半導(dǎo)體制造工藝-13薄膜沉積(下)綜述課件

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?1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這里界面層厚度s是x方向平板長(zhǎng)度的函數(shù)。隨著x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀積受質(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,同樣導(dǎo)致淀積速度會(huì)下降為氣體粘度為氣體密度U為氣體速度2這里界面層厚度s是x方向平板長(zhǎng)度的函數(shù)。隨著x的增加，s因此，支座傾斜可以促使s(x)沿x變化減小原理：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s(x)沿x減小和hG的增加。從而用加大hG的方法來(lái)補(bǔ)償沿支座長(zhǎng)度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速率的下降。尤其對(duì)質(zhì)量傳輸控制的淀積至關(guān)重要，如APCVD法外延硅。3因此，支座傾斜可以促使s(x)沿x變化減小3外延單晶硅的化學(xué)反應(yīng)式以上所有反應(yīng)是可逆的，因此還原反應(yīng)和HCl對(duì)硅的腐蝕均可發(fā)生，這和反應(yīng)劑的摩爾分量和生長(zhǎng)溫度有關(guān)。4外延單晶硅的化學(xué)反應(yīng)式以上所有反應(yīng)是可逆的，因此還原反應(yīng)和H目前外延常用氣源及相應(yīng)總體化學(xué)反應(yīng)硅外延：硅鍺外延：選擇性外延：加HCl原位摻雜外延：加BH3/B2H6，PH3/AsH35目前外延常用氣源及相應(yīng)總體化學(xué)反應(yīng)硅外延：硅鍺外延：選擇性外TwodifferentmodesofepitaxyNon-selectiveepitaxialgrowth(NSEG)Selectiveepitaxialgrowth(SEG)OxideEpiSubstrateSubstrateEpiPoly6Twodifferentmodesofepitaxy斜率與激活能Ea成正比APCVD的主要問(wèn)題：低產(chǎn)率（throughput）高溫淀積：硅片需水平放置低溫淀積：反應(yīng)速率低7斜率與激活能Ea成正比APCVD的主要問(wèn)題：低產(chǎn)率（thro低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）因此低壓可以大大提高h(yuǎn)G的值。例如在壓力為1torr時(shí)，DG可以提高760倍，而ds只提高約7倍，所以hG可以提高100倍。氣體在界面不再受到傳輸速率限制。在質(zhì)量輸運(yùn)控制區(qū)域：8低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）因此低壓可以大大提高h(yuǎn)G的99增加產(chǎn)率—晶片可直插放置許多片（100-200）工藝對(duì)溫度靈敏,但是采用溫度控制好的熱壁式系統(tǒng)可解決溫度控制問(wèn)題氣流耗盡仍是影響均勻性的因素，可以設(shè)定溫差5～25C，或分段進(jìn)氣10增加產(chǎn)率—晶片可直插放置許多片（100-200）10Batchprocessing：同時(shí)100-200片薄膜厚度均勻性好可以精確控制薄膜的成份和結(jié)構(gòu)臺(tái)階覆蓋性較好低溫淀積過(guò)程淀積速率快生產(chǎn)效率高生產(chǎn)成本低LPCVD法的主要特點(diǎn)有時(shí)，淀積溫度需很低，薄膜質(zhì)量要求又很高。如：在形成的Al層上面淀積介質(zhì)等。解決辦法：等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD11Batchprocessing：同時(shí)100-200片LPC多晶硅淀積方法

LPCVD，主要用硅烷法，即在600-650℃溫度下，由硅烷熱分解而制成，總體化學(xué)反應(yīng)（overallreaction）方程是：SiH4→Si(多晶)+2H2

低于575℃所淀積的硅是無(wú)定形或非晶硅（amorphousSi）；高于600℃淀積的硅是多晶，通常具有柱狀結(jié)構(gòu)（columnstructure）；當(dāng)非晶經(jīng)高溫（>600

℃）退火后，會(huì)結(jié)晶（crystallization）；柱狀結(jié)構(gòu)多晶硅經(jīng)高溫退火后，晶粒要長(zhǎng)大（graingrowth）。12多晶硅淀積方法低于575℃所淀積的硅是無(wú)定形或非晶硅（am多晶硅的摻雜氣固相擴(kuò)散離子注入在淀積過(guò)程中加入摻雜氣體（稱為原位摻雜，insitu），與外延摻雜類似多晶硅的氧化多晶硅通常在900~1000℃范圍內(nèi)進(jìn)行干氧氧化未摻雜或輕摻雜多晶硅的氧化速率介於（111）和（100）單晶硅的氧化速率之間摻磷多晶硅的氧化速率要比未摻雜（或輕摻雜）多晶硅的氧化速率快13多晶硅的摻雜多晶硅的氧化13薄膜淀積速率隨溫度上升而迅速增加淀積速率隨壓強(qiáng)（硅烷分壓）增加而增加淀積參數(shù)的影響

