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薄膜气相淀积工艺

2

3

半导体薄膜： Si ， GaAs介质薄膜 : SiO2, BPSG, Si3N4,金属薄膜 :Al, Cu

在集成电路制备中，许多材料由淀积工艺形成

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Silicon substrate

Oxide

宽长

厚与衬底相比薄膜非常薄

Figure 11.4

薄膜是指一种在衬底上生长的薄固体物质。如果一种固体物质具有三维尺寸，那么薄膜是指一维尺寸远远小于两外两维上的尺寸。

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对薄膜的要求1. Desired composition, low contaminates, good electrical

and mechanical properties. 组分正确，沾污少，电和 机械性能好

2. Uniform thickness across wafer, and wafer-to -wafer.

每一硅片和硅片之间均匀性好

3. Good step coverage (“conformal coverage”).

台阶覆盖性好

4. Good filling of spaces. 填充性好

5. Planarized films . 平整性好

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Step Coverage Issues:

7

Filling Issues:

8

Examples or problems in actual structures. a) step

coverage in sputter deposition of Al. b). voids in

CVD oxide

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可以用深宽比来描述一个小间隙（如槽或孔）深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值

高深宽比间隙难淀积均匀厚度的膜。随着集成电路特征尺寸的不断减小，对于高深宽比间隙的均匀、无空洞的填充淀积工艺显得至关重要。

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Two main types of deposition methods have been

developed and are used in CMOS technology:

两种主要的淀积方式• Chemical Vapor Deposition (CVD)

- APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD

• Physical Vapor Deposition (PVD)

- evaporation, sputter deposition

化学气相淀积

物理气相淀积

区别在于：反应物的来源是否经过化学变化。

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化学气相沉积是利用气态化合物或化合物的混合物在基体受热面上发生化学反应，从而在基体表面上生成不挥发的涂层。

化学气相沉积 (CVD)

3 个要点：1. 产生化学变化；

2. 膜中所有的材料物质都源于外部的源；

3. 化学气相淀积工艺中的反应物必须以气相形式参加反应。

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CVD 工艺优点 （ 1 ） CVD 成膜温度远低于体材料的熔点。因此减轻

了衬底片的热形变，抑制了缺陷生成 ; 设备简单，重复性好；

（ 2 ）薄膜的成分精确可控、配比范围大； （ 3 ）淀积速率一般高于 PVD （物理气相淀积，如蒸

发、溅射等），效率高；厚度范围广，由几百埃至数毫米，可以实现厚膜淀积，且能大量生产；

（ 4 ）淀积膜结构完整、致密，良好的台阶覆盖能力，且与衬底粘附性好。

（ 5 ） CVD 方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的 SiO2 、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属 ( 钨、钼 ) 等缺点是淀积过程容易对薄膜表面形成污染、对环境的污染等

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CVD 过程

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(1) 常压化学气相淀积（ APCVD ）；(2) 低压化学气相淀积（ LPCVD ）；(3) 等离子体辅助 CVD

等离子体增强化学气相淀积（ PECVD ）高密度等离子体化学气相淀积（ HDPCVD ）另外还有次常压化学气相淀积 SAPCVD （ sub atmosphere pressure CVD ）和MOCVD 等。

常用的 CVD技术有：

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1. 常压化学气相淀积(NPCVD Normal Pressure CVD)(APCVD Atmosphere Pressure)

常压化学气相淀积 (APCVD/NPCVD) 是指在大气压下进行的一种化学气相淀积的方法，这是化学气相淀积最初所采用的方法。

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APCVD系统示意图

4

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APCVD 的缺点： 1. 硅片水平放置，量产受限，易污染。 2. 反应速度受多种因素影响，反应室尺寸、气体流速、硅片位置等都会影响速度。

3．均匀性不太好，所以 APCVD 一般用在厚的介质淀积。

APCVD系统的优点 : 具有高沉积速率，可达 6000～ 10000 埃 /min

通常在集成电路制程中。 APCVD只应用于生长保护钝化层。

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2. 低压化学汽相淀积 (LPCVD) 随着半导体工艺特征尺寸的减小，对薄膜的

