半導體制造工藝-12薄膜沉積(上)

半導體薄膜：Si介質薄膜：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-SiDeposition11）化學氣相淀積—ChemicalVaporDeposition(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)生化學反應，并淀積出所需固體薄膜的生長技術。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。例如：蒸發(fā)evaporation，濺射sputtering兩類主要的淀積方式2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4CMOS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5ChemicalVaporDeposition(CVD)PolycrystallineSinglecrystal(epitaxy)CourtesyJohanPejnefors,20016對薄膜的要求組分正確，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3.臺階覆蓋性好（conformalcoverage—保角覆蓋）填充性好平整性好

7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、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外,反應產物必須是揮發(fā)性的淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓8(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，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9F1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10hG是質量輸運系數(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：11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

12Y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，這是質量傳輸控制過程有

質量輸運控制，對溫度不敏感表面（反應）控制，對溫度特別敏感13T對ks的影響較hG大許多，因此：

hG<<ks質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系硅外延：Ea=1.6eV斜率與激活能Ea成正比hG≈constant14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。15當工作在高溫區(qū),質量控制為主導，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。記住關鍵兩點：ks

控制的淀積主要和溫度有關hG

控制的淀積主要和反應腔體幾何形狀有關16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?17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18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生的淀積速率的下降。尤其對質量傳輸控制的淀積至關重要，如APCVD法外延硅。19本節(jié)課主要內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)是關鍵？單晶硅（外延）—器件；多晶硅—柵電極；SiO2—