-溫度

-壓強(qiáng)

-硅烷濃度

-摻雜劑濃度14薄膜淀積速率隨溫度上升而迅速增加淀積參數(shù)的影響

-溫度

-多晶硅的淀積速率通常不是硅烷濃度的線性函數(shù)表面吸附的影響一級(jí)反應(yīng)線性關(guān)系15多晶硅的淀積速率表面吸附的影響一級(jí)反應(yīng)線性關(guān)系15氧化硅的淀積方法1）低溫CVD（250~450C）可以同時(shí)摻雜，如：PH3，形成PSG磷硅玻璃：硅烷為源的淀積——APCVD，LPCVD，PECVD淀積溫度低，可作為鈍化層，密度小于熱生長(zhǎng)氧化硅，臺(tái)階覆蓋差。用HD-PECVD可以獲得低溫（120C）的高質(zhì)量氧化硅膜也可以PECVD：P2O5和SiO2組成的二元玻璃網(wǎng)絡(luò)體應(yīng)力小，流動(dòng)性增加堿金屬離子的吸雜中心易吸水形成磷酸16氧化硅的淀積方法1）低溫CVD（250~450C）可以同時(shí)TEOS（正硅酸乙酯）為源的淀積2）中溫LPCVD（680~730C）（1）不能淀積在Al層上（為什么？）（2）厚度均勻性好，臺(tái)階覆蓋優(yōu)良，SiO2膜質(zhì)量較好（3）加入PH3等可形成PSG

TEOS也可采用PECVD低溫淀積（250～425C）—臺(tái)階覆蓋優(yōu)良，用于互連介質(zhì)層17TEOS（正硅酸乙酯）為源的淀積2）中溫LPCVD（680~臺(tái)階覆蓋（保角性conformality）淀積速率正比于氣體分子到達(dá)角度18臺(tái)階覆蓋（保角性conformality）淀積速率正比于氣PSG回流工藝可解決臺(tái)階覆蓋問(wèn)題PSG回流工藝：將形成PSG的樣品加熱到1000－1100C,使PSG軟化流動(dòng)，改善臺(tái)階形狀一般6~8wt%PBPSG可以進(jìn)一步降低回流溫度19PSG回流工藝可解決臺(tái)階覆蓋問(wèn)題一般6~8wt%PBPS氮化硅的淀積方法LPCVD：質(zhì)量好，產(chǎn)量高PECVD：等離子體中

或SiNxHy膜對(duì)水和鈉有極強(qiáng)的阻擋能力，可作為最終的鈍化層或多層布線中的介質(zhì)。20氮化硅的淀積方法LPCVD：PECVD：等離子體中20等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）低溫下（200～350C）利用非熱能來(lái)增強(qiáng)工藝過(guò)程反應(yīng)氣體被加速電子撞擊而離化。形成不同的活性基團(tuán)，它們間的化學(xué)反應(yīng)就生成所需要的固態(tài)膜。13.56MHz21等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）低溫下（200～350等離子體：物質(zhì)存在的第四態(tài)高密度導(dǎo)電粒子構(gòu)成的氣體極板區(qū)域有輝光上標(biāo)“*”表示那些能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基態(tài)的粒子。分離的原子或分子被稱為自由基，它們具有不完整的結(jié)合狀態(tài)并且非?；钴S。如：SiH3，SiO，F(xiàn)等。原子激發(fā)e*+AA*+e分子激發(fā)e*+ABAB*+ee*+ABA*+B*+e原子離子化e*+AA++e+e分子離子化e*+ABAB++e+e激發(fā)裂解離化等離子體由電子、離化分子、中性分子、中性或離化的分子片斷、激發(fā)的分子和自由基組成。假設(shè)流進(jìn)的氣體是由原子A和原子B組成的分子AB,在輝光放電中可出現(xiàn)的過(guò)程可有:22等離子體：上標(biāo)“*”表示那些能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基態(tài)的粒子。PECVD：在等離子體反應(yīng)器中，PECVD最重要的特征是能在更低的溫度下淀積出所需要的薄膜。PECVD淀積的氧化硅和氮化硅膜與較高高溫下LPCVD的膜相比有以下特征：應(yīng)力較大、含H、非化學(xué)比的結(jié)構(gòu)因而造成膜的性質(zhì)的不同：粘附能力較差，有針孔、表面粗糙度增大，介電常數(shù)下降，折射率下降，腐蝕速率增加。PECVD薄膜淀積質(zhì)量強(qiáng)烈依賴于RF功率、壓強(qiáng)、溫度等參數(shù)23PECVD：在等離子體反應(yīng)器中，PECVD最重要的特征是能在物理氣相淀積（PVD）蒸發(fā)（Evaporation）濺射（Sputtering）淀積金屬、介質(zhì)等多種薄膜淀積金屬薄膜24物理氣相淀積（PVD）淀積金屬、介質(zhì)等多種薄膜淀積金屬薄膜真空蒸發(fā)：在真空中，把蒸發(fā)料(金屬)加熱，使其原子或分子獲得足夠的能量，克服表面的束縛而蒸發(fā)到真空中成為蒸氣，蒸氣分子或原子飛行途中遇到基片，就淀積在基片上，形成薄膜加熱器：電阻絲或電子束真空狀態(tài)蒸發(fā)25真空蒸發(fā)：在真空中，把蒸發(fā)料(金屬)加熱，使其原子或分子獲得一、真空蒸發(fā)淀積薄膜的物理過(guò)程蒸發(fā)過(guò)程：被蒸發(fā)物質(zhì)從凝聚相（固相或液相）轉(zhuǎn)化為氣相的過(guò)程——所需能量為汽化熱Hv

