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1、薄膜形成,大规模集成电路制造工艺,1,硅基材料,2,SiO2与Si之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因。,SiO2：栅绝缘层材料/绝缘/介质材料； Si3N4：介质材料，用作钝化/掩蔽等； 多晶硅：可以掺杂，导电； 金属硅化物：导电，作为接触和互连,硅工艺中:,SiO2与Si之间界面,3,SiO2,Si,SiO2的基本性质,4,通常热氧化生长的SiO2是非晶的熔点：1732C (晶体结构)质量密度：2.21 g/cm3原子密度：2.21022 分子/cm3折射率 n=1.46相对介电常数 3.9,SiO2的基本性质,5,可以方便地利用光刻和刻蚀实现图形转移 可以作为多数杂质掺杂的掩蔽 (B
2、, P, As) 优秀的绝缘性能 (1016cm, Eg9eV) 很高的击穿电场 (107 V/cm) 电学性能稳定 稳定、可重复制造的Si/ SiO2界面,SiO2的结构,6,由Si-O四面体组成：四面体中心是硅原子, 四个顶角上是氧原子;四面体之间由Si-O-Si连接;与两个硅连接的氧原子称为桥联氧或氧桥;,二氧化硅结构,7,SiO2的晶型,8,按结构特点： 结晶型 (crystalline): 石英, 水晶等,SiO2的晶型,9,按结构特点： 结晶型 (crystalline): 石英, 水晶等非晶型(amorphous): 热氧化生长；,结晶型,非晶型,（2.21 g/cm3）,（2.
3、65 g/cm3）,含杂质的SiO2结构,10,掺杂杂质取代Si的位置: 网络形成体 (B, P),Si:O:Si+H2O Si:O:H+H:O:Si,掺杂杂质占据间隙位置:网络变性体 (Na, K),IC中的SiO2,11,IC中SiO2的应用,12,栅氧化层,离子注入掩蔽,隔离工艺,互连层间绝缘介质,12,离子注入掩蔽,生长热氧化层设备,13,卧式热氧化炉管,晶圆清洗,14,晶圆装载,15,晶圆装载,16,晶圆装载,17,晶圆卸载,18,炉内温度控制,19,自动控制,20,立式反应炉,21,卧式炉的局限:,晶圆尺寸增大,石英舟/浆必须更大更结实,维持恒温区更难,装载更多,炉管更长,占地越多
4、,立式反应炉原理,22,立式反应炉,23,立式炉的优点:,方便自动装卸,晶圆转动,均匀温度和气流,不与炉壁接触,产生颗粒少,水平放置,产生应力少,垂直炉设计,节省空间,氧化反应方程式,24,Si(s) + O2(g) SiO2(s),Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g),干氧氧化(Dry oxidation),湿氧氧化(Wet)/水汽氧化(Steam oxidation),SiO2生长界面,25,最终界面位置,硅衬底,硅衬底,硅衬底,SiO2表面,原来Si表面,例题,26,经热氧化方式生长厚度为tox的二氧化硅,将要消耗多少硅? Si的摩尔质量是28.9g，密度为2
5、.33g/cm3; SiO2的摩尔质量是60.08g，密度为2.21g/cm3。,tox,27,Si(s) + O2(g) SiO2(s),Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g),28,1mol硅体积:,1molSiO2体积:,Si的摩尔质量是28.9g，密度为2.33g/cm3:,SiO2的摩尔质量是60.08g，密度为2.21g/cm3。,29,1mol硅体积:,1molSiO2体积:,氧化后体积变化,30,Si的原子密度: 5.02x1022cm-3,SiO2的分子密度: 2.3x1022cm-3,LOCOS (Local Oxidation of Silico
6、n),31,Birds Beak 影响,32,Birds beak,迪尔-格罗夫氧化模型,33,C0：氧化层表面该氧化剂的浓度, 近似等于在氧化温度时氧化剂在本体的平衡浓度;,平衡时的浓度一般与氧化膜表面的氧化剂分压成比例；,Cs：硅表面该氧化剂的浓度；,迪尔-格罗夫氧化模型,34,氧化剂扩散穿过二氧化硅层到达硅表面, 通量F1:,x：氧化层厚度; D: 氧化剂在二氧化硅中的扩散系数;,迪尔-格罗夫氧化模型,35,在硅的表面, 氧化剂与硅进行化学反应; 其反应速率与硅表面氧化剂浓度成正比, 通量F2为:,迪尔-格罗夫氧化模型,36,稳态平衡条件下:,迪尔-格罗夫氧化模型,37,稳态平衡条件下:
