項(xiàng)目5　化學(xué)氣相淀積

項(xiàng)目5化學(xué)氣相淀積

第5章化學(xué)氣相淀積5.1概述

5.2化學(xué)氣相淀積

5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)

5.4外延

5.5CVD質(zhì)量檢測(cè)

5.6淀積工藝模擬5.1概述5.1.1薄膜淀積的概念所謂薄膜，是指一種在硅襯底上生長(zhǎng)的薄固體物質(zhì)。薄膜與硅片表面緊密結(jié)合，在硅片加工中，通常描述薄膜厚度的單位是納米（nm）。半導(dǎo)體制造中的薄膜淀積是指在硅片襯底上增加一層均勻薄膜的工藝。在硅片襯底上淀積薄膜有多種技術(shù)，主要的淀積技術(shù)有化學(xué)氣相淀積（CVD）和物理氣相淀積（PVD），其他的淀積技術(shù)有電鍍法、旋涂法和分子束外延法?；瘜W(xué)氣相淀積(CVD)是通過(guò)混合氣體的化學(xué)反應(yīng)生成固體反應(yīng)物并使其淀積在硅片表面形成薄膜的工藝。而物理氣相淀積（PVD）是不需通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，直接把現(xiàn)有的固體材料轉(zhuǎn)移至硅片表面形成薄膜的工藝。電鍍法是制備銅薄膜時(shí)主要采用的淀積技術(shù)。旋涂法采用的設(shè)備是標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)涂膠機(jī)，比CVD工藝更經(jīng)濟(jì)，通常用于制備低k（k指介電常數(shù)）絕緣介質(zhì)膜。5.1概述分子束外延法是一種制備硅外延層的較先進(jìn)的淀積技術(shù)。

5.1.2常用的薄膜材料

在半導(dǎo)體制造中所包含的薄膜材料種類很多，早期的芯片大約含有數(shù)十種，而隨著集成電路結(jié)構(gòu)和性能的發(fā)展，芯片中薄膜材料種類也越來(lái)越多，如圖5?1所示，這些薄膜材料在器件中都起到了非常重要的作用?？偟膩?lái)說(shuō)，薄膜材料的種類可分為金屬薄膜層、絕緣薄膜層和半導(dǎo)體薄膜層三種。圖5-1早期和現(xiàn)代MOS結(jié)構(gòu)中的各層薄膜5.1概述1)金屬薄膜層在半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用主要是制備金屬互連線。

2)常見(jiàn)的絕緣薄膜材料有二氧化硅(SiO2)、摻雜二氧化硅(如PSG、BPSG)、氮化硅(Si3N4)等。

3)半導(dǎo)體薄膜材料主要有多晶硅、外延硅層等。

5.1.3半導(dǎo)體制造中對(duì)薄膜的要求

在圖5?1中給出了制作一個(gè)早期NMOS管所需的淀積層。圖中器件的特征尺寸遠(yuǎn)大于。由于特征高度的變化，硅片上的各層薄膜并不平坦，質(zhì)量不高。這成為超大規(guī)模集成電路時(shí)代所需的多層金屬、高密度芯片制造的限制因素。隨著硅片加工向更高的芯片密度發(fā)展，特征尺寸縮小到0．18μm甚至更小，而且需要用到6層甚至更多層金屬來(lái)做連接。這使得在硅片上可靠地沉積符合要求的薄膜材料至關(guān)重要。5.1概述1.良好的臺(tái)階覆蓋能力

2.填充高的深寬比間隙的能力圖5-2薄膜的臺(tái)階覆蓋5.1概述圖5-3高深寬比通孔填充效果比較5.1概述3.良好的厚度均勻性4.高純度和高密度

5.高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應(yīng)力圖5-4薄膜中晶粒的成核與生長(zhǎng)過(guò)程圖5-5膜應(yīng)力導(dǎo)致硅片襯底發(fā)生變形6.對(duì)襯底材料或下層膜良好的粘附性5.2化學(xué)氣相淀積5.2.1化學(xué)氣相淀積的概念