在真空系統(tǒng)中的輸運(yùn)過(guò)程(c)氣相分子在襯底上吸附、成核和生長(zhǎng)P為蒸汽壓，A為積分常數(shù)，R0為阿夫加德羅常數(shù)26一、真空蒸發(fā)淀積薄膜的物理過(guò)程P為蒸汽壓，26不同元素的平衡蒸氣壓與溫度的函數(shù)關(guān)系為了得到合適的淀積速率，樣品蒸氣壓至少為10mTorr。Ta，W，Mo和Pt，這些難熔金屬，它們具有很高的溶化溫度，如為達(dá)到10mtorr的蒸氣壓，鎢需要超過(guò)3000℃。27不同元素的平衡蒸氣27二、真空度與分子平均自由程高純薄膜的淀積必須在高真空度的系統(tǒng)中進(jìn)行，因?yàn)椋涸床牧系臍庀嘣雍头肿釉谡婵罩械妮斶\(yùn)必須直線運(yùn)動(dòng)，以保證金屬材料原子和分子有效淀積在襯底上，真空度太低，蒸發(fā)的氣相原子或分子將會(huì)不斷和殘余氣體分子碰撞，改變方向。殘余氣體中的氧和水氣，會(huì)使金屬和襯底氧化殘余氣體和其他雜質(zhì)原子和分子也會(huì)淀積在襯底反比于氣體壓強(qiáng)r為氣體分子的半徑平均自由程28二、真空度與分子平均自由程高純薄膜的淀積必須在高真空度的可見(jiàn)蒸發(fā)的淀積速率和蒸發(fā)材料、溫度/蒸汽壓、及淀積腔的幾何形狀決定反應(yīng)腔內(nèi)晶片的位置、方向有關(guān)。如坩鍋正上方晶片比側(cè)向的晶片淀積得多。為了得到好的均勻性，常將坩鍋和晶片放在同一球面點(diǎn)源小平面源由Langmuir-Knudsen理論，有Pe是蒸氣壓（torr），As是源面積，m為克分子質(zhì)量，T為溫度29可見(jiàn)蒸發(fā)的淀積速率和蒸發(fā)材料、溫度/蒸汽壓、及淀積腔的幾何形加熱器a)必須在蒸發(fā)溫度提供所需熱量，但本身結(jié)構(gòu)仍保持穩(wěn)定。熔點(diǎn)高于被蒸發(fā)金屬熔點(diǎn)b)不能與處于熔融狀態(tài)的蒸發(fā)料合金化或化合c)蒸氣壓很低d)易加工成形例：難熔鎢絲螺旋式蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)（e－beam）a)電流通過(guò)螺旋狀燈絲，使其達(dá)到白熾狀態(tài)后發(fā)射電子b)電子向陽(yáng)極孔方向發(fā)射形成電子束，加速進(jìn)入均勻磁場(chǎng)c)電子在均勻磁場(chǎng)洛侖茲力作用下作圓周運(yùn)動(dòng)d)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度控制電子束偏轉(zhuǎn)半徑，使電子束準(zhǔn)確射到蒸發(fā)源e)蒸發(fā)源熔融汽化，淀積到硅片表面優(yōu)點(diǎn)：淀積膜純度高，鈉離子污染少電子偏轉(zhuǎn)槍電阻絲30加熱器電子束蒸發(fā)（e－beam）優(yōu)點(diǎn)：電電阻絲30為了實(shí)現(xiàn)球形結(jié)構(gòu)，晶片放在一個(gè)行星轉(zhuǎn)動(dòng)的半球罩內(nèi)—有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。淀積的均勻性可以得到很大改善電子束蒸發(fā)系統(tǒng)31為了實(shí)現(xiàn)球形結(jié)構(gòu)，電子束蒸發(fā)系統(tǒng)31蒸發(fā)工藝中的一些問(wèn)題:對(duì)某些元素淀積速率很慢合金和化合物很難采用臺(tái)階覆蓋差目前大生產(chǎn)很少采用濺射的優(yōu)點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋比蒸發(fā)好輻射缺陷遠(yuǎn)少于電子束蒸發(fā)制備復(fù)合材料和合金性能較好可以淀積介質(zhì)材料32蒸發(fā)工藝中的一些問(wèn)題:濺射的優(yōu)點(diǎn)：32濺射Sputtering-濺射淀積Sputterdeposition利用高能粒子（通常是由電場(chǎng)加速的正離子如Ar+）撞擊固體表面，使表面離子（原子或分子）逸出的現(xiàn)象濺射的種類:直流濺射射頻濺射反應(yīng)濺射磁控濺射準(zhǔn)直濺射……….33濺射Sputtering-濺射淀積Sputterdep不同元素的平衡蒸氣壓與溫度的函數(shù)關(guān)系而不同元素的濺射產(chǎn)率（yield）相差不大（0.1-3perincidention）34不同元素的平衡蒸氣而不同元素的濺射產(chǎn)率（yield）341、直流（DC）濺射只能濺射導(dǎo)電物質(zhì)a）陽(yáng)極（anode）上放硅片，陰極（cathode）是靶，真空室作為放電二極管，通入放電氣體（如Ar）b）陰極加1－10kV負(fù)高壓，產(chǎn)生輝光放電，形成等離子體c）正離子被加速至數(shù)百-數(shù)千伏，撞擊在靶材上，將靶材中原子剝離d）這些原子形成蒸汽并自由地穿過(guò)等離子體區(qū)到達(dá)硅表面e）濺射淀積時(shí)反應(yīng)腔里壓力在10mtorr左右。在引入放電氣體前，真空室basepressure要達(dá)高真空（10－6torr以上）351、直流（DC）濺射只能濺射導(dǎo)電物質(zhì)35直流濺射系統(tǒng)中等離子體結(jié)構(gòu)和電壓分布（系統(tǒng)中通入氬氣）等離子體中包含同等數(shù)量的正氬離子和電子以及中性氬原子大部分的電壓降在陰極暗區(qū)氬離子轟擊陰極靶（如Al）,Al原子被濺射出，通過(guò)等離子區(qū)淀積到陽(yáng)極硅片上陰極輝光陽(yáng)極鞘區(qū)等離子體陰極暗區(qū)(鞘區(qū))36直流濺射系統(tǒng)中等離子體結(jié)構(gòu)和電壓分布（系統(tǒng)中通入氬氣）等離子濺射中的主要過(guò)程陰極暗區(qū)37濺射中的主要過(guò)程陰極暗區(qū)372、射頻濺射—

