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1、半导体制造技术导论（第二版）第十章化学气相沉积与电介质薄膜白雪飞中国科学技术大学电子科学与技术系提纲•简介•化学气相沉积•电介质薄膜的应用•电介质薄膜特性•电介质化学气相沉积工艺•旋涂硅玻璃•高密度等离子体化学气相沉积•电介质化学气相沉积反应室清洁•工艺制程趋势与故障排除•化学气相沉积工艺发展趋势2简介电介质薄膜•电介质薄膜的种类–加热生长薄膜：消耗硅衬底，质量好–沉积薄膜：不消耗硅衬底，质量不如加热生长薄膜好•电介质薄膜的应用–电介质隔离•浅沟槽隔离(STI)、栅极侧壁间隔层、多层金属互连的电介质隔离•金属沉积前电介质层(PMD,ILD0)•金属层间电介质层(IMD,ILD1
2、―ILDn-1)–离子注入阻挡层、掺杂源、抗反射镀膜层(ARC)、硬掩膜、覆盖层–刻蚀停止层(ESL)、钝化保护电介质层(PD)4加热生长薄膜和沉积薄膜加热生长薄膜和沉积薄膜5电介质薄膜的应用电介质薄膜在Al-Cu互连CMOS电路中的应用6电介质薄膜的应用电介质薄膜在Cu/低?互连中的应用7化学气相沉积化学气相沉积(CVD)•化学气相沉积(CVD)–利用气态化学源材料在晶圆表面产生化学反应的过程–在表面沉积一种固态物作为薄膜层–其他气态副产物则从晶圆表面离开•CVD薄膜的应用–外延硅沉积–多晶硅沉积–电介质薄膜沉积–金属薄膜沉积9CVD薄膜和源材料薄膜源材料多晶硅SiH4SiC
3、l2H2(DCS)半导体外延硅SiCl3H(TCS)SiCl4SiH4,O2SiH4,N2OSiO2Si(OC2H5)4(TEOS),O2TEOSTEOS,O3电介质氮氧化物SiH4,N2O,N2,NH3SiH4,N2,NH3Si3N4C8H22N2Si(BTBAS)低?3MS,4MS,O2ULKDEMS,C6H10OWWF6,SiH4,H2WSi2WF6,SiH4,H2导体TiNTi[N(CH3)2]4(TDMAT)TiTiCl4Cu(hfac)Cu(tmvs)10CVD工艺流程CVD工艺流程示意图11薄膜沉积工艺过程薄膜沉积工艺过程12薄膜沉积工艺过程薄膜沉积工艺过程（续）
4、13CVD反应器类型•常压化学气相沉积(APCVD)–压力760Torr–沉积二氧化硅、氮化硅，用于STI和ILD0•低压化学气相沉积(LPCVD)–压力0.1~1Torr，温度高于650℃–沉积二氧化硅、氮化硅、多晶硅，不能用于沉积IMD•等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)–压力1~10Torr，相对低的温度–沉积二氧化硅、氮化硅、低?、ESL和其他电介质薄膜14APCVD系统APCVD系统示意图15LPCVD系统LPCVD系统示意图16PECVD系统PECVD反应器示意图17阶梯覆盖•阶梯覆盖–当沉积薄膜在衬底表面产生阶梯斜率时所做的一种测量–深宽比、侧壁阶梯覆盖、底
5、部阶梯覆盖、似型性、悬突•影响因素–到达角度较大的位置，将会有较多的源材料到达–降低工艺过程的压力，源材料的MFP增加，将有效改善阶梯覆盖–高表面迁移率的源材料可以形成较好的阶梯覆盖和良好的似型性–表面迁移率主要由源材料的化学性质决定，并与温度、离子轰击有关18阶梯覆盖和似型性阶梯覆盖和似型性19到达角度到达角度20接触孔的到达角度阶梯型和垂直型接触孔的到达角度21空洞形成过程空洞形成过程22阶梯覆盖和压力及表面迁移率阶梯覆盖和压力及表面迁移率的关系(a)高压低迁移率；(b)低压低迁移率；(c)低压高迁移率23间隙填充•空洞–ILD0沉积工艺中，ILD0空洞能引起接触栓之间短路
6、–钨CVD或铜沉积工艺中，接触孔或接触栓之间的空洞将引起很高的接触电阻和芯片可靠性问题–ILD沉积工艺中，金属表面上的空洞会为后续工艺过程引起很大的麻烦；如果在金属连线之间没有接触栓，空洞存在于间隙内部或金属顶部的表面下时，是可以接受的•间隙填充–沉积/刻蚀/沉积工艺，氩离子溅射刻蚀削除悬突并将间隙开口变大–高表面迁移率的CVD源材料，O-TEOS氧化物CVD、钨CVD3–HDPCVD工艺，溅射刻蚀与沉积同时进行，不断削除悬突保持间隙打开24空洞造成接触栓短路空洞造成接触栓之间的短路(a)接触孔刻蚀后；(b)形成接触栓之后25沉积/刻蚀/沉积填充空洞工艺沉积/刻蚀/沉积填充空洞
7、工艺流程26薄膜沉积和间隙填充薄膜沉积和间隙填充27HDPCVD间隙填充工艺高密度等离子体(HDP)CVD间隙填充工艺28表面吸附•化学吸附–衬底表面的原子与吸附的源材料分子内的原子形成化学键–化学吸附具有非常低的表面迁移率–PECVD中，离子轰击可提供足够能量破坏化学键，并形成表面迁移•物理吸附–分子被束缚在衬底表面，但强度比化学吸附弱–物理吸附具有较高的表面迁移率–400℃的加热和离子轰击都能提供足够能量造成物理吸附的源材料从表面释放29束缚能与化学吸附和物理吸附束缚能与化学吸附和物理吸
