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
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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 。
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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 。
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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
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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 。
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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
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芯片中的金属层
Photo 11.1
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? 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）,
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固态薄膜
Silicon substrate
Oxide
宽
厚
与衬底相比
薄膜非常薄
Figure 11.4
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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
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膜对台阶的覆盖
我们期望膜在硅片表面上厚度一致, 但由
于硅片表面台阶的存在, 如果淀积的膜在台阶
上过渡的变薄, 就容易导致高的膜应力, 电短
路或在器件中产生不希望的诱生电荷 。 应力还
可能导致衬底发生凸起或凹陷的变形 。
共形台阶覆盖 非共形台阶覆盖
均匀厚度
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高的深宽比间隙
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 (见下图 )
深宽比 = 深度
宽度
= 2
1
深宽比 = 500 ?
250 ?
500
?
D
250 ? W
Figure 11.6
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高的深宽比间隙
Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering
Photo 11.2
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薄膜生长的步骤
连续的膜
气体分子
成核 凝聚
Substrate
Figure 11.7
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化学工艺 物理工艺
化学气相淀积
(C VD )
电镀
物理气相淀积
(P VD ) 或溅射
蒸发 旋涂方法
常压化学气相淀积
( A P C VD)
或亚常压化学气相淀积
( SAC VD)
电化学淀积
( E C D),
通常指电镀
直流二极管 灯丝和电子束
旋涂玻璃 s
( SOG)
低压化学气相淀积
( L P C VD)
化学镀层
射频
( R F)
分子束外延
( MB E )
旋涂绝缘介
质 ( SOD)
等离子体辅助 C VD
? 等离子体增强 C VD
( P E C VD)
? 高密度等离子体化
学气相淀积
( HDP C VD)
直流磁电管
气相外延 ( VP E ) 和
金属有机化学气相淀积
( MO C VD)
离子化金属等离子
体 ( I MP )
膜淀积技术
Table 11.1
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化学气相淀积
化学气相淀积 （ CVD） 是通过气体混合的化
学反应在硅片表面淀积一层固体膜的工艺 。 硅片
表面及其邻近的区域被加热来向反应系统提供附
加的能量 。 包括,
1,产生化学变化，这可以通过化学反应或热分解；
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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化学气相淀积的设备
Photo 11.3
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CVD 化学过程
1,高温分解,通常在无氧的条件下, 通过加热化
合物分解 （ 化学键断裂 ） ；
2,光分解,利用辐射使化合物的化学键断裂分解；
3,还原反应,反应物分子和氢发生的反应；
4,氧化反应,反应物原子或分子和氧发生的反应；
5,氧化还原反应,反应 3与 4地组合, 反应后形成两
种新的化合物 。
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以上 5中基本反应中, 有一些特定的
化学气相淀积反应用来在硅片衬底上淀
积膜 。 对于某种特定反应的选择通常要
考虑淀积温度, 膜的特性以及加工中的
问题等因素 。
例如, 用硅烷和氧气通过氧化反应
淀积 SiO2膜 。 反应生成物 SiO2淀积在硅
片表面, 副产物事是氢 。
SiH4 + O2 SiO2 + 2H2
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CVD 反应
? CVD 反应步骤
基本的化学气相淀积反应包含 8个主要步骤,
以解释反应的机制 。
1） 气体传输至淀积区域；
2） 膜先驱物的形成；
3） 膜先驱物附着在硅片表面；
4） 膜先驱物黏附；
5） 膜先驱物扩散；
6） 表面反应；
7） 副产物从表面移除；
8） 副产物从反应腔移除 。
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CVD 传输和反应步骤图
CVD 反应室
Substrate
连续膜
8) 副产物
去除
1) 反应物的质
量传输
副产物 2) 薄膜先驱 物反应
3) 气体分
子扩散
4) 先驱物
的吸附
5) 先驱物扩散
到衬底中 6) 表面反应
7) 副产物的解
吸附作用
排气
气体传送
Figure 11.8
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在化学气相淀积中, 气体先驱物传输到硅
片表面进行吸附作用和反应 。 列入, 下面的三
个反应 。 反应 1） 显示硅烷首先分解成 SiH2先驱
物 。 SiH2先驱物再和硅烷反应形成 Si2H6。 在中
间 CVD反应中, SiH2随着 Si2H6被吸附在硅片表
面 。 然后 Si2H6分解形成最终需要的固态硅膜 。
1) SiH4(气态 ) SiH2(气态 ) + H2(气态 ) （ 高温分解 ）
2) SiH4(气态 ) + SiH2(气态 ) Si2H6(气态 ) （ 反应半
成品形成 ）
3) Si2H6(气态 ) 2Si (固态 ) + 3H2(气态 ) （ 最终产
品形成 ）
以上实例是硅气相外延的一个反应过程
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? 速度限制阶段
在实际大批量生产中, CVD反应的时间长
短很重要 。 温度升高会促使表面反应速度增加
。 基于 CVD反应的有序性, 最慢的反应阶段会
成为整个工艺的瓶颈 。 换言之, 反应速度最慢
的阶段将决定整个淀积过程的速度 。
CVD的反应速度取决于 质量传输 和 表面反
应 两个因素 。 在质量传输阶段淀积工艺对温度
不敏感, 这意味着无论温度如何, 传输到硅片
表面加速反应的反应气体的量都不足 。 在此情
况下, CVD工艺通常是受质量传输所限制的 。
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在更低的反应温度和压力下, 由于只有更
