第10章 淀積01

1、第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *1第10章 淀積10.1 淀積概述10.2 薄膜淀積10.3 物理氣相淀積第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *210.1 淀積概述 4種最基本的平面制造工藝摻雜工藝摻雜工藝熱處理工藝熱處理工藝光刻工藝光刻工藝 薄膜制備工藝薄膜制備工藝第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *310.2 薄膜淀積薄膜薄膜 是指在襯底上生長的薄固體物質(zhì) 薄膜的表面距離襯底很近，所以它對(duì)薄膜物質(zhì)的物理、機(jī)械、化學(xué)、電學(xué)等特性有重要影響。 一般單位為埃第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *410.2 薄膜淀積固態(tài)薄膜Silicon substrateOxide寬長厚與襯底相比薄膜非常薄第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *510.1 淀積概

2、述薄膜的構(gòu)成 有些是器件的一部分 有些將被后續(xù)工藝去掉 各種不同類型的薄膜淀積到硅片上，在某些情況下，這些薄膜成為器件結(jié)構(gòu)中的一個(gè)完整部分，另外一些薄膜則充當(dāng)了工藝過程中的犧牲品，并且在后續(xù)的工藝中被去掉。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *610.1 淀積概述 薄膜制備薄膜制備 是在晶體表面形成薄膜的加工工藝。 MOS晶體管的剖面圖 鈍化層(Si3N4、Al2O3) 金屬膜(Al) 氧化層(SiO2)淀積鈍化層淀積金屬膜生長氧化層NNP第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *710.1 淀積概述 制備薄膜的材料有： 半導(dǎo)體材料（Si、GaAs等） 金屬材料（Au、Al等） 無機(jī)絕緣材料（SiO2 、Si3N4 、A

3、l2O3 等）半絕緣材料（多晶硅、非晶硅等）第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *810.2 薄膜淀積薄膜淀積的作用薄膜淀積的作用 薄膜淀積是芯片加工過程中一個(gè)至關(guān)重要的工藝步驟，通過淀積工藝可以在硅片上生長導(dǎo)各種導(dǎo)電薄膜層和絕緣薄膜層。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *910.1 淀積概述 直接法直接法-使淀積源直接轉(zhuǎn)移到襯底上形成薄膜,如蒸發(fā)工藝、蒸發(fā)工藝、濺射濺射等. 間接法間接法-制備薄膜所需的原子或分子，由含其組元的化合物，通過氧化、還原、熱分解等反應(yīng)而得到。增層的制程生長法淀積法氧化工藝化學(xué)氣相淀積工藝氮化硅工藝蒸發(fā)工藝濺射第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *1010.1 淀積概述 薄膜分類薄膜分類/工藝與材料

4、的對(duì)照表工藝與材料的對(duì)照表層別熱氧化工藝化學(xué)氣相淀積工藝蒸發(fā)工藝濺射工藝絕緣層二氧化硅二氧化硅氮化硅二氧化硅一氧化硅半導(dǎo)體層外延單晶硅 多晶硅導(dǎo)體層鋁鋁硅合金/鋁銅合金鎳鉻鐵合金黃金鎢 鈦 鉬鋁硅合金/鋁銅合金第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *1110.1 淀積概述 MSI時(shí)代時(shí)代nMOS晶體管的各層膜晶體管的各層膜p+ silicon substratep- epi layer場(chǎng)氧化層n+n+p+p+n-wellILD氧化硅墊氧化層氧化硅氮化硅頂層?xùn)叛趸瘜觽?cè)墻氧化層金屬前氧化層Poly金屬多晶金屬第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *1210.1 淀積概述 從MSI到LSI時(shí)代，芯片的設(shè)計(jì)和加工相對(duì)較為直接，上