化學(xué)氣相淀積（CVD）是通過(guò)混合氣體的化學(xué)反應(yīng)生成固體反應(yīng)物并使其淀積在硅片表面形成薄膜的工藝。反應(yīng)產(chǎn)生的其他副產(chǎn)物為揮發(fā)性氣體，離開(kāi)硅片表面并被抽出反應(yīng)腔。硅片表面及其鄰近的區(qū)域被加熱以向反應(yīng)系統(tǒng)提供附加的能量。

5.2化學(xué)氣相淀積5.2.2化學(xué)氣相淀積的原理化學(xué)氣相淀積工藝的反應(yīng)在爐管反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)必須使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在硅片表面或者非常接近表面的區(qū)域（表面催化），這樣可以生成高質(zhì)量的薄膜。而如果反應(yīng)發(fā)生在距離硅片表面較遠(yuǎn)的地方，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)物粘附性差、密度低和缺陷多，這是必須避免的。例如：利用硅烷和氧氣經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)淀積SiO2膜，其反應(yīng)的生成物SiO2淀積在硅片表面，同時(shí)生成了氣態(tài)的副產(chǎn)物氫氣，氫氣經(jīng)排氣系統(tǒng)排出爐管外。反應(yīng)式如下：圖5-6CVD的主要反應(yīng)過(guò)程5.2化學(xué)氣相淀積①氣態(tài)反應(yīng)劑被輸送至反應(yīng)腔，以平流形式向出口流動(dòng)。

②反應(yīng)劑從主氣流區(qū)以擴(kuò)散方式通過(guò)邊界層到達(dá)硅片表面。

③反應(yīng)劑被吸附到硅表面。

④被吸附到硅表面的原子(分子)在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)淀積成膜。

⑤反應(yīng)產(chǎn)生的氣態(tài)副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)劑離開(kāi)襯底，排出系統(tǒng)。5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)5.3.1APCVD

常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD）是指在一個(gè)大氣壓下進(jìn)行的一種化學(xué)氣相淀積的方法，這是最初采用的CVD方法。這種方法工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單，工藝溫度是400~600℃，反應(yīng)速度和淀積速度快（淀積速度可達(dá)1000nm/min），但其淀積的薄膜均勻性較差，氣體消耗量大，且臺(tái)階覆蓋能力差，因此APCVD常被用于淀積相對(duì)較厚的介質(zhì)層（如PSG或BPSG等）。圖5-7APCVD系統(tǒng)5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)1.SiO2的淀積

1)硅烷(SiH4)法是用O2氧化SiH4來(lái)淀積SiO2。

2)TEOS-O3法是使用正硅酸乙酯(TEOS)與O3反應(yīng)淀積SiO2。

2.摻雜SiO2的淀積圖5-8PSG回流后表面平坦化5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)圖5-9氣體分子的運(yùn)動(dòng)軌跡5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)圖5-10LPCVD系統(tǒng)5.3.2LPCVD5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)1.SiO2的淀積2.Si3N4淀積

3.多晶硅淀積圖5-11多晶硅柵自對(duì)準(zhǔn)工藝示意圖5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)4.典型的LPCVD工藝設(shè)備操作

1)做好淀積前的準(zhǔn)備工作，包括按流程卡確認(rèn)程序、工藝、設(shè)備及硅片數(shù)量。

2)硅片清洗。

3)選擇程序。

4)系統(tǒng)充氣。

5)裝片。

6)按“START”鍵，設(shè)備將按設(shè)定的程序進(jìn)爐。

7)程序結(jié)束，自動(dòng)出舟，同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，此時(shí)按面板上的“ACK”鍵，報(bào)警聲消除。

8)經(jīng)10min冷卻后，取下正片或測(cè)試片，放入傳遞盒待檢驗(yàn)和測(cè)試。5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)5.3.3等離子體輔助CVD

等離子體又叫做電漿，是被電離后的氣體，即以離子態(tài)形式存在的氣體(正離子和電子組成的混合物)。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除固、液、氣之外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。在自然界里，火焰、閃電、太陽(yáng)等都是等離子體。等離子體有以下兩個(gè)特點(diǎn)：①等離子體呈現(xiàn)出高度不穩(wěn)定態(tài)，有很強(qiáng)的化學(xué)活性。等離子體輔助CVD就是利用了這個(gè)特點(diǎn)。②等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，利用經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)可以捕捉、移動(dòng)和加速等離子體。這兩個(gè)特點(diǎn)在后面的等離子體刻蝕工藝中得到了很好的利用。等離子體產(chǎn)生方法有輝光放電、射頻放電和電暈放電等。