少的能量来驱动表面反应, 表面反应速度会降
低 。 最终反应物达到硅片表面的速度将超过表
面化学反应的速度 。 在这种情况下 。 淀积速度
是受化学反应速度限制的, 此时称表面反应控
制限制 。
CVD 气流动力学
CVD气流动力学对淀积出均匀的膜很重要 。
所谓气体流动, 指的是反应气体输送到硅片表
面的反应区域 （ 见下图 ） 。 CVD气体流动的主
要因素包括, 反应气体从主气流中到硅片表面
的输送以及在表面的化学反应速度 。
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CVD 中的气流
气流
淀积的膜
硅衬底
反应副产物
反应物的
扩散
Figure 11.9
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硅片表面的气流
气流
边界层
气流
滞留层
Figure 11.10
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CVD 反应中的压力
如果 CVD发生在低压下, 反应气体通过边
界层达到表面的扩散作用会显著增加 。 这会增
加反应物到衬底的输运 。 在 CVD反应中低压的
作用就是使反应物更快地到达衬底表面 。 在这
种情况下, 速度限制将受约于表面反应, 即在
较低压下 CVD工艺是反应速度限制的 。
? CVD 过程中的掺杂
CVD淀积过程中, 在 SiO2中掺入杂质对硅
片加工来说也是很重要 。 例如, 在淀积 SiO2的
过程中, 反应气体中加入 PH3后, 会形成磷硅
玻璃 。 化学反应方程如下,
SiH4(气 )+2PH3(气 )+O2(气 ) SiO2(固 )+2P(固 )+5H2(气 )
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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；对于
要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说, P2O5
含量 （ 重量比 ） 不超过 4％, 这是因为磷硅玻
璃 （ PSG） 有吸潮作用 。
应用高密度等离子体 CVD 可以在 600～
650℃ 的温度下淀积 PSG,由于它的淀积温度,
相对平坦的表面, 好的间隙填充能力, 近来也
常采用 PSG作为第一层层间介质 （ ILD-1） 。 在
SiO2中引入 P2O5可以减小膜应力, 进而改进膜
的完整性 。 掺杂会增加玻璃的抗吸水性 。 PSG
层还可以有效地固定离子杂质 。 离子会吸附到
磷原子上, 因而不能通过 PSG层扩散达到硅片
表面 。
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CVD 淀积系统
? CVD 设备设计
– CVD 反应器的加热
– CVD 反应器的配置
– CVD 反应器的总结
? 常压 CVD（ APCVD ）
? 低压 CVD（ LPCVD）
? 等离子体辅助 CVD
? 等离子体增强 CVD（ PECVD）
? 高密度等离子体 CVD（ HDPCVD）
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CVD 反应器类型
CVD 反应器 类型 常压 低压 批处理 单片
热壁 ? ? ?
冷壁 ? ? ? ?
持续 移动 ? ?
外延 ? ?
高压 ? ?
喷嘴 ? ?
桶 ? ?
冷壁 平面 ? ? ?
等离子体 辅助 ? ? ?
纵向 流动 等温 ? ? ?
Figure 11.11
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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
AP CVD
( 常压 C VD)
反应简单
淀积速度快
低温
台阶覆盖能力差,
有颗粒沾污
低产出率
低温二氧化硅
( 掺杂或不掺杂 ),
L P CVD
( 低压 C VD)
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，
需要更多的维护，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 C VD
( P E C VD)
? 高密度等离子体
C VD ( HDP C VD)
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，压力远大于张力，
化学物质（如 H
2
）和
颗粒沾污
高的深宽比间隙的填充，
金属上的 SiO
2
,I L D - 1,I L D,
为了双镶嵌结构的铜籽晶
层，钝化 ( Si
3
N
4
),
Table 11.2
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连续加工的 APCVD 反应炉
硅片 膜
反应气体 2
反应气体 1
惰性分隔气体
(a) 气体注入类型
N2
反应气体
加热器
N2 N2 N2 N2 N2
硅片
(b) 通气类型
Figure 11.12
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APCVD TEOS-O3改善后的台阶覆盖
Li ne r o xi de
p S ilicon substrate
p E pitaxial l ayer
n-w ell p-w ell
T re nc h C VD o xi de
TEOS-O
3
T re nc h fill by chemical vapor deposition
Nitr ide
-
+
Figure 11.3
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? 用 TEOS－ O3淀积 SiO2
TEOS是正硅酸乙脂 。 分子式为 Si(C2H5O4)，
是一种液体 。 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就能是 TEOS分解, 因此反应可以在常
压 （ APCVD,760托 ） 或者亚常压 (SACVD,600托 )
下 。 淀积的二氧化硅薄膜改善了台阶覆盖轮廓, 均
匀性好, 具有作为绝缘介质优异的电学特性 。
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 。
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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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LPCVD
与 APCVD相比, LPCVD系统有更低的成本,
更高的产量及更好的膜性能, 因此应用更为广泛
。 为了获得低压, 必须在中等真空度下阿 （ 约 0.1
～ 5托 ）, 反应温度一般在 300～ 900℃, 常规的氧
化炉设备就可以应用 。
LPCVD的反应室通常是反应速度限制的 。 在
这种低压条件下, 反应气体的质量传输不再限制反应的速度 。
不同于 APCVD的是, LPCVD反应中的边界层
由于低压的缘故, 距离硅片表面更远 （ 见下图 ）
。 边界层的分子密度低, 使得进入的气体分子很
容易通过这一层扩散, 是硅片表面接触足够的反
应气体分子 。 一般来说, LPCVD具有优良的台阶
覆盖能力 。
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硅片表面的边界层
连续气流
淀积膜
硅衬底
边界层
反应物扩散
Figure 11.15
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LPCVD Reaction Chamber for Deposition
of Oxides,Nitrides,or Polysilicon
三温区加热部件
钉式热电偶 (外部，控制 )
压力表
抽气至真空泵
气体入口
热电偶 (内部 )
Figure 11.16
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用 TEOS LPCVD 淀积氧化硅
压力控制器
三温区
加热器
加热器 TEOS
N2 O2 真空泵
气流控制器
LPCVD
炉
温度控制器
计算机终端
工作接口
炉温控制器
尾气
Figure 11.17
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Key Reasons for the Use of Doped
Polysilicon in the Gate Structure
