半导体工艺技术薄膜淀积课件.ppt

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1、半导体工艺技术薄膜淀积,半导体薄膜：Si介质薄膜：SiO2，Si3N4,BPSG，金属薄膜：Al，Cu，W，Ti，,在集成电路制备中，很多薄膜材料由淀积工艺形成,单晶薄膜：Si,SiGe（外延）多晶薄膜：poly-Si,Deposition,1）化学气相淀积 Chemical Vapor Deposition(CVD)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。例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2）物理气相淀积 Physical Vapor Deposition(PVD)利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到

2、衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering,两类主要的淀积方式,除了CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有:,外延：在单晶衬底上生长一层新的单晶层，晶向取决于衬底,外延硅应用举例,CMOS栅电极材料；多层金属化电极的导电材料,多晶硅薄膜的应用,大家应该也有点累了，稍作休息,大家有疑问的，可以询问和交流,Chemical Vapor Deposition(CVD),Polycrystalline,Single crystal(epitaxy),Courtesy Johan Pejnefors,2001,对薄膜的要求,组分正确，玷污少，电学和机

3、械性能好 片内及片间（每一硅片和硅片之间）均匀性好3.台阶覆盖性好（conformal coverage 保角覆盖）填充性好 平整性好,化学气相淀积（CVD）,单晶(外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜半导体、介质、金属薄膜常压化学气相淀积（APCVD），低压CVD(LPCVD)，等离子体增强淀积（PECVD）等,CVD反应必须满足三个挥发性标准,在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压除淀积物质外,反应产物必须是挥发性的淀积物本身必须具有足够低的蒸气压,化学气相淀积的基本过程,F1是反应剂分子的粒子流密度F2代表在衬底表面化学反应消耗的反应剂分子流密度,生长动力学从简单的生长模型出发，用动力学

4、方法研究化学气相淀积推导出生长速率的表达式及其两种极限情况,与热氧化生长稍有不同的是，没有了在SiO2中的扩散流,hG 是质量输运系数（cm/sec）,ks 是表面化学反应系数（cm/sec）在稳态，两类粒子流密度应相等。这样得到,可得：,设,则生长速率,这里 Y 为在气体中反应剂分子的摩尔比值,CG为每cm3中反应剂分子数，这里CT为在气体中每cm3的所有分子总数,PG 是反应剂分子的分压，PG1，PG1 PG2 PG3.等是系统中其它气体的分压,N是形成薄膜的单位体积中的原子数。对硅外延N为51022 cm-3,Y一定时，v 由hG和ks中较小者决定1、如果hGks，则CsCG,这种情况为

5、表面反应控制过程有2、如果hGks，则CS0，这是质量传输控制过程有 质量输运控制，对温度不敏感,表面（反应）控制，对温度特别敏感,T对ks的影响较hG大许多，因此：hGks表面控制过程在较低温度出现,生长速率和温度的关系,硅外延：Ea=1.6 eV,以硅外延为例（1 atm，APCVD）,hG 常数,Ea 值相同,外延硅淀积往往是在高温下进行，以确保所有硅原子淀积时排列整齐，形成单晶层。为质量输运控制过程。此时对温度控制要求不是很高，但是对气流要求高。多晶硅生长是在低温进行，是表面反应控制，对温度要求控制精度高。,当工作在高温区,质量控制为主导，hG是常数，此时反应气体通过边界层的扩散很重要

6、，即反应腔的设计和晶片如何放置显得很重要。,记住关键两点：ks 控制的淀积 主要和温度有关hG 控制的淀积 主要和反应腔体几何形状有关,单晶硅外延要采用图中的卧式反应设备，放置硅片的石墨舟为什么要有倾斜?,这里界面层厚度s是x方向平板长度的函数。,随着x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀积受质量传输控制，则淀积速度会下降沿支座方向反应气体浓度的减少,同样导致淀积速度会下降,为气体粘度为气体密度U为气体速度,因此，支座倾斜可以促使s(x)沿x变化减小原理：由于支座倾斜后，气流的流过的截面积下降，导致气流速度的增加，进而导致s(x)沿x减小和hG的增加。从而用加大hG的方法来补偿沿支座长度方向

