工學(xué)第六章薄膜工藝課件

1、第六章薄 膜 工 藝一、物理氣相淀積（PVD）二、化學(xué)氣相淀積（CVD）三、外延（Epitaxy）在微電子工藝中會用到不同種類的薄膜，比如：電介質(zhì)膜、外延膜、多晶硅膜和金屬膜等。電介質(zhì)膜：可以用作絕緣材料，掩蔽材料和鈍化層等；外延膜：高質(zhì)量的單晶膜，對器件進(jìn)行優(yōu)化。多晶硅膜：在MOS器件中作柵電極材料；金屬膜：包括硅化物，用作低阻互連，歐姆接觸，金屬/半導(dǎo)體整流等。薄膜工藝物理氣相淀積：薄膜淀積過程是物理過程，如蒸發(fā)、濺射等?；瘜W(xué)氣相淀積：薄膜淀積過程是化學(xué)反應(yīng)過程，如常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD）、低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）等。外延：包括物理氣相淀積和化學(xué)氣相淀積，所生長的薄膜是單晶，因

2、此具有特殊性，其制備技術(shù)包括化學(xué)氣相淀積、分子束外延（MBE）等。一、物理氣相淀積工藝物理淀積工藝主要用作金屬和難熔金屬硅化物薄膜的制備。它們在微電子器件中主要是作為歐姆接觸、互連、柵電極等方面用的薄膜。物理淀積主要包括：蒸發(fā)和濺射。早期半導(dǎo)體工藝中的金屬層全由蒸發(fā)淀積，但目前大多被濺射代替，原因有二：一是蒸發(fā)的臺階覆蓋能力差；二是蒸發(fā)難以生產(chǎn)合金。1、物理淀積的基本知識真空系統(tǒng)：物理淀積必須在真空環(huán)境中進(jìn)行，否則由于空氣分子的碰撞作用，將嚴(yán)重妨礙物理淀積的過程。真空度則依淀積方法和淀積物的性質(zhì)而異。等離子體：等離子體產(chǎn)生是濺射工藝的物理基礎(chǔ)，是等離子產(chǎn)生和運(yùn)動的過程。1.1 真空系統(tǒng)的產(chǎn)生和

3、密封真空度的常用單位有托（Torr）、大氣壓（atm）、毫米汞柱（mmHg）、帕斯卡（Pa）等。其關(guān)系如下：Torr轉(zhuǎn)換成其它氣壓單位的轉(zhuǎn)換因子（相乘）單位轉(zhuǎn)換因子標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）1.3310-3磅每平方英寸（PSI）1.93310-2毫米汞柱（mmHg）1帕或牛頓每平方米（Pa）133.3真空范圍的近似分類初真空0.1760 Torr10 105 Pa中真空10-4 10-1 Torr10-2 10 Pa高真空10-8 10-4 Torr10-6 10-2 Pa超高真空10-8 Torrhg時，生長速率由質(zhì)量傳輸系數(shù)hg決定：當(dāng)hg ks時，生長速率由表面反應(yīng)速率ks決定：其中N是硅原子

4、密度除以所生長分子中的硅原子數(shù)。2.51022 cm-3 在常壓下，吸附和解吸的速度比較快，因此淀積速率主要取決于質(zhì)量傳輸速率和表面化學(xué)反應(yīng)速率。在高溫下，一般是質(zhì)量輸運(yùn)控制。在低溫下，一般是反應(yīng)速率控制。在低壓下，氣體分子的平均自由程很大，因此質(zhì)量傳輸速率較大，因此淀積速率主要取決于表面吸附和表面化學(xué)反應(yīng)速率。常壓外延和低壓外延為什么基座要傾斜放？生長速率與反應(yīng)劑分壓成正比，但隨氣流方向，反應(yīng)氣體的分壓逐漸減小，導(dǎo)致沿氣流方向的生長速率不一致；將基座迎氣流方向傾斜放置，則滯流層厚度會沿氣流方向變薄，導(dǎo)致質(zhì)量輸運(yùn)加快，生長速率增大，從而最終補(bǔ)償由于反應(yīng)氣體分壓減小帶來的生長速率減小。硅同質(zhì)外延

5、工藝硅外延中常用的硅源有SiCl4，SiH2Cl2，SiHCl3，并用H2稀釋，其中應(yīng)用最廣的是SiCl4 。不用SiH4作反應(yīng)氣體，是因為易在氣體中成核，而不是在硅片表面。對于SiCl4 ，主要反應(yīng)為：同時存在另外一個競爭反應(yīng)為：硅片表面的反應(yīng)實際上，硅片表面發(fā)生的反應(yīng)比較復(fù)雜，但有兩點(diǎn)需要注意：在Si-H-Cl系統(tǒng)中，硅片表面的反應(yīng)物主要是SiCl2，這說明反應(yīng)氣體發(fā)生了中間反應(yīng)。在Si-H-Cl系統(tǒng)中，在反應(yīng)速率受限區(qū)域，外延生長都具有相同的反應(yīng)激活能。這是因為反應(yīng)速率都受限于氫從硅片表面釋放的過程。不同硅源淀積速率與溫度關(guān)系B質(zhì)量輸運(yùn)控制區(qū)域；A反應(yīng)速率控制區(qū)域。生長速率和流量的關(guān)系在