1,通过掺杂可得到特定的电阻；
2,和二氧化硅优良的界面特性；
3,和后续高温工艺的兼容性；
4,比金属电极（如 AI）更高的可靠性；
5,在陡峭的结构上淀积的均匀性；
6,实现栅的自对准工艺。
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Doped Polysilicon as a Gate electrode
n-well p-well
p- Epitax ial la yer
p+ Silicon sub strat e
Poly sil icon gat e
p+ p+ p+ n+ n+ n+
Figure 11.18
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等离子体辅助 CVD
CVD 过程中使用等离子体的好处
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。
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在等离子体辅助 CVD 中膜的形成
PECVD 反应室
连续膜
8) 副产物
去除
1) 反应物进
入反应室
衬底
2) 电场使反
应物分解
3) 薄膜初始
物形成
4) 初始物吸附
5) 初始物扩散到
衬底中 6) 表面反应
7) 副产物的解
吸附作用
排气
气体传送
RF 发生器
副产物
电极
电极
RF 场
Figure 11.19
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General Schematic of PECVD for Deposition of
Oxides,Nitrides,Silicon Oxynitride or Tungsten
Process gases
Gas flow controller
Pressure controller
Roughing
pump
Turbo
pump
Gas panel
RF generator Matching network
Microcontroller
operator Interface
Exhaust
Gas dispersion
screen
Electrodes
Figure 11.20
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性质 LP C V D P EC V D
淀积温度 ( ? C) 7 0 0 – 8 0 0 3 0 0 – 4 0 0
组成成分 Si 3 N 4 Si x N y H z
台阶覆盖 整形 共形
23 ? C 下硅上的应力
(d y n / cm
- 2
)
1,2 – 1,8 x 1 0
10
( 张力 )
1 – 8 x 1 0
9
( 张力或压力 )
用 LPCVD 和 PECVD 氮化硅的性质
Table 11.3
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高密度等离子体淀积腔
Photo 11.4
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淀积－刻蚀－淀积工艺
用 PECVD 淀积的膜在间隙入口
处产生夹断现象，导致在间隙
填充中的空洞
钥匙孔效应
面包块效应
Metal
SiO2
在这里开始分开
1) 离子诱导薄膜初始产物的淀积
2) 氩离子溅射刻蚀掉间隙入口
处多余的膜，在膜上导致斜
面外形
3) 再淀积被刻蚀的材料。重复
该过程，最终形成上下一致
的形貌
Cap
Figure 11.21
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HDPCVD 工艺的五个步骤
1,离子诱导淀积：指离子被托出等离子体并淀积形
成间隙填充的现象；
2,溅射刻蚀：具有一定能量的 Ar和因为硅片偏置被
吸引到薄膜的反应离子轰击表面并刻蚀原子；
3,再次淀积：原子从间隙的底部被剥离，通常会再
次淀积到侧壁上；
4,热中性 CVD：这对热能驱动的一些淀积反应有
很小的贡献；
5,反射：离子反射出侧壁，然后淀积，是另一种贡
献。
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在涡轮泵出口放置硅片的 HDPCVD
机械泵
微波
2.45 GHz
电磁
涡轮泵
阀门
气体喷头
静电吸盘上的硅片
Figure 11.22
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介质及其性能
? 介电常数
? 间隙填充
? 芯片性能
? 低 k值介电常数
? 高 k值介电常数
? 器件隔离
– 局部氧化（ LOCOS）
– 浅曹隔离（ STI）
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介质间隙填充的三个过程
2) PECVD 帽
帽
1) HDPCVD 间隙填
充
SiO2
铝
3) 化学机械
平坦化
Figure 11.23
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可能的低 K 值
I LD 材料
介电
常数
间隙
填充
处理温
度
( ? C)
备注
氟 硅玻璃
（ FSG )
3, 4 – 4, 1 <0, 3 5 不处理
F S G 和 S iO
2
有几乎一致的 K 值，氟
会侵蚀钽阻挡层金属
H SQ ( 三氧化二
硅烷 )
2, 9 <0, 1 0 350 – 4 5 0
硅 基 树脂 聚合体 可 用在 溶液 中 作为
流动 的 S iO
2
（ F ox ） 进行 S OG 。 要
求 表面 钝化 来 减少 潮气 吸收, 处理
在 N
2
气 中 完成
纳米多孔硅 1, 3 – 2, 5 <0, 2 5 400
I 非 有机 材料, 介电 常数 依赖 于 孔 密
度 而且 可 调 。 增加 孔 密度 会 减 小 机
械 完整 性 。 孔 材料 需要 承受 抛光,
刻蚀, 加热 而 不 退化 。
聚乙醚 (PA E ) 2, 6 – 2, 8 <0, 1 5 375 – 4 2 5
旋涂 具有 好的 黏附性 和 可以 进行
C MP 抛光 的 芳香聚合物 。
a - CF ( 非晶氟化
碳或 FL A C)
1
2, 8 <0, 1 8 250 – 3 5 0
具有 前景 的 HD P VC 材料, 可以 产
生 具有 良好 热 稳定 性 和 黏附性 的 膜
聚对二甲苯
A F4 ( 脂族四氟
化聚对二甲苯 )
2, 5 <0, 1 8 420 – 4 5 0
C VD 膜 可 达到 黏附性 和 通孔 电阻 要
求 。 需要 获 气体 传输 系统 温度 为
2 00 ? C, 以 保证 控制 聚 对 二 甲 苯 先驱
物 的 流速
ULSI 互连中可能的低 K值 ILD材料
Table 11.4
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互连延迟 (RC) 与特征尺寸的关系 (?m)
Figure 11.24
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
0,5 1.0 1.5 2.0
特征尺寸 (?m)
延迟时间
(′
10
-9
sec
)
互连延迟 (RC)
门延迟
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芯片性能
芯片性能的一项指标是信号的传输速度 。 芯片
的不断缩小导致互联线宽度减小, 使得传输信号导
线电阻 （ R） 增大 。 而且, 导线间距的缩小产生了更
多的寄生电容 （ C） 。 最终增加了 RC信号延迟 （ RC
信号延迟降低芯片速度, 减弱芯片性能 ） 。 这是在
亚 0.25μm 中凸现的问题, 通常称为互连延迟 （ 如上
图所示 ） 。 从本质上讲, 减小互连尺寸带来的寄生
电阻和电容效应而导致更大的信号延迟 。 这与晶体
管的发展正好相反, 对晶体管而言, 随着栅长变小
,延迟变小, 晶体管的速度增加 。
线电容 C正比于绝缘介质的 k 值, 低 K值的绝缘
介质可以减小芯片总的互连电容, 减小 RC信号延迟
,提供芯片性能 。
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总互连线电容
电容
(10
-12
Fa
rads
/cm
)
7
6
5
4
3
2
1
0
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
间距 (?m)
K = 4
K = 3
K = 2
K= 1
Figure 11.25
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电学 机械 学 热学 化学 工艺 金属化
