薄膜沉积原理分析PPT课件

速率与蒸发的蒸气流(F)和靶（硅片）的几何形状相关
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集成电路工艺原理
第八章 薄膜淀积原理 (下)
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点源
小平面源
Revap是蒸发速率（g/s）
F
P k
R evap r2
FkP
Revap
r 2
cosn i
是源蒸汽的发射角度， 对于点源＝4
v
R evap Nr 2
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等离子增强化学气相淀积（PECVD）
13.56MHz
✓低温下（200～350 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。
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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…
(b) 在真空系统中的输运过程
(c) (c) 气相分子在衬底上吸附、成核 和生长
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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 ℃。
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集成电路工艺原理
仇志军
zjqiu@fudan.edu.cn
邯郸校区物理楼435室
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大纲
第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 后端工艺与集成 第十一章 未来趋势与挑战
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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
等离子体由电子、离化分子、中性分 子、中性或离化的分子片断、激发的 分子和自由基组成。假设流进的气体 是由原子A和原子B组成的分子AB, 在 辉光放电中可出现的过程可有:
激 原子激发 发 分子激发
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
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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：
1. 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。
e* + A A*+e e* + AB AB*+e
裂 解
e* + AB A*+B*+e
离 化
原子离子化 分子离子化
e* + A A++e+e e* + AB AB + +e+e
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。
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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
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源自文库
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物理气相淀积 （PVD）
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氮化硅的淀积方法
7 0 80 o 0 C0
LPCVD： 3 S2 iC H 2 4 lN3H S 3 N i4 6 H C 6 H 2l
质量好，产量高
PECVD：等离子体中 Si4 H N3H SiN 3H H 2
或
2 Si4 H N 2 2 SiN 3 H H 2
SiNxHy膜对水和钠有极强的阻挡 能力，可作为最终的钝化层或多 层布线中的介质。
2. 残余气体中的氧和水气，会使金属和衬底氧化 3. 残余气体和其他杂质原子和分子也会淀积在衬底
保角差
平均自由程
kT
2r2 p
反比于气体压强
r为气体分子的半径
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三、蒸发速率和淀积速率
单位时间内，通过单位面积的分子数
点源
小平面源
蒸发（Evaporation）
溅射（Sputtering）
淀积金属薄膜
淀积金属、介 质等多种薄膜
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蒸发
真空蒸发：在真空中， 真空状态 把蒸发料(金属)加热， 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
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一、真空蒸发淀积薄膜的物
理过程
(a) 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
logPv
A B T
B H v 2.3R0
P为蒸汽压， A为积分常数， R0为阿夫加德罗常数