均匀性要求及膜厚的误差要求不断提高，出现了低压化学气相淀积 (LPCVD) 。低压化学气相淀积是指系统工作在较低的压强下 ( 一般在100Pa 以下 ) 的一种化学气相淀积的方法。 LPCVD技术不仅用于制备硅外延层，还广泛用于各种无定形钝化膜及多晶硅薄膜的淀积，是一种重要的薄膜淀积技术。

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在这个系统中沉积室 (deposition chamber)是由石英管 (quartz tube) 所构成，而芯片则是竖立于一个特制的固定架上，可以扩大装片量。

在 LPCVD系统中须要安装一个抽真空系统，使沉积室内保持在所设定的低压状况，并且使用压力计来监控制程压力

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LPCVD系统的优点：具有优异的薄膜均匀度，以及较佳的阶梯覆盖能力，并且可以沉积大面积的芯片；

LPCVD 的缺点：沉积速率较低，而且经常使用具有毒性、腐蚀性、可燃性的气体。

由于 LPCVD 所沉积的薄膜具有较优良的性质，因此在集成电路制程中 LPCVD 是用以成长单晶薄膜及其对品质要求较高的薄膜。

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APCVD 生长速率快，但成膜均匀性不好，容易产生影响薄膜质量的微粒，基本不应用于集成电路制造。LPCVD 反应系统一般要求温度在 650℃以上，不能应用到后段。 后段工艺中薄膜生长的反应温度较低，需引入额外的非热能能量或降低反应所需激活能以得到足够反应能量。

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前者代表是 PECVD 和 HDPCVD ，等离子体提供的能量大大降低反应所需热能，从而降低反应温度到 400℃以下；后者代表是采用 TEOS 与 O3反应系统的 SACVD ，由于 O3在较低温度下就可以提供氧自由基，反应所需激活能小于 TEOS与 O2 系统，因此较低温度下也可以提供足够的淀积速率。

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等离子体增强化学气相淀积 (PECVD) 是指采用高频等离子体驱动的一种气相淀积技术，是一种射频辉光放电的物理过程和化学反应相结合的技术。该气相淀积的方法可以在非常低的衬底温度下淀积薄膜，例如在铝(AL) 上淀积 Si02 。工艺上 PECVD 主要用于淀积绝缘层。

3. 等离子体增强化学气相淀积PCVD 或 PECVD ： Plasma-enhanced CVD

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PECVD 是在低压气体上施加一个高频电场，使气体电离，产生等离子体。等离子体中的电子和离子，在电场作用下，不断旋转和运动，获得能量而被加速。这些高能粒子与反应气体分子、原子不断发生碰撞，使反应气体电离或被激活成性质活泼的活性基团。高化学活性的反应物可使成膜反应在较低温度下进行。

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热板式 PECVD 反应器的结构示意图

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PECVD 的沉积原理与一般的 CVD 之间并没有太大的差异。等离子体中的反应物是化学活性较高的离子或自由基，而且衬底表面受到离子的撞击也会使得化学活性提高。这两项因素都可促进基板表面的化学反应速率，因 PECVD在较低的温度即可沉积薄膜。

在集成电路制程中， PECVD通常是用来沉积SiO2 与 Si3N4 等介电质薄膜。 PECVD 的主要优点是具有较低的沉积温度下达到高的沉积速率

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1. 更低的工艺温度 (250 – 450 )℃ ；

2. 对高的深宽比间隙有好的填充能力 ( 用高密度等离子体 ) ；

3. 淀积的膜对硅片有优良的黏附能力；

4. 高的淀积速率；

5. 少的针孔和空洞，因为有高的膜密度；

6. 工艺温度低，因而应用范围广。

CVD 过程中使用等离子体的好处

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各种类型 CVD 反应器及其主要特点工艺 优点 缺点 应用

APCVD

(常压 CVD)

反应简单

淀积速度快

低温

台阶覆盖能力差,

有颗粒沾污，薄膜均匀性差，低产出率

低温二氧化硅

(掺杂或不掺杂).

