氧化氮化硅膜，氧化可以用不同的技术来制备氧化氮化硅膜，氧化SiSi3 3NN4 4，用，用，用，用NHNH3 3氮化氮化氮化氮化SiOSiO2 2，或者直接生长，或者直接生长，

27、或者直接生长，或者直接生长SiOSiOx xNNy y。还可以通过。还可以通过。还可以通过。还可以通过SiHSiH4 4、NN2 2OO、NHNH3 3来反应制备。来反应制备。来反应制备。来反应制备。第十一章第十一章 淀积淀积11.4.3 LPCVD49 3、LPCVD工艺分类工艺分类 （1）水平对流热传导）水平对流热传导LPCVD （2）超高真空）超高真空CVD（UHV/CVD）第十一章第十一章 淀积淀积11.4.4 PECVD依赖于依赖于等离子体的能量和热能等离子体的能量和热能来触发来触发CVD淀积淀积所需的化学反应。所需的化学反应。使用等离子体的好处：使用等离子体的好处：1、更低的工艺温

28、度；、更低的工艺温度；2、高深宽比间隙填充能力（高密度等离子体）；、高深宽比间隙填充能力（高密度等离子体）；3、膜与硅片的优良粘附能力；、膜与硅片的优良粘附能力；4、高淀积速率；、高淀积速率；5、少的针孔和空洞、少的针孔和空洞高的膜密度；高的膜密度；6、工艺温度低因而应用范围广。、工艺温度低因而应用范围广。50第十一章第十一章 淀积淀积11.4.4 PECVD51淀积介质的反应温度淀积介质的反应温度产品产品淀积温度淀积温度CCSiOSiO2 2650900650900Si Si3 3NN4 4650900650900等离子等离子Si Si3 3NN4 4200350200350等离子等离子Si

29、OSiO2 2200350200350多晶硅多晶硅600650600650第十一章第十一章 淀积淀积11.4.4 PECVD52第十一章第十一章 淀积淀积11.4.4 PECVD53第十一章第十一章 淀积淀积11.4.4 PECVD54第十一章第十一章 淀积淀积11.4.4 PECVDHDPCVD：等离子体在低压下以高密度混和气的形等离子体在低压下以高密度混和气的形等离子体在低压下以高密度混和气的形等离子体在低压下以高密度混和气的形式直接接触到反应腔的表面，主要优点在于在低温下可式直接接触到反应腔的表面，主要优点在于在低温下可式直接接触到反应腔的表面，主要优点在于在低温下可式直接接触到反应腔的

30、表面，主要优点在于在低温下可以填充高深款比间隙的膜，用来以填充高深款比间隙的膜，用来以填充高深款比间隙的膜，用来以填充高深款比间隙的膜，用来ILDILD，ILD-1ILD-1，浅槽隔，浅槽隔，浅槽隔，浅槽隔离，刻蚀终止层以及低离，刻蚀终止层以及低离，刻蚀终止层以及低离，刻蚀终止层以及低k k介质的淀积。介质的淀积。介质的淀积。介质的淀积。同步淀积与刻蚀：同步淀积与刻蚀：淀积刻蚀比为淀积刻蚀比为淀积刻蚀比为淀积刻蚀比为3 3：1 1。1 1、离子诱导淀积、离子诱导淀积、离子诱导淀积、离子诱导淀积2 2、溅射刻蚀、溅射刻蚀、溅射刻蚀、溅射刻蚀3 3、再次淀积、再次淀积、再次淀积、再次淀积4 4、热

31、中性、热中性、热中性、热中性CVDCVD5 5、反射、反射、反射、反射55第十一章第十一章 淀积淀积11.4.4 PECVD56高密度等离子高密度等离子体淀积腔体淀积腔第十一章第十一章 淀积淀积11.4.4 PECVD571.Ion-induced deposition2.Sputter etch3.Redeposition4.Hot neutral CVD5.ReflectionHDPCVD 工艺（同步淀积工艺（同步淀积-刻蚀）的五个步骤刻蚀）的五个步骤第十一章第十一章 淀积淀积11.4.4 PECVD58第十一章第十一章 淀积淀积11.4.4 PECVD59HDPCVD 特点：低温特点：低