7、的气源的耗尽而产生的淀积速率的下降。尤其对质量传输控制的淀积至关重要，如APCVD法外延硅。,外延单晶硅的化学反应式,以上所有反应是可逆的，因此还原反应和HCl对硅的腐蚀均可发生，这和反应剂的摩尔分量和生长温度有关。,目前外延常用气源及相应总体化学反应,硅外延：,硅锗外延：,选择性外延：加HCl,原位掺杂外延：加BH3/B2H6，PH3/AsH3,Two different modes of epitaxy,Non-selective epitaxial growth(NSEG),Selective epitaxial growth(SEG),斜率与激活能Ea成正比,APCVD的主要问题：低产

8、率（throughput）高温淀积：硅片需水平放置低温淀积：反应速率低,低压化学气相淀积（LPCVD）,因此低压可以大大提高hG的值。例如在压力为1 torr时，DG可以提高760倍，而ds只提高约7倍，所以hG可以提高100倍。气体在界面不再受到传输速率限制。,在质量输运控制区域：,增加产率 晶片可直插放置许多片（100-200）工艺对温度灵敏,但是采用温度控制好的热壁式系统可解决温度控制问题气流耗尽仍是影响均匀性的因素，可以设定温差525 C，或分段进气,Batch processing：同时100-200片薄膜厚度均匀性好可以精确控制薄膜的成份和结构台阶覆盖性较好低温淀积过程淀积速率快生

9、产效率高生产成本低,LPCVD法的主要特点,有时，淀积温度需很低，薄膜质量要求又很高。如：在形成的Al层上面淀积介质等。解决办法：等离子增强化学气相淀积 PECVD,多晶硅淀积方法LPCVD，主要用硅烷法，即在600-650 温度下，由硅烷热分解而制成，总体化学反应（overall reaction）方程是：SiH4Si(多晶)+2H2,低于575 所淀积的硅是无定形或非晶硅（amorphous Si）；高于600 淀积的硅是多晶，通常具有柱状结构（column structure）；当非晶经高温（600）退火后，会结晶（crystallization）；柱状结构多晶硅经高温退火后，晶粒要长大

10、（grain growth）。,多晶硅的掺杂气固相扩散离子注入在淀积过程中加入掺杂气体（称为原位掺杂，in situ），与外延掺杂类似,多晶硅的氧化多晶硅通常在9001000 范围内进行干氧氧化 未掺杂或轻掺杂多晶硅的氧化速率介於（111）和（100）单晶硅的氧化速率之间 掺磷多晶硅的氧化速率要比未掺杂（或轻掺杂）多晶硅的氧化速率快,薄膜淀积速率随温度上升而迅速增加淀积速率随压强（硅烷分压）增加而增加,淀积参数的影响-温度-压强-硅烷浓度-掺杂剂浓度,多晶硅的淀积速率通常不是硅烷浓度的线性函数,表面吸附的影响,一级反应线性关系,氧化硅的淀积方法,1）低温CVD（250450C）,可以同时掺杂，

11、如：PH3，形成PSG磷硅玻璃：,硅烷为源的淀积APCVD，LPCVD，PECVD,淀积温度低，可作为钝化层，密度小于热生长氧化硅，台阶覆盖差。,用HD-PECVD可以获得低温（120 C）的高质量氧化硅膜,也可以PECVD：,P2O5和SiO2组成的二元玻璃网络体应力小，流动性增加碱金属离子的吸杂中心易吸水形成磷酸,TEOS（正硅酸乙酯）为源的淀积,2）中温LPCVD（680730C）,（1）不能淀积在Al层上（为什么？）（2）厚度均匀性好，台阶覆盖优良，SiO2膜质量较好（3）加入PH3等可形成PSG,TEOS也可采用PECVD低温淀积（250425 C）台阶覆盖优良，用于互连介质层,台阶

