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集成电路 工艺 原理

仇志军 zjqiu@fudan.edu.cn 邯郸校区物理楼 435 室. 集成电路 工艺 原理. 大纲. 第一章 前言 第二章 晶体生长 第 三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 后端工艺与集成 第十一章 未来趋势与挑战. 在集成电路制备中，很多薄膜材料由淀积工艺形成. Deposition. 半导体薄膜： Si

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集成电路 工艺 原理

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Presentation Transcript

  1. 仇志军 zjqiu@fudan.edu.cn 邯郸校区物理楼435室 集成电路工艺原理

  2. 大纲 第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 后端工艺与集成 第十一章 未来趋势与挑战

  3. 在集成电路制备中，很多薄膜材料由淀积工艺形成在集成电路制备中，很多薄膜材料由淀积工艺形成 Deposition • 半导体薄膜：Si • 介质薄膜：SiO2，Si3N4, BPSG，… • 金属薄膜：Al，Cu，W，Ti，… 单晶薄膜：Si, SiGe（外延） 多晶薄膜：poly-Si

  4. 1）化学气相淀积 — Chemical Vapor Deposition (CVD) 一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。 例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD 2）物理气相淀积 — Physical Vapor Deposition (PVD) 利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。 例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering 两类主要的淀积方式

  5. 旋涂Spin-on • 镀/电镀electroless plating/electroplating 铜互连是由电镀工艺制作 除了CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有:

  6. 外延硅应用举例 外延：在单晶衬底上生长一层新的单晶层，晶向取决于衬底

  7. 多晶硅薄膜的应用 • CMOS栅电极材料；多层金属化电极的导电材料

  8. Single crystal (epitaxy) Polycrystalline Chemical Vapor Deposition (CVD) Courtesy Johan Pejnefors, 2001

  9. 对薄膜的要求 • 组分正确，玷污少，电学和机械性能好 • 片内及片间（每一硅片和硅片之间）均匀性好 • 3. 台阶覆盖性好（conformal coverage — 保角覆盖） • 填充性好 • 平整性好

  10. 单晶 (外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜 半导体、介质、金属薄膜 常压化学气相淀积（APCVD），低压CVD (LPCVD)，等离子体增强淀积（PECVD）等 化学气相淀积（CVD） CVD反应必须满足三个挥发性标准 • 在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压 • 除淀积物质外,反应产物必须是挥发性的 • 淀积物本身必须具有足够低的蒸气压

  11. (1)反应剂被携带气体引入反应器后，在衬底表面附近形成“滞留层”，然后，在主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面(1)反应剂被携带气体引入反应器后，在衬底表面附近形成“滞留层”，然后，在主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面 (2)反应剂被吸附在硅片表面，并进行化学反应 (3)化学反应生成的固态物质，即所需要的淀积物，在硅片表面成核、生长成薄膜 (4)反应后的气相副产物，离开衬底表面，扩散回边界层，并随输运气体排出反应室 化学气相淀积的基本过程

  12. 生长动力学 从简单的生长模型出发，用动力学方法研究化学气相淀积推导出生长速率的表达式及其两种极限情况 与热氧化生长稍有 不同的是，没有了 在SiO2中的扩散流 F1是反应剂分子的粒子流密度 F2代表在衬底表面化学反应消耗的反应剂分子流密度

  13. hG是质量输运系数（cm/sec） ks是表面化学反应系数（cm/sec） 在稳态，两类粒子流密度应相等。这样得到 可得：

  14. 设 这里 Y 为在气体中反应剂分子的摩尔比值, CG为每cm3中反应剂分子数，这里CT为在气体中每cm3的所有分子总数 PG是反应剂分子的分压，PG1， PG1 PG2PG3…..等是系统中其它气体的分压 则生长速率 N是形成薄膜的单位体积中的原子数。对硅外延N为5×1022 cm-3

