半導體工藝技術(shù)薄膜淀積

半導體制造工藝

牟洪江274012646@B607,610

12半導體薄膜：Si介質(zhì)薄膜：SiO2，Si3N4,BPSG，…金屬薄膜：Al，Cu，W，Ti，…在集成電路制備中，很多薄膜材料由淀積工藝形成單晶薄膜：Si,SiGe（外延）多晶薄膜：poly-SiDeposition31）化學氣相淀積—ChemicalVaporDeposition(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)生化學反應，并淀積出所需固體薄膜的生長技術(shù)。例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2）物理氣相淀積—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某種物理過程實現(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)。例如：蒸發(fā)evaporation，濺射sputtering兩類主要的淀積方式4除了CVD和PVD外，制備薄膜的方法還有:銅互連是由電鍍工藝制作旋涂Spin-on鍍/電鍍electrolessplating/electroplating5外延：在單晶襯底上生長一層新的單晶層，晶向取決于襯底外延硅應用舉例6CMOS柵電極材料；多層金屬化電極的導電材料多晶硅薄膜的應用7ChemicalVaporDeposition(CVD)PolycrystallineSinglecrystal(epitaxy)CourtesyJohanPejnefors,20018對薄膜的要求組分正確，玷污少，電學和機械性能好片內(nèi)及片間（每一硅片和硅片之間）均勻性好3.臺階覆蓋性好（conformalcoverage—保角覆蓋）填充性好平整性好

9化學氣相淀積（CVD）單晶(外延）、多晶、非晶（無定型）薄膜半導體、介質(zhì)、金屬薄膜常壓化學氣相淀積（APCVD），低壓CVD(LPCVD)，等離子體增強淀積（PECVD）等CVD反應必須滿足三個揮發(fā)性標準在淀積溫度下,反應劑必須具備足夠高的蒸汽壓除淀積物質(zhì)外,反應產(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10(1)反應劑被攜帶氣體引入反應器后，在襯底表面附近形成“滯留層”，然后，在主氣流中的反應劑越過邊界層擴散到硅片表面(2)反應劑被吸附在硅片表面，并進行化學反應(3)化學反應生成的固態(tài)物質(zhì)，即所需要的淀積物，在硅片表面成核、生長成薄膜(4)反應后的氣相副產(chǎn)物，離開襯底表面，擴散回邊界層，并隨輸運氣體排出反應室化學氣相淀積的基本過程11F1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生長動力學從簡單的生長模型出發(fā)，用動力學方法研究化學氣相淀積推導出生長速率的表達式及其兩種極限情況與熱氧化生長稍有不同的是，沒有了在SiO2中的擴散流12hG

是質(zhì)量輸運系數(shù)（cm/sec）

ks

是表面化學反應系數(shù)（cm/sec）在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應相等。這樣得到可得：13設則生長速率這里Y為在氣體中反應劑分子的摩爾比值,CG為每cm3中反應劑分子數(shù)，這里CT為在氣體中每cm3的所有分子總數(shù)PG

是反應劑分子的分壓，PG1，PG1PG2

PG3…..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)。對硅外延N為5×1022cm-3

14Y一定時，v

由hG和ks中較小者決定1、如果hG>>ks，則Cs≈CG,這種情況為表面反應控制過程有2、如果hG<<ks，則CS≈0，這是質(zhì)量傳輸控制過程有

質(zhì)量輸運控制，對溫度不敏感表面（反應）控制，對溫度特別敏感15T對ks的影響較hG大許多，因此：

hG<<ks質(zhì)量傳輸控制過程出現(xiàn)在高溫hG>>ks表面控制過程在較低溫度出現(xiàn)生長速率和溫度的關(guān)系硅外延：Ea=1.6eV斜率與激活能Ea成正比hG≈constant16以硅外延為例（1atm，APCVD）hG

