半导体制造技术 西安交通大学微电子技术教研室 第十二章 淀积!
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda 半导体制造技术 西安交通大学微电子技术教研室 第十二章 淀 积
概述 薄膜淀积是芯片加工过程中一个至关重要 的工艺步骤,通过淀积工艺可以在硅片上生长 导各种导电薄膜层和绝缘薄膜层。 各种不同类型的薄膜淀积到硅片上,在某 些情况下,这些薄膜成为器件结构中的一个完 整部分,另外一些薄膜则充当了工艺过程中的 牺牲品,并且在后续的工艺中被去掉。 本章将讨论薄膜淀积的原理、过程和所 需的设备,重点讨论SiO和SiN等绝缘材料薄 膜以及多晶硅的淀积。金属和金属化合物薄膜 的淀积将在第13章中介绍。 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda 电信学院微电子教研室
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda 概 述 薄膜淀积是芯片加工过程中一个至关重要 的工艺步骤，通过淀积工艺可以在硅片上生长 导各种导电薄膜层和绝缘薄膜层。 各种不同类型的薄膜淀积到硅片上，在某 些情况下，这些薄膜成为器件结构中的一个完 整部分，另外一些薄膜则充当了工艺过程中的 牺牲品，并且在后续的工艺中被去掉。 本章将讨论薄膜淀积的原理、过程和所 需的设备，重点讨论SiO2和Si3N4等绝缘材料薄 膜以及多晶硅的淀积。金属和金属化合物薄膜 的淀积将在第13章中介绍
目标 通过本章的学习,将能够: 1.描述出多层金属化。叙述并解释薄膜生长的三个阶段。 2.提供对不同薄膜淀积技术的慨况 3.列举并描述化学气相淀积(CVD)反应的8个基本步骤,包 括不同类型的化学反应。 4!.描述CVD反应如何受限制,解释反应动力学以及CVD薄膜掺 杂的效应 5.描述不同类型的CVD淀积系统,解释设备的功能。讨论某种 特定工具对薄膜应用的优点和局限。 6.解释绝缘材料对芯片制造技术的重要性,给出应用的例子 7.讨论外延技术和三种不同的外延淀积方法。 8.解释旋涂绝缘介质 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda 电信学院微电子教研室
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda 目 标 通过本章的学习，将能够： 1. 描述出多层金属化。叙述并解释薄膜生长的三个阶段。 2. 提供对不同薄膜淀积技术的慨况。 3. 列举并描述化学气相淀积（CVD）反应的8个基本步骤，包 括不同类型的化学反应。 4. 描述CVD反应如何受限制，解释反应动力学以及CVD薄膜掺 杂的效应。 5. 描述不同类型的CVD淀积系统，解释设备的功能。讨论某种 特定工具对薄膜应用的优点和局限。 6. 解释绝缘材料对芯片制造技术的重要性，给出应用的例子。 7. 讨论外延技术和三种不同的外延淀积方法。 8. 解释旋涂绝缘介质
MS时代nMOS晶体管的各层膜 氮化硅 顶层 氧化制 垫氧化层 金属 多家多 ⅡD燃 氧化碰 C。了场氧化)已以/ 金属前氧化层 侧墙氧化层 n-well 栅氧化层 p"epi layer llicon substrate 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda Figure ll 电信学院微电子教研室
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda MSI时代nMOS晶体管的各层膜 p + silicon substrate p - epi layer 场氧化层 n + n + p + p + n-well ILD 氧化硅 垫氧化层 氧化硅 氮化硅 顶层 栅氧化层 侧墙氧化层 金属前氧化层 Poly 金属 多晶 金属 Figure 11.1
引言 从MSI到LSI时代,芯片的设计和加工相对较 为直接,上图给出了制作一个早期nMOS所需的淀 积层。图中器件的特征尺寸远大于1。如图所 示,由于特征高度的变化,硅片上各层并不平坦 这将成为ⅥS时代所需的多层金属高密度芯片 制造的限制因素 随着特征尺寸越来越小,在当今的高级微芯 片加工过程中,需要6层甚至更多的金属来做连 接(第六页的图),各金属之间的绝缘就显得非 常重要,所以,在芯片制造过程中,淀积可靠的 薄膜材料至关重要。薄膜制备是硅片加工中的 个重要工艺步骤 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda 电信学院微电子教研室