  15. 表面（反应）控制，对温度特别敏感 Y一定时， v由hG和ks中较小者决定 1、如果hG>>ks，则Cs≈CG,这种情况为表面反应控制过程 有 2、如果hG<<ks，则CS≈0，这是质量传输控制过程 有质量输运控制，对温度不敏感

  16. hG≈constant 斜率与激活能Ea成正比 生长速率和温度的关系 • T对ks的影响较hG大许多，因此： • hG<<ks质量传输控制过程出现在高温 • hG>>ks表面控制过程在较低温度出现 硅外延：Ea=1.6 eV

  17. 以硅外延为例（1 atm，APCVD） 外延硅淀积往往是在高温下进行，以确保所有硅原子淀积时排列整齐，形成单晶层。为质量输运控制过程。此时对温度控制要求不是很高，但是对气流要求高。 多晶硅生长是在低温进行，是表面反应控制，对温度要求控制精度高。 hG常数 Ea值相同

  18. 当工作在高温区,质量控制为主导，hG是常数，此时反应气体通过边界层的扩散很重要，即反应腔的设计和晶片如何放置显得很重要。当工作在高温区,质量控制为主导，hG是常数，此时反应气体通过边界层的扩散很重要，即反应腔的设计和晶片如何放置显得很重要。 • 记住关键两点： • ks控制的淀积 主要和温度有关 • hG控制的淀积 主要和反应腔体几何形状有关

  19. 单晶硅外延要采用图中的卧式反应设备，放置硅片的石墨舟为什么要有倾斜?

  20. 这里界面层厚度s是x方向平板长度的函数。 为气体粘度 为气体密度 U为气体速度 a. 随着x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀积受质量传输控制，则淀积速度会下降 b. 沿支座方向反应气体浓度的减少, 同样导致淀积速度会下降

  21. 因此，支座倾斜可以促使s(x)沿x变化减小 原理：由于支座倾斜后，气流的流过的截面积下降，导致气流速度的增加，进而导致s(x)沿x减小和hG的增加。从而用加大hG的方法来补偿沿支座长度方向的气源的耗尽而产生的淀积速率的下降。尤其对质量传输控制的淀积至关重要，如APCVD法外延硅。

  22. 外延单晶硅的化学反应式 以上所有反应是可逆的，因此还原反应和HCl对硅的腐蚀均可发生，这和反应剂的摩尔分量和生长温度有关。

  23. 硅外延： 硅锗外延： 选择性外延：加HCl 目前外延常用气源及相应总体化学反应 原位掺杂外延：加BH3/B2H6，PH3/AsH3

  24. Poly Epi Epi Oxide Substrate Substrate Two different modes of epitaxy Non-selective epitaxial growth (NSEG) Selective epitaxial growth (SEG)

  25. APCVD的主要问题：低产率（throughput） • 高温淀积：硅片需水平放置 • 低温淀积：反应速率低 斜率与激活能Ea成正比

  26. 低压化学气相淀积 （LPCVD） 在质量输运控制区域： 因此低压可以大大提高hG的值。 例如在压力为1 torr时，DG可以提高760倍，而ds只提高约7倍，所以hG可以提高100倍。气体在界面不再受到传输速率限制。

  27. 反比于气体压强 平均自由程 r为气体分子的半径 • 分子自由程变长，反应气体质量迁移速率相对于表面反应速率 • 大大增加，这就克服了质量传输限制，使淀积薄膜的厚度均匀性 • 提高，也便于采用直插密集装片 • 降低气体压力，气体分子的自由程加长，气相反应中容易生成 • 亚稳态的中间产物，从而降低了反应激活能，因此，在不改变淀积 • 速率的情况下，淀积温度就可以低于APCVD的淀积温度

  28. 增加产率 — 晶片可直插放置许多片（100-200） • 工艺对温度灵敏,但是采用温度控制好的热壁式系统可解决温度控制问题 • 气流耗尽仍是影响均匀性的因素，可以设定温差5～25 C，或分段进气

