半导体制造工艺-12薄膜沉积(上)课件

半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)半导体薄膜：半导体薄膜：Si介质薄膜：介质薄膜：SiO2，Si3N4,BPSG，金属薄膜：金属薄膜：Al，Cu，W，Ti，在集成电路制在集成电路制备中，很多薄备中，很多薄膜材料由淀积膜材料由淀积工艺形成工艺形成单晶薄膜：单晶薄膜：Si,SiGe（外延）（外延）多晶薄膜：多晶薄膜：poly-SiDeposition1半导体薄膜：Si在集成电路制备中，很多薄膜材料由淀积工艺形成半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)1）化学气相淀积）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。化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。例如：例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2）物理气相淀积）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衬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衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。例如：例如：蒸发蒸发 evaporation，溅射，溅射sputtering两类主要的淀积方式两类主要的淀积方式21）化学气相淀积 Chemical Vapor Depo半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)除了除了CVD和和PVD外，制备薄膜的方法还有外，制备薄膜的方法还有:铜互连是由电镀工艺制作铜互连是由电镀工艺制作旋涂Spin-on镀/电镀electroless plating/electroplating3除了CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有:铜互连是由电镀工艺半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)外延：外延：在单晶衬底上生长一层新在单晶衬底上生长一层新的单晶层，晶向取决于衬底的单晶层，晶向取决于衬底外延硅应用举例外延硅应用举例4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半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)CMOSCMOS栅电极材料；多层金属化电极的导电材料栅电极材料；多层金属化电极的导电材料多晶硅薄膜的应用多晶硅薄膜的应用5CMOS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半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)Chemical Vapor Deposition(CVD)PolycrystallineSingle crystal(epitaxy)Courtesy Johan Pejnefors,20016Chemical Vapor Deposition(CVD半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)对薄膜的要求对薄膜的要求1.组分正确，玷污少，电学和机械性能好组分正确，玷污少，电学和机械性能好2.片内及片间（每一硅片和硅片之间）均匀性好片内及片间（每一硅片和硅片之间）均匀性好3.3.台阶覆盖性好（台阶覆盖性好（conformal coverage 保角覆盖）保角覆盖）4.填充性好填充性好5.平整性好平整性好 7对薄膜的要求组分正确，玷污少，电学和机械性能好7半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)化学气相淀积（化学气相淀积（CVD）单晶单晶(外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜半导体、介质、金属薄膜半导体、介质、金属薄膜常压化学气相淀积（常压化学气相淀积（APCVD），低压），低压CVD(LPCVD)，等离子体增强淀积（，等离子体增强淀积（PECVD）等）等CVDCVD反应必须满足三个挥发性标准反应必须满足三个挥发性标准在淀积温度下在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压反应剂必须具备足够高的蒸汽压除淀积物质外除淀积物质外,反应产物必须是挥发性的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淀积物本身必须具有足够低的蒸气压8化学气相淀积（CVD）单晶(外延）、多晶、非晶（无定型）薄半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)(1)(1)反应剂被携带气体引入反应器反应剂被携带气体引入反应器后，在衬底表面附近形成后，在衬底表面附近形成“滞留层滞留层”，然后，在主气流中的反应剂越，然后，在主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面过边界层扩散到硅片表面(2)(2)反应剂被吸附在硅片表面，并反应剂被吸附在硅片表面，并进行化学反应进行化学反应(3)化学反应生成的固态物质，化学反应生成的固态物质，即所需要的淀积物，在硅片表即所需要的淀积物，在硅片表面成核、生长成薄膜面成核、生长成薄膜(4)反应后的气相副产物，离反应后的气相副产物，离开衬底表面，扩散回边界层，开衬底表面，扩散回边界层，并随输运气体排出反应室并随输运气体排出反应室化学气相淀积的基本过程化学气相淀积的基本过程9(1)反应剂被携带气体引入反应器后，在衬底表面附近形成“滞留半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)F1是反应剂分子的粒子流密度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生长动力学从简单的生长模型出发，用从简单的生长模型出发，用动力学方法研究化学气相淀动力学方法研究化学气相淀积推导出积推导出生长速率的表达式生长速率的表达式及其两种极限情况及其两种极限情况与热氧化生长稍有与热氧化生长稍有不同的是，没有了不同的是，没有了在在SiO2中的扩散流中的扩散流10F1是反应剂分子的粒子流密度生长动力学与热氧化生长稍有10半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)hG 是质量输运系数（是质量输运系数（cm/sec）ks 是表面化学反应系数（是表面化学反应系数（cm/sec）在稳态，两类粒子流密度应相等。