7、,单位时间单位面积在硅表面反应的氧化剂的个数,迪尔-格罗夫氧化模型,38,每立方厘米体积内SiO2分子数：,干氧反应:,湿氧反应:,Si(s) + O2(g) SiO2(s),Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g),2.21022 分子/cm3,迪尔-格罗夫氧化模型,39,每立方厘米体积内SiO2分子数:,2.21022 分子/cm3,每立方厘米SiO2需要O2个数Cl:,2.21022个,每立方厘米SiO2需要H2O个数Cl:,4.41022个,Cl: 生成每立方厘米SiO2需要O2个数。,迪尔-格罗夫氧化模型,40,单位时间、单位面积在硅表面反应的氧化剂数:,生成
8、单位体积SiO2需要氧化剂个数: Cl,SiO2生长速率为:,迪尔-格罗夫氧化模型,41,SiO2生长速率为:,迪尔-格罗夫氧化模型,42,迪尔-格罗夫氧化模型,43,(t很小时),*氧化初期，表面反应限制生长速率,迪尔-格罗夫氧化模型,44,(t很大时),*氧化层厚度较厚时，扩散运动限制生长速率,简化的氧化表达式,45,简化的氧化表达式,46,线性区:,: 线性氧化速率常数,简化的氧化表达式,47,抛物线区:,B:抛物线型氧化速率常数,干法氧化,48,湿法氧化,49,线性氧化速率常数,50,打断硅-硅键需要能量 1.83eV,抛物线型氧化速率常数,51,O2在SiO2中扩散的激活能 1.18
9、eV,H2O在SiO2中扩散的激活能 0.79eV,影响氧化速率的因素,52,晶向对氧化速率的影响压强对氧化速率的影响掺氯对氧化速率的影响掺杂对氧化速率的影响形貌对氧化速率的影响,晶向对氧化速率的影响,53,晶向对氧化速率的影响,54,压强对氧化速率的影响,55,湿氧反应:,干氧反应:,要达到给定的氧化速率, 增加气压, 氧化温度可以降低在同样温度下生长一个给定的氧化层厚度, 增加气压, 则氧化时间可以减少。,氯对氧化影响,56,Si-O键能4.25 eV；Si-Cl键能3.75 eV；Cl2先与Si反应生成氯硅化合物；然后再与氧反应生成SiO2,起催化作用,氯对氧化影响,57,氯对氧化影响,
10、58,Dry O2+1-3%Cl: Cl 去除金属杂质;,减少界面态，减少界面的电荷堆积.,氧化对杂质分布的影响,59,杂质在Si和SiO2中的溶解度不同;扩散系数不同;热氧化时,杂质在SiO2-Si两边要重新分布, 用分凝系数来表示:,杂质对氧化的影响,60,B,P/As,B,Ga,杂质对氧化的影响,61,磷,硼掺杂：增加抛物线型反应速率常数B; 线性反应速率常数影响很小;,形貌对氧化的影响,62,2D热氧化-由于受到转角处对于热氧化时体积膨胀的限制，2D热氧化不同于平面的热氧化；,超薄热干氧化,63,D-G模型无法准确描述，实验表明在20 nm之内的热氧化生长速度和厚度比D-G 模型大的多
11、。,超薄热干氧化,64,模型一：O2- 扩散；,模型二：氧化层中的微孔结构；,模型三：氧化层中的应力；,模型四：氧化界面不是原子级的突变；,超薄氧化层生长,65,超薄氧化层 +可重复性:,常压下以干法在较低的温度下进行氧化；较低的气压下进行氧化；以惰性气体混合着氧化剂进行氧化；,快速退火氧化；,垂直炉管: 常压下,800oC-900oC高质量,可重复,Si/SiO2界面特性,66,2）固定氧化物电荷, QfFixed Oxide Charge,1）界面陷阱电荷, QitInterface trapped charge,4）可动离子电荷, QmMobile ionic charge,3）氧化物陷
12、阱电荷, QotOxide trapped charge,界面陷阱电荷/界面态Qit,67,位置:Si/SiO2 界面来源: 在衬底硅指向氧化层的Si表面的悬挂键 （Dangling bond Si）电荷：能量处于禁带中,可以和Si交换电荷， 电荷态依赖于偏压,可能是正,负或者中性； 密度109-1011 cm-2eV-1,界面陷阱电荷/界面态Qit,68,界面陷阱电荷/界面态Qit,69,Qit和下列因素有关：氧化温度，氧化气氛(湿氧、干氧),晶向等Qit和干氧氧化温度的关系1）Qit 随温度升高而降低；2）在能带中间部分, Qit(100)比Qit(111)低约5倍降低Qit的方法 在H2
