半導體工藝技術薄膜淀積

1、半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積1半導體制造工藝 牟洪江B607,610 半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積2半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積3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半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積41）化學氣相淀積）化學氣相淀積 Chemical Vap

2、or Deposition (CVD)一種或數(shù)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(shù)種物質的氣體，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。化學反應，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(xiàn)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(xiàn)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) eva

3、poration，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工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積5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半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積6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工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積7CMOSCMOS柵電極材料；多層金屬化

4、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應用多晶硅薄膜的應用半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積8Chemical Vapor Deposition (CVD)PolycrystallineSingle crystal (epitaxy) Substrate Epitaxy Courtesy Johan Pejnefors, 2001半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積9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

5、性好（臺階覆蓋性好（conformal 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 半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積10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

6、足夠高的蒸汽壓 除淀積物質外除淀積物質外, ,反應產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的反應產(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淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積11(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

7、需要的淀積物，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(chǎn)物，離開反應后的氣相副產(chǎn)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工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積12F1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的表

8、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工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積13hG 是質量輸運系數(shù)（是質量輸運系數(shù)（cm/sec） ks 是表面化學反應系數(shù)（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半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積14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爾比值為在氣體中反應劑分子的摩爾

9、比值,CG為每為每cm3中反應劑分子數(shù)，這里中反應劑分子數(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(shù)。對硅外延是形成薄膜的單位體積中的原子數(shù)。對硅外延N為為51022 cm-3 YNChkhkNChkhkNFvTGsGsGGsGs半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積15Y一定時，一定時， v 由由hG和和ks中較小者決定中較小者決定1、如果、如果hGks，

10、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半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積16T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(xiàn)出現(xiàn)生長速率和溫度的關系生長速率和溫度的關系硅外延：硅外延：Ea=1.6 eV斜率與激活能斜率與激活能Ea成正

11、比成正比hGconstant半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積17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，對溫度要求控制精度高。求控制精度高。半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積

12、薄膜淀積18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(shù)，是常數(shù)，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工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積19單晶硅外延要采用圖中的臥式反應設備，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放置硅片的石墨舟為什么要有傾斜? 半導體

13、工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積20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(shù)。方向平板長度的函數(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工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積21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

14、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?shù)姆椒▉硌a償沿支座長度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速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。半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積22外延單晶硅的化學反應式外延單晶硅的化學反應式以上所有反應是可逆的，因此還原反應和以上所有反應是可逆的，因此還原反應和HCl對硅的

15、腐蝕均可對硅的腐蝕均可發(fā)生，這和反應劑的摩爾分量和生長溫度有關。發(fā)生，這和反應劑的摩爾分量和生長溫度有關。HClSiHSiClHClSiClSiHHSiClClSiHHClSiClSiHClHClClSiHHSiHClHClSiHClHSiCl 222222222322233242半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積23目前外延常用氣源及相應目前外延常用氣源及相應總體化學反應總體化學反應242HSiSiHHClSiClSiH222 硅外延：硅外延：硅鍺外延：硅鍺外延：242HGeGeH242HSiSiH242HGeGeHHClSiClSiH222選擇性外延：加選擇性外延：加HClHCl

16、SiHSiClHClSiClSiH22222原位摻雜外延：加原位摻雜外延：加BH3/B2H6，PH3/AsH3半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積24Two different modes of epitaxyNon-selective epitaxial growth (NSEG)Selective epitaxial growth (SEG)OxideEpiSubstrateSubstrateEpiPoly半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積25斜率與激活斜率與激活能能Ea成正比成正比APCVD的主要問題：低產(chǎn)率（的主要問題：低產(chǎn)率（throughput）高溫淀積：硅片需水

17、平放置高溫淀積：硅片需水平放置低溫淀積：反應速率低低溫淀積：反應速率低半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積26低壓化學氣相淀積低壓化學氣相淀積 （LPCVD）因此低壓可以大大提高因此低壓可以大大提高hG的值。的值。例如在壓力為例如在壓力為1 torr時，時，DG可以提高可以提高760倍，而倍，而 s只提高約只提高約7倍，所以倍，所以hG可以提高可以提高100倍。氣體倍。氣體在界面不再受到傳輸速率限制。在界面不再受到傳輸速率限制。totalGPD1在質量輸運控制區(qū)域：在質量輸運控制區(qū)域：sGGDh半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積27半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積