常數(shù)Ea

值相同外延硅淀積往往是在高溫下進行，以確保所有硅原子淀積時排列整齊，形成單晶層。為質(zhì)量輸運控制過程。此時對溫度控制要求不是很高，但是對氣流要求高。多晶硅生長是在低溫進行，是表面反應控制，對溫度要求控制精度高。17當工作在高溫區(qū),質(zhì)量控制為主導，hG是常數(shù)，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。記住關(guān)鍵兩點：ks

控制的淀積主要和溫度有關(guān)hG

控制的淀積主要和反應腔體幾何形狀有關(guān)18單晶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?19這里界面層厚度s是x方向平板長度的函數(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，則淀積速度會下降沿支座方向反應氣體濃度的減少,同樣導致淀積速度會下降為氣體粘度為氣體密度U為氣體速度20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，氣流的流過的截面積下降，導致氣流速度的增加，進而導致s(x)沿x減小和hG的增加。從而用加大hG的方法來補償沿支座長度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速率的下降。尤其對質(zhì)量傳輸控制的淀積至關(guān)重要，如APCVD法外延硅。21外延單晶硅的化學反應式以上所有反應是可逆的，因此還原反應和HCl對硅的腐蝕均可發(fā)生，這和反應劑的摩爾分量和生長溫度有關(guān)。22目前外延常用氣源及相應總體化學反應硅外延：硅鍺外延：選擇性外延：加HCl原位摻雜外延：加BH3/B2H6，PH3/AsH323TwodifferentmodesofepitaxyNon-selectiveepitaxialgrowth(NSEG)Selectiveepitaxialgrowth(SEG)OxideEpiSubstrateSubstrateEpiPoly24斜率與激活能Ea成正比APCVD的主要問題：低產(chǎn)率（throughput）高溫淀積：硅片需水平放置低溫淀積：反應速率低25低壓化學氣相淀積（LPCVD）因此低壓可以大大提高hG的值。例如在壓力為1torr時，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)量輸運控制區(qū)域：2627增加產(chǎn)率—晶片可直插放置許多片（100-200）工藝對溫度靈敏,但是采用溫度控制好的熱壁式系統(tǒng)可解決溫度控制問題氣流耗盡仍是影響均勻性的因素，可以設定溫差5～25C，或分段進氣28Batchprocessing：同時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)臺階覆蓋性較好低溫淀積過程淀積速率快生產(chǎn)效率高生產(chǎn)成本低LPCVD法的主要特點有時，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：等離子增強化學氣相淀積PECVD29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，總體化學反應（overallreaction）方程是：SiH4→Si(多晶)+2H2

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

℃）退火后，會結(jié)晶（crystallization）；柱狀結(jié)構(gòu)多晶硅經(jīng)高溫退火后，晶粒要長大（graingrowth）。30多晶硅的摻雜氣固相擴散離子注入在淀積過程中加入摻雜氣體（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31薄膜淀積速率隨溫度上升而迅速增加淀積速率隨壓強（硅烷分壓）增加而增加淀積參數(shù)的影響

-溫度

-壓強

-硅烷濃度

-摻雜劑濃度32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反應線性關(guān)系33氧化硅的淀積方法1）低溫CVD（250~450C）可以同時摻雜，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，密度小于熱生長氧化硅，臺階覆蓋差。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)絡體應力小，流動性增加堿金屬離子的吸雜中心易吸水形成磷酸34TEOS（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）—臺階覆蓋優(yōu)良，用于互連介質(zhì)層35臺階覆蓋（保角性conformality）淀積速率正比于氣體分子到達角度36PSG回流工藝可解決臺階覆蓋問題PSG回流工藝：將形成PSG的樣品加熱到1000－