13、或H2/N2(Forming Gas Annealing, FGA)中350-500C 退火30分钟退火前，Qit约1011 cm-2eV-1退火后，Qit约1010 cm-2eV-1 - 可应用,界面态处理,70,固定氧化物电荷Qf,71,位置：靠近界面氧化层内:Qf:Qf =3:2:1重复性好,Si,Deal 三角形关系,72,界面态的影响,73,界面态和固定电荷,74,Qf和Qit与晶向的关系（100）最低,Qit & Qf：温度越高，越小界面越粗糙，越大比小得多,低温合金退火（氢钝化）,高温氩气退火,可动离子电荷,75,位置: 可以在氧化层中任意地方. 开始位于栅(金属或多晶硅)/Si
14、O2界面,如在正偏或加温情况,Qm将向Si/SiO2界面移动。来源: 金属化(Metallization)及其它污染。碱金属离子(Na+, K+)污染引起(以网络变性体形式存在)。会引起MOS器件阈值电压VT的变化和稳定性问题。,可动离子测量,76,减少Qm的具体方法,77,1)清洗石英管: O2-HCl, 1150C/2 h2)采用掺氯氧化, HCl-O2、三氯乙烯(C2HCl3,TCE)、三氯乙烷(C2H3Cl3,TCA).3)用磷硅玻璃PSG (phosphosilicate glass)i3N4作为最后钝化层,氧化物陷阱电荷,78,位置：位于氧化层中任意地方。来源: 1）氧化层中一些断
15、裂的Si-O、Si-Si、Si-H、Si-OH 电离辐照（ionization irradiation） VLSI工艺过程引入：如电子束蒸发、溅射、等离子体刻蚀、电子束或X射线光刻、离子注入结果：这些陷阱会捕获空穴或电子，影响器件的工作,1000 C干氧化可以改善SiO2结构，使其不易打断抗辐射氧化可通过在H2或惰性气体中300C消除。加对于辐射不敏感的钝化层，如Al2O3和Si3N4,氧化层厚度的测量,79,1、TEM/SEM,氧化层厚度的测量,80,2、台阶仪,氧化层厚度的测量,81,由光的相干原理, 膜表面与界面反射二束光相干涉。 由光学原理, 两束光的光程差为入射光的波长整数倍时出现加
16、强的亮度,n：二氧化硅折射率：入射光波长 如 =589.6 nmm：干涉级数,垂直入射时:,3 光干涉法（Interferometry）,椭偏法(Ellipsometry),82,椭圆偏振光，照射样品，再经过膜的反射、检偏后进入光电管;两个相互垂直的偏振光的分量的振幅与相位变化是与膜厚度及折射率有关;，查图表（软件自动计算）可得到厚度。,氧化层厚度测量方法,83,正电压加在金属电极上，相当于积累区（accumulation）负电压引起衬底部分耗尽（depletion）进一步加负电压，使得反型层（inversion）出现。,QG=qNDxD+QI,4 C-V测量,氧化层厚度测量方法,84,4 击
17、穿电压法,85,B/A B 和工艺参数的关系,总结,86,压强、晶向、掺杂浓度、掺氯压强越高，氧化速率越快。水汽氧化线形关系，干氧化指数关系。,（111）晶向氧化最快，（100）最慢。ks与硅价键密度有关。B不受晶向影响，厚氧化层，晶向作用下降。,20 nm以下的干氧化，D-G模型计算厚度远小于实际厚度。修正方法：附加一个随厚度增加而指数衰减项。,可以增加反应速度，减少界面固定电荷和界面态（电荷中和作用），可以实现对碱金属离子的吸杂作用,哪一种晶向的硅氧化速率最快，哪种最慢？为什么？,影响氧化速率的因素有那些？氧化速率和压强有什么样的关系？,对于非常薄的氧化层，应用Deal-Grove模型计算
18、厚度和实际厚度有何不同？如何修正？,掺氯氧化工艺对提高氧化膜质量有哪些作用？,CVD&PVD,大规模集成电路制造工艺,87,MOSFET结构,88,两类主要沉积方式,89,1) 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
19、如: 蒸发(evaporation),溅射(sputtering),CVD反应,90,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 ;,(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.,APCVD,91,沉积速度快: 1000A/min；,Atm
20、osphere Pressure Chemical Vapor Deposition,均匀性差; 粒子污染;台阶覆盖差,LPCVD,92,Low Pressure Chemical Vapor Deposition,优点：沉积均匀；颗粒少；,缺点：沉积速率低；,PECVD,93,Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,优点: 温度低；,缺点： 容量有限，腔壁上沉积物疏松,二氧化硅的沉积,94,低温淀积时(300500):,APCVD反应炉中或LPCVD反应炉；,PECVD反应炉：,无掺杂激活能为0.6eV; 有磷掺杂几乎为0；,二氧化硅的沉积,95,