18、28增加產(chǎn)率增加產(chǎn)率 晶片可直插放置許多片（晶片可直插放置許多片（100-200）工藝對溫度靈敏工藝對溫度靈敏,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，可以設定溫差氣流耗盡仍是影響均勻性的因素，可以設定溫差525 C，或分段進氣或分段進氣半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積29Batch processingBatch processing：同時：同時100-200100-200片片薄膜厚度均勻性好薄膜厚度均勻性好可以精確控制薄膜的成份和結構可以精確控制薄膜的成份和結構臺階覆蓋性較好臺階覆蓋性較好低溫

19、淀積過程低溫淀積過程淀積速率快淀積速率快生產(chǎn)效率高生產(chǎn)效率高生產(chǎn)成本低生產(chǎn)成本低LPCVD法的主要特點有時，淀積溫度需很低，薄膜質有時，淀積溫度需很低，薄膜質量要求又很高。如：量要求又很高。如：在形成的在形成的Al層上面淀積介質等。層上面淀積介質等。解決辦法：等離子增強化學氣相解決辦法：等離子增強化學氣相淀積淀積 PECVD半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積30多晶硅淀積方法多晶硅淀積方法LPCVDLPCVD，主要用硅烷法，即在，主要用硅烷法，即在600-650 600-650 溫度下，由硅溫度下，由硅烷熱分解而制成，總體化學反應（烷熱分解而制成，總體化學反應（overall rea

20、ctionoverall reaction）方程是：方程是：SiHSiH4 4Si(Si(多晶多晶)+2H)+2H2 2低于低于575 所淀積的硅是無定形或非晶硅（所淀積的硅是無定形或非晶硅（amorphous Si）；）；高于高于600 淀積的硅是多晶，通常具有柱狀結構（淀積的硅是多晶，通常具有柱狀結構（column structure）；）；當非晶經(jīng)高溫（當非晶經(jīng)高溫（600 ）退火后，會結晶（）退火后，會結晶（crystallization）；）；柱狀結構多晶硅經(jīng)高溫退火后，晶粒要長大（柱狀結構多晶硅經(jīng)高溫退火后，晶粒要長大（grain growth）。）。半導體工藝技術第九章第九章 薄

21、膜淀積薄膜淀積31多晶硅的摻雜多晶硅的摻雜氣固相擴散氣固相擴散離子注入離子注入在淀積過程中加入在淀積過程中加入摻雜氣體（稱為原位摻雜氣體（稱為原位摻雜，摻雜，in situ），與），與外延摻雜類似外延摻雜類似多晶硅的氧化多晶硅的氧化多晶硅通常在多晶硅通常在9001000 范范圍內進行干氧氧化圍內進行干氧氧化 未摻雜或輕摻雜多晶硅的氧未摻雜或輕摻雜多晶硅的氧化速率介於（化速率介於（111）和（）和（100）單晶硅的氧化速率之間單晶硅的氧化速率之間 摻磷多晶硅的氧化速率要比摻磷多晶硅的氧化速率要比未摻雜（或輕摻雜）多晶硅的未摻雜（或輕摻雜）多晶硅的氧化速率快氧化速率快半導體工藝技術第九章第九章 薄

22、膜淀積薄膜淀積32薄膜淀積速率隨溫薄膜淀積速率隨溫度上升而迅速增加度上升而迅速增加淀積速率隨壓強淀積速率隨壓強（硅烷分壓）增加而（硅烷分壓）增加而增加增加淀積參數(shù)的影響淀積參數(shù)的影響- - 溫度溫度- - 壓強壓強- - 硅烷濃度硅烷濃度- - 摻雜劑濃度摻雜劑濃度半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積33多晶硅的淀積速率多晶硅的淀積速率通常不是硅烷濃度的線性函數(shù)通常不是硅烷濃度的線性函數(shù)表面吸附的影響表面吸附的影響一級反應一級反應線性關系線性關系YkNCvsT半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積34氧化硅的淀積方法氧化硅的淀積方法1）低溫）低溫CVD（250450 C）)(2)