这样得到在稳态，两类粒子流密度应相等。这样得到可得：可得：11hG 是质量输运系数（cm/sec）ks 是表半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)设设则生长速率则生长速率这里这里 Y 为在气体中反应剂分子的摩尔比值为在气体中反应剂分子的摩尔比值,CG为每为每cm3中反应剂分子数，这里中反应剂分子数，这里CT为在为在气体中每气体中每cm3的所有分子总数的所有分子总数PG 是反应剂分子的分压，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。对硅外延是形成薄膜的单位体积中的原子数。对硅外延N为为51022 cm-3 12设则生长速率这里 Y 为在气体中反应剂分子的摩尔比值,PG 半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)Y一定时，一定时，v 由由hG和和ks中较小者决定中较小者决定1、如果、如果hGks，则，则CsCG,这种情况为表面反应控制过程这种情况为表面反应控制过程有有2、如果、如果hGks，则，则CS0，这是质量传输控制过程，这是质量传输控制过程有有 质量输运控制，对温度不敏感质量输运控制，对温度不敏感表面（反应）控制，对温度表面（反应）控制，对温度特别敏感特别敏感 13Y一定时，v 由hG和ks中较小者决定表面（反应）控制，对半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)T对对ks的影响较的影响较hG大许多，因此：大许多，因此：hGks表面控制表面控制过程在较低温度过程在较低温度出现出现生长速率和温度的关系生长速率和温度的关系硅外延：硅外延：Ea=1.6 eV斜率与激活能斜率与激活能Ea成正比成正比hGconstant14T对ks的影响较hG大许多，因此：生长速率和温度的关系硅外延半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)以硅外延为例（以硅外延为例（1 atm，APCVD）hG 常数常数Ea 值相同值相同外延硅淀积往往是外延硅淀积往往是在高温下进行，以在高温下进行，以确保所有硅原子淀确保所有硅原子淀积时排列整齐，形积时排列整齐，形成单晶层。为质量成单晶层。为质量输运控制过程。此输运控制过程。此时对温度控制要求时对温度控制要求不是很高，但是对不是很高，但是对气流要求高。气流要求高。多晶硅生长是在低多晶硅生长是在低温进行，是表面反温进行，是表面反应控制，对温度要应控制，对温度要求控制精度高。求控制精度高。15以硅外延为例（1 atm，APCVD）hG 常数Ea 值相半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)当工作在高温区当工作在高温区,质量控制为主导，质量控制为主导，hG是常数，是常数，此时反应气体通过边界层的扩散很重要，即反此时反应气体通过边界层的扩散很重要，即反应腔的设计和晶片如何放置显得很重要。应腔的设计和晶片如何放置显得很重要。记住关键两点：记住关键两点：ks 控制的淀积控制的淀积 主要和温度有关主要和温度有关hG 控制的淀积控制的淀积 主要和反应腔体几何形状有关主要和反应腔体几何形状有关16当工作在高温区,质量控制为主导，hG是常数，此时反应气体通过半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)单晶硅外延要采用图中的卧式反应设备，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放置硅片的石墨舟为什么要有倾斜?17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半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)这里界面层厚度这里界面层厚度 s是是x方向平板长度的函数。方向平板长度的函数。随着随着x的增加，的增加，s(x)增加，增加，hG下降。如果淀下降。如果淀积受质量传输控制，则淀积速度会下降积受质量传输控制，则淀积速度会下降沿支座方向反应气体浓度的减少沿支座方向反应气体浓度的减少,同样导致同样导致淀积速度会下降淀积速度会下降 为气体粘度为气体粘度 为气体密度为气体密度U为气体速度为气体速度18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半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)因此，支座倾斜可以促使因此，支座倾斜可以促使 s(x)沿沿x变化减小变化减小原理：原理：由于支座倾斜后，气流的流过的截面积由于支座倾斜后，气流的流过的截面积下降，导致气流速度的增加，进而导致下降，导致气流速度的增加，进而导致 s(x)沿沿x减小和减小和hG的增加。从而用加大的增加。从而用加大hG的方法来补偿的方法来补偿沿支座长度方向的气源的耗尽而产生的淀积速沿支座长度方向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率的下降。尤其对质量传输控制的淀积至关重要，如要，如APCVD法法外延硅外延硅。19因此，支座倾斜可以促使s(x)沿x变化减小19半导体制造工艺基础第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积 (上上)本节课主要内容本节课主要内容常用的淀积薄膜有哪些？常用的淀积薄膜有哪些？举例说明其用途。举例说明其用途。什么是什么是CVD？描述它的？描述它的工艺过程。工艺过程。CVD的控制有哪两种的控制有哪两种极限状态？分别控制什极限状态？分别控制什么参数是关键？么参数是关键？单晶硅（外延）单晶硅（外延）器件；多晶器件；多晶硅硅栅电极；栅电极；SiO2互连介质；互连介质；Si3N4钝化。金属钝化。金属化学气相淀积：反应剂被激活化学气相淀积：反应剂被激活后在后在衬底表面发生化学反应成衬底表面发生化学反应成膜。膜。1)主气流中的反应剂越过主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面；边界层扩散到硅片表面；2)反反应剂被吸附在硅片表面；应剂被吸附在硅片表面；3)反反应成核生长；应成核生长；4)副产物挥发。副产物挥发。表面反应控制：温度表面反应控制：温度质量输运控制：反应器形状，质量输运控制：反应器形状，硅片放置硅片放置20本节课主要内容常用的淀积薄膜有哪些？举例说明其用途。什么是C