12、覆盖（保角性 conformality）,淀积速率正比于气体分子到达角度,PSG回流工艺可解决台阶覆盖问题PSG回流工艺：将形成PSG的样品加热到1000 1100 C,使PSG软化流动，改善台阶形状,一般68 wt%P,BPSG可以进一步降低回流温度,氮化硅的淀积方法,等离子增强化学气相淀积（PECVD）,低温下（200350 C）利用非热能来增强工艺过程反应气体被加速电子撞击而离化。形成不同的活性基团，它们间的化学反应就生成所需要的固态膜。,13.56MHz,等离子体：物质存在的第四态高密度导电粒子构成的气体极板区域有辉光,上标“*”表示那些能量要远远大于基态的粒子。分离的原子或分子被称为

13、自由基，它们具有不完整的结合状态并且非常活跃。如：SiH3，SiO，F等。,PECVD：在等离子体反应器中，PECVD最重要的特征是能在更低的温度下淀积出所需要的薄膜。,PECVD淀积的氧化硅和氮化硅膜与较高高温下LPCVD的膜相比有以下特征：应力较大、含H、非化学比的结构因而造成膜的性质的不同：粘附能力较差，有针孔、表面粗糙度增大，介电常数下降，折射率下降，腐蚀速率增加。,PECVD薄膜淀积质量强烈依赖于RF功率、压强、温度等参数,物理气相淀积（PVD）蒸发（Evaporation）溅射（Sputtering）,淀积金属、介质等多种薄膜,淀积金属薄膜,真空蒸发：在真空中，把蒸发料(金属)加热

14、，使其原子或分子获得足够的能量，克服表面的束缚而蒸发到真空中成为蒸气，蒸气分子或原子飞行途中遇到基片，就淀积在基片上，形成薄膜,加热器：电阻丝或电子束,真空状态,蒸发,一、真空蒸发淀积薄膜的物理过程蒸发过程：被蒸发物质从凝聚相（固相或液相）转化为气相的过程所需能量为汽化热Hv 在真空系统中的输运过程(c)气相分子在衬底上吸附、成核和生长,P为蒸汽压，A为积分常数，R0为阿夫加德罗常数,不同元素的平衡蒸气压与温度的函数关系为了得到合适的淀积速率，样品蒸气压至少为10 mTorr。Ta，W，Mo和Pt，这些难熔金属，它们具有很高的溶化温度，如为达到10 mtorr 的蒸气压，钨需要超过3000。,

15、二、真空度与分子平均自由程,高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行，因为：源材料的气相原子和分子在真空中的输运必须直线运动，以保证金属材料原子和分子有效淀积在衬底上，真空度太低，蒸发的气相原子或分子将会不断和残余气体分子碰撞，改变方向。残余气体中的氧和水气，会使金属和衬底氧化残余气体和其他杂质原子和分子也会淀积在衬底,反比于气体压强,r为气体分子的半径,平均自由程,可见蒸发的淀积速率和蒸发材料、温度/蒸汽压、及淀积腔的几何形状决定反应腔内晶片的位置、方向有关。,如坩锅正上方晶片比侧向的晶片淀积得多。为了得到好的均匀性，常将坩锅和晶片放在同一球面,由Langmuir-Knudsen理论，有,P

16、e是蒸气压（torr），As是源面积，m为克分子质量，T为温度,加热器,a)必须在蒸发温度提供所需热量，但本身结构仍保持稳定。熔点高于被蒸发金属熔点 b)不能与处于熔融状态的蒸发料合金化或化合c)蒸气压很低d)易加工成形例：难熔钨丝螺旋式蒸发源,电子束蒸发（ebeam）a)电流通过螺旋状灯丝，使其达到白炽状态后发射电子 b)电子向阳极孔方向发射形成电子束，加速进入均匀磁场c)电子在均匀磁场洛仑兹力作用下作圆周运动d)调节磁场强度控制电子束偏转半径，使电子束准确射到蒸发源e)蒸发源熔融汽化，淀积到硅片表面,优点：淀积膜纯度高，钠离子污染少,电子偏转枪,电阻丝,为了实现球形结构，晶片放在一个行星转

