半导体工艺技术薄膜淀积
半导体制造技术—第四讲：淀积工艺
提供反应物质：反应气体是淀积过程中形成薄膜的主要物质来源 控制反应速率：反应气体的浓度和流量可以控制反应速率从而影响薄膜的厚度和质量 影响薄膜性质：反应气体的种类和比例可以影响薄膜的性质如导电性、光学性能等 参与化学反应：反应气体在淀积过程中参与化学反应形成所需的薄膜材料
半导体制造技术之淀 积工艺
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淀积工艺概述
淀积工艺的原理
淀积工艺的应用
淀积工艺的优缺点
淀积工艺的未来展 望
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淀积工艺概述
淀积工艺是半导体制造过程中的关键步骤之一 主要目的是在硅晶圆上沉积一层或多层薄膜 薄膜可以是金属、氧化物、氮化物等 淀积工艺包括化学气相淀积（CVD）、物理气相淀积（PVD）等方法
研究方向：新型材料、新工艺、新设备 技术挑战：提高性能、降低成本、提高可靠性 研发目标：实现更高性能、更低成本、更可靠的淀积工艺 研发成果：新型材料、新工艺、新设备的研发和应用
太阳能电池：利用淀积工艺制造高效太阳能电池提高光电转换效率 燃料电池：利用淀积工艺制造高性能燃料电池提高能源转换效率 储能设备：利用淀积工艺制造高性能储能设备提高储能效率和稳定性 电动汽车：利用淀积工艺制造高性能电动汽车电池提高续航里程和充电速度
物理淀积的优 点是沉积速度 快沉积层厚度 均匀沉积层质
量高
化学淀积是一种通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
化学淀积可以分为气相化学淀积和液相 化学淀积两种类型
气相化学淀积是通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
液相化学淀积是通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
化学淀积工艺可以应用于半导体制造中的各 种薄膜制备如氧化物、氮化物、金属等
pecvd淀积sio2薄膜工艺研究
pecvd淀积sio2薄膜工艺研究PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）是一种常用的薄膜制备技术，其在半导体、光电子和微电子领域有广泛应用。
本文将以PECVD淀积SiO2薄膜工艺为研究对象，探讨其工艺原理、参数对薄膜性能的影响以及优化方法等方面内容。
一、工艺原理PECVD是一种在低压和高频电源激励下进行的化学气相沉积技术。
其原理是通过电离的等离子体将前驱体气体分解成活性物种，然后在衬底表面发生化学反应，最终形成所需的薄膜。
二、工艺参数1. 前驱体气体：常用的SiO2前驱体气体有TEOS（四乙氧基硅烷）和SiH4（硅烷）等。
不同的前驱体气体会影响薄膜的化学组成和物理性质。
2. 气体流量：控制前驱体气体的流量可以调节沉积速率和薄膜厚度。
3. 气体比例：混合气体中各种气体的比例会对薄膜的化学组成和性质产生影响。
4. 沉积温度：温度对薄膜的致密性、结晶度和附着力等性能有重要影响。
5. 沉积压力：沉积压力是控制沉积速率和薄膜致密性的重要参数。
三、薄膜性能1. 厚度均匀性：PECVD技术可以实现较好的均匀性，通过调节沉积参数可以进一步改善薄膜的均匀性。
2. 化学组成：前驱体气体的选择和混合比例会影响薄膜的化学组成，从而影响其介电性能、光学性质等。
3. 结晶度：沉积温度和沉积压力对薄膜结晶度有重要影响，高温和高压可以提高薄膜的结晶度。
4. 压电性能：SiO2薄膜具有压电效应，可以应用于传感器、压电驱动器等领域。
四、优化方法1. 参数优化：通过调节沉积温度、沉积压力、气体流量等参数，可以获得理想的薄膜性能。
2. 前处理：在沉积前对衬底进行清洗和表面处理，可以提高薄膜的附着力和致密性。
3. 薄膜后处理：对沉积后的薄膜进行退火、氧化等处理，可以改善薄膜的性能和稳定性。
