半導(dǎo)體制造工藝_12薄膜沉積(上)

1、半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)1半導(dǎo)體薄膜：半導(dǎo)體薄膜：Si介質(zhì)薄膜：介質(zhì)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：?jiǎn)尉П∧ぃ篠i, SiGe（外延）（外延）多晶薄膜：多晶薄膜：poly-SiDeposition半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)21）化學(xué)氣相淀積）化學(xué)氣相淀積 Chemical Vapor Deposition (CVD)一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生一種或數(shù)種物

2、質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長(zhǎng)技術(shù)?；瘜W(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長(zhǎng)技術(shù)。 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(guò)程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即將原子或分子轉(zhuǎn)移到襯利用某種物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即將原子或分子轉(zhuǎn)移到襯底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術(shù)。底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術(shù)。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(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)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(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)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(zhǎng)一層新在單晶襯底上生長(zhǎng)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(yīng)用舉例外延硅應(yīng)用舉例半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)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(dǎo)電材料柵電極材料；多層金屬化電極的導(dǎo)電材料多晶硅薄膜的

4、應(yīng)用多晶硅薄膜的應(yīng)用半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)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(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)7對(duì)薄膜的要求對(duì)薄膜的要求1. 組分正確，玷污少，電學(xué)和機(jī)械性能好組分正確，玷污少，電學(xué)和機(jī)械性能好2. 片內(nèi)及片間（每一硅片和硅片之間）均勻性好片內(nèi)及片間（每一硅片和硅片之間）均勻性好3. 臺(tái)階覆蓋性好（臺(tái)階覆蓋性好（co

5、nformal coverage 保角覆蓋）保角覆蓋）4. 填充性好填充性好5. 平整性好平整性好 半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)8化學(xué)氣相淀積（化學(xué)氣相淀積（CVD）單晶單晶 (外延）、多晶、非晶（無(wú)定型）薄膜外延）、多晶、非晶（無(wú)定型）薄膜半導(dǎo)體、介質(zhì)、金屬薄膜半導(dǎo)體、介質(zhì)、金屬薄膜常壓化學(xué)氣相淀積（常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD），低壓），低壓CVD (LPCVD)，等離子體增強(qiáng)淀積（，等離子體增強(qiáng)淀積（PECVD）等）等CVDCVD反應(yīng)必須滿足三個(gè)揮發(fā)性標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)必須滿足三個(gè)揮發(fā)性標(biāo)準(zhǔn) 在淀積溫度下在淀積溫度下, ,反應(yīng)劑必須具備足夠高的蒸汽壓反應(yīng)劑必須具備足夠

6、高的蒸汽壓 除淀積物質(zhì)外除淀積物質(zhì)外, ,反應(yīng)產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的反應(yīng)產(chǎn)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(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)9(1)(1)反應(yīng)劑被攜帶氣體引入反應(yīng)器反應(yīng)劑被攜帶氣體引入反應(yīng)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(yīng)劑，然后，在主氣流中的反應(yīng)劑越過(guò)邊界層擴(kuò)散到硅片表面越過(guò)邊界層擴(kuò)散到硅片表面(2)(2)反應(yīng)劑被吸附在硅片表面，并反應(yīng)劑被吸附在硅片表面，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)(3)化學(xué)反應(yīng)生成的固態(tài)物質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)生成的固態(tài)物質(zhì)，即所需要的淀積物，在硅

7、片表即所需要的淀積物，在硅片表面成核、生長(zhǎng)成薄膜面成核、生長(zhǎng)成薄膜(4)反應(yīng)后的氣相副產(chǎn)物，離開反應(yīng)后的氣相副產(chǎn)物，離開襯底表面，擴(kuò)散回邊界層，并襯底表面，擴(kuò)散回邊界層，并隨輸運(yùn)氣體排出反應(yīng)室隨輸運(yùn)氣體排出反應(yīng)室化學(xué)氣相淀積的基本過(guò)程化學(xué)氣相淀積的基本過(guò)程半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)10F1是反應(yīng)劑分子的粒子流密度是反應(yīng)劑分子的粒子流密度F2代表在襯底表面化學(xué)反應(yīng)消耗的反應(yīng)劑分子流密度代表在襯底表面化學(xué)反應(yīng)消耗的反應(yīng)劑分子流密度生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)從簡(jiǎn)單的生長(zhǎng)模型出發(fā)，用從簡(jiǎn)單的生長(zhǎng)模型出發(fā)，用動(dòng)力學(xué)方法研究化學(xué)氣相淀動(dòng)力學(xué)方法研究化學(xué)氣相淀積推導(dǎo)出積推導(dǎo)出生長(zhǎng)速

8、率的表達(dá)式生長(zhǎng)速率的表達(dá)式及其兩種極限情況及其兩種極限情況與熱氧化生長(zhǎng)稍有與熱氧化生長(zhǎng)稍有不同的是，沒(méi)有了不同的是，沒(méi)有了在在SiO2中的擴(kuò)散流中的擴(kuò)散流半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)11hG 是質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)（是質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)（cm/sec） ks 是表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù)（是表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù)（cm/sec）在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應(yīng)相等。這樣得到在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應(yīng)相等。這樣得到可得：可得：)(1SGGCChFSsCkF 221FFF11GsGShkCC半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)12設(shè)設(shè)TGCCY 則生長(zhǎng)速率則生長(zhǎng)速率這里這里 Y 為在氣