23、()()(2224gHsSiOgOgSiH可以同時摻雜，如：可以同時摻雜，如：PH3，形成，形成PSG磷硅玻璃：磷硅玻璃：)(6)(2)(5)(425223gHsOPgOgPH硅烷為源的淀積硅烷為源的淀積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。用用HD-PECVD可以獲可以獲得低溫（得低溫（120 C）的）的高質量氧化硅膜高質量氧化硅膜)(2)(4)()(4)(22224gOHgNsSiOgONgSiH也可以也可以PECVD：P2O5和和SiO2組成的二元組成的二元玻璃網(wǎng)絡體玻璃網(wǎng)絡體應力小，流動性增加應力小，流動性增加堿金屬離子的吸雜中心

24、堿金屬離子的吸雜中心易吸水形成磷酸易吸水形成磷酸半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積35TEOS（正硅酸乙酯）為源的淀積（正硅酸乙酯）為源的淀積副產(chǎn)物)()()()(22452sSiOgOlHOCSi2）中溫）中溫LPCVD（680730 C）（1）不能淀積在）不能淀積在Al層上（為什么？）層上（為什么？）（2）厚度均勻性好，）厚度均勻性好，臺階覆蓋優(yōu)良臺階覆蓋優(yōu)良，SiO2膜質量較好膜質量較好（3）加入）加入PH3等可形成等可形成PSG TEOS也可采用也可采用PECVD低溫淀積低溫淀積（250425 C）臺階覆蓋優(yōu)良，臺階覆蓋優(yōu)良，用于互連介質層用于互連介質層半導體工藝技術第九章第

25、九章 薄膜淀積薄膜淀積36臺階覆蓋（保角性臺階覆蓋（保角性 conformality）淀積速率正比于氣體分子到達角度淀積速率正比于氣體分子到達角度半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積37PSG回流工藝可解決回流工藝可解決臺階覆蓋問題臺階覆蓋問題PSG回流工藝：將形回流工藝：將形成成PSG的樣品加熱到的樣品加熱到1000 1100 C,使使PSG軟化流動，改善軟化流動，改善臺階形狀臺階形狀一般一般68 wt% PBPSG可以進一步降低回流溫度可以進一步降低回流溫度半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積38氮化硅的淀積方法氮化硅的淀積方法2438007003226643HHClNSi

26、NHClSiHCo LPCVD：質量好，產(chǎn)量高質量好，產(chǎn)量高2343HSiNHNHSiHPECVD：等離子體中：等離子體中 或或SiNxHy膜對水和鈉有極強的阻擋膜對水和鈉有極強的阻擋能力，可作為最終的鈍化層或多能力，可作為最終的鈍化層或多層布線中的介質。層布線中的介質。224322HSiNHNSiH半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積39等離子增強化學氣相淀積（等離子增強化學氣相淀積（PECVD）低溫下（低溫下（200350 C）利用非熱能來增強工藝過程）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，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

27、的化學反應就生成所需要的固態(tài)膜。它們間的化學反應就生成所需要的固態(tài)膜。13.56MHz半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積40等離子體：等離子體：物質存在的第四態(tài)物質存在的第四態(tài)高密度導電粒子構成的氣體高密度導電粒子構成的氣體極板區(qū)域有輝光極板區(qū)域有輝光上標上標“ * ” 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合狀態(tài)并且非?；钴S。分子被稱為自由基，它們具有不完整的結合狀態(tài)并且非?；钴S。如：如：SiH3，SiO，F(xiàn)等。等。 原子激發(fā)原子激發(fā) e* + A A*+e 分子激發(fā)分子激發(fā) e* + AB