PECVD淀积SiO2薄膜工艺是一种重要的薄膜制备技术，其工艺参数和薄膜性能之间存在着密切的关系。
【2024版】微电子工艺之薄膜技术
二、外延掺杂及杂质再分布
3.杂质再分布
再分布：外延层中的杂质向衬底扩散；
衬底中的杂质向外延层扩散。
总杂质浓度分布：各自扩散的共同结果。
①衬底杂质的再分布（图3－21）
初始条件:N2(x,0)=Nsub,x<0; N2(x,0)=0,x>0; 边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀，即
当vt» D1t 时，有
N1x,t
Nf 2
erfc
2
x D1t
二、外延掺杂及杂质再分布
当vt»2 D1t 时，有
N1(x,t)≈Nf
③总的杂质分布（图3－24）
N(x,t)=N1(x,t)± N2(x,t) “+”: 同一导电类型；
“－”:相反导电类型；
三、自掺杂（非故意掺杂）
1.定义
N 2 x
x 0
二、外延掺杂及杂质再分布
边Jd界条D件2 二Nx：2 在xx外f 延J层b 表J s面 （h2x=vxfN）2 ,扩x f 散,t 流密度Jd为
解得：
N2x,t
N sub 2
erfc
2
x D2 t
v h2 2h2
v
ex
p
D2
vt
x erfc
2vt x 2 D2t
①当hG» ks，则 NGS≈NG0，V= ks(NT/ NSi) Y，是表面反 应控制。
②当ks» hG，则 NGS ≈0， V= hG(NT/ NSi) Y，是质量转 移控制。
二、外延掺杂及杂质再分布
1. 掺杂原理－以SiH4-H2-PH3为例
半导体cvd工艺
半导体cvd工艺一、概述半导体CVD工艺是一种化学气相沉积技术，用于在半导体材料表面上生长薄膜。
它是制造集成电路和其他微电子器件的关键工艺之一。
本文将详细介绍半导体CVD工艺的流程、设备和应用。
二、工艺流程1. 基础材料准备在进行CVD之前，需要准备基础材料。
这包括半导体衬底（例如硅片）、预处理步骤和清洗步骤。
2. 气源准备CVD需要气源来提供反应物质。
常见的气源包括硅烷、三甲基铝、二甲基锗等。
3. 反应室设置反应室是进行CVD反应的地方。
它通常由高温炉子和反应器组成。
在进行CVD反应之前，需要将反应器清洗干净，并将所需的气源送入反应室中。
4. 气态淀积层生长一旦所有材料和设备都准备就绪，就可以开始进行气态淀积层生长了。
在此过程中，所需的气源会被引入到高温反应室中，然后在半导体衬底表面上沉积一层薄膜。
5. 氧化在CVD过程结束后，需要进行氧化处理。
这通常包括将样品放入氧化炉中，在高温和高压下进行氧化反应。
这个步骤可以增强薄膜的质量和稳定性。
6. 后处理最后，需要进行后处理步骤，以确保薄膜的完整性和可靠性。
这可能包括清洗、退火或其他处理方法。
三、设备1. 反应器反应器是CVD工艺的核心部件。
它是一个密封的容器，用于将气源送入其中，并在高温下使其反应并沉积到半导体衬底上。
2. 气源系统气源系统用于将所需的气源输送到反应器中。
它通常由几个瓶子、阀门、流量计和管道组成。
3. 炉子炉子是用于加热反应器的设备。
它可以通过控制温度来控制CVD过程中的反应速率和沉积速率。
4. 气相分析仪气相分析仪用于监测CVD过程中产生的气体。
它可以帮助确定反应条件是否正确，并且可以检测到任何意外的气体泄漏。
5. 氧化炉氧化炉用于进行氧化处理，以增强薄膜的质量和稳定性。
它通常由一个密封的炉子和一个高温和高压的环境组成。
四、应用1. 集成电路制造CVD工艺是制造集成电路中各种元件所需的关键步骤之一。
它可以用于生长多种材料，包括二氧化硅、多晶硅、金属等。
半导体器件-半导体工艺介绍-薄膜淀积
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特点：使用有机金属化合物作为反应物。