低 介电 常数 好的 黏附性 热稳定性 耐 酸 和 碱 图形 制作 低的 接触 电阻
低 介电 损失 低 的 收缩 性
低 的 热 扩散
系数
选择 腐蚀
好的 间隙 填
充 能力
低的 电子 迁移
低的 漏 电流 抗 开裂 高 导热 低的 杂质 平坦化 低的 应力
高 可靠性 低 应力 无 侵蚀 低的 针孔 光滑 表面
好的 硬度
低的 湿气 吸
收
少的 微粒
与 势垒 金属 兼
容
可 接受 的 存
储 寿命
低 -k 值绝缘介质要求
Table 11.5
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DRAM 叠层电容的示意图
SiO2 介质
掺杂多晶硅电容极板
掺杂多晶硅电容极板
埋接触孔扩散
SiO2 dielectric Doped polysilicon
capacitor plate
Doped polysilicon
capacitor plate
Buried contact
diffusion
Figure 11.26
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浅槽隔离
Photo 11.5
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旋涂绝缘介质
? 旋涂玻璃 (SOG)
? 旋涂绝缘介质 (SOD)
? 外延
– 外延生长方法
? 气相外延（ VEP）
? 金属有机 CVD
? 分子束外延 (MBE)
? CVD质量测量
? CVD 检查及故障排除
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用 Spin-On-Glass 填充间隙
2) 处理后的 SOG 1) 最初的 SOG
间隙填充
3) CVD
氧化硅帽
Cap
Figure 11.27
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主要 操作 工艺 步骤 相关 参数
碗 转速 5 0 r p m
最大 碗 转速 800 – 1 5 0 0 r p m
背部 清洗 8 0 0 r p m,5 s ec
顶部 边缘 液 珠 去除 1 0 0 0 r p m,1 0 s ec
旋涂 介质
旋转 干燥 1 0 0 0 r p m,5 s ec
初步 烤 形成 膜 200 ? C,6 0 s ec,N 2 p u r g e
形成 膜
In - l in e c u r e 475 ? C,6 0 s ec,N
2
am b ien t
HSQ 低 -k 值绝缘介质工艺参数
Table 11.6
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外 延
? 外延生长模型
? 外延生长方法
– 气相外延 (VPE)
– 金属有机 CVD (MOCVD)
– 分子束外延 (MBE)
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外延就是在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层
（ 见下图 ）, 新淀积的这层称为外延层 。 外延为器
件设计者在优化器件性能方面提供了很大的灵活性
,例如可以控制外延层厚度, 掺杂浓度, 轮廓, 而
这些因素是与硅片衬底无关的 。 外延层还可以减少
CMOS器件的闩锁效应 。 IC制造中最普通的外延反
应是高温 CVD系统 。
如果外延生长膜和衬底材料相同 （ 例如硅衬底
上生长硅 ）, 这样的膜生长称为同质外延 。 膜材料
与衬底材料不一致的情况 （ 例如硅衬底上生长氧化
铝 ）, 称为异质外延 。
外延反应可用的气体源包括 SiCl4/SiH2Cl2/SiHCl3
淀积温度为,1050～ 1250℃
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硅片上外延生长硅
Si
Si
Cl
Cl
H H
Si
Si
Si Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Cl
H
Cl
H
化学反应
副产物
淀积的硅 外延层
多晶硅衬底
Figure 11.28
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气相外延示意图
掺杂剂
(AsH3 or B2 H3)
H2
SiH2 Cl2
RF 感应加热线圈
感应基座
硅片
真空泵
Figure 11.29
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硅气相外延炉
排气 排气
排气
RF加热
RF 加热
气体入口 气体入口
卧式反应炉 桶式反应炉 立式反应炉
Figure 11.30
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CVD质量测量
ILD 中钥匙孔的效果（金属台阶覆盖上）
b) 平坦化的 SiO2
c) 被淀积的下一层铝
在 SiO2上由钥匙孔引起的金属空洞
a) 由 PECVD淀积的 SiO2
SiO2
在层间介质中
的钥匙孔缺陷
铝
Figure 11.31
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Chapter 11 Review
? Deposition Quality Measures 292
? Troubleshooting 292
? Summary 294
? Key Terms 295
? Review Questions 295
? Equipment Suppliers’ Web Sites 296
? References 296
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第十二章
淀 积
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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 。
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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 。
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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
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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 。
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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
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芯片中的金属层
Photo 11.1
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? 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）,
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固态薄膜
Silicon substrate
Oxide
宽
厚
与衬底相比
薄膜非常薄
Figure 11.4
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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
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膜对台阶的覆盖
我们期望膜在硅片表面上厚度一致, 但由
于硅片表面台阶的存在, 如果淀积的膜在台阶
上过渡的变薄, 就容易导致高的膜应力, 电短
路或在器件中产生不希望的诱生电荷 。 应力还
可能导致衬底发生凸起或凹陷的变形 。
共形台阶覆盖 非共形台阶覆盖
均匀厚度
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高的深宽比间隙
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 (见下图 )
深宽比 = 深度
宽度
= 2
1
深宽比 = 500 ?