28、AB*+e e* + AB A*+B*+e 原子離子化原子離子化 e* + A A+e+e 分子離子化分子離子化 e* + AB AB + +e+e激發(fā)激發(fā)裂解裂解離離化化等離子體由電子、離化分子、中性分等離子體由電子、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。假設流進的氣體分子和自由基組成。假設流進的氣體是由原子是由原子A和原子和原子B組成的分子組成的分子AB, 在輝光放電中可出現(xiàn)的過程可有在輝光放電中可出現(xiàn)的過程可有:半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積41PECVD：在等離子體反應器中，在等離子體反應器中，PECVD最重要最

29、重要的特征是能在更低的溫度下淀積出所需要的薄膜。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淀積的氧化硅和氮化硅膜與較高高溫下LPCVD的膜的膜相比有以下特征：相比有以下特征：應力較大、含應力較大、含H、非化學比的結構、非化學比的結構因而造成膜的性質的不同：因而造成膜的性質的不同：粘附能力較差，有針孔、表面粗糙度增大，介電常數(shù)下降，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。折射率下降，腐蝕速率增加。PECVD薄膜淀積質量強烈依賴于薄膜淀積質量強烈依賴于RF功率功率、壓強、溫度等參數(shù)壓強、溫度等參數(shù)半導體工藝技術第九

30、章第九章 薄膜淀積薄膜淀積42物理氣相淀積物理氣相淀積 （PVD）蒸發(fā)（蒸發(fā)（Evaporation）濺射（濺射（Sputtering）淀積金屬、介淀積金屬、介質等多種薄膜質等多種薄膜淀積金屬薄膜淀積金屬薄膜半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積43真空真空蒸發(fā)：在真空中，蒸發(fā)：在真空中，把蒸發(fā)料把蒸發(fā)料(金屬金屬)加熱，加熱，使其原子或分子獲得使其原子或分子獲得足夠的能量，克服表足夠的能量，克服表面的束縛而蒸發(fā)到真面的束縛而蒸發(fā)到真空中成為蒸氣，蒸氣空中成為蒸氣，蒸氣分子或原子飛行途中分子或原子飛行途中遇到基片，就淀積在遇到基片，就淀積在基片上，形成薄膜基片上，形成薄膜 加熱器：電阻加

31、熱器：電阻絲或電子束絲或電子束真空狀態(tài)真空狀態(tài)蒸發(fā)蒸發(fā)半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積44汽化熱汽化熱 Hv TBAPvlogP 為蒸汽壓，為蒸汽壓，A為積分常數(shù)，為積分常數(shù)，R0為阿夫加德羅常數(shù)為阿夫加德羅常數(shù)03 . 2 RHBv半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積45不同元素的平衡蒸氣不同元素的平衡蒸氣壓與溫度的函數(shù)關系壓與溫度的函數(shù)關系為了得到合適的淀積為了得到合適的淀積速率，樣品蒸氣壓至少速率，樣品蒸氣壓至少為為10 mTorr。Ta，W，Mo和和Pt，這些難，這些難熔金屬，它們具有很高熔金屬，它們具有很高的溶化溫度，如為達到的溶化溫度，如為達到10 mtorr

32、的蒸氣壓，的蒸氣壓， 鎢鎢需要超過需要超過3000 。半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積46二、真空度與分子平均自由程二、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：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)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。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

33、使金屬和襯底氧化殘余氣體中的氧和水氣，會使金屬和襯底氧化1. 殘余氣體和其他雜質原子和分子也會淀積在襯底殘余氣體和其他雜質原子和分子也會淀積在襯底prkT22 反比于氣體壓強反比于氣體壓強r為氣體分子的半徑為氣體分子的半徑平均自由程平均自由程半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積47可見蒸發(fā)的淀積速率和蒸發(fā)可見蒸發(fā)的淀積速率和蒸發(fā)材料、溫度材料、溫度/蒸汽壓、及淀積蒸汽壓、及淀積腔的幾何形狀決定反應腔內腔的幾何形狀決定反應腔內晶片的位置、方向有關。晶片的位置、方向有關。如坩鍋正上方晶片比側如坩鍋正上方晶片比側向的晶片淀積得多。向的晶片淀積得多。為了得到好的均勻性，為了得到好的均勻性，常將