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它是利用有机金属如三甲基镓、三甲基铝等与特殊气体如砷化氢、磷化氢等，在反应器内进行化学反应，并使反应物沉积在衬底上， 而得到薄膜材料的生产技术。
作为有机化合物原料必须满足的条件： 在常温左右较稳定，且容易处理。 反应生成的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层。 为了适应气相生长，在室温左右应有适当的蒸气压（≥1Torr）。 原料的优点： 这类化合物在较低的温度即呈气态存在，避免了液态金属蒸发的复杂过程。
MOCVD设备
物理沉积PVD （Physical Vapor Deposition）
没有化学反应出现，纯粹是物理过程
采用蒸发或溅射等手段使固体材料变成蒸汽，并在基底表面凝聚并沉积下来。
Thermal Evaporation (热蒸发) E-beam Evaporation (电子束蒸发) Sputtering (溅射) Filter Vacuum Arc (真空弧等离子体) Thermal Oxidation (热氧化) Screen Printing (丝网印刷) Spin Coating (旋涂法) Electroplate (电镀) Molecular Beam Epitaxy (分子束外延)
高真空 环境
<10-3 Pa
物理沉积方法
热蒸发技术 (Thermal Evaporation Technique)
蒸发工艺是最早出现的金属沉积工艺
钨W(Tm=3380℃) 钽Ta(Tm=2980℃) 钼Mo(Tm=2630℃)
热蒸发-几种典型结构
挡板
蒸发源
晶振
电子束蒸发 (E-beam Evaporation Technique)
半导体制造技术—第四讲：淀积工艺
5. 氧化还原反应： 反应3与4地组合，反应后形成两
种新的化合物。
半导体知识人
以上5中基本反应中，有一些特定的 化学气相淀积反应用来在硅片衬底上淀 积膜。对于某种特定反应的选择通常要 考虑淀积温度、膜的特性以及加工中的 问题等因素。 例如，用硅烷和氧气通过氧化反应 淀积 SiO 2 膜。反应生成物 SiO2 淀积在硅 片表面，副产物事是氢。 SiH4 + O2 SiO2 + 2H2
半导体知识人
连续加工的APCVD 反应炉
反应气体 1 惰性分隔气体 膜 反应气体 2 硅片
半导体知识人
ULSI硅片上的多层金属化
钝化层
ILD-6
压点金属
ILD-5 M-4 ILD-4 M-3 ILD-3 M-2 ILD-2 M-1 Via Poly gate LI metal n+ p+ n-well p+ LI oxide STI n+ p-well n+ p+ ILD-1
p- Epitaxial layer
半导体知识人
在更低的反应温度和压力下，由于只有更 少的能量来驱动表面反应，表面反应速度会降 低。最终反应物达到硅片表面的速度将超过表 面化学反应的速度。在这种情况下。淀积速度 是受化学反应速度限制的，此时称表面反应控 制限制。
CVD 气流动力学
CVD气流动力学对淀积出均匀的膜很重要。 所谓气体流动，指的是反应气体输送到硅片表 面的反应区域（见下图）。CVD气体流动的主 要因素包括，反应气体从主气流中到硅片表面 的输送以及在表面的化学反应速度。
第四讲：淀积工艺
半导体知识人
概
述
薄膜淀积是芯片加工过程中一个至关重要 的工艺步骤，通过淀积工艺可以在硅片上生长 导各种导电薄膜层和绝缘薄膜层。 各种不同类型的薄膜淀积到硅片上，在某 些情况下，这些薄膜成为器件结构中的一个完 整部分，另外一些薄膜则充当了工艺过程中的 牺牲品，并且在后续的工艺中被去掉。 本章将讨论薄膜淀积的原理、过程和所 需的设备，重点讨论SiO2和Si3N4等绝缘材料薄 膜以及多晶硅的淀积。金属和金属化合物薄膜 的淀积将在第13章中介绍。
薄膜淀积与外延技术
产业应用与发展
产业应用：集成电路、微电子 器件、光电子器件等
发展方向：高精度、高稳定性、 低成本
技术挑战：材料选择、工艺控 制、设备优化等