也可濺射介質(zhì)

如靶是絕緣材料，不能采用直流濺射，因?yàn)榻^緣靶上會(huì)有正電荷積累。此時(shí)可以使用交流電源。13.56MHz382、射頻濺射—也可濺射介質(zhì)

如靶是絕緣材料，不能采用直RF濺射系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓分布當(dāng)兩邊面積不等時(shí)，面積小的電極一邊（電流密度大）有更大電壓降，并有關(guān)系:V2V1Unequalareaelectrodes(leftelectrodesmaller)m=1~2（實(shí)驗(yàn)值）39RF濺射系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓分布當(dāng)兩邊面積不等時(shí)，面積小的電極一般將靶電極的面積設(shè)計(jì)得較小，電壓主要降在靶電極，使濺射在靶上發(fā)生。硅片電極也可以和反應(yīng)腔體相連，以增加電壓降比值硅片電極也可以單獨(dú)加上RF偏壓，這樣在實(shí)際淀積前可預(yù)先清潔晶片或“濺射刻蝕”.另外一種應(yīng)用是偏壓-濺射淀積（bias-sputterdeposition），在晶片上濺射和淀積同時(shí)進(jìn)行。這可以改善淀積臺(tái)階覆蓋性40一般將靶電極的面積設(shè)計(jì)得較小，電壓主要降在靶電極，使濺射硅片3、反應(yīng)濺射

在濺射氣體中引入反應(yīng)活性氣體如氧或氮?dú)?，可改變或控制濺射膜的特性。如在低溫下可制作SiOx、SiNx等鈍化膜或多屬布線中的絕緣層；TiN、TaN等導(dǎo)電膜或擴(kuò)散阻擋層413、反應(yīng)濺射在濺射氣體中引入反應(yīng)活性氣體如氧或氮?dú)?，可改?、磁控濺射