5、圖給出了制作一個(gè)早期nMOS所需的淀積層。圖中器件的特征尺寸遠(yuǎn)大于1m。 第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *1310.1 淀積概述 淀積的難度（1）同一層內(nèi)平坦問題，由于特征高度的變化，硅片上各層并不平坦，這將成為VLSI時(shí)代所需的多層金屬高密度芯片制造的限制因素。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *1410.1 淀積概述 （2）層間的可靠性 隨著特征尺寸越來越小，在當(dāng)今的高級(jí)微芯片加工過程中，需要6層甚至更多的金屬來做連接，各金屬之間的絕緣就顯得非常重要，所以，在芯片制造過程中，淀積可靠的薄膜材料至關(guān)重要。薄膜制備是硅片加工中的一個(gè)重要工藝步驟。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *1510.1 淀積概述 ULSI多層金

6、屬化多層金屬化 金屬層：鋁合金轉(zhuǎn)換到銅金屬，以增加芯片速度并減少工藝步驟 每層金屬定義為Metal-1,Metal-2 金屬層之間的連接靠層與層之間的通孔來保證鈍化層壓點(diǎn)金屬p+ Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p- Epitaxial layerp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1Poly gaten+p+p+n+n+LI metal第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *1610.1 淀積概述 關(guān)鍵層：線條寬度被刻蝕為器件特征尺寸的金屬層。 關(guān)鍵層對(duì)顆粒雜質(zhì)很敏感。 非關(guān)鍵層：通常指處于上部的金屬

7、層，有更大的線寬，對(duì)顆粒污染不夠敏感，但是其尺寸會(huì)影響芯片的速度和功耗第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *1710.1 淀積概述 介質(zhì)層：介于有源器件和金屬之間的電絕緣層 層間介質(zhì)（ILD）充當(dāng)兩層導(dǎo)電金屬或相鄰金屬線之間的隔離膜鈍化層壓點(diǎn)金屬p+ Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p- Epitaxial layerp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1Poly gaten+p+p+n+n+LI metal第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *1810.1 淀積概述 介于有源器件和第一層金屬之間的電絕緣層稱為第

8、一層層間介質(zhì)（Interlayer dielectric,ILD-1） 第一層層間介質(zhì)又稱為金屬前絕緣層（PMD），一般為二氧化硅或玻璃。 其作用為： 1. 電學(xué)上，可以隔離晶體管器件和互連金屬層 2. 物理上，隔離晶體管器件和可移動(dòng)粒子等雜質(zhì)源第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *1910.1 淀積概述 芯片中的金屬層芯片中的金屬層第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *2010.2 薄膜淀積薄膜特性薄膜特性 好的臺(tái)階覆蓋能力 填充高的深寬比間隙的能力 好的厚度均勻性 高純度和高密度：避免玷污 受控制的化學(xué)劑量：膜的各部分成份可控 高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應(yīng)力：晶粒尺寸的變化 好的電學(xué)特性 對(duì)襯底材料或下層膜好的黏附

9、性：避免開裂第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *2110.2 薄膜淀積 膜對(duì)臺(tái)階的覆蓋膜對(duì)臺(tái)階的覆蓋 期望膜在硅片表面上厚度一致，但由于硅片表面臺(tái)階的存在，如果淀積的膜在臺(tái)階上過渡的變薄，就容易導(dǎo)致高的膜應(yīng)力、電短路或在器件中產(chǎn)生不希望的誘生電荷。應(yīng)力還可能導(dǎo)致襯底發(fā)生凸起或凹陷的變形。共形臺(tái)階覆蓋非共形臺(tái)階覆蓋均勻厚度第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *2210.2 薄膜淀積 高的深寬比間隙高的深寬比間隙 可以用深寬比來描述一個(gè)小間隙（如槽或孔），深寬比定義為間隙的深度和寬度的比值(見下圖)。要求填充能夠均勻，無空洞。深寬比 = 深度 寬度=2 1深寬比 = 500 250 500 D250 W第2章 微電子工

10、藝基礎(chǔ) *2310.2 薄膜淀積高深寬比第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *2410.2 薄膜淀積薄膜生長過程三大步驟：1. 成核 2. 島生長 3. 成膜連續(xù)的膜氣體分子成核凝聚Substrate第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *2510.2 薄膜淀積 膜淀積技術(shù)第2章 微電子工藝基礎(chǔ)10.2 薄膜淀積 絕緣層 化學(xué)氣相淀積 外延生長 旋涂絕緣介質(zhì) 金屬層 化學(xué)氣相淀積 濺射 電鍍 蒸發(fā) *26第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *2710.3 物理氣相淀積 物理氣相沉積物理氣相沉積(PVD: Physical Vapor (PVD: Physical Vapor Deposition)Deposition) 指的是利用