未来展望：与新材料、新工艺、 新应用相结合，推动产业升级 与创新
面临的挑战与问题
技术瓶颈：薄 膜淀积与外延 技术仍面临许 多技术瓶颈， 如淀积速率、 淀积厚度、淀 积均匀性等。
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挑战与机遇：薄膜淀积与外延技术发展面 临的挑战包括提高生产效率、降低成本、 提高产品性能等，但同时也面临着巨大的 市场机遇和发展空间。
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技术创新：随着新材料、新工艺和新技术 的不断涌现，薄膜淀积与外延技术将不断 突破现有技术的限制，实现更高效、更精 确、更可靠的生产。
未来展望：随着科技的不断进步和应用需 求的不断增长，薄膜淀积与外延技术将迎 来更加广阔的发展前景，为人类的生产和 生活带来更多的便利和价值。
薄膜淀积与外延技术的比较
技术特点比较
淀积技术：淀积技术是指将材料一层一层地叠加在一起，形成薄膜的技术。淀积技术可以用于制造各种薄膜，如金属、绝缘体 和半导体等。
外延技术：外延技术是指通过在单晶衬底上生长一层单晶材料，从而制造出单晶薄膜的技术。外延技术可以用于制造高纯度、 高性能的单晶薄膜，如硅基集成电路等。
外延生长材料
单晶材料：外延生长的基础，具有高纯度、高完整性、低缺陷密度的特点
多晶材料：通过特殊的晶体取向控制，实现外延生长，广泛应用于太阳能 电池等领域
化合物材料：通过元素组合形成具有特定性能的化合物材料，如GaAs、 InP等
金属材料：通过外延技术实现金属薄膜的连续生长，广泛应用于电子器件 等领域
土壤修复：通过薄膜淀积与外延技术，可制备出适用于不同土壤修复需求的材料，有效 治理土壤污染。
半导体工艺技术薄膜淀积
hG 是质量输运系数（cm/sec）
半导体工艺技术
13
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：
ks CS CG 1 hG
1
第九章 薄膜淀积
设
半导体工艺技术
第九章 薄膜淀积
半导体工艺技术
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
第九章 薄膜淀积
外延硅应用举例
半导体工艺技术
6
外延：在单晶衬底上生长一层新
的单晶层，晶向取决于衬底
第九章 薄膜淀积
解决办法：等离子增强化学气相 淀积 PECVD
第九章 薄膜淀积
半导体工艺技术
30
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：SiH4→Si(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（grain growth）。
斜率与激活 能Ea成正比
第九章 薄膜淀积
半导体工艺技术
26
低压化学气相淀积 （LPCVD） 在质量输运控制区域：
半导体技术之-CVD
Content
HNO3:HF=1:1
20min
冲水
1 hour
丙酮CH3COCH3脱水
N2气吹干
真空系统
❖ 极限真空小于1mTorr ❖ 漏率不超过20mTorr ❖ 压力调节功能正常、稳定 ❖ 从1atm达到极限真空的时间不超过10分钟 ❖ 从极限真空达到1atm不少于8分钟
流程单和硅片处理流程
CVD (LP, PE, AP)
Photo
Metallization/
Sputter or Evaporation
Etch
CoWma.pfelerte
Content
❖LPCVD Furnace – TEL DD 802(6”) ❖APCVD – Walkins-Johnson WJ-999
(6”) ❖PECVD – Concepts 1 (6”)
温度
<350℃ PECVD <400℃ PECVD
标注
无定型的薄膜，很高的 H2含量，屏蔽水分、Na
无定型的薄膜，很低的 H2含量，屏蔽水分、Na
金属薄膜CVD ???