直流濺射和RF濺射中，電子和氣體分子碰撞的離化效率較低，電子的能量有許多消耗在非離化的碰撞和被陽(yáng)極收集。通過(guò)外加磁場(chǎng)提高電子的離化率,磁控濺射可以提高濺射效率。可濺射各種合金和難熔金屬，不會(huì)像蒸發(fā)那樣，造成合金組分的偏離陰極表面發(fā)射的二次電子由于受到磁場(chǎng)的束縛,使得高密度等離子體集中在靶附近,而不再轟擊硅片，避免了硅片的升溫均勻性、重復(fù)性好，有良好的臺(tái)階覆蓋濺射效率提高424、磁控濺射直流濺射和RF濺射中，電子和氣體分子碰撞的離化5、準(zhǔn)直濺射

435、準(zhǔn)直濺射43薄膜淀積總結(jié)44薄膜淀積總結(jié)444545CVDversusPVD(coarsecomparison)CVDPVDFlexibilityPoorGoodDepositiontemperatureHighLowDepositionpressureHighLowStepcoverage(conformality)GoodPoorThicknessuniformityGoodGoodCompositioncontrolGoodPoorFilmpurityHighLowDielectricPreferred-Metal-Preferred46CVDversusPVD(coarsecompari本節(jié)課主要內(nèi)容CVD的原理，制作的典型薄膜DG1/P，hGDG

hG升高低溫反應(yīng)，淀積均勻性增加，產(chǎn)率增加。外延硅（單晶生長(zhǎng)，多晶硅，SiO2，Si3N4，淀積溫度較高；反應(yīng)源來(lái)源有限PECVD的原理，制作的典型薄膜激活能部分來(lái)自于等離子體—反應(yīng)氣體被加速電子撞擊而離化，形成不同的活性基團(tuán)，低溫下反應(yīng)生成固態(tài)膜。非化學(xué)配比的氧化硅、氮化硅蒸發(fā)的原理，兩種加熱方式在真空中加熱蒸發(fā)材料，使其原子或分子蒸發(fā)到真空，轉(zhuǎn)移、冷凝在基片上，形成薄膜。加熱：電阻絲或電子束濺射淀積的原理利用高能粒子撞擊固體表面，使表面離子（原子或分子）沉積到基片表面47本節(jié)課主要內(nèi)容CVD的原理，制作的典型薄膜DG1/P，h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?48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這里界面層厚度s是x方向平板長(zhǎng)度的函數(shù)。隨著x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀積受質(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,同樣導(dǎo)致淀積速度會(huì)下降為氣體粘度為氣體密度U為氣體速度49這里界面層厚度s是x方向平板長(zhǎng)度的函數(shù)。隨著x的增加，s因此，支座傾斜可以促使s(x)沿x變化減小原理：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s(x)沿x減小和hG的增加。從而用加大hG的方法來(lái)補(bǔ)償沿支座長(zhǎng)度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速率的下降。尤其對(duì)質(zhì)量傳輸控制的淀積至關(guān)重要，如APCVD法外延硅。50因此，支座傾斜可以促使s(x)沿x變化減小3外延單晶硅的化學(xué)反應(yīng)式以上所有反應(yīng)是可逆的，因此還原反應(yīng)和HCl對(duì)硅的腐蝕均可發(fā)生，這和反應(yīng)劑的摩爾分量和生長(zhǎng)溫度有關(guān)。51外延單晶硅的化學(xué)反應(yīng)式以上所有反應(yīng)是可逆的，因此還原反應(yīng)和H目前外延常用氣源及相應(yīng)總體化學(xué)反應(yīng)硅外延：硅鍺外延：選擇性外延：加HCl原位摻雜外延：加BH3/B2H6，PH3/AsH352目前外延常用氣源及相應(yīng)總體化學(xué)反應(yīng)硅外延：硅鍺外延：選擇性外TwodifferentmodesofepitaxyNon-selectiveepitaxialgrowth(NSEG)Selectiveepitaxialgrowth(SEG)OxideEpiSubstrateSubstrateEpiPoly53Twodifferentmodesofepitaxy斜率與激活能Ea成正比APCVD的主要問(wèn)題：低產(chǎn)率（throughput）高溫淀積：硅片需水平放置低溫淀積：反應(yīng)速率低54斜率與激活能Ea成正比APCVD的主要問(wèn)題：低產(chǎn)率（thro低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）因此低壓可以大大提高h(yuǎn)G的值。例如在壓力為1torr時(shí)，DG可以提高760倍，而ds只提高約7倍，所以hG可以提高100倍。氣體在界面不再受到傳輸速率限制。在質(zhì)量輸運(yùn)控制區(qū)域：55低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）因此低壓可以大大提高h(yuǎn)G的569增加產(chǎn)率—晶片可直插放置許多片（100-200）工藝對(duì)溫度靈敏,但是采用溫度控制好的熱壁式系統(tǒng)可解決溫度控制問(wèn)題氣流耗盡仍是影響均勻性的因素，可以設(shè)定溫差5～25C，或分段進(jìn)氣57增加產(chǎn)率—晶片可直插放置許多片（100-200）10Batchprocessing：同時(shí)100-200片薄膜厚度均勻性好可以精確控制薄膜的成份和結(jié)構(gòu)臺(tái)階覆蓋性較好低溫淀積過(guò)程淀積速率快生產(chǎn)效率高生產(chǎn)成本低LPCVD法的主要特點(diǎn)有時(shí)，淀積溫度需很低，薄膜質(zhì)量要求又很高。如：在形成的Al層上面淀積介質(zhì)等。解決辦法：等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD58Batchprocessing：同時(shí)100-200片LPC多晶硅淀積方法