11、某些物理的過程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子束轟擊時(shí)表面原子的濺射等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)從源物質(zhì)到薄膜物質(zhì)的可控的原子轉(zhuǎn)移過程。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *2810.3 物理氣相淀積 這種薄膜制備方法相對(duì)于化學(xué)氣相沉積這種薄膜制備方法相對(duì)于化學(xué)氣相沉積方法而言，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)方法而言，具有以下幾個(gè)特點(diǎn) -要使用固態(tài)的或者融化態(tài)的物質(zhì)作為要使用固態(tài)的或者融化態(tài)的物質(zhì)作為沉積過程的源物質(zhì)；沉積過程的源物質(zhì)； -源物質(zhì)要經(jīng)過物理過程進(jìn)入氣相源物質(zhì)要經(jīng)過物理過程進(jìn)入氣相; -需要相對(duì)較低的氣體壓力環(huán)境需要相對(duì)較低的氣體壓力環(huán)境; -在氣相中及襯底表面不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在氣相中及襯底表面不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。第2章 微

12、電子工藝基礎(chǔ) *2910.3 物理氣相淀積 物理氣相沉積中最為基本的方法就是蒸發(fā)法和濺射法。 在薄膜沉積技術(shù)發(fā)展的最初階段，蒸發(fā)法相對(duì)于濺射法具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)： 較高的沉積速度 相對(duì)較高的真空度 以及由此導(dǎo)致的較高的薄膜質(zhì)量等 因此蒸發(fā)法最初受到了相對(duì)較大的重視。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *3010.3 物理氣相淀積 蒸發(fā)的缺點(diǎn)： 薄膜與襯底的黏附力小 工藝可重復(fù)性差 臺(tái)階覆蓋能力差第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *3110.3 物理氣相淀積 濺射法的一些優(yōu)勢(shì)：在沉積多元合金薄膜時(shí)化學(xué)成分容易控制沉積層對(duì)于襯底的附著力較好等現(xiàn)代技術(shù)對(duì)于合金薄膜材料的需求也促進(jìn)了各種高速濺射方法以及高純靶材高純氣體制備

13、技術(shù)的發(fā)展 這些都使濺射法制備的薄膜的質(zhì)量得到了很大的改善。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *3210.3 物理氣相淀積真空蒸發(fā)原理 升華與蒸發(fā)：當(dāng)材料溫度低于熔化溫度時(shí)，產(chǎn)生蒸汽的過程稱為升華。而熔化時(shí)產(chǎn)生蒸汽的過程稱為蒸發(fā)。 真空蒸發(fā)：利用蒸發(fā)材料在高溫時(shí)所具有的飽和蒸汽壓進(jìn)行薄膜制備第2章 微電子工藝基礎(chǔ)簡(jiǎn)單的蒸發(fā)裝置簡(jiǎn)單的蒸發(fā)裝置機(jī)械泵高真空閥高真空泵工藝腔(鐘罩)坩鍋蒸發(fā)金屬載片盤第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *3410.3 物理氣相淀積 在蒸發(fā)沉積裝置中，最重要的是蒸發(fā)源，根據(jù)其加熱原理可以分為以下幾種: 電阻式加熱 電子束加熱裝置 激光蒸發(fā)鍍膜( ablation)裝置裝置第2章 微電子工藝基