系统的基本分级
级别 APCVD LPCVD PECVD
CVD系统的分级
能量
压力
温度
thermal
常压
中低温
thermal
250~2000mTorr
3.3
3.4
3.5
3.6
4.1
4.2
Ring Etch
4.3
4.4 5.1
PR strip 5.2
5.3
J-FET Implant 6.1
7.1
Gate Oxidation 7.6
7.7
扬州大学物理学院半导体工艺
1、ILD:层间介质：充当了各层金属间以及第一层金属与硅之间的介质材料。
层间介质上有很多小的通孔，这些层间介质上的细小开口为相邻的金属层之间提供了电学通道。
2、Damascene:大马士革工艺：工艺首先要求淀积一层介质薄膜，接下来是化学机械抛光、刻印、刻蚀和钨金属淀积，最后以金属层抛光结束。
这种工艺称为大马士革。
这种工艺的最后结果是在硅片表面得到一种类似精制的镶嵌首饰或艺术品的图案。
3、Polish:抛光：通过使硅片凸出的部分减薄到凹陷部分的厚度，以实现硅片表面平坦化。
CMP是目前先进的抛光方法。
4、anneal:退火：加高温使晶格重新生长消除缺陷，原理：温度升高，硅原子剧烈运动，撤去热源，硅原子重新按能量最低原理排列。
退火作用：推进，激活杂质，修复损伤。
5、Diffusion：扩散：扩散是由粒子浓度较高的地方向着浓度较低的地方进行，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀；浓度的差别越大，扩散越快；温度越高，扩散也越快。
扩散需要三个步骤：预淀积，推进和激活。
6、dry oxidation:干法氧化：1、如果生长发生有干氧，化学反应方程式：Si＋O2 SiO2 氧化速度慢，氧化层干燥、致密，均匀性、重复性好，与光刻胶的粘附性好7、atmospheric pressure：APCVD常压化学气相淀积：二、APCVD工艺化学反应在常压下进行，APCVD常用于淀积二氧化硅，特别是掺杂的SiO2 ，如磷硅玻璃（PSG）。
APCVD特点：(1)、Si片水平放置，产量低，易被管壁掉渣污染，需冷壁加热；(2)、常用温度700~ 900 ℃，沉淀速率由质量转移和反应速度决定(3)、均匀性较差，易产生雾状颗粒、粉末等。
为提高均匀性，须提高稀释气体流量，同时降低淀积温度。
目前普遍采用LTCVD（常压下低温化学气相淀积）SiO2 和掺杂SiO2 膜。
8、Epitaxial layer：外延层：外延是在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层。
第四章半导体器件工艺学之淀积
一、薄膜特性（质量参数要求）
高密度：连续的 不含孔隙 厚度一致（均匀性） 对台阶的覆盖好 高的深宽比间隙填充能力 高纯度 合适的化学剂量 低的膜应力 对下层材料的粘附性
台阶覆盖
间隙填充能力
用深宽比来描述一个间隙（孔或槽） 深宽比=深/宽 高的深宽比典型值一般为3 有时是5或更大 一般膜淀积时槽的底部和边缘比较薄
类似于真空蒸发淀积，是用来淀积外延层 可达到原子分辨率的一种方法 MBE系统提供电磁场使硅原子蒸发，这些 硅原子束离开硅源，流动通过腔体，淀积 在单晶硅片上 特点：低温，减少了自掺杂和外扩散 生长速度慢 膜形成易控制，可实现单层增量控制 产率低，花费高
§4-4金属化与平坦化
什么是金属化 基本概念： 互连 接触 通孔 栓塞
常压CVD（APCVD） 低压CVD（LPCVD） 等离子体辅助CVD（PECVD）
1.常压CVD（APCVD）
属于质量传输限制：反应速度可以保证 反应气体的量不充足 特点： 淀积速度快 台阶覆盖能力差 气体消耗量大 低产出率 应用：淀积SiO2和掺杂的氧化硅，用于层间 绝缘、保护性覆盖物、表面平坦化等功能 的
金属热蒸发台
真空蒸发法结构示意图
电子束蒸发法结构示意图
溅射
高能粒子撞击靶，撞击出原子，沉积在基 片上，形成薄膜 特点： 可在大晶圆上控制淀积均匀的薄膜 膜厚均匀，台阶覆盖能力好 保持复杂合金原组分 能淀积高熔点和难溶金属 能够在淀积金属前清除硅片表面沾污和本 身的氧化层（原位溅射）
溅射机制
3.等离子体辅助CVD（PECVD）
在LPCVD基础上，加高频电场，使反应气 体电离成等离子体，发生反应，沉积成膜 特点：低压，可与LPCVD比拟 低温 快速淀积 好的台阶覆盖能力 要求RF系统 成本高 应用：淀积热稳定性差的材料
第五章淀积
积
5.1引言
现代半导体器件和电路的进展要求对大量的不同材料进行集成 化。制造这些器件需要对不同的材料进行可控沉积和加工：金属主 要用于各种半导体区域之间的互连，绝缘体则用于金属导线和半导 体间的电隔离，二氧化硅和其它材料的沉积可用于生成器件的有源 区，如硅的金属－氧化物－半导体场效应晶体管的有源区。对金属、 半导体、绝缘体进行加工是在衬底硅片表面的薄层中进行的。器件 的特性依赖于这些沉积层的化学、物理及结构特性。
二、膜淀积 薄膜：指一种在衬底上生长的薄固体物质，其某一维尺寸通常远远 小于另外两维上的尺寸。描述薄膜的单位是埃。 半导体制造中的薄膜淀积是指任何在硅片衬底上物理淀积一层膜的 工艺。这层膜可以是导体、绝缘体或者半导体材料（二氧化硅、氮 化硅、多晶硅以及金属） 薄膜的特性： 好的台阶覆盖能力 填充高的深宽比间隙的能力 好的厚度均匀性 高纯度和高密度 受控制的化学剂量
