薄膜淀积工艺(上).ppt

第五章 薄膜淀积工艺（上）,薄膜淀积（Thin Film Deposition）工艺,概述 真空技术与等离子体简介(第10章)化学气相淀积工艺(第13章)物理气相淀积工艺(第12章)小结,参考资料：微电子制造科学原理与工程技术第10、12、13章（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）,一、概述,薄膜淀积工艺是IC制造中的重要组成部分：在硅表面以上的器件结构层绝大部分是由淀积工艺形成的。,1、薄膜淀积工艺的应用,2、薄膜淀积工艺一般可分为两类：,(1)化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition）：利用化 学反应生成所需薄膜材料，常用于各种介质材料和半导 体材料的淀积，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等。(2)物理气相淀积（Physical Vapor Deposition）：利用物理 机制制备所需薄膜材料，常用于金属薄膜的制备淀积，如铝、钨、钛等。,(3)其他的淀积技术还包括：旋转涂布法、电解电镀法等,3、评价薄膜淀积工艺的主要指标：,(1)薄膜质量：组分、污染、缺陷密度、机械性能和电学性能(2)薄膜厚度及其均匀性：表面形貌和台阶覆盖能力,(3)薄膜的间隙填充（Gap Filling）能力,深宽比（Aspect Ratio）：,1、气体分子的质量输运机制：低压CVD2、等离子体产生机制：溅射、等离子体增强CVD、反应 离子刻蚀等3、无污染的加工环境：蒸发、分子束外延4、气体分子的长自由程输运：离子注入,二、真空技术和等离子体简介,（一）微电子制造涉及的真空技术,1、标准环境条件：温度为20，相对湿度为65%，大气压强 为：101325 Pa=1013.25 mbar=760 Torr2、压强单位：帕斯卡（Pa）：国际单位制压强单位，1Pa=1 N/m2 标准大气压（atm）：压强单位，1 atm=101325 Pa 乇（Torr）：压强单位，1 Torr=1/760 atm，1 Torr=1 mmHg 毫巴（mbar）：压强单位，1 mbar=102 Pa 其他常用压强单位还有：PSI（磅/平方英寸）,（二）真空基础知识,3、气体动力学理论推导的几个公式：,注意：这些公式只在 L时适用（L是腔体的特征长度）,气体分子的平均速率：,式中m是气体分子质量,气体分子的平均自由程：,式中d 为分子直径；n 为单位体积内的气体分子数,根据理想气体定律，,代入上式，得到,式中P 为腔体压力,（二）真空基础知识,4、真空区域划分：,压强高，真空度低；压强低，真空度高。,IC工艺设备一般工作在中低真空段，但为了获得无污染的 洁净腔室，一般要求先抽到高真空段后再通入工艺气体。,（二）真空基础知识,真空度指低于大气压的气体稀薄程度,(1)真空系统的组成：气源（待抽容器）、系统构件（管道阀门等）及抽气装置（真空泵）。(2)气体流动：当真空管道两端存在有压力差时，气体会从高压处 向低压处扩散，形成气体流动。(3)气体沿真空管道的流动状态可划分为如下几种基本形式：,5、真空的获得,(1)低中真空泵：采用压缩型旋转叶片泵（气体压缩和气体排除）；排气量大时，需采用前置罗茨泵（转速非常高）；对于高纯净环境，采用干泵以避免油蒸汽污染。(2)高真空泵：抽吸腐蚀性和有毒气体，或大容量气体时，采用动量转移 型泵，如扩散泵和涡轮分子泵；抽吸小容量气体，或需要超高洁净度时，采用气体吸附型泵，如冷泵（低温泵）等。7、真空密封：O形圈（低中真空）、金属法兰（高真空）8、气压测量：电容压力计、热传导规表（低中真空）、离子 规表（高真空）,6、真空泵的分类：,1、等离子体（Plasma）：指产生了部分电离现象的气体,反应腔抽真空，充气 加高压电场，气体被击穿，气体离化，产生离子和自由电子 电子向阳极加速运动，离子向阴极运动，离子与阴极碰撞再产生大量二次电子 二次电子与中性气体分子碰撞，再产生大量离子和电子，从而维持等离子体,（三）等离子体简介,2、等离子体的产生：,3、当气体由原子A和原子B组成时，可能出现的过程有,典型工艺条件下只有0.1%左右的气体离化率,激发态的原子或分子的一个内层电子处于高能量状态，当它跃迁回基态时，以可见光形式释放能量。