32、温300400C第十一章第十一章 淀积淀积11.4.4 PECVD60介质间隙填充的三个过程介质间隙填充的三个过程第十一章第十一章 淀积淀积11.5.1 介电常数介电常数61ULSI中的低中的低-k 材料材料 介质层介质层K=1空气空气低低k介质作为层间介质优点：介质作为层间介质优点：减少相邻导线间的电耦合损失，提高金属导减少相邻导线间的电耦合损失，提高金属导线的传输速率。线的传输速率。第十一章第十一章 淀积淀积11.5.1 介电常数介电常数62第十一章第十一章 淀积淀积11.5.1 介电常数介电常数632.52.01.51.00.500.51.01.52.0Feature size(mm)D

33、elay time(10-9 sec)Interconnect delay(RC)Gate delay第十一章第十一章 淀积淀积11.5.1 介电常数介电常数64Capacitance(10-12 Farads/cm)7654321000.51.01.52.02.53.0Space(mm)K=4K=3K=2K=1第十一章第十一章 淀积淀积11.5.1 介电常数介电常数65Low-k Dielectric Film Requirements第十一章第十一章 淀积淀积11.5.1 介电常数介电常数66局部氧化（局部氧化（局部氧化（局部氧化（LOCOSLOCOS）：采用图形化的采用图形化的采用图形化

34、的采用图形化的SiSi3 3NN4 4岛来定义氧生长的区域，但是对于深亚微米岛来定义氧生长的区域，但是对于深亚微米岛来定义氧生长的区域，但是对于深亚微米岛来定义氧生长的区域，但是对于深亚微米器件，隔离结构尺寸过大（氧的侧向生长器件，隔离结构尺寸过大（氧的侧向生长器件，隔离结构尺寸过大（氧的侧向生长器件，隔离结构尺寸过大（氧的侧向生长鸟嘴）。鸟嘴）。鸟嘴）。鸟嘴）。浅槽隔离（浅槽隔离（浅槽隔离（浅槽隔离（STISTI）：）：）：）：1 1、更有效的器件隔离；、更有效的器件隔离；、更有效的器件隔离；、更有效的器件隔离；2 2、表面积小；、表面积小；、表面积小；、表面积小；3 3、超强的闩锁保护能力

35、；、超强的闩锁保护能力；、超强的闩锁保护能力；、超强的闩锁保护能力；4 4、对沟道没有侵蚀；、对沟道没有侵蚀；、对沟道没有侵蚀；、对沟道没有侵蚀；5 5、与、与、与、与CMPCMP工艺兼容。工艺兼容。工艺兼容。工艺兼容。第十一章第十一章 淀积淀积11.5.2 器件隔离器件隔离67第十一章第十一章 淀积淀积11.5.2 器件隔离器件隔离68旋涂玻璃（旋涂玻璃（SOG）：有机物基于硅氧烷，无机：有机物基于硅氧烷，无机物基于硅酸盐。物基于硅酸盐。第十一章第十一章 淀积淀积11.6 旋涂绝缘介质旋涂绝缘介质69第十一章第十一章 淀积淀积11.6 旋涂绝缘介质旋涂绝缘介质低低k绝缘介质薄膜正作为旋涂绝缘

36、介质来研究。绝缘介质薄膜正作为旋涂绝缘介质来研究。70HSQ Low-k 绝缘介质工艺参数绝缘介质工艺参数第十一章第十一章 淀积淀积11.7 外延外延71Epitaxy Growth ModelEpitaxy Growth ModelEpitaxy Growth MethodsEpitaxy Growth Methodsn n气相外延气相外延Vapor-Phase Epitaxy(VPE)Vapor-Phase Epitaxy(VPE)n n金属有机外延金属有机外延Metalorganic CVD(MOCVD)Metalorganic CVD(MOCVD)n n分子束外延分子束外延n n（Mo

