半導(dǎo)體制造工藝-12薄膜沉積(上)課件

半導(dǎo)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-SiDeposition1半導(dǎo)體薄膜：Si在集成電路制備中，很多薄膜材料由淀積工藝形成1）化學(xué)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(xué)反應(yīng)，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21）化學(xué)氣相淀積—ChemicalVaporDepo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/electroplating3除了CVD和PVD外，制備薄膜的方法還有:銅互連是由電鍍工藝外延：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(yīng)用舉例4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(yīng)CMOS柵電極材料；多層金屬化電極的導(dǎo)電材料多晶硅薄膜的應(yīng)用5CMOS柵電極材料；多層金屬化電極的導(dǎo)電材料多晶硅薄膜的應(yīng)用ChemicalVaporDeposition(CVD)PolycrystallineSinglecrystal(epitaxy)CourtesyJohanPejnefors,20016ChemicalVaporDeposition(CVD對薄膜的要求組分正確，玷污少，電學(xué)和機(jī)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7對薄膜的要求組分正確，玷污少，電學(xué)和機(jī)械性能好7化學(xué)氣相淀積（CVD）單晶(外延）、多晶、非晶（無定型）薄膜半導(dǎo)體、介質(zhì)、金屬薄膜常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD），低壓CVD(LPCVD)，等離子體增強(qiáng)淀積（PECVD）等CVD反應(yīng)必須滿足三個揮發(fā)性標(biāo)準(zhǔn)在淀積溫度下,反應(yīng)劑必須具備足夠高的蒸汽壓除淀積物質(zhì)外,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8化學(xué)氣相淀積（CVD）單晶(外延）、多晶、非晶（無定型）薄(1)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“滯留層”，然后，在主氣流中的反應(yīng)劑越過邊界層擴(kuò)散到硅片表面(2)反應(yīng)劑被吸附在硅片表面，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)(3)化學(xué)反應(yīng)生成的固態(tài)物質(zhì)，即所需要的淀積物，在硅片表面成核、生長成薄膜(4)反應(yīng)后的氣相副產(chǎn)物，離開襯底表面，擴(kuò)散回邊界層，并隨輸運(yùn)氣體排出反應(yīng)室化學(xué)氣相淀積的基本過程9(1)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“滯留F1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)劑分子流密度生長動力學(xué)從簡單的生長模型出發(fā)，用動力學(xué)方法研究化學(xué)氣相淀積推導(dǎo)出生長速率的表達(dá)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(kuò)散流10F1是反應(yīng)劑分子的粒子流密度生長動力學(xué)與熱氧化生長稍有10hG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)（cm/sec）在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應(yīng)相等。這樣得到可得：11hG是質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)（cm/sec）ks是表設(shè)則生長速率這里Y為在氣體中反應(yīng)劑分子的摩爾比值,CG為每cm3中反應(yīng)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(yīng)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

12設(shè)則生長速率這里Y為在氣體中反應(yīng)劑分子的摩爾比值,PGY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(yīng)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(yùn)控制，對溫度不敏感表面（反應(yīng)）控制，對溫度特別敏感13Y一定時，v由hG和ks中較小者決定表面（反應(yīng)）控制，對T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≈constant14T對ks的影響較hG大許多，因此：生長速率和溫度的關(guān)系硅外延以硅外延為例（1atm，APCVD）hG