LPCVD

(低压 CVD)

高纯度和均匀性，

一致的台阶覆盖能力，大的硅片容量

高温，低的淀积速率，要求真空系统支持

高温二氧化硅 (掺杂或不掺杂),氮化硅、多晶硅等

等离子体辅助 CVD: 等离子体增强

CVD (PECVD) 高密度等离子体

CVD (HDPCVD)

低温，快速淀积，好的台阶覆盖能力，好的间隙填充能力

要求 RF系统，高成本，有颗粒沾污

高的深宽比间隙的填充， ILD,

钝化( Si3N4).

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典型物质淀积简介

SiO2 生长： 低温 CVD氧化层：低于 500℃ 中等温度淀积： 500～ 800℃ 高温淀积： 900℃左右

一、二氧化硅（ SiO2 ）薄膜

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1.SiO2 的用途

非掺杂 SiO2:用于离子注入或扩散的掩蔽膜，•多层金属化层之间的绝缘，场区氧化层•掺杂 SiO2:用于器件钝化，磷硅玻璃回流，•将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源

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2. 淀积 SiO2 的方法 : 硅烷法和 TEOS法 A. 硅烷和氧反应 低压化学气相淀积 (LPCVD) ：＜ 500℃ SiH4+O2 SiO2 +2H2

4PH3+5O2 2P2O5 +6H2 （钝化层 sio2 ）

400℃

400℃

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TEOS 是正硅酸乙脂。分子式为 Si(C2H5O) 4 ，室温下是一种液体。可以直接分解生成 SiO2 层。

～℃Si(OC2H5)4 SiO2 +4C2H4+2H2

用 TEOS分解法具有温度低，均匀性好，台阶覆盖优良、膜质量好等优点

另一种是通过 TEOS 与 O2/O3 反应，来得到 SiO2 。Si(OC2 H5)4+O2→SiO2 +副产物，产物平整度很好，但反应温度一般大于 600℃。

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臭氧（ O3 ）包含三个氧原子，比氧气有更强的反应活性，因此，这步工艺可以不用等离子体，在低温下（如400℃）进行，因为不需要等离子体， O3 就能使 TEOS分解，因此反应可以在常压（ APCVD,760 托）或者亚常压 (SAPCVD ， 600 托 )下。

所以用 O3代替 O2 与 TEOS 反应可以大大降低反应温度。通过降低反应所需激活能以得到足够反应能量。因此用在集成电路制造后段工艺中。

优点：对于高的深宽比槽有良好的覆盖填充能力。 缺点： SiO2 膜多孔，因而通常需要回流来去掉潮气并增

加膜密度。

用 TEOS－O3淀积 SiO2

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APCVD TEOS-O3改善后的台阶覆盖

Liner oxide

p S ilicon substrate

p Epitaxia l layer

n-well p-well

Trench C VD oxide

TEO S-O3

Trench fill by chem ical vapor deposition

Nitride

-

+

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二、氮化硅薄膜1. 氮化硅薄膜在集成电路中的主要应用 , 有三个

方面 :

(1) 用作为硅选择氧化和等平面氧化的氧化掩膜；(2)钝化膜；(3) 电容介质。

氮化硅的化学汽相淀积：中等温度 (780～ 820℃) 的LPCVD 或低温 (300℃) PECVD 方法淀积

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2. 低压化学气相淀积氮化硅薄膜 A、氮化硅的低压淀积方程式： 氮化硅的低压化学气相淀积主要通过硅烷、二氯二氢硅与氨在 700-8000C 温度范围内反应生成。主要反应式如下