  29. LPCVD法的主要特点 • Batch processing：同时100-200片 • 薄膜厚度均匀性好 • 可以精确控制薄膜的成份和结构 • 台阶覆盖性较好 • 低温淀积过程 • 淀积速率快 • 生产效率高 • 生产成本低 有时，淀积温度需很低，薄膜质量要求又很高。如：在形成的Al层上面淀积介质等。 解决办法：等离子增强化学气相淀积 PECVD

  30. 多晶硅淀积方法 LPCVD，主要用硅烷法，即在600-650 ℃温度下，由硅烷热分解而制成，总体化学反应（overall reaction）方程是：SiH4→Si(多晶)+2H2 • 低于575 ℃所淀积的硅是无定形或非晶硅（amorphous Si）； • 高于600 ℃淀积的硅是多晶，通常具有柱状结构（column structure）； • 当非晶经高温（>600 ℃）退火后，会结晶（crystallization）； • 柱状结构多晶硅经高温退火后，晶粒要长大（grain growth）。

  31. 多晶硅的掺杂 • 气固相扩散 • 离子注入 • 在淀积过程中加入掺杂气体（称为原位掺杂，in situ），与外延掺杂类似 • 多晶硅的氧化 • 多晶硅通常在900~1000 ℃范围内进行干氧氧化 • 未掺杂或轻掺杂多晶硅的氧化速率介於（111）和（100）单晶硅的氧化速率之间 • 掺磷多晶硅的氧化速率要比未掺杂（或轻掺杂）多晶硅的氧化速率快

  32. 625 C LPCVD多晶硅的TEM照片

  33. 淀积参数的影响- 温度- 压强- 硅烷浓度- 掺杂剂浓度 • 薄膜淀积速率随温度上升而迅速增加 • 淀积速率随硅烷浓度（硅烷分压）增加而增加

  34. 多晶硅的淀积速率 通常不是硅烷浓度的线性函数 一级反应线性关系 表面吸附的影响

  35. 氧化硅的淀积方法 1）低温CVD（250~450C） P2O5和SiO2组成的二元玻璃网络体 应力小，流动性增加 碱金属离子的吸杂中心易吸水形成磷酸 硅烷为源的淀积——APCVD，LPCVD，PECVD 可以同时掺杂，如：PH3，形成PSG磷硅玻璃： 也可以PECVD： 淀积温度低，可作为钝化层，密度小于热生长氧化硅，台阶覆盖差。 用HD-PECVD可以获得低温（120 C）的高质量氧化硅膜

  36. 2）中温LPCVD（680~730C） TEOS（正硅酸乙酯）为源的淀积 （1）不能淀积在Al层上（为什么？） （2）厚度均匀性好，台阶覆盖优良，SiO2膜质量较好 （3）加入PH3等可形成PSG TEOS也可采用PECVD低温淀积（250～425 C） —台阶覆盖优良，用于互连介质层

  37. 台阶覆盖（保角性 conformality） 1、淀积速率正比于气体分子到达角度

  38. PSG回流工艺可解决台阶覆盖问题 PSG回流工艺：将形成PSG的样品加热到1000 － 1100 C,使PSG软化流动，改善台阶形状 一般6~8 wt% P BPSG可以进一步降低回流温度

  39. 本节课主要内容 单晶硅（外延）—器件；多晶硅—栅电极；SiO2—互连介质；Si3N4—钝化。金属… 常用的淀积薄膜有哪些？举例说明其用途。 化学气相淀积：反应剂被激活后在衬底表面发生化学反应成膜。1)主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面；2)反应剂被吸附在硅片表面；3)反应成核生长；4)副产物挥发。 什么是CVD？描述它的工艺过程。 CVD的控制有哪两种极限状态？分别控制什么参数是关键？ 表面反应控制：温度 质量输运控制：反应器形状，硅片放置

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