,辉光放电,（三）等离子体简介,阴极暗区（Crooke暗区）：电子能量非常低；阳极暗区：电子密度很低；法拉第暗区：电子能量高，使气体离子化而不是激发。,（三）等离子体简介,4、直流等离子体的组成,图10.17 射频等离子体示意图,当电极为绝缘材料时，电荷聚集现象会造成电场的下降及等离 子体的消失，此时应采用射频电源形成等离子体。,两个电极相对等离子体内部 是负电位的，且电极两端都 有暗区。,（三）等离子体简介,5、射频放电等离子体,典型的射频电源频率为13.56 MHz。,在高频交变电场下，正离子 跟不上电场极性改变，而 电子则可能在交替的半周 期内撞击每个电极的表面。,图10.18 射频等离子体中直流电压-位置关系,当上下电极面积不同时，,面积比越大，小面积电极与等离子体之间的电压降越大，这意味着存在一个指向该电极的强电场。,当上下电极面积相同时，,6、射频等离子体中的电压-位置关系,（三）等离子体简介,引言 CVD工艺原理 CVD技术分类及设备简介 典型物质（材料）的CVD工艺,三、化学气相淀积工艺,（一）引言,1、定义：,化学反应的能量来源：热（高温）、等离子体、光,2、CVD工艺一般用于介质层和半导体材料的薄膜制备。,注意：化学反应不是发生在气体与衬底之间的。,对于一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应并淀积出所需固体薄膜的生长技术。其英文原名为“Chemical Vapor Deposition”，简称为“CVD”。,(1)淀积温度较低，减轻了衬底的热形变，减少了沾污，并抑 制了缺陷的生成(2)淀积薄膜的成分和厚度容易受控，薄膜厚度与反应时间成 正比，工艺的均匀性与重复性好(3)淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好，薄膜的台阶覆 盖性好(4)淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如蒸发、溅射 等）；厚度范围广（由几百埃至数毫米）。(5)能大量生产，工艺操作简单方便。,3、CVD工艺的主要特点：,图13.1 简单的热CVD反应器,（二）CVD 工艺原理,1、考虑一个简单的Si CVD反应器：,反应器管壁温度为TW，硅片基座温度为TS，一般TS TW 从左边入口通入硅烷（SiH4）和氢气（H2），硅烷分解生成 多晶硅，H2用做稀释剂（硅烷占总进气量的1）气体在进入反应腔时，温度与管道壁相同,反应生成物和未反应的气体 从右边出口流出 腔体中气流足够慢，反应腔 压强是均匀的,2、Si CVD反应器中发生的总反应：,其中，g 代表气态物质，s 代表固态物质。,(1)当反应是在腔内气体中自发发生（与位置无关）时，称该 反应为同质过程（Homogeneous Process）,气体中存在大量固体硅颗粒，导致淀积层表面形态和均匀性差,(2)当反应仅在硅片表面处发生并形成固体时，称该反应为异质 过程（Heterogeneous Process）,在Si CVD系统中，发生的同质反应是：,在Si CVD系统中，发生的异质反应是：,图13.3 Si CVD过程中硅片表面模型,淀积均匀性提高,分子被吸附在硅片表面后发生化学反应，形成硅原子并释放出氢：,吸附过程,a 代表被吸附的物质,表面总反应,吸附在硅表面的H2被解吸附，留下 空位，使反应可继续进行。被吸附的SiH2在硅片表面扩散，直 到找到空位成键。表面扩散长度长时，淀积均匀；表 面扩散长度短时，淀积不均匀。温度上升，扩散长度提高,3、一个典型的Si CVD工艺可分为以下几个步骤：,(1)反应气体从腔体入口向硅片附近的输运(2)气体反应产生中间物质分子：,(3)中间反应物SiH2输运到硅片表面（吸附）(4)表面反应释放出反应产物并淀积到硅片表面,(5)气体副产物从硅片表面被释放（解吸附）(6)副产物离开硅片表面的输运(7)副产物离开反应器的输运,最慢的步骤决定了淀积薄膜的速率,关键问题涉及到：1、反应腔内的气体流动2、反应腔内的化学反应,4、反应腔内的化学反应：,(1)假设:在小的体积元内温度和气体化学组分是均匀的，且只进行一种反应，如：,(2)化学平衡时，每种物质的浓度维持固定不变,P为其下标物质的分压强，方程式中H的系数为2，故取平方。