21、中等温度(500800),四乙氧基硅烷Si(OC2H5)4 , 简称为TEOS,TEOS为液态，可避免难处理的气体的使用；,无掺杂激活能为1.9eV; 有磷掺杂1.4eV；,沉积速率和TEOS分压p的关系: p0=30Pa,分压较低时适用,分压较高时，速率与分压无关；,二氧化硅的沉积,96,高淀积温度(900)：,均匀性极佳；,可以用作多晶硅的覆盖层；,激活能为1.8eV,二氧化硅薄膜特性,97,台阶覆盖性,98,TEOS分解生成的二氧化硅在表面快速迁移，台阶覆盖性好；高温下二氯硅烷反应生成二氧化硅，台阶覆盖性好；CVD SiH4+O2，台阶覆盖性性差；PECVD 生成SiO2台阶覆盖性差；,
22、磷硅玻璃回流,99,0%,2.2%,4.6%,7.2%,氮化硅生长,100,LPCVD(700-800oC),完全的化学组成(Si3N4)，密度较高(2.93.1g/cm3);表面氧化速率很慢，可作为遮蔽物，以实现选择性氧化;,氮化硅生长,101,薄膜无正确化学组成比;密度只有2.4g/cm32.8g/cm3;淀积温度较低，抗刮性极佳适合作最后的保护层；作为防止外界水气与钠离子扩散至器件的材料;,PECVD(300oC),LPCVD生长氮化硅,102,薄膜均匀性好、产量高;淀积氮化硅的激活能为1.8eV;属非晶介质，含氢量可达8%(原子个数百分比);在缓冲的氢氟酸溶液中，其腐蚀速率低于1 nm
23、/min；薄膜具有非常高的张应力，约为105N/cm2，几乎是TEOS淀积氧化膜的10倍之多。厚度超过200 nm时，将容易破裂；在室温下，电阻率约为1016cm；相对介电常数为7;介电强度约为107 V/cm。,700至800, LPCVD沉积；,PECVD生长氮化硅,103,反应温度 300oC氢含量约为20%25%;张应力较小（约2105N/cm2）;电阻率与氮化硅中硅与氮的比例有关， 范围在1051021cm;介电强度约为1106 6106 V/cm;,多层金属之间的互联,104,减小RC Delay的途径,105,减小R：低电阻率金属；,减小C：连线电容,金属电阻率,106,低介电常
24、数材料,107,1,2,4,3,5,低k材料,108,高介电常数,109,多晶硅栅电极,110,多晶硅沉积,111,600650沉积：,与温度压强的关系：,多晶硅掺杂,112,掺杂方法： 注入； 扩散； 临场/原位掺杂；,影响电阻值的因素：注入的剂量；退火时温度；退火时间；,多腔CVD系统,113,金属CVD沉积W,114,优点：良好台阶覆盖的共形覆盖层；一次可同时覆盖许多晶圆；,利用WF6：气态源，可被Si，H2，SiH4还原;,极佳的表面覆盖性；,选择性生长；,较高的速率；较小的晶粒；,金属CVD沉积TiN,115,用途：金属扩散的阻挡层； 氧化物上金属薄膜粘附层；,CVD反应：,NH3还
25、原温度范围约为400 700；N2/H2还原温度则高于 700。淀积温度越高，得到的薄膜品质越好，TiN膜中的氯气残留也越少（约5%）,物理气相沉积,116,物理气相淀积金属的方法有： 蒸发；溅射(sputtering);,蒸发: 将要蒸发材料置于真空环境，加热至熔点以上。被蒸发的原子会以直线运动轨迹向前运动。 可由电阻加热、射频加热或以电子束聚焦于材料源的方式达到其熔点；,溅射是一种通过气体离子撞击靶材表面将材料从靶材转移到基板上的工艺;典型的气体离子为氩气;,Al-Si接触,117,Al-Si接触,118,解决办法： 1）溅射时掺1-2%Si； 2）加金属阻挡层；,Al的电迁移现象,119
26、,电迁移：在电流的作用下，金属原子会发生迁移现象，这是电子的动量传给带正电的金属离子所造成的；,Al的电迁移现象,120,电迁移引起的导体平均失效时间(mean time to failure):,增强铝导体对电迁移的抵抗能力方法:与铜形成合金（如含铜0.5%）;用介质将导体封闭起来;淀积时加氧;,铜镀膜,121,Cu相对于Al的优势： 1) 电阻率： 1.7vs2.7 2) 抗电迁移；,Cu相对于Al的缺点： 1）缺乏可行干法刻蚀工艺 2）附着力差,化学机械抛光,122,可全面性平坦化(global planarization);全面性平坦化:将整片晶圆表面变为一平坦表面;,金属硅化物,123,金属硅化物,124,电阻率低；,高热稳定性；,