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda 引 言 从MSI到LSI时代，芯片的设计和加工相对较 为直接，上图给出了制作一个早期nMOS所需的淀 积层。图中器件的特征尺寸远大于1µm。如图所 示，由于特征高度的变化，硅片上各层并不平坦 ，这将成为VLSI时代所需的多层金属高密度芯片 制造的限制因素。 随着特征尺寸越来越小，在当今的高级微芯 片加工过程中，需要6层甚至更多的金属来做连 接（第六页的图），各金属之间的绝缘就显得非 常重要，所以，在芯片制造过程中，淀积可靠的 薄膜材料至关重要。薄膜制备是硅片加工中的一 个重要工艺步骤
ULS硅片上的多层金属化 钝化层 压点金属 LD-4 M-3%%%%%%8 ILD-2 國M1交交 ILD-1 屋燃网 LI oxide pt n-well p-well p Epitaxial layer p* silicon substrate 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda Figure 11.3 电信学院微电子教研室
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda ULSI硅片上的多层金属化 Figure 11.3 钝化层 压点金属 p + Silicon substrate Via ILD-2 ILD-3 ILD-4 ILD-5 M-1 M-2 M-3 M-4 p - Epitaxial layer p + ILD-6 LI oxide STI n-well p-well ILD-1 Poly gate n + p + p + n + n + LI metal
芯片中的金属层 METAL 4 METAL 2 M ETAL 3 METAL 2 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda Photo ll l 电信学院微电子教研室
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda 芯片中的金属层 Photo 11.1
●薄膜淀积 半导体器件工艺中的“薄膜”是一种固态薄 膜,薄膜的种类和制备方法在第四章中已作过简 单介绍。 薄膜淀积是指仼何在硅片衬底上物理淀积 层膜的工艺,属于薄膜制造的一种工艺,所淀积 的薄膜可以是导体、绝缘材料或者半导体材料。 比如二氧化硅(sO2)、氮化硅(Si3N4)、多 晶硅以及金属(Cu、W) 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda 电信学院微电子教研室
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda • 薄膜淀积 半导体器件工艺中的“薄膜”是一种固态薄 膜，薄膜的种类和制备方法在第四章中已作过简 单介绍。 薄膜淀积是指任何在硅片衬底上物理淀积一 层膜的工艺，属于薄膜制造的一种工艺，所淀积 的薄膜可以是导体、绝缘材料或者半导体材料。 比如二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、多 晶硅以及金属（Cu、W）
固态薄膜 厚 与衬底相比 宽 薄膜非常薄 Oxide Silicon substrate 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda Figure 11. 4 电信学院微电子教研室
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda 固态薄膜 Silicon substrate Oxide 宽 厚 与衬底相比 薄膜非常薄 Figure 11.4
薄膜特性 好的台阶覆盖能力 ·填充高的深宽比间隙的能力 好的厚度均匀性 ·高纯度和高密度 受控制的化学剂量 ·高度的结构完整性和低的膜应力 好的电学特性 ·对衬底材料或下层膜好的黏附性 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda 电信学院微电子教研室
电信学院微电子教研室 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda 薄膜特性 • 好的台阶覆盖能力 • 填充高的深宽比间隙的能力 • 好的厚度均匀性 • 高纯度和高密度 • 受控制的化学剂量 • 高度的结构完整性和低的膜应力 • 好的电学特性 • 对衬底材料或下层膜好的黏附性