14、礎(chǔ) *3510.3 物理氣相淀積 電阻式加熱 這是應(yīng)用的較多的一種蒸發(fā)加熱方法。對(duì)于電阻材料的要求 耐高溫 高溫下蒸汽壓低 不與被蒸發(fā)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 無放氣現(xiàn)象和其它污染 合適的電阻率 所以一般是難熔金屬 W、Mo和Ta等 另外對(duì)加熱體坩堝主要采用耐高溫的陶瓷材料第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *3610.3 物理氣相淀積 將鎢絲繞制成各種直徑或不等直徑的螺旋狀即可作為加熱源。 鎢絲一方面起到加熱器的作用，另一方面也起到支撐被加熱物質(zhì)的作用。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *3710.3 物理氣相淀積 電阻加熱方法的局限性坩堝或其它加熱體以及支撐部件可能的污染電阻加熱法的加熱功率或溫度也受到一定的限制。 而電

15、子束蒸發(fā)正好克服了電阻加熱方法的上述不足，因而成為蒸發(fā)法高速沉積高純物質(zhì)薄膜的主要的加熱手段。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *3810.3 物理氣相淀積 電子束加熱裝置 在電子束加熱裝置中，被加熱的物質(zhì)被放置在水冷的坩堝中，電子束只轟擊到其中很小的一部分，而其余的大部分在坩堝的冷卻作用下仍處于很低的溫度，即它實(shí)際上成了蒸發(fā)物質(zhì)的坩堝材料。 因此電子束蒸發(fā)可以做到避免坩堝材料的污染。在同一蒸發(fā)沉積裝置中可以安置多個(gè)坩堝，這使得可以同時(shí)或分別對(duì)多種不同材料進(jìn)行蒸發(fā)。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *3910.3 物理氣相淀積 如圖，由加熱的燈絲發(fā)射出的電子束受到數(shù)千伏的偏置電場(chǎng)的加速，并經(jīng)過橫向部置的磁場(chǎng)線圈偏

16、轉(zhuǎn)270度后到達(dá)被轟擊的坩堝處，這樣的部置可以避免燈絲材料對(duì)于沉積過程可能造成的污染。電子束蒸發(fā)的缺點(diǎn)是電子束能量的絕大部分被坩堝的水冷系統(tǒng)帶走，因而熱效率低第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *4010.3 物理氣相淀積 激光蒸發(fā)鍍膜 使用高功率的激光束作為能量進(jìn)行薄膜的蒸發(fā)沉積的方法叫激光沉積法。 這種方法也具有加熱溫度高、可避免坩堝污染、材料的蒸發(fā)速率高、蒸發(fā)過程容易控制等特點(diǎn)。同時(shí)由于在蒸發(fā)過程中，高能激光光子將能量直接傳給被蒸發(fā)的原子，因而激光蒸發(fā)法的粒子能量一般顯著高于其它的蒸發(fā)方法。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *4110.3 物理氣相淀積 在激光加熱方法中，需要采用特殊的窗口材料將激光束引入真空

17、室中，并要使用透鏡或凹面鏡等將激光束聚焦至被蒸發(fā)材料上。針對(duì)不同波長的激光束，需要選用不同光譜透過特性的窗口和透鏡材料。 一般來說，采用的激光源是二氧化碳激光器，其工作波長為10.6微米，很多介質(zhì)和半導(dǎo)體材料的吸收率都很高。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *4210.3 物理氣相淀積 濺射濺射 濺射是物理氣相淀積形式之一，主要是一個(gè)物理過程，而非化學(xué)過程。 在濺射過程中，高能粒子在撞擊具有高純度的靶材料固體平板，按物理過程撞擊出原子。這些被撞擊出的原子穿過真空，最后淀積在硅片上。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *4310.3 物理氣相淀積濺射的優(yōu)點(diǎn)是：1.具有淀積并保持復(fù)雜合金原組分的能力；2.能夠淀積高溫熔

18、化和難熔金屬；3.能夠在直徑為200 mm 或更大的硅片上控制淀積均勻薄膜；4.具有多腔集成設(shè)備，能夠在淀積金屬前清除硅片表面沾污和本身的氧化層 (被稱為原位濺射刻蝕)。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *4410.3 物理氣相淀積基本濺射步驟基本濺射步驟 在高真空腔等離子體中產(chǎn)生正氬離子，并向具有負(fù)電勢(shì)的靶材料加速； 在加速過程中獲得動(dòng)量，并轟擊靶； 離子通過物理過程從靶上撞擊出（濺射）原子，靶具有想要的材料組分； 被撞擊出（濺射）的原子遷移到硅片表面； 被濺射的原子在硅片表面凝聚形成薄膜，與靶材料相比，薄膜具有與它基本相同的材料組分； 額外材料由真空泵抽走。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *4510.3 物