34、坩鍋和晶片放在同常將坩鍋和晶片放在同一球面一球面點源點源小平面源小平面源由由Langmuir-Knudsen理論，有理論，有Pe是蒸氣壓（是蒸氣壓（torr），），As是源面是源面積，積，m為克分子質量，為克分子質量，T為溫度為溫度esevapPTmAR21083. 5半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積48加熱器a) 必須在蒸發(fā)溫度提供所必須在蒸發(fā)溫度提供所需熱量，但本身結構仍保需熱量，但本身結構仍保持穩(wěn)定。熔點高于被蒸發(fā)持穩(wěn)定。熔點高于被蒸發(fā)金屬熔點金屬熔點 b) 不能與處于熔融狀態(tài)的不能與處于熔融狀態(tài)的蒸發(fā)料合金化或化合蒸發(fā)料合金化或化合c) 蒸氣壓很低蒸氣壓很低d) 易加工成形

35、易加工成形例：難熔鎢絲螺旋式蒸發(fā)例：難熔鎢絲螺旋式蒸發(fā)源源電子束蒸發(fā)（電子束蒸發(fā)（ebeam）a) 電流通過螺旋狀燈絲，使其達到白熾狀態(tài)后電流通過螺旋狀燈絲，使其達到白熾狀態(tài)后發(fā)射電子發(fā)射電子 b) 電子向陽極孔方向發(fā)射形成電子束，加速進電子向陽極孔方向發(fā)射形成電子束，加速進入均勻磁場入均勻磁場c) 電子在均勻磁場洛侖茲力作用下作圓周運動電子在均勻磁場洛侖茲力作用下作圓周運動d) 調節(jié)磁場強度控制電子束偏轉半徑，使電子調節(jié)磁場強度控制電子束偏轉半徑，使電子束準確射到蒸發(fā)源束準確射到蒸發(fā)源e) 蒸發(fā)源熔融汽化，淀積到硅片表面蒸發(fā)源熔融汽化，淀積到硅片表面優(yōu)點：優(yōu)點：淀積膜純度淀積膜純度高，鈉離子

36、高，鈉離子污染少污染少電電子子偏偏轉轉槍槍電阻絲電阻絲半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積49為了實現(xiàn)球形結構，為了實現(xiàn)球形結構，晶片放在一個行星晶片放在一個行星轉動的半球罩內轉動的半球罩內 有公轉和自轉。有公轉和自轉。淀積的均勻性可以得淀積的均勻性可以得到很大改善到很大改善電子束蒸發(fā)系統(tǒng)電子束蒸發(fā)系統(tǒng)半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積50蒸發(fā)工藝中的一些問題蒸發(fā)工藝中的一些問題:對某些元素淀積速率很慢對某些元素淀積速率很慢合金和化合物很難采用合金和化合物很難采用臺階覆蓋差臺階覆蓋差目前大生產(chǎn)很少采用目前大生產(chǎn)很少采用濺射的優(yōu)點：濺射的優(yōu)點：臺階覆蓋比蒸發(fā)好臺階覆蓋比蒸發(fā)好輻

37、射缺陷遠少于電輻射缺陷遠少于電子束蒸發(fā)子束蒸發(fā)制備復合材料和合制備復合材料和合金性能較好金性能較好可以淀積介質材料可以淀積介質材料半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積51濺射濺射Sputtering - 濺射淀積濺射淀積Sputter deposition 利用高能粒子（通常是由電場加速的正利用高能粒子（通常是由電場加速的正離子如離子如Ar+）撞擊固體表面，使表面離子）撞擊固體表面，使表面離子（原子或分子）逸出的現(xiàn)象（原子或分子）逸出的現(xiàn)象濺射的種類濺射的種類: 直流濺射直流濺射射頻濺射射頻濺射反應濺射反應濺射磁控濺射磁控濺射準直濺射準直濺射 .半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜

38、淀積52不同元素的平衡蒸氣不同元素的平衡蒸氣壓與溫度的函數(shù)關系壓與溫度的函數(shù)關系而不同元素的而不同元素的濺射產(chǎn)率濺射產(chǎn)率（yield）相差不大相差不大（0.1-3 per incident ion）半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積531、直流（、直流（DC）濺射）濺射只能濺射導電物質只能濺射導電物質a）陽極（）陽極（anode）上放硅片，）上放硅片，陰極（陰極（cathode）是靶，真空）是靶，真空室作為放電二極管，通入放電室作為放電二極管，通入放電氣體（如氣體（如Ar）b）陰極加）陰極加110 kV負高壓，負高壓，產(chǎn)生輝光放電，形成等離子體產(chǎn)生輝光放電，形成等離子體c）正離子被加

39、速至數(shù)百）正離子被加速至數(shù)百-數(shù)千數(shù)千伏，撞擊在靶材上，將靶材中伏，撞擊在靶材上，將靶材中原子剝離原子剝離d）這些原子形成蒸汽并自由）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）濺射淀積時反應腔里壓力在在10 mtorr左右。在引入放電左右。在引入放電氣體前，真空室氣體前，真空室base pressure要達高真空（要達高真空（106 torr以上）以上） 半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積54直流濺射直流濺射系統(tǒng)中等離子體結構和電壓分布（系統(tǒng)中通入氬氣）系統(tǒng)中等離子體結構和電壓分布（系統(tǒng)中通入氬氣）等離子體中包含等離子體中包

40、含同等數(shù)量的正氬同等數(shù)量的正氬離子和電子以及離子和電子以及中性氬原子中性氬原子大部分的電壓降大部分的電壓降在陰極暗區(qū)在陰極暗區(qū)氬離子轟擊陰極氬離子轟擊陰極靶（如靶（如Al）, Al原原子被濺射出，通子被濺射出，通過等離子區(qū)淀積過等離子區(qū)淀積到陽極硅片上到陽極硅片上陰極陰極輝光輝光陽極鞘區(qū)陽極鞘區(qū)等離子體等離子體陰極陰極暗區(qū)暗區(qū)(鞘區(qū)鞘區(qū))半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積55濺濺射射中中的的主主要要過過程程陰極暗區(qū)陰極暗區(qū)半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積562、射頻濺射、射頻濺射 也也可濺射介質可濺射介質 如靶是絕緣材料，不能采用直流濺射，因為絕緣靶上會有正如靶是絕緣材料

41、，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。電荷積累。此時可以使用交流電源。13.56 MHz半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積57RF濺射系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)時的電壓分布濺射系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)時的電壓分布當兩邊面積不等時，當兩邊面積不等時，面積小的電極一邊面積小的電極一邊（電流密度大）有更（電流密度大）有更大電壓降，并有關系大電壓降，并有關系:V2V1Unequal area electrodes (left electrode smaller)m=12（實驗值）（實驗值）mAAVV1221半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積58一般將靶電極的面積設計得較小，電壓主

42、要降在靶電極，使濺射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硅片電極也可以單獨加上RF偏壓，這樣在實際淀積前可偏壓，這樣在實際淀積前可預先清潔晶片或預先清潔晶片或“濺射刻蝕濺射刻蝕”. 另外一種應用是偏壓另外一種應用是偏壓-濺射淀積（濺射淀積（bias-sputter deposition），），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半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積593、反應濺射、反應濺射 在濺射氣體中引入反應活性氣體如氧或氮氣，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。可改變或控制濺射膜的特性。如在低溫下可制作如在低溫下可制作SiOx、SiNx等鈍化膜或多等鈍化膜或多屬布線中的絕緣層；屬布線中的絕緣層；TiN、TaN等導電膜或擴等導電膜或擴散阻擋層散阻擋層 半導體工藝技術第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積604、磁控濺射、磁控濺射 直流濺射和直流濺射和RF濺射中，電子和氣體分子碰撞的離化效濺射中，電子和氣體分子碰撞的離化效率