250 ?
500
?
D
250 ? W
Figure 11.6
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高的深宽比间隙
Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering
Photo 11.2
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薄膜生长的步骤
连续的膜
气体分子
成核 凝聚
Substrate
Figure 11.7
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化学工艺 物理工艺
化学气相淀积
(C VD )
电镀
物理气相淀积
(P VD ) 或溅射
蒸发 旋涂方法
常压化学气相淀积
( A P C VD)
或亚常压化学气相淀积
( SAC VD)
电化学淀积
( E C D),
通常指电镀
直流二极管 灯丝和电子束
旋涂玻璃 s
( SOG)
低压化学气相淀积
( L P C VD)
化学镀层
射频
( R F)
分子束外延
( MB E )
旋涂绝缘介
质 ( SOD)
等离子体辅助 C VD
? 等离子体增强 C VD
( P E C VD)
? 高密度等离子体化
学气相淀积
( HDP C VD)
直流磁电管
气相外延 ( VP E ) 和
金属有机化学气相淀积
( MO C VD)
离子化金属等离子
体 ( I MP )
膜淀积技术
Table 11.1
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化学气相淀积
化学气相淀积 （ CVD） 是通过气体混合的化
学反应在硅片表面淀积一层固体膜的工艺 。 硅片
表面及其邻近的区域被加热来向反应系统提供附
加的能量 。 包括,
1,产生化学变化，这可以通过化学反应或热分解；
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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化学气相淀积的设备
Photo 11.3
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CVD 化学过程
1,高温分解,通常在无氧的条件下, 通过加热化
合物分解 （ 化学键断裂 ） ；
2,光分解,利用辐射使化合物的化学键断裂分解；
3,还原反应,反应物分子和氢发生的反应；
4,氧化反应,反应物原子或分子和氧发生的反应；
5,氧化还原反应,反应 3与 4地组合, 反应后形成两
种新的化合物 。
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以上 5中基本反应中, 有一些特定的
化学气相淀积反应用来在硅片衬底上淀
积膜 。 对于某种特定反应的选择通常要
考虑淀积温度, 膜的特性以及加工中的
问题等因素 。
例如, 用硅烷和氧气通过氧化反应
淀积 SiO2膜 。 反应生成物 SiO2淀积在硅
片表面, 副产物事是氢 。
SiH4 + O2 SiO2 + 2H2
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CVD 反应
? CVD 反应步骤
基本的化学气相淀积反应包含 8个主要步骤,
以解释反应的机制 。
1） 气体传输至淀积区域；
2） 膜先驱物的形成；
3） 膜先驱物附着在硅片表面；
4） 膜先驱物黏附；
5） 膜先驱物扩散；
6） 表面反应；
7） 副产物从表面移除；
8） 副产物从反应腔移除 。
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CVD 传输和反应步骤图
CVD 反应室
Substrate
连续膜
8) 副产物
去除
1) 反应物的质
量传输
副产物 2) 薄膜先驱 物反应
3) 气体分
子扩散
4) 先驱物
的吸附
5) 先驱物扩散
到衬底中 6) 表面反应
7) 副产物的解
吸附作用
排气
气体传送
Figure 11.8
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在化学气相淀积中, 气体先驱物传输到硅
片表面进行吸附作用和反应 。 列入, 下面的三
个反应 。 反应 1） 显示硅烷首先分解成 SiH2先驱
物 。 SiH2先驱物再和硅烷反应形成 Si2H6。 在中
间 CVD反应中, SiH2随着 Si2H6被吸附在硅片表
面 。 然后 Si2H6分解形成最终需要的固态硅膜 。
1) SiH4(气态 ) SiH2(气态 ) + H2(气态 ) （ 高温分解 ）
2) SiH4(气态 ) + SiH2(气态 ) Si2H6(气态 ) （ 反应半
成品形成 ）
3) Si2H6(气态 ) 2Si (固态 ) + 3H2(气态 ) （ 最终产
品形成 ）
以上实例是硅气相外延的一个反应过程
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? 速度限制阶段
在实际大批量生产中, CVD反应的时间长
短很重要 。 温度升高会促使表面反应速度增加
。 基于 CVD反应的有序性, 最慢的反应阶段会
成为整个工艺的瓶颈 。 换言之, 反应速度最慢
的阶段将决定整个淀积过程的速度 。
CVD的反应速度取决于 质量传输 和 表面反
应 两个因素 。 在质量传输阶段淀积工艺对温度
不敏感, 这意味着无论温度如何, 传输到硅片
表面加速反应的反应气体的量都不足 。 在此情
况下, CVD工艺通常是受质量传输所限制的 。
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在更低的反应温度和压力下, 由于只有更
少的能量来驱动表面反应, 表面反应速度会降
低 。 最终反应物达到硅片表面的速度将超过表
面化学反应的速度 。 在这种情况下 。 淀积速度
是受化学反应速度限制的, 此时称表面反应控
制限制 。
CVD 气流动力学
CVD气流动力学对淀积出均匀的膜很重要 。
所谓气体流动, 指的是反应气体输送到硅片表
面的反应区域 （ 见下图 ） 。 CVD气体流动的主
要因素包括, 反应气体从主气流中到硅片表面
的输送以及在表面的化学反应速度 。
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CVD 中的气流
气流
淀积的膜
硅衬底
反应副产物
反应物的
扩散
Figure 11.9
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硅片表面的气流
气流
边界层
气流
滞留层
Figure 11.10
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CVD 反应中的压力
如果 CVD发生在低压下, 反应气体通过边
界层达到表面的扩散作用会显著增加 。 这会增
加反应物到衬底的输运 。 在 CVD反应中低压的
作用就是使反应物更快地到达衬底表面 。 在这
种情况下, 速度限制将受约于表面反应, 即在
较低压下 CVD工艺是反应速度限制的 。
? CVD 过程中的掺杂
CVD淀积过程中, 在 SiO2中掺入杂质对硅
片加工来说也是很重要 。 例如, 在淀积 SiO2的