LPCVD，主要用硅烷法，即在600-650℃溫度下，由硅烷熱分解而制成，總體化學(xué)反應(yīng)（overallreaction）方程是：SiH4→Si(多晶)+2H2

低于575℃所淀積的硅是無(wú)定形或非晶硅（amorphousSi）；高于600℃淀積的硅是多晶，通常具有柱狀結(jié)構(gòu)（columnstructure）；當(dāng)非晶經(jīng)高溫（>600

℃）退火后，會(huì)結(jié)晶（crystallization）；柱狀結(jié)構(gòu)多晶硅經(jīng)高溫退火后，晶粒要長(zhǎng)大（graingrowth）。59多晶硅淀積方法低于575℃所淀積的硅是無(wú)定形或非晶硅（am多晶硅的摻雜氣固相擴(kuò)散離子注入在淀積過(guò)程中加入摻雜氣體（稱為原位摻雜，insitu），與外延摻雜類似多晶硅的氧化多晶硅通常在900~1000℃范圍內(nèi)進(jìn)行干氧氧化未摻雜或輕摻雜多晶硅的氧化速率介於（111）和（100）單晶硅的氧化速率之間摻磷多晶硅的氧化速率要比未摻雜（或輕摻雜）多晶硅的氧化速率快60多晶硅的摻雜多晶硅的氧化13薄膜淀積速率隨溫度上升而迅速增加淀積速率隨壓強(qiáng)（硅烷分壓）增加而增加淀積參數(shù)的影響

-溫度

-壓強(qiáng)

-硅烷濃度

-摻雜劑濃度61薄膜淀積速率隨溫度上升而迅速增加淀積參數(shù)的影響

-溫度

-多晶硅的淀積速率通常不是硅烷濃度的線性函數(shù)表面吸附的影響一級(jí)反應(yīng)線性關(guān)系62多晶硅的淀積速率表面吸附的影響一級(jí)反應(yīng)線性關(guān)系15氧化硅的淀積方法1）低溫CVD（250~450C）可以同時(shí)摻雜，如：PH3，形成PSG磷硅玻璃：硅烷為源的淀積——APCVD，LPCVD，PECVD淀積溫度低，可作為鈍化層，密度小于熱生長(zhǎng)氧化硅，臺(tái)階覆蓋差。用HD-PECVD可以獲得低溫（120C）的高質(zhì)量氧化硅膜也可以PECVD：P2O5和SiO2組成的二元玻璃網(wǎng)絡(luò)體應(yīng)力小，流動(dòng)性增加堿金屬離子的吸雜中心易吸水形成磷酸63氧化硅的淀積方法1）低溫CVD（250~450C）可以同時(shí)TEOS（正硅酸乙酯）為源的淀積2）中溫LPCVD（680~730C）（1）不能淀積在Al層上（為什么？）（2）厚度均勻性好，臺(tái)階覆蓋優(yōu)良，SiO2膜質(zhì)量較好（3）加入PH3等可形成PSG

TEOS也可采用PECVD低溫淀積（250～425C）—臺(tái)階覆蓋優(yōu)良，用于互連介質(zhì)層64TEOS（正硅酸乙酯）為源的淀積2）中溫LPCVD（680~臺(tái)階覆蓋（保角性conformality）淀積速率正比于氣體分子到達(dá)角度65臺(tái)階覆蓋（保角性conformality）淀積速率正比于氣PSG回流工藝可解決臺(tái)階覆蓋問(wèn)題PSG回流工藝：將形成PSG的樣品加熱到1000－1100C,使PSG軟化流動(dòng)，改善臺(tái)階形狀一般6~8wt%PBPSG可以進(jìn)一步降低回流溫度66PSG回流工藝可解決臺(tái)階覆蓋問(wèn)題一般6~8wt%PBPS氮化硅的淀積方法LPCVD：質(zhì)量好，產(chǎn)量高PECVD：等離子體中

