半导体工艺技术薄膜淀积

18
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
19
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?
半导体工艺技术薄膜淀积
2
3
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
4
1）化学气相淀积 — Chemical Vapor Deposition (CVD)
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
13
F1 hG (CG CS )
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
F F1 F2
可得：
CS
CG
1
ks hG
1
✓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
17
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。
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。
14
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
Y CG PG
PG
Hale Waihona Puke Baidu
CT PTotal PG PG1 PG2 ....
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
✓ 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
11
(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
20
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
21
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
22
SiCl4 H2 SiHCl3 HCl SiHCl3 H2 SiH2Cl2 HCl SiHCl3 SiCl2 HCl SiH2Cl2 SiCl2 H2 SiH2Cl2 Si 2HCl SiCl2 H2 Si HCl
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。
9
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
10
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
exp
Ea 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
16
生长速率和温度的关系
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
方 例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering
式
5
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
6
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
(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
12
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
则生长速率 v F kshG CG kshG CT Y N ks hG N ks hG N
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
15
Y一定时， v 由hG和ks中较小者决定
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
7
多晶硅薄膜的应用
CMOS栅电极材料；多层金属化电极的导电材料
8
Chemical Vapor Deposition (CVD)
Epitaxy Substrate
Single crystal (epitaxy)
Courtesy Johan Pejnefors, 2001
Polycrystalline