半導體制造工藝_12薄膜沉積(上)

1、半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)1半導體薄膜：半導體薄膜：Si介質薄膜：介質薄膜：SiO2，Si3N4, BPSG，金屬薄膜：金屬薄膜：Al，Cu，W，Ti， 在集成電路制在集成電路制備中，很多薄備中，很多薄膜材料由淀積膜材料由淀積工藝形成工藝形成單晶薄膜：單晶薄膜：Si, SiGe（外延）（外延）多晶薄膜：多晶薄膜：poly-SiDeposition半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)21）化學氣相淀積）化學氣相淀積 Chemical Vapor Deposition (CVD)一種或數種物質的氣體，以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生一種或數種物

2、質的氣體，以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生化學反應，并淀積出所需固體薄膜的生長技術?；瘜W反應，并淀積出所需固體薄膜的生長技術。 例如：例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD2）物理氣相淀積）物理氣相淀積 Physical Vapor Deposition (PVD)利用某種物理過程實現物質的轉移，即將原子或分子轉移到襯利用某種物理過程實現物質的轉移，即將原子或分子轉移到襯底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術。底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術。例如：例如：蒸發(fā)蒸發(fā) evaporation，濺射，濺射sputtering兩類主要的淀積方式兩類主要的淀積方式半導體制造工藝基礎第

3、八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)3除了除了CVD和和PVD外，制備薄膜的方法還有外，制備薄膜的方法還有:銅互連是由電鍍工藝制作銅互連是由電鍍工藝制作旋涂Spin-on鍍/電鍍electroless plating/electroplating半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)4外延：外延：在單晶襯底上生長一層新在單晶襯底上生長一層新的單晶層，晶向取決于襯底的單晶層，晶向取決于襯底外延硅應用舉例外延硅應用舉例半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)5CMOSCMOS柵電極材料；多層金屬化電極的導電材料柵電極材料；多層金屬化電極的導電材料多晶硅薄膜的

4、應用多晶硅薄膜的應用半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)6Chemical Vapor Deposition (CVD)PolycrystallineSingle crystal (epitaxy) Substrate Epitaxy Courtesy Johan Pejnefors, 2001半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)7對薄膜的要求對薄膜的要求組分正確，玷污少，電學和機械性能好組分正確，玷污少，電學和機械性能好 片內及片間（每一硅片和硅片之間）均勻性好片內及片間（每一硅片和硅片之間）均勻性好3. 臺階覆蓋性好（臺階覆蓋性好（conform

5、al coverage 保角覆蓋）保角覆蓋） 填充性好填充性好 平整性好平整性好 半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)8化學氣相淀積（化學氣相淀積（CVD）單晶單晶 (外延）、多晶、非晶（無定型）薄膜外延）、多晶、非晶（無定型）薄膜半導體、介質、金屬薄膜半導體、介質、金屬薄膜常壓化學氣相淀積（常壓化學氣相淀積（APCVD），低壓），低壓CVD (LPCVD)，等離子體增強淀積（，等離子體增強淀積（PECVD）等）等CVDCVD反應必須滿足三個揮發(fā)性標準反應必須滿足三個揮發(fā)性標準 在淀積溫度下在淀積溫度下, ,反應劑必須具備足夠高的蒸汽壓反應劑必須具備足夠高的蒸汽壓 除淀積

6、物質外除淀積物質外, ,反應產物必須是揮發(fā)性的反應產物必須是揮發(fā)性的 淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)9(1)(1)反應劑被攜帶氣體引入反應器反應劑被攜帶氣體引入反應器后，在襯底表面附近形成后，在襯底表面附近形成“滯留滯留層層”，然后，在主氣流中的反應劑，然后，在主氣流中的反應劑越過邊界層擴散到硅片表面越過邊界層擴散到硅片表面(2)(2)反應劑被吸附在硅片表面，并反應劑被吸附在硅片表面，并進行化學反應進行化學反應(3)化學反應生成的固態(tài)物質，化學反應生成的固態(tài)物質，即所需要的淀積物，在硅片表即所需要的淀積

7、物，在硅片表面成核、生長成薄膜面成核、生長成薄膜(4)反應后的氣相副產物，離開反應后的氣相副產物，離開襯底表面，擴散回邊界層，并襯底表面，擴散回邊界層，并隨輸運氣體排出反應室隨輸運氣體排出反應室化學氣相淀積的基本過程化學氣相淀積的基本過程半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)10F1是反應劑分子的粒子流密度是反應劑分子的粒子流密度F2代表在襯底表面化學反應消耗的反應劑分子流密度代表在襯底表面化學反應消耗的反應劑分子流密度生長動力學生長動力學從簡單的生長模型出發(fā)，用從簡單的生長模型出發(fā)，用動力學方法研究化學氣相淀動力學方法研究化學氣相淀積推導出積推導出生長速率的表達式生長速率

8、的表達式及其兩種極限情況及其兩種極限情況與熱氧化生長稍有與熱氧化生長稍有不同的是，沒有了不同的是，沒有了在在SiO2中的擴散流中的擴散流半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)11hG 是質量輸運系數（是質量輸運系數（cm/sec） ks 是表面化學反應系數（是表面化學反應系數（cm/sec）在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應相等。這樣得到在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應相等。這樣得到可得：可得：)(1SGGCChFSsCkF 221FFF11GsGShkCC半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)12設設TGCCY 則生長速率則生長速率這里這里 Y 為在氣體中反應劑分子的摩