19、理氣相淀積 簡(jiǎn)單平行金屬板直流二極管濺射系統(tǒng)簡(jiǎn)單平行金屬板直流二極管濺射系統(tǒng)尾氣e-e-e-DC 直流二極管濺射裝置襯底 1) 電場(chǎng)產(chǎn)生 Ar+ 離子 2) 高能Ar+ 離子和 金屬靶撞擊 3) 將金屬原子 從 靶中撞擊陽極(+)陰極 (-)氬原子電場(chǎng)金屬靶等離子體 5) 金屬淀積在襯底上 6) 用真空泵將多余 物質(zhì)從腔中抽走4) 金屬原子向襯底遷移.進(jìn)氣第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *4610.3 物理氣相淀積 濺射過程中從靶的表面撞出金屬原子濺射過程中從靶的表面撞出金屬原子+0高能 Ar+ 離子被濺射的金屬原子金屬原子陰極(-)彈回的氬離子和自由電子復(fù)合形成中性原子第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *47

20、10.3 物理氣相淀積濺射的效率取決于： 轟擊離子的入射角 靶材料的組分和它的幾何因素 轟擊離子的質(zhì)量1. 轟擊離子的能量第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *4810.3 物理氣相淀積 除了被濺射的原子被轟擊外，還有其它核素淀積在襯底上（見下圖）。陽極(+)陰極 (-)電場(chǎng)金屬靶等離子體輝光產(chǎn)生的光子被濺射的原子Substrate高能原子中子包含雜質(zhì)的陰離子轟擊靶產(chǎn)生的X-射線陰離子e-第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *4910.3 物理氣相淀積 這些核素給襯底加熱（使溫度達(dá)到350），引起薄膜淀積不均勻。比如在鋁的淀積過程中，高溫也可能產(chǎn)生不需要的鋁氧化，這反而妨礙了濺射過程。 另外如果這些核素（雜質(zhì)原子）摻

21、雜進(jìn)正在襯底上生長的薄膜，這將引起薄膜的質(zhì)量問題。第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *5010.3 物理氣相淀積 以上介紹的濺射系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的直流二極管系統(tǒng)，它不能用于濺射介質(zhì)，因?yàn)殡姌O被介質(zhì)覆蓋，同樣也不能用于濺射刻蝕。下面介紹三類濺射系統(tǒng)： 磁控常用 準(zhǔn)直濺射 IMP (離子化的金屬等離子體）-發(fā)展趨勢(shì)第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *5110.3 物理氣相淀積磁控濺射磁控濺射 磁控濺射系統(tǒng)是在靶的周圍和后面裝置了磁體以俘獲并限制電子于靶的前面。 這種設(shè)置增加了離子在靶上的轟擊率，產(chǎn)生更多的二次電子，進(jìn)而增加等離子體中電離的速率。其結(jié)果是更多的離子引起對(duì)靶更多的濺射，因此增加了系統(tǒng)的淀積速率。DC 電源被加熱的硅片吸盤磁鐵氬氣入口真空泵 靶 陰極第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *5210.3 物理氣相淀積DC 電源被加熱的硅片吸盤磁鐵氬氣入口真空泵 靶 陰極第2章 微電子工藝基礎(chǔ) *5310.3 物理氣相淀積磁控濺射要求磁控濺射要求 磁控濺射設(shè)計(jì)需要有一個(gè)能量（大約從3KW20KW），供應(yīng)給氬等離子體，以便取得最大的濺射速率。由于靶吸收了這些能量中的大多數(shù)，并且靶與陰極接觸，因此陰極的冷卻是必須的 濺射淀積大面積硅片其均勻性較差。為了取得高濺射速率和膜的均