过程中, 反应气体中加入 PH3后, 会形成磷硅
玻璃 。 化学反应方程如下,
SiH4(气 )+2PH3(气 )+O2(气 ) SiO2(固 )+2P(固 )+5H2(气 )
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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；对于
要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说, P2O5
含量 （ 重量比 ） 不超过 4％, 这是因为磷硅玻
璃 （ PSG） 有吸潮作用 。
应用高密度等离子体 CVD 可以在 600～
650℃ 的温度下淀积 PSG,由于它的淀积温度,
相对平坦的表面, 好的间隙填充能力, 近来也
常采用 PSG作为第一层层间介质 （ ILD-1） 。 在
SiO2中引入 P2O5可以减小膜应力, 进而改进膜
的完整性 。 掺杂会增加玻璃的抗吸水性 。 PSG
层还可以有效地固定离子杂质 。 离子会吸附到
磷原子上, 因而不能通过 PSG层扩散达到硅片
表面 。
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CVD 淀积系统
? CVD 设备设计
– CVD 反应器的加热
– CVD 反应器的配置
– CVD 反应器的总结
? 常压 CVD（ APCVD ）
? 低压 CVD（ LPCVD）
? 等离子体辅助 CVD
? 等离子体增强 CVD（ PECVD）
? 高密度等离子体 CVD（ HDPCVD）
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CVD 反应器类型
CVD 反应器 类型 常压 低压 批处理 单片
热壁 ? ? ?
冷壁 ? ? ? ?
持续 移动 ? ?
外延 ? ?
高压 ? ?
喷嘴 ? ?
桶 ? ?
冷壁 平面 ? ? ?
等离子体 辅助 ? ? ?
纵向 流动 等温 ? ? ?
Figure 11.11
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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
AP CVD
( 常压 C VD)
反应简单
淀积速度快
低温
台阶覆盖能力差,
有颗粒沾污
低产出率
低温二氧化硅
( 掺杂或不掺杂 ),
L P CVD
( 低压 C VD)
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，
需要更多的维护，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 C VD
( P E C VD)
? 高密度等离子体
C VD ( HDP C VD)
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，压力远大于张力，
化学物质（如 H
2
）和
颗粒沾污
高的深宽比间隙的填充，
金属上的 SiO
2
,I L D - 1,I L D,
为了双镶嵌结构的铜籽晶
层，钝化 ( Si
3
N
4
),
Table 11.2
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连续加工的 APCVD 反应炉
硅片 膜
反应气体 2
反应气体 1
惰性分隔气体
(a) 气体注入类型
N2
反应气体
加热器
N2 N2 N2 N2 N2
硅片
(b) 通气类型
Figure 11.12
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APCVD TEOS-O3改善后的台阶覆盖
Li ne r o xi de
p S ilicon substrate
p E pitaxial l ayer
n-w ell p-w ell
T re nc h C VD o xi de
TEOS-O
3
T re nc h fill by chemical vapor deposition
Nitr ide
-
+
Figure 11.3
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? 用 TEOS－ O3淀积 SiO2
TEOS是正硅酸乙脂 。 分子式为 Si(C2H5O4)，
是一种液体 。 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就能是 TEOS分解, 因此反应可以在常
压 （ APCVD,760托 ） 或者亚常压 (SACVD,600托 )
下 。 淀积的二氧化硅薄膜改善了台阶覆盖轮廓, 均
匀性好, 具有作为绝缘介质优异的电学特性 。
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 。
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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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LPCVD
与 APCVD相比, LPCVD系统有更低的成本,
更高的产量及更好的膜性能, 因此应用更为广泛
。 为了获得低压, 必须在中等真空度下阿 （ 约 0.1
～ 5托 ）, 反应温度一般在 300～ 900℃, 常规的氧
化炉设备就可以应用 。
LPCVD的反应室通常是反应速度限制的 。 在
这种低压条件下, 反应气体的质量传输不再限制反应的速度 。
不同于 APCVD的是, LPCVD反应中的边界层
由于低压的缘故, 距离硅片表面更远 （ 见下图 ）
。 边界层的分子密度低, 使得进入的气体分子很
容易通过这一层扩散, 是硅片表面接触足够的反
应气体分子 。 一般来说, LPCVD具有优良的台阶
覆盖能力 。
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by Michael Quirk and Julian Serda
硅片表面的边界层
连续气流
淀积膜
硅衬底
边界层
反应物扩散
Figure 11.15
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LPCVD Reaction Chamber for Deposition
of Oxides,Nitrides,or Polysilicon
三温区加热部件
钉式热电偶 (外部，控制 )
压力表
抽气至真空泵
气体入口
热电偶 (内部 )
Figure 11.16
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用 TEOS LPCVD 淀积氧化硅
压力控制器
三温区
加热器
加热器 TEOS
N2 O2 真空泵
气流控制器
LPCVD
炉
温度控制器
计算机终端
工作接口
炉温控制器
尾气
Figure 11.17
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Key Reasons for the Use of Doped