17、动的半球罩内 有公转和自转。淀积的均匀性可以得到很大改善,电子束蒸发系统,蒸发工艺中的一些问题:对某些元素淀积速率很慢合金和化合物很难采用台阶覆盖差目前大生产很少采用,溅射的优点：台阶覆盖比蒸发好辐射缺陷远少于电子束蒸发制备复合材料和合金性能较好可以淀积介质材料,溅射Sputtering-溅射淀积Sputter deposition,利用高能粒子（通常是由电场加速的正离子如Ar+）撞击固体表面，使表面离子（原子或分子）逸出的现象,溅射的种类:直流溅射射频溅射反应溅射磁控溅射准直溅射.,不同元素的平衡蒸气压与温度的函数关系,而不同元素的溅射产率（yield）相差不大（0.1-3 per inci

18、dent ion）,1、直流（DC）溅射,只能溅射导电物质a）阳极（anode）上放硅片，阴极（cathode）是靶，真空室作为放电二极管，通入放电气体（如Ar）b）阴极加110 kV负高压，产生辉光放电，形成等离子体c）正离子被加速至数百-数千伏，撞击在靶材上，将靶材中原子剥离d）这些原子形成蒸汽并自由地穿过等离子体区到达硅表面e）溅射淀积时反应腔里压力在10 mtorr左右。在引入放电气体前，真空室base pressure要达高真空（106 torr以上）,直流溅射系统中等离子体结构和电压分布（系统中通入氩气）,等离子体中包含同等数量的正氩离子和电子以及中性氩原子大部分的电压降在阴极暗区

19、氩离子轰击阴极靶（如Al）,Al原子被溅射出，通过等离子区淀积到阳极硅片上,溅射中的主要过程,阴极暗区,2、射频溅射 也可溅射介质 如靶是绝缘材料，不能采用直流溅射，因为绝缘靶上会有正电荷积累。此时可以使用交流电源。,13.56 MHz,RF溅射系统中稳态时的电压分布,当两边面积不等时，面积小的电极一边（电流密度大）有更大电压降，并有关系:,V2,V1,m=12（实验值）,一般将靶电极的面积设计得较小，电压主要降在靶电极，使溅射在靶上发生。硅片电极也可以和反应腔体相连，以增加电压降比值,硅片电极也可以单独加上RF偏压，这样在实际淀积前可预先清洁晶片或“溅射刻蚀”.另外一种应用是偏压-溅射淀积（

20、bias-sputter deposition），在晶片上溅射和淀积同时进行。这可以改善淀积台阶覆盖性,3、反应溅射,在溅射气体中引入反应活性气体如氧或氮气，可改变或控制溅射膜的特性。如在低温下可制作SiOx、SiNx等钝化膜或多属布线中的绝缘层；TiN、TaN等导电膜或扩散阻挡层,4、磁控溅射,直流溅射和RF溅射中，电子和气体分子碰撞的离化效率较低，电子的能量有许多消耗在非离化的碰撞和被阳极收集。通过外加磁场提高电子的离化率,磁控溅射可以提高溅射效率。,可溅射各种合金和难熔金属，不会像蒸发那样，造成合金组分的偏离阴极表面发射的二次电子由于受到磁场的束缚,使得高密度等离子体集中在靶附近,而不再

21、轰击硅片，避免了硅片的升温均匀性、重复性好，有良好的台阶覆盖溅射效率提高,5、准直溅射,薄膜淀积总结,CVD versus PVD(coarse comparison),本章主要内容,常用的淀积薄膜有哪些？举例说明其用途。,什么是CVD？描述它的工艺过程。,CVD的控制有哪两种极限状态？分别控制什么参数是关键？,单晶硅（外延）器件；多晶硅栅电极；SiO2互连介质；Si3N4钝化。金属,化学气相淀积：反应剂被激活后在衬底表面发生化学反应成膜。1)主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面；2)反应剂被吸附在硅片表面；3)反应成核生长；4)副产物挥发。,表面反应控制：温度质量输运控制：反应器形状，硅片放置,