或SiNxHy膜對(duì)水和鈉有極強(qiáng)的阻擋能力，可作為最終的鈍化層或多層布線中的介質(zhì)。67氮化硅的淀積方法LPCVD：PECVD：等離子體中20等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）低溫下（200～350C）利用非熱能來(lái)增強(qiáng)工藝過(guò)程反應(yīng)氣體被加速電子撞擊而離化。形成不同的活性基團(tuán)，它們間的化學(xué)反應(yīng)就生成所需要的固態(tài)膜。13.56MHz68等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）低溫下（200～350等離子體：物質(zhì)存在的第四態(tài)高密度導(dǎo)電粒子構(gòu)成的氣體極板區(qū)域有輝光上標(biāo)“*”表示那些能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基態(tài)的粒子。分離的原子或分子被稱為自由基，它們具有不完整的結(jié)合狀態(tài)并且非常活躍。如：SiH3，SiO，F(xiàn)等。原子激發(fā)e*+AA*+e分子激發(fā)e*+ABAB*+ee*+ABA*+B*+e原子離子化e*+AA++e+e分子離子化e*+ABAB++e+e激發(fā)裂解離化等離子體由電子、離化分子、中性分子、中性或離化的分子片斷、激發(fā)的分子和自由基組成。假設(shè)流進(jìn)的氣體是由原子A和原子B組成的分子AB,在輝光放電中可出現(xiàn)的過(guò)程可有:69等離子體：上標(biāo)“*”表示那些能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基態(tài)的粒子。PECVD：在等離子體反應(yīng)器中，PECVD最重要的特征是能在更低的溫度下淀積出所需要的薄膜。PECVD淀積的氧化硅和氮化硅膜與較高高溫下LPCVD的膜相比有以下特征：應(yīng)力較大、含H、非化學(xué)比的結(jié)構(gòu)因而造成膜的性質(zhì)的不同：粘附能力較差，有針孔、表面粗糙度增大，介電常數(shù)下降，折射率下降，腐蝕速率增加。PECVD薄膜淀積質(zhì)量強(qiáng)烈依賴于RF功率、壓強(qiáng)、溫度等參數(shù)70PECVD：在等離子體反應(yīng)器中，PECVD最重要的特征是能在物理氣相淀積（PVD）蒸發(fā)（Evaporation）濺射（Sputtering）淀積金屬、介質(zhì)等多種薄膜淀積金屬薄膜71物理氣相淀積（PVD）淀積金屬、介質(zhì)等多種薄膜淀積金屬薄膜真空蒸發(fā)：在真空中，把蒸發(fā)料(金屬)加熱，使其原子或分子獲得足夠的能量，克服表面的束縛而蒸發(fā)到真空中成為蒸氣，蒸氣分子或原子飛行途中遇到基片，就淀積在基片上，形成薄膜加熱器：電阻絲或電子束真空狀態(tài)蒸發(fā)72真空蒸發(fā)：在真空中，把蒸發(fā)料(金屬)加熱，使其原子或分子獲得一、真空蒸發(fā)淀積薄膜的物理過(guò)程蒸發(fā)過(guò)程：被蒸發(fā)物質(zhì)從凝聚相（固相或液相）轉(zhuǎn)化為氣相的過(guò)程——所需能量為汽化熱Hv