6、Si-Cl-H系統(tǒng)高溫外延中，硅表面上的混合氣體主要是H2，HCl和SiCl2，其中SiCl2是反應(yīng)氣體，而HCl則對硅有腐蝕作用。因此，生長速率可以用下面公式擬合：說明：生長速率隨流量會有一個最大值。生長速率對SiCl4流量的函數(shù)工業(yè)上典型生長條件選擇性硅外延基于以下事實：外延生長中在不同襯底上的晶粒成核速率有：SiO2Si3N4Si。通過調(diào)整Si-H-Cl系統(tǒng)中Cl的比例，因為HCl可以刻蝕掉硅晶核。工藝步驟是：采用SiO2作為掩蔽層，增加反應(yīng)氣體中Cl的含量，使SiO2上的硅晶核被腐蝕掉。選擇性硅外延示意圖外延摻雜摻雜原理：在反應(yīng)氣體中加入摻雜氣體，在外延生長的時候結(jié)合進(jìn)入生長層。常用摻

7、雜氣體有：乙硼烷（B2H6）、磷烷（PH3）和砷烷（AsH3）。摻雜過程：與外延生長相似，也分為：向晶片表面輸運(yùn)，吸附，反應(yīng)，解吸等過程。摻雜濃度影響因素與摻雜氣體的分壓成比例關(guān)系，一般隨分壓的增大而增大。與溫度有關(guān)，不同雜質(zhì)對溫度依賴關(guān)系不一樣。如硼隨溫度升高，摻雜量變大；而磷、砷則變小。與生長速率有關(guān)，高溫下，摻雜濃度隨生長速度增加而下降；低溫下，摻雜濃度隨生長速度增加而增大。摻雜濃度與諸多因素有關(guān)，通常是通過實驗摸索出適當(dāng)?shù)墓に嚄l件。外延工藝中的雜質(zhì)分布?xì)庀嘧該诫s效應(yīng)外延生長初期，反應(yīng)器中雜質(zhì)和襯底雜質(zhì)蒸發(fā)出來，從而對外延層摻雜；襯底雜質(zhì)的再分布，襯底雜質(zhì)向外延層中擴(kuò)散；摻入外延層中雜質(zhì)

8、的再分布，摻入的雜質(zhì)向襯底內(nèi)部擴(kuò)散?？偟碾s質(zhì)分布是上述行為的疊加。問題：外延層中的雜質(zhì)來源有哪些？氣體摻雜；氣相自摻雜；襯底向外延層中的擴(kuò)散。減小雜質(zhì)再分布措施降低反應(yīng)溫度，比如采用低壓化學(xué)氣相淀積。高溫烘烤，使硅片表面形成雜質(zhì)耗盡層。清潔反應(yīng)器，降低雜質(zhì)污染。用氧化硅，高純硅覆蓋襯底背面，減少蒸發(fā)。外延生長缺陷堆垛層錯一般沿（111）方向，在晶面中插入多余的原子層面。尖峰外延層表面突起，可能與生長初期缺陷有關(guān)。圖形漂移、畸變和塌邊硅片上的圖形在生長外延層之后，位置、形狀發(fā)生變化。圖形漂移示意圖鹵化物輸運(yùn)GaAs外延砷源：AsH3氣體鎵源：HCl與熱Ga反應(yīng)生成GaCl氣體3.2 外延分子束外

9、延（MBE）該工藝是將分子束流直接噴射到襯底表面，形成外延層的技術(shù)。它能夠生長原子級厚度的薄膜，而且能夠精確控制膜組分和雜質(zhì)含量。分子束的產(chǎn)生將制備薄膜的物質(zhì)加熱使之熔化，產(chǎn)生的蒸氣分子通過噴射爐的爐口噴射出去，從而產(chǎn)生分子束。常用蒸發(fā)源有：硅，鎵，砷，銻，鋁。分子束外延裝置示意圖影響MBE薄膜質(zhì)量的因素必須在超高真空下進(jìn)行，接近10-10 Torr。襯底必須清洗干凈。包括高溫烘烤（10001200），氫鍵保護(hù)，等離子濺射等。摻雜采用易蒸發(fā)的物質(zhì)，如鎵、鋁、銻等金屬雜質(zhì)，而不是硼、磷、砷等。常見薄膜沉積二氧化硅（SiO2）氮化硅（Si3N4）多晶硅（poly-Si）金屬化薄膜二氧化硅（SiO2）常壓CVD或低壓CVD低壓CVD（LPCVD）氮化硅（Si3N4）低壓CVD（LPCVD）等離子增強(qiáng)CVD（PECVD）多晶硅（poly-Si）低壓CV