常數(shù)Ea值相同外延硅淀積往往是在高溫下進(jìn)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(yùn)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(jìn)行，是表面反應(yīng)控制，對溫度要求控制精度高。15以硅外延為例（1atm，APCVD）hG常數(shù)Ea值相當(dāng)工作在高溫區(qū),質(zhì)量控制為主導(dǎo)，hG是常數(shù)，此時反應(yīng)氣體通過邊界層的擴(kuò)散很重要，即反應(yīng)腔的設(shè)計和晶片如何放置顯得很重要。記住關(guān)鍵兩點(diǎn)：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(yīng)腔體幾何形狀有關(guān)16當(dāng)工作在高溫區(qū),質(zhì)量控制為主導(dǎo)，hG是常數(shù)，此時反應(yīng)氣體通過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?17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(yīng)氣體濃度的減少,同樣導(dǎo)致淀積速度會下降為氣體粘度為氣體密度U為氣體速度18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(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的方法來補(bǔ)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。19因此，支座傾斜可以促使s(x)沿x變化減小19本節(jié)課主要內(nèi)容常用的淀積薄膜有哪些？舉例說明其用途。什么是CVD？描述它的工藝過程。CVD的控制有哪兩種極限狀態(tài)？分別控制什么參數(shù)是關(guān)鍵？單晶硅（外延）—器件；多晶硅—柵電極；SiO2—互連介質(zhì)；Si3N4—鈍化。金屬…化學(xué)氣相淀積：反應(yīng)劑被激活后在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)成膜。1)主氣流中的反應(yīng)劑越過邊界層擴(kuò)散到硅片表面；2)反應(yīng)劑被吸附在硅片表面；3)反應(yīng)成核生長；4)副產(chǎn)物揮發(fā)。表面反應(yīng)控制：溫度質(zhì)量輸運(yùn)控制：反應(yīng)器形狀，硅片放置20本節(jié)課主要內(nèi)容常用的淀積薄膜有哪些？舉例說明其用途。什么是C半導(dǎo)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-SiDeposition21半導(dǎo)體薄膜：Si在集成電路制備中，很多薄膜材料由淀積工藝形成1）化學(xué)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(xué)反應(yīng)，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221）化學(xué)氣相淀積—ChemicalVaporDepo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/electroplating23除了CVD和PVD外，制備薄膜的方法還有:銅互連是由電鍍工藝外延：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(yīng)用舉例24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(yīng)CMOS柵電極材料；多層金屬化電極的導(dǎo)電材料多晶硅薄膜的應(yīng)用25CMOS柵電極材料；多層金屬化電極的導(dǎo)電材料多晶硅薄膜的應(yīng)用ChemicalVaporDeposition(CVD)PolycrystallineSinglecrystal(epitaxy)CourtesyJohanPejnefors,200126ChemicalVaporDeposition(CVD對薄膜的要求組分正確，玷污少，電學(xué)和機(jī)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27對薄膜的要求組分正確，玷污少，電學(xué)和機(jī)械性能好7化學(xué)氣相淀積（CVD）單晶(外延）、多晶、非晶（無定型）薄膜半導(dǎo)體、介質(zhì)、金屬薄膜常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD），低壓CVD(LPCVD)，等離子體增強(qiáng)淀積（PECVD）等CVD反應(yīng)必須滿足三個揮發(fā)性標(biāo)準(zhǔn)在淀積溫度下,反應(yīng)劑必須具備足夠高的蒸汽壓除淀積物質(zhì)外,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28化學(xué)氣相淀積（CVD）單晶(外延）、多晶、非晶（無定型）薄(1)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“滯留層”，然后，在主氣流中的反應(yīng)劑越過邊界層擴(kuò)散到硅片表面(2)反應(yīng)劑被吸附在硅片表面，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)(3)化學(xué)反應(yīng)生成的固態(tài)物質(zhì)，即所需要的淀積物，在硅片表面成核、生長成薄膜(4)反應(yīng)后的氣相副產(chǎn)物，離開襯底表面，擴(kuò)散回邊界層，并隨輸運(yùn)氣體排出反應(yīng)室化學(xué)氣相淀積的基本過程29(1)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“滯留F1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)劑分子流密度生長動力學(xué)從簡單的生長模型出發(fā)，用動力學(xué)方法研究化學(xué)氣相淀積推導(dǎo)出生長速率的表達(dá)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(kuò)散流30F1是反應(yīng)劑分子的粒子流密度生長動力學(xué)與熱氧化生長稍有10hG是質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)（cm/sec）

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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。這樣得到可得：31hG是質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)（cm/sec）ks是表設(shè)則生長速率這里Y為在氣體中反應(yīng)劑分子的摩爾比值,CG為每cm3中反應(yīng)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(yīng)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

32設(shè)則生長速率這里Y為在氣體中反應(yīng)劑分子的摩爾比值,PGY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(yīng)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(yùn)控制，對溫度不敏感表面（反應(yīng)）控制，對溫度特別敏感33Y一定時，v由hG和ks中較小者決定表面（反應(yīng)）控制，對T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≈constant34T對ks的影響較hG大許多，因此：生長速率和溫度的關(guān)系硅外延以硅外延為例（1atm，APCVD）hG

常數(shù)Ea值相同外延硅淀積往往是在高溫下進(jìn)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(yùn)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(jìn)行，是表面反應(yīng)控制，對溫度要求控制精度高。35以硅外延為例（1atm，APCVD）hG常數(shù)Ea值相當(dāng)工作在高溫區(qū),質(zhì)量控制為主導(dǎo)，hG是常數(shù)，此時反應(yīng)氣體通過邊界層的擴(kuò)散很重要，即反應(yīng)腔的設(shè)計和晶片如何放置顯得很重要。記住關(guān)鍵兩點(diǎn)：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(yīng)腔體幾何形狀有關(guān)36當(dāng)工作在高溫區(qū),質(zhì)量控制為主導(dǎo)，hG是常數(shù)，此時反應(yīng)氣體通過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