1)有更低的工藝溫度(250~450℃)。

2)對(duì)高的深寬比間隙有好的填充能力(用高密度等離子體CVD)。5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)3)淀積的膜對(duì)硅片有優(yōu)良的粘附能力。

4)有較高的淀積速率。

5)有較少的針孔和空洞，因而有較高的膜密度。

6)腔體可利用等離子體清洗。

1.等離子體增強(qiáng)CVD圖5-12PECVD的反應(yīng)腔示意圖5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)1)清洗。

2)裝片。

3)選擇菜單。

4)卸片。

5)測(cè)量。

2.高密度等離子體CVD

(1)同步淀積和刻蝕HDPCVD的一個(gè)突破創(chuàng)新之處就在于在同一個(gè)反應(yīng)腔中同步地進(jìn)行淀積和刻蝕的工藝。圖5-13同步淀積和刻蝕5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)(2)淺槽隔離(STI)對(duì)于特征尺寸在0.35μm以上的器件，通常采用局部氧化(LOCOS)技術(shù)來(lái)隔離，如圖5-14b所示。圖5-14兩MOS器件間的隔離5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)圖5-15多腔集成CVD設(shè)備3.多腔集成CVD設(shè)備5.4外延5.4.1外延的概念、作用、原理

外延(EPI)工藝是指在單晶襯底上生長(zhǎng)一層跟襯底具有相同晶向的單晶薄膜材料，該單晶薄膜層稱為外延層。外延層除晶向必須與襯底一致外，其單晶材料、摻雜類型、摻雜濃度和厚度都可以按設(shè)計(jì)要求與襯底不同。若在硅襯底上生長(zhǎng)單晶硅外延層稱為同質(zhì)外延層；若在硅襯底上生長(zhǎng)鍺外延層稱為異質(zhì)外延層；若在重?fù)诫s襯底上生長(zhǎng)輕摻雜外延層稱為正外延；在輕摻雜襯底上生長(zhǎng)的重?fù)诫s外延層稱為反外延。外延層的摻雜厚度、濃度、輪廓等屬性容易控制而不受硅襯底影響，因此這為設(shè)計(jì)者在優(yōu)化器件性能方面提供了很大的靈活性。5.4外延圖5-16外延層的用途5.4外延5.4.2外延生長(zhǎng)方法外延生長(zhǎng)有兩個(gè)重要條件:一是必須去除表面的自然氧化層及硅片表面的雜質(zhì)。如果表面有一層薄的二氧化硅、非晶態(tài)層表面或污染物，則會(huì)影響外延生長(zhǎng)原子的正確定位，結(jié)果導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)為多晶硅或形成缺陷較多的單晶。二是襯底的表面溫度足夠高（氣相外延時(shí)），只有在高溫的情形下，淀積在襯底上的硅原子才有足夠的動(dòng)能移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢门c襯底形成一致晶向的單晶，而低溫淀積形成的薄膜為多晶。

1.氣相外延圖5-17臥式、立式和桶式反應(yīng)爐示意圖5.4外延1)清潔。

2)換氣。

3)裝爐。

4)原位拋光。

5)外延生長(zhǎng)。

6)取片。

2.分子束外延圖5-18MBE系統(tǒng)設(shè)備示意圖5.4外延1)超高真空工藝可以制備高質(zhì)量(良好的均勻性、純度和較低的晶體缺陷等)單晶薄膜。

2)低溫生長(zhǎng)，減少自摻雜。

3)薄膜厚度、成分和濃度可嚴(yán)格控制，可實(shí)現(xiàn)厚度在原子層級(jí)別的超薄薄膜沉積。

4)系統(tǒng)加入薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量分析儀，可進(jìn)行原位觀察，實(shí)時(shí)反饋以控制生長(zhǎng)。

5.4.3硅外延工藝

1.雙極型晶體管中外延層的應(yīng)用5.4外延圖5-19制作雙極型晶體管的工藝流程5.4外延1)P型硅襯底準(zhǔn)備。2)埋層擴(kuò)散。

3)外延層的形成。

4)制作隔離區(qū)。

5)制作基區(qū)。

6)制作發(fā)