,a.KP(T)取决于温度，,其中G为反应中吉布斯自由能的变化。,b.KP(T)与气体压力无关。,化学平衡与质量作用定律,(3)反应平衡常数(质量作用定律)定义为：,说明,假设KP(T)是已知的，此时三个分压强都未知而只有一个方程式：,通常，反应器的总压强是已知的，因此可以有第二个方程式：,由于H2无消耗，故 PH2=0.99P（入口分压强）再根据入口气流与Si/H的关系式，可推导出第三个方程式：,其中，气流量被认为是已知的。至此，可根据三个方程式求出三种物质的分压强。,CVD过程从气相中消耗硅，因此硅的分压强并非只与入口 气流有关；要考虑含硅的气相分子流量变化情况（扩散）可能发生多种化学反应过程，如：,至此的讨论都建立在化学平衡近似的基础上，实际CVD中的情况如何呢？,在实际的淀积工艺中，平衡分压强的求解：,要求解平衡分压强，必须考虑每种反应式的反应平衡常数。,补充,注意,(1)当反应腔压力降低时，反应物分子的平均自由程增加，造成：,各种气相物质之间没有足够的碰撞机会，使其不能达到热平 衡和化学平衡；具有不同能量（Maxwell分布）的气相分子之间没有足够的 碰撞次数，也无法达到化学平衡。,在实际的CVD工艺中，一般认为：低压CVD工艺是受动力学控制的过程 常压CVD是化学平衡过程,“反应腔特征长度远大于气体分子的平均自由程”是一个必要的前提条件。,不能达到化学平衡的过程被称为“动力学控制过程”,(2)对于动力学控制过程，Si CVD的反应式可改写为：,其中，Kf和Kr分别代表正向反应和逆向反应的速率系数。,反应物质浓度（分压强）随时间的变化率与各反应速率系数有关，,对于实际的CVD系统，可能涉及到数十种反应物质和上百种化学反应，因此定量的处理过程是非常困难的，因此一般做定性处理即可。,另外，还应考虑浓度梯度引起的物质扩散等问题。,图13.4 气流在管形反应器中的展开,气体流动决定了化学物质的输运和气体的温度分布,气体是黏性流，且不可压缩。气流在腔体表面的速度为零。,（1）对CVD系统中气流的几个假设：,对于一个表面温度固定的圆形管道，假设气体以匀速从管道左端流入，则在Zv 距离内，气流将展开为完全的管道流（抛物线形）,5、反应腔内的气体流动：气体流动动力学,（2）推导：,展开距离为：,其中，a是管道半径，Re是无量纲的雷诺数,雷诺数：,其中，L为腔体特征长度，是动黏度，是气体质量密度，是气体的动态黏滞度,当雷诺数较小时，管道中气流速度分布为抛物线形，即,其中，r为距中心线的半径，dP/dz为横跨管道的压力梯度,图13.4 气流在管形反应器中的展开,图13.1 简单的热CVD反应器,再回到图13.1的系统，假设系统温度均匀，气流速 度在硅片表面降低到零，且 腔体高度足够大，使硅片上 方气流具有均匀速度。,边界层（滞流层）近似：在边界层中气流速度为零，在边界层外气流速度为v,倾斜角度需根据特定工艺进行优化,1）边界层的厚度与沿气流方向的位置有关，即,为维持淀积速率的均匀，必须保证边界层的厚度均匀。一般采用楔形基座，淀积表面朝气流方向倾斜。,结论,2）气相输运的扩散系数与温度的关系式有：,显然，与体扩散系数相比，De 对温度的依赖性要弱得多。,总之，CVD过程受限于1）化学反应；或2）气相输运对决定CVD薄膜淀积速率温度关系是至关重要的。,3）化学反应速率系数与温度的关系式有：,图13.8 CVD 淀积速率与温度的函数关系,6、CVD 淀积速率与温度的关系,实验结果显示：,(1)低温度下，淀积速率随温度倒数 减小而增加,化学反应速率限制区,淀积速率是温度的敏感函数,(2)高温度下，淀积速率随温度倒数 减小的增加幅度趋缓,质量输运速率限制区,淀积速率是气体浓度的敏感函数，需控制气流及腔室设计,教材第256257页：第1、2题教材第352页：第1题,课后作业,