Polysilicon in the Gate Structure
1,通过掺杂可得到特定的电阻；
2,和二氧化硅优良的界面特性；
3,和后续高温工艺的兼容性；
4,比金属电极（如 AI）更高的可靠性；
5,在陡峭的结构上淀积的均匀性；
6,实现栅的自对准工艺。
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Doped Polysilicon as a Gate electrode
n-well p-well
p- Epitax ial la yer
p+ Silicon sub strat e
Poly sil icon gat e
p+ p+ p+ n+ n+ n+
Figure 11.18
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等离子体辅助 CVD
CVD 过程中使用等离子体的好处
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。
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在等离子体辅助 CVD 中膜的形成
PECVD 反应室
连续膜
8) 副产物
去除
1) 反应物进
入反应室
衬底
2) 电场使反
应物分解
3) 薄膜初始
物形成
4) 初始物吸附
5) 初始物扩散到
衬底中 6) 表面反应
7) 副产物的解
吸附作用
排气
气体传送
RF 发生器
副产物
电极
电极
RF 场
Figure 11.19
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General Schematic of PECVD for Deposition of
Oxides,Nitrides,Silicon Oxynitride or Tungsten
Process gases
Gas flow controller
Pressure controller
Roughing
pump
Turbo
pump
Gas panel
RF generator Matching network
Microcontroller
operator Interface
Exhaust
Gas dispersion
screen
Electrodes
Figure 11.20
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性质 LP C V D P EC V D
淀积温度 ( ? C) 7 0 0 – 8 0 0 3 0 0 – 4 0 0
组成成分 Si 3 N 4 Si x N y H z
台阶覆盖 整形 共形
23 ? C 下硅上的应力
(d y n / cm
- 2
)
1,2 – 1,8 x 1 0
10
( 张力 )
1 – 8 x 1 0
9
( 张力或压力 )
用 LPCVD 和 PECVD 氮化硅的性质
Table 11.3
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高密度等离子体淀积腔
Photo 11.4
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淀积－刻蚀－淀积工艺
用 PECVD 淀积的膜在间隙入口
处产生夹断现象，导致在间隙
填充中的空洞
钥匙孔效应
面包块效应
Metal
SiO2
在这里开始分开
1) 离子诱导薄膜初始产物的淀积
2) 氩离子溅射刻蚀掉间隙入口
处多余的膜，在膜上导致斜
面外形
3) 再淀积被刻蚀的材料。重复
该过程，最终形成上下一致
的形貌
Cap
Figure 11.21
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HDPCVD 工艺的五个步骤
1,离子诱导淀积：指离子被托出等离子体并淀积形
成间隙填充的现象；
2,溅射刻蚀：具有一定能量的 Ar和因为硅片偏置被
吸引到薄膜的反应离子轰击表面并刻蚀原子；
3,再次淀积：原子从间隙的底部被剥离，通常会再
次淀积到侧壁上；
4,热中性 CVD：这对热能驱动的一些淀积反应有
很小的贡献；
5,反射：离子反射出侧壁，然后淀积，是另一种贡
献。
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在涡轮泵出口放置硅片的 HDPCVD
机械泵
微波
2.45 GHz
电磁
涡轮泵
阀门
气体喷头
静电吸盘上的硅片
Figure 11.22
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介质及其性能
? 介电常数
? 间隙填充
? 芯片性能
? 低 k值介电常数
? 高 k值介电常数
? 器件隔离
– 局部氧化（ LOCOS）
– 浅曹隔离（ STI）
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介质间隙填充的三个过程
2) PECVD 帽
帽
1) HDPCVD 间隙填
充
SiO2
铝
3) 化学机械
平坦化
Figure 11.23
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可能的低 K 值
I LD 材料
介电
常数
间隙
填充
处理温
度
( ? C)
备注
氟 硅玻璃
（ FSG )
3, 4 – 4, 1 <0, 3 5 不处理
F S G 和 S iO
2
有几乎一致的 K 值，氟
会侵蚀钽阻挡层金属
H SQ ( 三氧化二
硅烷 )
2, 9 <0, 1 0 350 – 4 5 0
硅 基 树脂 聚合体 可 用在 溶液 中 作为
流动 的 S iO
2
（ F ox ） 进行 S OG 。 要
求 表面 钝化 来 减少 潮气 吸收, 处理
在 N
2
气 中 完成
纳米多孔硅 1, 3 – 2, 5 <0, 2 5 400
I 非 有机 材料, 介电 常数 依赖 于 孔 密
度 而且 可 调 。 增加 孔 密度 会 减 小 机
械 完整 性 。 孔 材料 需要 承受 抛光,
刻蚀, 加热 而 不 退化 。
聚乙醚 (PA E ) 2, 6 – 2, 8 <0, 1 5 375 – 4 2 5
旋涂 具有 好的 黏附性 和 可以 进行
C MP 抛光 的 芳香聚合物 。
a - CF ( 非晶氟化
碳或 FL A C)
1
2, 8 <0, 1 8 250 – 3 5 0
具有 前景 的 HD P VC 材料, 可以 产
生 具有 良好 热 稳定 性 和 黏附性 的 膜
聚对二甲苯
A F4 ( 脂族四氟
化聚对二甲苯 )
2, 5 <0, 1 8 420 – 4 5 0
C VD 膜 可 达到 黏附性 和 通孔 电阻 要
求 。 需要 获 气体 传输 系统 温度 为
2 00 ? C, 以 保证 控制 聚 对 二 甲 苯 先驱
物 的 流速
ULSI 互连中可能的低 K值 ILD材料
Table 11.4
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互连延迟 (RC) 与特征尺寸的关系 (?m)
Figure 11.24
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
0,5 1.0 1.5 2.0
特征尺寸 (?m)
延迟时间