LPCVD 3SiH2Cl2+7NH3Si3N4 +3NH4CL +3HCl +6H2 PECVD 3SiH4 + 4NH3 Si3N4 + 12H2

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3. 等离子体增强化学气相淀积氮化硅薄膜

A、等离子淀积优点及方程式：等离子增强 CVD 的突出优点是淀积温度低，最常用的温度是 300－ 3500C 。等离子体增强化学气相淀积氮化硅，常由 SiH4与氨或 SiH4与氮在氩等离子气氛下反应，其反应式如下：

SiH4 + NH3 →SiNH + 3H2 ２SiH4 + N2 →2SiNH + 3H2

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性质 LPCVD PECVD

淀积温度 (C) 700 – 800 300 – 400

组成成分 Si3N4 SixNyHz

用 LPCVD 和 PECVD 氮化硅的性质

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高密度等离子体淀积腔

Photo 11.4

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多晶硅的化学汽相淀积：利用多晶硅替代金属铝作为 MOS器件的栅极是 MOS 集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的 MOS 器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使MOS 集成电路的集成度得到很大提高。

三 . 多晶硅薄膜

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淀积多晶硅 淀积多晶硅一般采用化学汽相淀积（ LPCV

D ）的方法。利用化学反应在硅片上生长多晶硅薄膜。适当控制压力、温度并引入反应的蒸汽，经过足够长的时间，便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅。

2~

4 27000

HSiSiH C

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四、硅化钨 金属电极引线，大多用 PVD 方法来形成，但是这种方法形成的金属薄膜阶梯覆盖能力不好。因此除了金属铝以外，其他金属的淀积全部用 CVD 法

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1. 硅化钨 硅化钨熔点高，稳定性好，电阻率低，在集成电路中应用十分广泛

主要应用在改善金属铝与硅之间的欧姆接触，以及MOS器件栅极部分的金属层

2WF6+7SiH42WSix ＋ 3SiF4 +14H2

Wsix其 X 值大约在 2.6～ 2.8 ，此时电阻率较高，约 700～ 900欧 .厘米。为降低电阻率，需要经过退火处理。

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2. 金属钨 LPCVD 淀积的钨，作为上下金属层间的连接

物，称为“插塞钨”

反应一是硅将WF6内的钨还原出来，称为硅还原反应二称为氢还原反应反应三称为硅烷还原反应如果是金属层和硅之间的接触，可利用反应一进行，如果不是则利用反应二。反应三是在整个表面进行钨的淀积，又称“覆盖式钨淀积”

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PSG (Phosphosilicate Glass, 磷硅玻璃 ), BPSG (Borophosphosilicate Glass, 硼磷硅玻璃 ), FSG (Fluorinated Silicate Glass, 氟硅玻璃 ) 等 二氧化硅原有的有序网络结构，由于硼磷杂质（ B2O3， P2O5）的加入而变得疏松，在高温条件下某种程度上具有像液体一样的流动能力（ Reflow）。因此 BPSG薄膜具有卓越的填孔能力，并且能够提高整个硅片表面的平坦化，从而为光刻及后道工艺提供更大的工艺范围。

五、硅玻璃

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PSG 回流后平坦化的表面

回流后

PSG

回流前

PSG

金属或多晶硅

Figure 11.14

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在磷硅玻璃中，磷以 P2O5 的形式存在，磷硅玻璃由 P2O5 和 SiO2 的混合物共同组成；

PSG膜具有吸收和阻挡钠离子向硅衬底扩散的能力，大大改善了器件的稳定性。因此在集成电路中用作钝化膜。

其不足之处是磷浓度较高时有吸潮特性，对于要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说 ,P2

O5 含量（重量比）不超过 4％ ;浓度太低则不易达到流动和平缓台阶的作用

因此，用 BPSG 来代替 PSG 。硼的作用：降低回流温度，回流温度随硼含量的增加而降低；（磷：阻挡钠离子的作用）

一般在 BPSG 中，硼和磷的含量各占 4％，回流温度 800～ 950℃，比 PSG降低 300 ℃

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SiH4+O2SiO2 +2H2 4 POCL3+3O2 2P2O5 +6HCL 总反应方程式 (a) 3 SiH4＋ 6O2+4 POCL3 3SiO2 + 2P2O5 +12