1100C,使PSG軟化流動，改善臺階形狀一般6~8wt%PBPSG可以進一步降低回流溫度37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膜對水和鈉有極強的阻擋能力，可作為最終的鈍化層或多層布線中的介質(zhì)。38等離子增強化學氣相淀積（PECVD）低溫下（200～350C）利用非熱能來增強工藝過程反應氣體被加速電子撞擊而離化。形成不同的活性基團，它們間的化學反應就生成所需要的固態(tài)膜。13.56MHz39等離子體：物質(zhì)存在的第四態(tài)高密度導電粒子構(gòu)成的氣體極板區(qū)域有輝光上標“*”表示那些能量要遠遠大于基態(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。假設流進的氣體是由原子A和原子B組成的分子AB,在輝光放電中可出現(xiàn)的過程可有:40PECVD：在等離子體反應器中，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：應力較大、含H、非化學比的結(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)量強烈依賴于RF功率、壓強、溫度等參數(shù)41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42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)43一、真空蒸發(fā)淀積薄膜的物理過程蒸發(fā)過程：被蒸發(fā)物質(zhì)從凝聚相（固相或液相）轉(zhuǎn)化為氣相的過程——所需能量為汽化熱Hv

在真空系統(tǒng)中的輸運過程(c)氣相分子在襯底上吸附、成核和生長P為蒸汽壓，A為積分常數(shù)，R0為阿夫加德羅常數(shù)44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，如為達到10mtorr

的蒸氣壓，鎢需要超過3000℃。45二、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)中進行，因為：源材料的氣相原子和分子在真空中的輸運必須直線運動，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)原子和分子也會淀積在襯底反比于氣體壓強r為氣體分子的半徑平均自由程46可見蒸發(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47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。熔點高于被蒸發(fā)金屬熔點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)電流通過螺旋狀燈絲，使其達到白熾狀態(tài)后發(fā)射電子b)電子向陽極孔方向發(fā)射形成電子束，加速進入均勻磁場c)電子在均勻磁場洛侖茲力作用下作圓周運動d)調(diào)節(jié)磁場強度控制電子束偏轉(zhuǎn)半徑，使電子束準確射到蒸發(fā)源e)蒸發(fā)源熔融汽化，淀積到硅片表面優(yōu)點：淀積膜純度高，鈉離子污染少電子偏轉(zhuǎn)槍電阻絲48為了實現(xiàn)球形結(jié)構(gòu)，晶片放在一個行星轉(zhuǎn)動的半球罩內(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)49蒸發(fā)工藝中的一些問題:對某些元素淀積速率很慢合金和化合物很難采用臺階覆蓋差目前大生產(chǎn)很少采用濺射的優(yōu)點：臺階覆蓋比蒸發(fā)好輻射缺陷遠少于電子束蒸發(fā)制備復合材料和合金性能較好可以淀積介質(zhì)材料50濺射Sputtering-濺射淀積Sputterdeposition利用高能粒子（通常是由電場加速的正離子如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濺射磁控濺射準直濺射

……….51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）521、直流（DC）濺射只能濺射導電物質(zhì)a）陽極（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等離子體區(qū)到達硅表面e）濺射淀積時反應腔里壓力在10mtorr左右。在引入放電氣體前，真空室basepressure要達高真空（10－6

torr以上）53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，通過等離子區(qū)淀積到陽極硅片上陰極輝光陽極鞘區(qū)等離子體陰極暗區(qū)(鞘區(qū))54濺射中的主要過程陰極暗區(qū)552、射頻濺射

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也可濺射介質(zhì)

如靶是絕緣材料，不能采用直流濺射，因為絕緣靶上會有正電荷積累。此時可以使用交流電源。13.56MHz56RF濺射系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)時的電壓分布當兩邊面積不等時，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（實驗值）57一般將靶電極的面積設計得較小，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腔體相連，以增加電壓降比值硅片電極也可以單獨加上RF偏壓，這樣在實際淀積前可預先清潔晶片或“濺射刻蝕”.另外一種應用是偏壓-濺射淀積（bias-sputterdeposition），在晶片上濺射和淀積同時進行。這可以改善淀積臺階覆蓋性583、反應濺射

在濺射氣體中引入反應活性氣體如氧或氮氣，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等導電膜或擴散阻擋層594、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極收集。通過外加磁場提高電子的離化率,磁控濺射可以提高濺射效率?？蔀R射各種合金和難熔金屬，不會像蒸發(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、重復性好，有良好的