四、膜淀积技术
主要的淀积方法可分为化学工艺和物理工艺 化学工艺： 化学气相淀积（CVD） 常压化学气相淀积（APCVD) 低压化学气相淀积(LPCVD) 等离子体辅助化学气相淀积 金属有机物化学气相淀积 电镀（电化学淀积） 电化学淀积（ECD） 化学镀层
物理工艺： 物理气相淀积（PVD或溅射） 蒸发 旋涂方法 旋涂玻璃（SOG） 旋涂绝缘介质（SOD）
高度的结构完整性和低的膜应力 好的电学特性 对衬底材料或下层膜好的粘附性
膜对台阶的覆盖：图形制作可以在硅片表面生成具有三个空 间维度的图形，这就形成了硅片表面的台阶，如果淀积的膜在 台阶上变薄，就容易导致高的膜应力、电短路或者在器件中产 生不希望的诱生电荷。所以膜的应力要尽量小。 高的深宽比间隙：可以用深宽比来描述一个小的间隙（槽或 孔）。深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值。填充硅片表面 上很小的间隙和孔的能力成为最重要的薄膜特性。对于穿过层 间介质的通孔，以及用来进行浅槽隔离的槽等，都需要有效间 隙填充。高深宽比的间隙使得难于淀积形成厚度均匀的膜，并 且会产生夹断和空洞。随着高密度集成电路特征尺寸的不断减 小，对于高深宽比的间隙可以进行均匀、无空洞填充淀积工艺 显得至关重要。
半导体工艺中所涉及的常用薄膜
Film DepositionDeposition is the process of depositing films onto a substrate. There are three categories of these films:* POLY* CONDUCTORS* INSULATORS (DIELECTRICS)Poly refers to polycrystalline silicon which is used as a gate material, resistor material, and for capacitor plates.Conductors are usually made of Aluminum although sometimes other metals such as gold are used. Silicides also fall under this category. Insulators refers to materials such as silicon dioxide, silicon nitride, and P-glass (Phosphorous-doped silicon dioxide) which serve as insulation between conducting layers, for diffusion and implantation masks, and for passivation to protect devices from the environment.……MoF 6+SiH 4MoSiWF 6+SiH 4WSiAl, Cu, W……SiH 4+PH 3+O 2PSGSiH 2Cl 2+NH 3Si 3N 4SiH 4+O 2SiO 2SiH 2Cl 2Epi-SiSiH 4Poly-Si半导体工艺中所涉及的常用薄膜：（PSG = Phospho-Silicate Glass)There are two major classifications of deposition techniques each having its own subset of relatedtechniques:Deposition Method:Sputtering (溅射）Evaporation (蒸发）CVD技术：使用加热、等离子体或紫外线等各种能源，使气态物质经化学反应（热解或化学合成）形成固态物质淀积在衬底上的方法，叫做化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition)技术，简称CVD技术。
半导体制造工艺 第2版
学习情景三
难以淀积合金材料
由于合金是两种金属材料组成，而两种金 属就会有两种不同的熔点，这使得利用蒸 发使合金材料按原合金比例淀积到硅片上 是不可能的；
常州信息职业技术学院
学习情景三
溅射
概念：
利用等离子体中的离子，对被溅镀物体 （粒子靶）进行轰击，使气相等离子体内 具有被溅镀物体的粒子，这些粒子淀积到 硅晶片上形成溅射薄膜；
常州信息职业技术学院
学习情景三
真空设备
机械泵 又称真空旋转泵，用来获得低真空的一种 抽气设备； 能从一个大气压开始抽气，真空度可达103Torr；
常州信息职业技术学院
机械泵结构示意图
学习情景三
常州信息职业技术学院
油泵扩散
学习情景三