37、lecular-Beam Epitaxy(MBE)Molecular-Beam Epitaxy(MBE)）n n高真空条件下，严格控制外延层厚度和掺高真空条件下，严格控制外延层厚度和掺杂的均匀性。杂的均匀性。第十一章第十一章 淀积淀积11.7 外延外延72外外延延就就是是在在单单晶晶衬衬底底上上淀淀积积一一层层薄薄的的单单晶晶层层。新新淀淀积积的的这这层层称称为为外外延延层层。外外延延为为器器件件设设计计者者在在优优化化器器件件性性能能方方面面提提供供了了很很大大的灵活性。的灵活性。IC制造中最普通的外延反应是高温制造中最普通的外延反应是高温CVD系统。系统。如如果果外外延延层层和和衬衬底底相

38、相同同，这这样样的的生生长长的的膜膜称称为为同同质质外外延延；与与衬衬底不一致称为底不一致称为异质外延异质外延（一般比较少）。（一般比较少）。外外延延硅硅通通常常采采用用CVD淀淀积积系系统统。外外延延生生长长前前，必必须须清清除除硅硅片片的的自然氧化层、残余的有机杂质和金属杂质获得完美的表面。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：制备中一般采用以下三种外延方法：气气相相外外延延（VPE）、金金属属有有机机CVD（MOCVD）、分分子子束束外外延延（MBE）第十一章第十一章 淀积淀积11.7 外延外延73气相外延（气相外延（气相外延（气相外延（

39、VPEVPE）硅硅片片制制造造中中最最常常用用的的硅硅外外延延方方法法是是气气相相外外延延（VPE），在在温温度度为为800-1150的的硅硅片片表表面面通通过过含含有有所所需需化化学学物物质质的的气气体体化化合合物物，就可以实现气相外延。就可以实现气相外延。金属有机物金属有机物金属有机物金属有机物CVDCVD（MOCVDMOCVD）可可以以指指淀淀积积金金属属以以及及氧氧化化物物的的多多晶晶或或无无定定型型膜膜。MOCVDMOCVD是是VPEVPE的的一一种种，一一般般被被用用来来淀淀积积化化合合物物半半导导体体外外延延层层。主主要要用用于于激激光光器器、法法光光二二极极管管以以及及光光电电

40、集集成成电电路路。也也可可以以用用来来为为未未来来的的ICIC制制造造淀淀积有机低积有机低K K绝缘层。绝缘层。11.7.3 11.7.3 分子束外延（分子束外延（分子束外延（分子束外延（MBEMBE）温温度度为为400800，背背景景真真空空为为10-1010-11乇乇，可可以以严严格格控控制制外延层厚度和掺杂的均匀性，生长速率比较慢。外延层厚度和掺杂的均匀性，生长速率比较慢。第十一章第十一章 淀积淀积11.7 外延外延74外延材料优点外延材料优点1.提高材料的厚度均匀，电阻率一致性好。2.降低隔离区面积，提高集成度3.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。4.采用

41、高阻薄外延层能够降低衬底寄生电容，提高电路速度5.改善电路的功率特性和频率特性6.降低闭锁效应。第十一章第十一章 淀积淀积11.7 外延外延外延用气体源：外延用气体源：SiCl4、SiH2Cl2、SiHCl3淀积温度：淀积温度：10501250 固相、液相、气相以及分子束外延固相、液相、气相以及分子束外延气相外延（气相外延（VPE）金属有机外延（金属有机外延（MOCVD）分子束外延（分子束外延（MBE）75第十一章第十一章 淀积淀积11.7 外延外延在单晶衬底上淀积一薄单晶层。在单晶衬底上淀积一薄单晶层。自掺杂自掺杂、外扩散外扩散76第十一章第十一章 淀积淀积11.7 外延外延77气相外延示意图第十一章第十一章 淀积淀积11.7 外延外延78第十一章第十一章 淀积淀积11.8 CVD质量测量质量测量79第十一章第十一章 淀积淀积11.8 CVD质量测量质量测量80第十一章第十一章 淀积淀积11.9 CVD检查及故障排除检查及故障排除81第十一章第十一章 作业作业n nP272 1，2，3，5，12，14，21，23，24，32，34，35，36，3782