9、體中反應(yīng)劑分子的摩爾比值為在氣體中反應(yīng)劑分子的摩爾比值,CG為每為每cm3中反應(yīng)劑分子數(shù)，這里中反應(yīng)劑分子數(shù)，這里CT為在為在氣體中每氣體中每cm3的所有分子總數(shù)的所有分子總數(shù).21 GGGGTotalGTGPPPPPPCCYPG 是反應(yīng)劑分子的分壓，是反應(yīng)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(shù)。對(duì)硅外延是形成薄膜的單位體積中的原子數(shù)。對(duì)硅外延N為為51022 cm-3 YNChkhkNChkhkNFvTGsGsGGsGs半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)13Y一定時(shí)，一定時(shí)， v

10、由由hG和和ks中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(yīng)控制過(guò)程這種情況為表面反應(yīng)控制過(guò)程有有2、如果、如果hGks，則，則CS0，這是質(zhì)量傳輸控制過(guò)程，這是質(zhì)量傳輸控制過(guò)程有有 質(zhì)量輸運(yùn)控制，對(duì)溫度不敏感質(zhì)量輸運(yùn)控制，對(duì)溫度不敏感YkNCvsTYhNCvGT表面（反應(yīng)）控制，對(duì)溫度表面（反應(yīng)）控制，對(duì)溫度特別敏感特別敏感 kTEkkasexp0半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)14T對(duì)對(duì)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(guò)程在較低溫度過(guò)程在較低溫度出現(xiàn)出現(xiàn)生長(zhǎng)速率和溫度的關(guān)系生長(zhǎng)速率和

11、溫度的關(guān)系硅外延：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(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)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(shù)常數(shù)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(jìn)行，以在高溫下進(jìn)行，以確保所有硅原子淀確保所有硅原子淀積時(shí)排列整齊，形積時(shí)排列整齊，形成單晶層。為質(zhì)量成單晶層。為質(zhì)量輸運(yùn)控制過(guò)程。此輸運(yùn)控制過(guò)程。此時(shí)對(duì)溫度控制要求時(shí)對(duì)溫度控制要求不是很高，但是對(duì)不是很高，但是對(duì)氣流要求高。氣流要求高。多晶硅生長(zhǎng)是在低多晶硅生長(zhǎng)是在低溫進(jìn)行，是表面反溫進(jìn)行，是表面反應(yīng)控制

12、，對(duì)溫度要應(yīng)控制，對(duì)溫度要求控制精度高。求控制精度高。半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)16當(dāng)工作在高溫區(qū)當(dāng)工作在高溫區(qū),質(zhì)量控制為主導(dǎo)，質(zhì)量控制為主導(dǎo)，hG是常數(shù)，是常數(shù)，此時(shí)反應(yīng)氣體通過(guò)邊界層的擴(kuò)散很重要，即反此時(shí)反應(yīng)氣體通過(guò)邊界層的擴(kuò)散很重要，即反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)和晶片如何放置顯得很重要。應(yīng)腔的設(shè)計(jì)和晶片如何放置顯得很重要。記住關(guān)鍵兩點(diǎn)：記住關(guān)鍵兩點(diǎn)：ks 控制的淀積控制的淀積 主要和溫度有關(guān)主要和溫度有關(guān)hG 控制的淀積控制的淀積 主要和反應(yīng)腔體幾何形狀有關(guān)主要和反應(yīng)腔體幾何形狀有關(guān)半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)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

13、式反應(yīng)設(shè)備，單晶硅外延要采用圖中的臥式反應(yīng)設(shè)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(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)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(zhǎng)度的函數(shù)。方向平板長(zhǎng)度的函數(shù)。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(zhì)量傳輸控制，則淀積速度會(huì)下降積受質(zhì)量傳輸控制，則淀積速度會(huì)下降沿支座方向反應(yīng)氣體濃度的減少沿支座方向反應(yīng)氣體濃度的減少, 同樣導(dǎo)致同樣導(dǎo)致淀積速度會(huì)下降淀積速度會(huì)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(dǎo)體制造工

14、藝基礎(chǔ)第八章第八章 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(guò)的截面積由于支座傾斜后，氣流的流過(guò)的截面積下降，導(dǎo)致氣流速度的增加，進(jìn)而導(dǎo)致下降，導(dǎo)致氣流速度的增加，進(jìn)而導(dǎo)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(lái)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)補(bǔ)償沿支座長(zhǎng)度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速沿支座長(zhǎng)度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速率的下降。尤其對(duì)質(zhì)量傳輸控制的淀積至關(guān)重率的下降。尤其對(duì)質(zhì)量傳輸控制的淀積至關(guān)重要，如要，如APCVD法法外延硅外延硅。半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積 (上上)20本節(jié)課主要內(nèi)容本節(jié)課主要內(nèi)容常用的淀積薄膜有哪些？常用的淀積薄膜有哪些？舉例說(shuō)明其用途。舉例說(shuō)明其用途。什么是什么是CVD？描述它的？描述它的工藝過(guò)程。工藝過(guò)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(shù)是關(guān)鍵？么參數(shù)是關(guān)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