原理：当机械泵抽气达到10-2Torr以后，再要 抽气，就要用到油扩散泵了（它的起始点必 须在10-2Torr）； 工作时用电炉加热扩散泵油，使之沸腾， 产生大量油蒸汽； 油蒸汽通过各级喷嘴以较高的速率喷射出 来。系统中的气体分子不断作扩散运动， 一旦与油蒸汽分子相撞，就被油蒸汽分子 带走。因为油蒸汽分子的质量大，并且作 定向运动，所以气体分子就会被油蒸汽分 子带到前方；
常州信息职业技术学院
溅射示意图
学习情景三
常州信息职业技术学院
学习情景三
辉光放电
轰击靶材料的高能粒子是辉光放电产生的； 气，两个电极之间的距离为15cm，电压为 1.5kv，在玻璃管中引入一个电子，这个电 子在两个电极间的电场中加速，这个自由 电子有可能碰撞氩原子，把氩原子中的电 子激发出来，激发出来的电子就是轰击源 材料的轰击源；
常州信息职业技术学院
学习情景三
半导体工艺-薄膜淀积
SiCl4浓度不能太高，否则反而侵蚀Si（图）
SiCl4 (vapor) + Si (solid)
2SiCl2 (vapor)
掺杂剂的反应：
AsH3 (vapor)
As (solid) + 3/2H2 (vapor)
15
Si外延薄膜CVD生长过程 SiCl4
吸附 反应或分解
表面迁移到突出位置，合并进生长层
18
1.3、外延层缺陷
从衬底来的缺陷：高质量衬底，无位错 从界面来的缺陷：界面污染物，清洗表面 沉淀或位错环：局部过饱和掺杂杂质或其他杂质 小角晶界或孪晶：不当方位外延薄膜相遇结合 线位错：晶格不匹配异质外延，形变由位错来弛豫
19
1.3、外延层缺陷
同质外延：严格的晶格匹配外延工艺，如Si/Si 异质外延：晶格匹配外延和形变层外延，如 AlxGa1-xAs/GaAs, GexSi1-x/Si
外延薄膜在真空环境中生长，杂质污染较小，无机械损伤; 灵活控制不同区域掺杂浓度，改善半导体器件性能。
外 延 生 长 工 艺 ： 化 学 气 相 沉 积 （ CVD ） 和 分 子 束 外 延 （MBE）。
7
1.1、化学气相沉积（CVD）
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）
氧化层
Si
气流层
C
C0
扩散通量F1
SiO2
Si
x C0为氧化层表面处氧化剂浓度
Ci为Si-SiO2界面处氧化剂浓度
20
晶格匹配外延
外延---晶格匹形配变层外延
同质外延：严格的晶格匹配外延工艺 异质外延：晶格匹配外延和形变层外延
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异质外延：晶格匹配外延和形变层外延
半导体制造主要设备及工艺流程
半导体制造主要设备及⼯艺流程半导体产品的加⼯过程主要包括晶圆制造（前道，Front-End）和封装（后道，Back-End）测试，随着先进封装技术的渗透，出现介于晶圆制造和封装之间的加⼯环节，称为中道（Middle-End）。
由于半导体产品的加⼯⼯序多，所以在制造过程中需要⼤量的半导体设备和材料。
⼀、晶圆制造在这⾥，我们以最为复杂的晶圆制造（前道）和传统封装（后道）⼯艺为例，说明制造过程的所需要的设备和材料。
晶圆⽣产线可以分成7个独⽴的⽣产区域：扩散（Thermal Process）、光刻（Photo- lithography）、刻蚀（Etch）、离⼦注⼊（Ion Implant）、薄膜⽣长（Dielectric Deposition）、抛光（CMP）、⾦属化（Metalization）。
这7个主要的⽣产区和相关步骤以及测量等都是晶圆洁净⼚房进⾏的。
在这⼏个⽣产区都放置有若⼲种半导体设备，满⾜不同的需要。
例如在光刻区，除了光刻机之外，还会有配套的涂胶/显影和测量设备。
传统封装（后道）测试⼯艺可以⼤致分为背⾯减薄、晶圆切割、贴⽚、引线键合、模塑、电镀、切筋/成型和终测等8个主要步骤。
与IC晶圆制造（前道）相⽐，后道封装相对简单，技术难度较低，对⼯艺环境、设备和材料的要求远低于晶圆制造。
三、半导体⼯艺解析半导体制造⼯艺是集成电路实现的⼿段，也是集成电路设计的基础。
⾃从1948年晶体管发明以来，半导体器件⼯艺技术的发展经历了三个主要阶段：1950年采⽤合⾦法⼯艺，第⼀次⽣产出了实⽤化的合⾦结三极管；1955年扩散技术的采⽤是半导体器件制造技术的重⼤发展，为制造⾼频器件开辟了新途径；1960年平⾯⼯艺和外延技术的出现是半导体制造技术的重⼤变⾰，不但⼤幅度地提⾼了器件的频率、功率特性，改善了器件的稳定性和可靠性，⽽且也使半导体集成电路的⼯业化批量⽣产得以成为现实。
⽬前平⾯⼯艺仍然是半导体器件和集成电路⽣产的主流⼯艺。
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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。
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
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SiCl4 H2 SiHCl3 HCl SiHCl3 H2 SiH2Cl2 HCl SiHCl3 SiCl2 HCl SiH2Cl2 SiCl2 H2 SiH2Cl2 Si 2HCl SiCl2 H2 Si HCl
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
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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
✓ 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
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(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
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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
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
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
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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
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
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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
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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
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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
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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
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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
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
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Chemical Vapor Deposition (CVD)
Epitaxy Substrate
Single crystal (epitaxy)
Courtesy Johan Pejnefors, 2001
Polycrystalline
方 例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering
式Leabharlann 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
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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
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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
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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
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1）化学气相淀积 — Chemical Vapor Deposition (CVD)
✓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
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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。