9、爾比值為在氣體中反應劑分子的摩爾比值,CG為每為每cm3中反應劑分子數，這里中反應劑分子數，這里CT為在為在氣體中每氣體中每cm3的所有分子總數的所有分子總數.21 GGGGTotalGTGPPPPPPCCYPG 是反應劑分子的分壓，是反應劑分子的分壓，PG1，PG1 PG2 PG3.等是系統(tǒng)中其它氣體的分壓等是系統(tǒng)中其它氣體的分壓N是形成薄膜的單位體積中的原子數。對硅外延是形成薄膜的單位體積中的原子數。對硅外延N為為51022 cm-3 YNChkhkNChkhkNFvTGsGsGGsGs半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)13Y一定時，一定時， v 由由hG和和ks中

10、較小者決定中較小者決定1、如果、如果hGks，則，則CsCG,這種情況為表面反應控制過程這種情況為表面反應控制過程有有2、如果、如果hGks，則，則CS0，這是質量傳輸控制過程，這是質量傳輸控制過程有有 質量輸運控制，對溫度不敏感質量輸運控制，對溫度不敏感YkNCvsTYhNCvGT表面（反應）控制，對溫度表面（反應）控制，對溫度特別敏感特別敏感 kTEkkasexp0半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)14T對對ks的影響較的影響較hG大許多，因此：大許多，因此： hGks表面控制表面控制過程在較低溫度過程在較低溫度出現出現生長速率和溫度的關系生長速率和溫度的關系硅外延

11、：硅外延：Ea=1.6 eV斜率與激活能斜率與激活能Ea成正比成正比hGconstant半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)15以硅外延為例（以硅外延為例（1 atm，APCVD）hG 常數常數Ea 值相同值相同外延硅淀積往往是外延硅淀積往往是在高溫下進行，以在高溫下進行，以確保所有硅原子淀確保所有硅原子淀積時排列整齊，形積時排列整齊，形成單晶層。為質量成單晶層。為質量輸運控制過程。此輸運控制過程。此時對溫度控制要求時對溫度控制要求不是很高，但是對不是很高，但是對氣流要求高。氣流要求高。多晶硅生長是在低多晶硅生長是在低溫進行，是表面反溫進行，是表面反應控制，對溫度要應控制

12、，對溫度要求控制精度高。求控制精度高。半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)16當工作在高溫區(qū)當工作在高溫區(qū),質量控制為主導，質量控制為主導，hG是常數，是常數，此時反應氣體通過邊界層的擴散很重要，即反此時反應氣體通過邊界層的擴散很重要，即反應腔的設計和晶片如何放置顯得很重要。應腔的設計和晶片如何放置顯得很重要。記住關鍵兩點：記住關鍵兩點：ks 控制的淀積控制的淀積 主要和溫度有關主要和溫度有關hG 控制的淀積控制的淀積 主要和反應腔體幾何形狀有關主要和反應腔體幾何形狀有關半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)17單晶硅外延要采用圖中的臥式反應設備，單晶

13、硅外延要采用圖中的臥式反應設備，放置硅片的石墨舟為什么要有傾斜放置硅片的石墨舟為什么要有傾斜? 半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)18這里界面層厚度這里界面層厚度 s是是x方向平板長度的函數。方向平板長度的函數。隨著隨著x的增加，的增加， s(x)增加，增加，hG下降。如果淀下降。如果淀積受質量傳輸控制，則淀積速度會下降積受質量傳輸控制，則淀積速度會下降沿支座方向反應氣體濃度的減少沿支座方向反應氣體濃度的減少, 同樣導致同樣導致淀積速度會下降淀積速度會下降sGGDhUxxs)( 為氣體粘度為氣體粘度 為氣體密度為氣體密度U為氣體速度為氣體速度半導體制造工藝基礎第八章第八

14、章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)19因此，支座傾斜可以促使因此，支座傾斜可以促使 s(x)沿沿x變化減小變化減小原理：原理：由于支座傾斜后，氣流的流過的截面積由于支座傾斜后，氣流的流過的截面積下降，導致氣流速度的增加，進而導致下降，導致氣流速度的增加，進而導致 s(x)沿沿x減小和減小和hG的增加。從而用加大的增加。從而用加大hG的方法來補償的方法來補償沿支座長度方向的氣源的耗盡而產生的淀積速沿支座長度方向的氣源的耗盡而產生的淀積速率的下降。尤其對質量傳輸控制的淀積至關重率的下降。尤其對質量傳輸控制的淀積至關重要，如要，如APCVD法法外延硅外延硅。半導體制造工藝基礎第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)20本節(jié)課主要內容本節(jié)課主要內容常用的淀積薄膜有哪些？常用的淀積薄膜有哪些？舉例說明其用途。舉例說明其用途。什么是什么是CVD？描述它的？描述它的工藝過程。工藝過程。CVD的控制有哪兩種的控制有哪兩種極限狀態(tài)？分別控制什極限狀態(tài)？分別控制什么參數是關鍵？么參數是關鍵？單晶硅（外延）單晶硅（外延）器件；多晶器件；多晶硅硅柵電極；柵電極；SiO2互連介