(′
10
-9
sec
)
互连延迟 (RC)
门延迟
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芯片性能
芯片性能的一项指标是信号的传输速度 。 芯片
的不断缩小导致互联线宽度减小, 使得传输信号导
线电阻 （ R） 增大 。 而且, 导线间距的缩小产生了更
多的寄生电容 （ C） 。 最终增加了 RC信号延迟 （ RC
信号延迟降低芯片速度, 减弱芯片性能 ） 。 这是在
亚 0.25μm 中凸现的问题, 通常称为互连延迟 （ 如上
图所示 ） 。 从本质上讲, 减小互连尺寸带来的寄生
电阻和电容效应而导致更大的信号延迟 。 这与晶体
管的发展正好相反, 对晶体管而言, 随着栅长变小
,延迟变小, 晶体管的速度增加 。
线电容 C正比于绝缘介质的 k 值, 低 K值的绝缘
介质可以减小芯片总的互连电容, 减小 RC信号延迟
,提供芯片性能 。
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总互连线电容
电容
(10
-12
Fa
rads
/cm
)
7
6
5
4
3
2
1
0
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
间距 (?m)
K = 4
K = 3
K = 2
K= 1
Figure 11.25
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电学 机械 学 热学 化学 工艺 金属化
低 介电 常数 好的 黏附性 热稳定性 耐 酸 和 碱 图形 制作 低的 接触 电阻
低 介电 损失 低 的 收缩 性
低 的 热 扩散
系数
选择 腐蚀
好的 间隙 填
充 能力
低的 电子 迁移
低的 漏 电流 抗 开裂 高 导热 低的 杂质 平坦化 低的 应力
高 可靠性 低 应力 无 侵蚀 低的 针孔 光滑 表面
好的 硬度
低的 湿气 吸
收
少的 微粒
与 势垒 金属 兼
容
可 接受 的 存
储 寿命
低 -k 值绝缘介质要求
Table 11.5
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DRAM 叠层电容的示意图
SiO2 介质
掺杂多晶硅电容极板
掺杂多晶硅电容极板
埋接触孔扩散
SiO2 dielectric Doped polysilicon
capacitor plate
Doped polysilicon
capacitor plate
Buried contact
diffusion
Figure 11.26
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浅槽隔离
Photo 11.5
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旋涂绝缘介质
? 旋涂玻璃 (SOG)
? 旋涂绝缘介质 (SOD)
? 外延
– 外延生长方法
? 气相外延（ VEP）
? 金属有机 CVD
? 分子束外延 (MBE)
? CVD质量测量
? CVD 检查及故障排除
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用 Spin-On-Glass 填充间隙
2) 处理后的 SOG 1) 最初的 SOG
间隙填充
3) CVD
氧化硅帽
Cap
Figure 11.27
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主要 操作 工艺 步骤 相关 参数
碗 转速 5 0 r p m
最大 碗 转速 800 – 1 5 0 0 r p m
背部 清洗 8 0 0 r p m,5 s ec
顶部 边缘 液 珠 去除 1 0 0 0 r p m,1 0 s ec
旋涂 介质
旋转 干燥 1 0 0 0 r p m,5 s ec
初步 烤 形成 膜 200 ? C,6 0 s ec,N 2 p u r g e
形成 膜
In - l in e c u r e 475 ? C,6 0 s ec,N
2
am b ien t
HSQ 低 -k 值绝缘介质工艺参数
Table 11.6
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外 延
? 外延生长模型
? 外延生长方法
– 气相外延 (VPE)
– 金属有机 CVD (MOCVD)
– 分子束外延 (MBE)
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外延就是在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层
（ 见下图 ）, 新淀积的这层称为外延层 。 外延为器
件设计者在优化器件性能方面提供了很大的灵活性
,例如可以控制外延层厚度, 掺杂浓度, 轮廓, 而
这些因素是与硅片衬底无关的 。 外延层还可以减少
CMOS器件的闩锁效应 。 IC制造中最普通的外延反
应是高温 CVD系统 。
如果外延生长膜和衬底材料相同 （ 例如硅衬底
上生长硅 ）, 这样的膜生长称为同质外延 。 膜材料
与衬底材料不一致的情况 （ 例如硅衬底上生长氧化
铝 ）, 称为异质外延 。
外延反应可用的气体源包括 SiCl4/SiH2Cl2/SiHCl3
淀积温度为,1050～ 1250℃
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硅片上外延生长硅
Si
Si
Cl
Cl
H H
Si
Si
Si Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Cl
H
Cl
H
化学反应
副产物
淀积的硅 外延层
多晶硅衬底
Figure 11.28
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气相外延示意图
掺杂剂
(AsH3 or B2 H3)
H2
SiH2 Cl2
RF 感应加热线圈
感应基座
硅片
真空泵
Figure 11.29
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硅气相外延炉
排气 排气
排气
RF加热
RF 加热
气体入口 气体入口
卧式反应炉 桶式反应炉 立式反应炉
Figure 11.30
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CVD质量测量
ILD 中钥匙孔的效果（金属台阶覆盖上）
b) 平坦化的 SiO2
c) 被淀积的下一层铝
在 SiO2上由钥匙孔引起的金属空洞
a) 由 PECVD淀积的 SiO2
SiO2
在层间介质中
的钥匙孔缺陷
铝
Figure 11.31
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Chapter 11 Review
? Deposition Quality Measures 292
? Troubleshooting 292
? Summary 294
? Key Terms 295
? Review Questions 295
? Equipment Suppliers’ Web Sites 296
? References 296