在真空系統(tǒng)中的輸運(yùn)過(guò)程(c)氣相分子在襯底上吸附、成核和生長(zhǎng)P為蒸汽壓，A為積分常數(shù)，R0為阿夫加德羅常數(shù)73一、真空蒸發(fā)淀積薄膜的物理過(guò)程P為蒸汽壓，26不同元素的平衡蒸氣壓與溫度的函數(shù)關(guān)系為了得到合適的淀積速率，樣品蒸氣壓至少為10mTorr。Ta，W，Mo和Pt，這些難熔金屬，它們具有很高的溶化溫度，如為達(dá)到10mtorr的蒸氣壓，鎢需要超過(guò)3000℃。74不同元素的平衡蒸氣27二、真空度與分子平均自由程高純薄膜的淀積必須在高真空度的系統(tǒng)中進(jìn)行，因?yàn)椋涸床牧系臍庀嘣雍头肿釉谡婵罩械妮斶\(yùn)必須直線運(yùn)動(dòng)，以保證金屬材料原子和分子有效淀積在襯底上，真空度太低，蒸發(fā)的氣相原子或分子將會(huì)不斷和殘余氣體分子碰撞，改變方向。殘余氣體中的氧和水氣，會(huì)使金屬和襯底氧化殘余氣體和其他雜質(zhì)原子和分子也會(huì)淀積在襯底反比于氣體壓強(qiáng)r為氣體分子的半徑平均自由程75二、真空度與分子平均自由程高純薄膜的淀積必須在高真空度的可見(jiàn)蒸發(fā)的淀積速率和蒸發(fā)材料、溫度/蒸汽壓、及淀積腔的幾何形狀決定反應(yīng)腔內(nèi)晶片的位置、方向有關(guān)。如坩鍋正上方晶片比側(cè)向的晶片淀積得多。為了得到好的均勻性，常將坩鍋和晶片放在同一球面點(diǎn)源小平面源由Langmuir-Knudsen理論，有Pe是蒸氣壓（torr），As是源面積，m為克分子質(zhì)量，T為溫度76可見(jiàn)蒸發(fā)的淀積速率和蒸發(fā)材料、溫度/蒸汽壓、及淀積腔的幾何形加熱器a)必須在蒸發(fā)溫度提供所需熱量，但本身結(jié)構(gòu)仍保持穩(wěn)定。熔點(diǎn)高于被蒸發(fā)金屬熔點(diǎn)b)不能與處于熔融狀態(tài)的蒸發(fā)料合金化或化合c)蒸氣壓很低d)易加工成形例：難熔鎢絲螺旋式蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)（e－beam）a)電流通過(guò)螺旋狀燈絲，使其達(dá)到白熾狀態(tài)后發(fā)射電子b)電子向陽(yáng)極孔方向發(fā)射形成電子束，加速進(jìn)入均勻磁場(chǎng)c)電子在均勻磁場(chǎng)洛侖茲力作用下作圓周運(yùn)動(dòng)d)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度控制電子束偏轉(zhuǎn)半徑，使電子束準(zhǔn)確射到蒸發(fā)源e)蒸發(fā)源熔融汽化，淀積到硅片表面優(yōu)點(diǎn)：淀積膜純度高，鈉離子污染少電子偏轉(zhuǎn)槍電阻絲77加熱器電子束蒸發(fā)（e－beam）優(yōu)點(diǎn)：電電阻絲30為了實(shí)現(xiàn)球形結(jié)構(gòu)，晶片放在一個(gè)行星轉(zhuǎn)動(dòng)的半球罩內(nèi)—有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。淀積的均勻性可以得到很大改善電子束蒸發(fā)系統(tǒng)78為了實(shí)現(xiàn)球形結(jié)構(gòu)，電子束蒸發(fā)系統(tǒng)31蒸發(fā)工藝中的一些問(wèn)題:對(duì)某些元素淀積速率很慢合金和化合物很難采用臺(tái)階覆蓋差目前大生產(chǎn)很少采用濺射的優(yōu)點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋比蒸發(fā)好輻射缺陷遠(yuǎn)少于電子束蒸發(fā)制備復(fù)合材料和合金性能較好可以淀積介質(zhì)材料79蒸發(fā)工藝中的一些問(wèn)題:濺射的優(yōu)點(diǎn)：32濺射Sputtering-濺射淀積Sputterdeposition利用高能粒子（通常是由電場(chǎng)加速的正離子如Ar+）撞擊固體表面，使表面離子（原子或分子）逸出的現(xiàn)象濺射的種類:直流濺射射頻濺射反應(yīng)濺射磁控濺射準(zhǔn)直濺射……….80濺射Sputtering-濺射淀積Sputterdep不同元素的平衡蒸氣壓與溫度的函數(shù)關(guān)系而不同元素的濺射產(chǎn)率（yield）相差不大（0.1-3perincidention）81不同元素的平衡蒸氣而不同元素的濺射產(chǎn)率（yield）341、直流（DC）濺射只能濺射導(dǎo)電物質(zhì)a）陽(yáng)極（anode）上放硅片，陰極（cathode）是靶，真空室作為放電二極管，通入放電氣體（如Ar）b）陰極加1－10kV負(fù)高壓，產(chǎn)生輝光放電，形成等離子體c）正離子被加速至數(shù)百-數(shù)千伏，撞擊在靶材上，將靶材中原子剝離d）這些原子形成蒸汽并自由地穿過(guò)等離子體區(qū)到達(dá)硅表面e）濺射淀積時(shí)反應(yīng)腔里壓力在10mtorr左右。在引入放電氣體前，真空室basepressure要達(dá)高真空（10－6torr以上）821、直流（DC）濺射只能濺射導(dǎo)電物質(zhì)35直流濺射系統(tǒng)中等離子體結(jié)構(gòu)和電壓分布（系統(tǒng)中通入氬氣）等離子體中包含同等數(shù)量的正氬離子和電子以及中性氬原子大部分的電壓降在陰極暗區(qū)氬離子轟擊陰極靶（如Al）,Al原子被濺射出，通過(guò)等離子區(qū)淀積到陽(yáng)極硅片上陰極輝光陽(yáng)極鞘區(qū)等離子體陰極暗區(qū)(鞘區(qū))83直流濺射系統(tǒng)中等離子體結(jié)構(gòu)和電壓分布（系統(tǒng)中通入氬氣）等離子濺射中的主要過(guò)程陰極暗區(qū)84濺射中的主要過(guò)程陰極暗區(qū)372、射頻濺射—

也可濺射介質(zhì)

如靶是絕緣材料，不能采用直流濺射，因?yàn)榻^緣靶上會(huì)有正電荷積累。此時(shí)可以使用交流電源。13.