HCL (b) SiH4(g) + 4PH3(g) + 6O2(g) →SiO2(s) +2P2 O5(g) +

2H2(g) (c) SiH4 + 2PH3 + 7N2O →SiO2 + P2O5 + 5H2 + 7N2 。

PSGPSG可以用磷扩散形成，也可以用气相淀积形成，反应物为硅烷SiH4和三氯氧磷POCL3在氮气的携带下进入淀积反应室，与氧气进行反应

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BPSG BPSG薄膜的制备方法 : 等离子体增强化学气相沉积（ PECVD ）和 次大气压化学气相沉积（ SAPCVD:Sub-atm

ospheric pressure chemical vapor deposition ）。

BPSG薄膜制备主要采用 SAPCVD 工艺方法。Y因为其填孔能力更好 .除此之外 ,SACVD 是没有使用射频所产生的等离子体 ,因而避免了等离子体引起的器件损伤

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硅源：正硅酸乙脂。分子式为 Si(C2H5O4) ， TEOS氧源：臭氧和 TEOS硼源：三乙基硼 /TEB，硼烷： B2H6磷源： TEPO 磷酸三乙脂： (C2H5O)3PO

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掺杂的二氧化硅作用： a ）改善 SiO2钝化膜的保护特性

b ）可以得到高度平坦化的工艺

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习题 什么叫化学气相淀积？ 常用的 CVD 法有哪些？各自的优缺点？ 如何用 CVD 制备 SiO2 ，多晶硅 , 氮化硅 ＢＰＳＧ中Ｂ和Ｐ的作用是什么？

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物理气相淀积

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物理气相淀积（ PVD ） 物理气相淀积 (physical vapor deposition) ，

简称 PVD 。是指在真空条件下，用物理的方法（即物质的相变过程），将材料汽化成原子、分子或使其电离成离子，并通过气相过程，在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜的技术。

即以单质的固体材料作为源（如铝，金，铬等），然后设法将它变为气态，再在衬底表面淀积而成薄膜。

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Vacuum chamber

Evaporation

Material

Substrate

Heater

Cloud

Sputtering

Material

Substrate

Plasma

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PVD技术的两种基本工艺 蒸镀法（蒸发）：在真空的环境中，用电阻加热或电子束和激光轰击等方法把要蒸发的材料加热到一定温度，使材料中分子或原子的热振动能量超过表面的束缚能，从而使大量分子或原子蒸发或升华，并直接沉淀在基片上形成薄膜。

溅镀法（溅射）：利用气体放电产生的正离子在电场作用下的高速运动轰击作为阴极的靶，使靶材中的原子或分子逸出来而沉淀到被镀材料的表面，形成所需要的薄膜。

此技术一般使用氩等惰性气体，由在高真空中将氩离子加速以撞击溅镀靶材后，可将靶材原子一个个溅击出来，并使被溅击出来的材质（通常为铝、钛或其合金）如雪片般沉积在晶圆表面。　

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1 蒸 发

在半导体制造的早期，所有金属层都是通过蒸发 PVD 方法淀积的。为了获得更好的台阶覆盖、间隙填充和溅射速度，在 70年代后期，在大多数硅片制造技术领域溅射已取代蒸发。

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常用的几种加热器形状

丝状舟状

坩埚

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蒸发加热的主要方法： (1) 电阻加热（铝 , 金 ,铬 ) (2) 电子束加热（ 3000 , ℃ 难熔金属 ) (3) 激光加热 真空蒸发镀膜最常用的是电阻加热法，以电阻（灯丝、蒸发器）通过发热的原理来加热蒸镀原料，最高蒸发温度达 1700℃

其优点是加热源的结构简单，造价低廉，操作方便；缺点是不适用于难熔金属和耐高温的介质材料。

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电子束加热和激光加热则能克服电阻加热的缺点。 电子束加热：利用加速电子碰撞蒸发材料而使其

