半导体工艺技术薄膜淀积 PPT

Ea 值相同
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，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
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
F 1hG (C GC S)
hG 是质量输运系数（cm/sec）
F2 ksCS
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
FF1F2
可得：
CS
CG1
ks hG
1
设
Y CG CT
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
SiCl 4 H 2 SiHCl 3 HCl SiHCl 3 H 2 SiH 2Cl 2 HCl SiHCl 3 SiCl 2 HCl SiH 2Cl 2 SiCl 2 H 2 SiH 2Cl 2 Si 2 HCl SiCl 2 H 2 Si HCl
半导体工艺技术薄膜淀积
在集成电路制 备中，很多薄 膜材料由淀积 工艺形成
Deposition
✓半导体薄膜：Si
✓介质薄膜：SiO2，Si3N4, BPSG，… ✓金属薄膜：Al，Cu，W，Ti，…
单晶薄膜：Si, SiGe（外延） 多晶薄膜：poly-Si
1）化学气相淀积 — Chemical Vapor Deposition (CVD)
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。
为气体粘度
hG
DG s
为气体密度
U为气体速度
s (x)
x U
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
Polycrystalline
对薄膜的要求
1. 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 3. 台阶覆盖性好（conformal coverage — 保角覆盖） 4. 填充性好 5. 平整性好
化学气相淀积（CVD）
✓ 单晶 (外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜
YC GP G
P G
C T P TotaP lGP G 1P G 2....
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
则生长速率 vFkshG C GkshG C TY N kshGN kshGN
N是形成薄膜的单位体积中的原子数。对硅外延N为5×1022 cm-3
(3)化学反应生成的固态物质， 即所需要的淀积物，在硅片表 面成核、生长成薄膜 (4)反应后的气相副产物，离 开衬底表面，扩散回边界层，
化学气相淀积的基本过程
生长动力学
从简单的生长模型出发，用 动力学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
✓ 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
(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 层”，然后，在主气流中的反应剂 越过边界层扩散到硅片表面 (2)反应剂被吸附在硅片表面，并 进行化学反应
Y一定时， v 由hG和ksFra Baidu bibliotek较小者决定
1、如果hG>>ks，则Cs≈CG,这种情况为表面反应控制过程
有
v
CT N
ksY
ks
k0
expEa kT
表面（反应）控制，对温度 特别敏感
2、如果hG<<ks，则CS≈0，这是质量传输控制过程
有
v
CT N
hGY
质量输运控制，对温度不敏感
生长速率和温度的关系
CMOS栅电极材料；多层金属化电极的导电材料
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
Chemical Vapor Deposition (CVD)
Epitaxy Substrate
Single crystal (epitaxy)
Courtesy Johan Pejnefors, 2001
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
T对ks的影响较hG 大许多，因此：
hG≈constant
斜率与激活能 Ea成正比
✓ hG<<ks质量传 输控制过程出现 在高温
✓hG>>ks表面控制 过程在较低温度 出现
硅外延：Ea=1.6 eV
以硅外延为例（1 atm，APCVD）
hG 常数
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。
方 例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering
式
除了CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有:
✓旋涂Spin-on
✓镀/电镀electroless plating/electroplating
铜互连是由电镀工艺制作
外延硅应用举例
外延：在单晶衬底上生长一层新
的单晶层，晶向取决于衬底
多晶硅薄膜的应用
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
两 化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。
类 主
例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD
要 的 淀 积
2）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 底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。