蒸发。蒸发源配有电子腔，利用磁场或电场加速并聚焦电子束，使电子束聚集在蒸发材料的局部而形成加热束斑，束斑温度可达 3000～ 6000℃。电子束的动能变成热能，使材料蒸发。

激光加热是利用大功率的激光作为加热源，但由于大功率激光器的造价很高，目前只能在少数研究性实验室中使用。

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溅射已成为 IC 制造中金属淀积的主流工艺 溅射工艺相对于蒸发工艺的优势在于：1. 台阶覆盖性得到改善2.辐射缺陷远小于电子束蒸发3. 容易制备难熔金属、合金材料和复合材料薄

膜

2 溅 射

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溅射工作原理 溅射（ sputtering）又叫阴极溅射（ cathodic sputtering）。通过用由稀有气体在低真空下放电获得的正离子轰击置于阴极的固体表面（靶），使固体原子（或分子）从表面射出，进而以一定能量淀积在基片上，形成薄膜

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基本溅射步骤 在高真空腔等离子体中产生正氩离子，并向具有负电势的靶材料加速；

在加速过程中获得动量，并轰击靶； 离子通过物理过程从靶上撞击出（溅射）原子，靶具

有想要的材料组分； 被撞击出（溅射）的原子迁移到硅片表面（阳极）； 被溅射的原子在硅片表面凝聚形成薄膜，与靶材料相

比，薄膜具有与它基本相同的材料组分； 额外材料由真空泵抽走。

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简单归纳为 4 个

1. 产生氩气离子并导向一个靶，（铝靶材）。

2. 离子把靶表面的原子轰击出来。 3.被轰出的原子向硅片运动。 4.原子在表面上成膜。

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溅射镀膜的基本原理 用高能粒子（经电场加速的正离子）冲击作为阴极的固态靶，靶原子与这些高能粒子交换能量后从表面飞出，淀积在作为阳极的硅片上，形成薄膜。

直流二极溅射台 高频溅射台

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溅射用的轰击粒子通常是带正电荷的惰性气体离子，用得最多的是氩离子。氩电离后，氩离子在电场加速下获得动能轰击靶极。

当氩离子能量低于 5电子伏时 ,仅对靶极最外表层产生作用，主要使靶极表面原子吸附的杂质脱附。

当氩离子能量达到靶极原子的结合能（约为靶极材料的升华热）时，引起靶极表面的原子迁移，产生表面损伤。

轰击粒子的能量超过靶极材料升华热的四倍时，原子被推出晶格位置成为汽相逸出而产生溅射。对于大多数金属，溅射阈能约为 10～ 25电子伏。

物理现象

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溅射在集成电路中的应用：溅射工艺主要用于溅射刻蚀和薄膜淀积两个方面 溅射刻蚀时，被刻蚀的材料置于靶极位置，受氩离

子的轰击进行刻蚀。 溅射刻蚀时，应尽可能从溅射室中除去溅出的靶极原子。常用的方法是引入反应气体，使之与溅出的靶极原子反应生成挥发性气体，通过真空系统从溅射室中排出。

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淀积薄膜时，溅射源置于靶极，受氩离子轰击后发生溅射。如果靶材是单质的，则在衬底上生成靶极物质的单质薄膜；若在溅射室内有意识地引入反应气体，使之与溅出的靶材原子发生化学反应而淀积于衬底，便可形成靶极材料的化合物薄膜。

通常，制取化合物或合金薄膜是用化合物或合金靶直接进行溅射而得。在溅射中，溅出的原子是与具有数千电子伏的高能离子交换能量后飞溅出来的，其能量较高，往往比蒸发原子高出 1～ 2个数量级，因而用溅射法形成的薄膜与衬底的粘附性较蒸发为佳。

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习题

1. 物理气相淀积有哪几种？ 2. 简述溅射工作原理