薄膜淀积工艺(上)要点

一、概述
1、薄膜淀积工艺的应用
薄膜淀积工艺是IC制造中的重要组成部分：在硅表
面以上的器件结构层绝大部分是由淀积工艺形成的。
2、薄膜淀积工艺一般可分为两类：
(1) 化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition）：利用化
学反应生成所需薄膜材料，常用于各种介质材料和半导 体材料的淀积，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等。
(3) 气体沿真空管道的流动状态可划分为如下几种基本形式：
6、 真空泵的分类：
(1)
��� ��� ��� (2) ���
低中真空泵：
采用压缩型旋转叶片泵（气体压缩和气体排除）； 排气量大时，需采用前置罗茨泵（转速非常高）； 对于高纯净环境，采用干泵以避免油蒸汽污染。 高真空泵： 抽吸腐蚀性和有毒气体，或大容量气体时，采用动量转移 型泵，如扩散泵和涡轮分子泵；
压强高，真空度低；
压强低，真空度高。
■ IC工艺设备一般工作在中低真空段，但为了获得无污染的
洁净腔室，一般要求先抽到高真空段后再通入工艺气体。
5、 真空的获得 及抽气装置（真空泵）。 (2) 气体流动：当真空管道两端存在有压力差时，气体会从高压处 向低压处扩散，形成气体流动。
(1) 真空系统的组成：气源（待抽容器）、系统构件（管道阀门等）
反应腔抽真空，充气 加高压电场，气体被击
穿，气体离化，产生离子和 自由电子
电子向阳极加速运动，
离子向阴极运动，离子与阴 极碰撞再产生大量二次电子
二次电子与中性气体分
子碰撞，再产生大量离子和 电子，从而维持等离子体
（三）等离子体简介
3、当气体由原子A和原子B组成时，可能出现的过程有
典型工艺条件下 只有0.1%左右 的气体离化率
（二）真空基础知识
3、气体动力学理论推导的几个公式： 气体分子的平均速率：
注意：这些公式只在 λ<< L时适用（L是腔 体的特征长度）
式中m是气体分子质量
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气体分子的平均自由程：
式中d 为分子直径；n 为单位体积内的气体分子数
根据理想气体定律，
代入上式，得到
式中P 为腔体压力
（二）真空基础知识
4、真空区域划分： 真空度—指低于大气压的气体稀薄程度
图10.18 射频等离子体中直流电压-位置关系
当上下电极面积不同时， 面积比越大，小面积电极与等离 子体之间的电压降越大，这意味 着存在一个指向该电极的强电场。
三、化学气相淀积工艺
■ 引言 ■ CVD工艺原理 ■ CVD技术分类及设备简介 ■ 典型物质（材料）的CVD工艺
（一）引言
1、 定义： 对于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。其 英文原名为“Chemical Vapor Deposition”，简称为 “CVD”。 注意：化学反应不是发生在气体与衬底之间的。 2、CVD工艺一般用于介质层和半导体材料的薄膜制备。
（二）真空基础知识
1、标准环境条件： 温度为20℃，相对湿度为65%，大气压强 为：101325 Pa = 1013.25 mbar = 760 Torr 2、压强单位：
■ 帕斯卡（Pa）：国际单位制压强单位，1Pa = 1 N/m2
■ 标准大气压（atm）：压强单位，1 atm = 101325 Pa ■ 乇（Torr）：压强单位，1 Torr = 1/760 atm，1 Torr = 1 mmHg ■ 毫巴（mbar）：压强单位，1 mbar = 102 Pa ■ 其他常用压强单位还有：PSI（磅/平方英寸）
(2) 物理气相淀积（Physical Vapor Deposition）：利用物理
机制制备所需薄膜材料，常用于金属薄膜的制备淀积， 如铝、钨、钛等。 (3) 其他的淀积技术还包括：旋转涂布法、电解电镀法等 SOG（Spin on Glass） 金属Cu的淀积
3、评价薄膜淀积工艺的主要指标： (1) 薄膜质量：组分、污染、缺陷密度、机械性能和电学性能 (2) 薄膜厚度及其均匀性：表面形貌和台阶覆盖能力
���
抽吸小容量气体，或需要超高洁净度时，采用气体吸附型泵，
如冷泵（低温泵）等。
7、真空密封：O形圈（低中真空）、金属法兰（高真空） 8、气压测量：电容压力计、热传导规表（低中真空）、离子
规表（高真空）
（三）等离子体简介
1、等离子体（Plasma）：指产生了部分电离现象的气体 2、等离子体的产生：
化学反应的能量来源：热（高温）、等离子体、光
激发态的原子或分子的一个内层电子处于高能量状态，当它跃迁 回基态时，以可见光形式释放能量。 辉光放电
（三）等离子体简介
4、直流等离子体的组成
■ 阴极暗区（Crooke暗区）：电子能量非常低；
■ 阳极暗区：电子密度很低；
■ 法拉第暗区：电子能量高，使气体离子化而不是激发。
（三）等离子体简介
5、射频放电等离子体 ■ 当电极为绝缘材料时，电荷聚集现象会造成电场的下降及等离 子体的消失，此时应采用射频电源形成等离子体。
第五章 薄膜淀积工艺 （上）
薄膜淀积（Thin Film Deposition）工艺
■ 概述 ■ ��� 真空技术与等离子体简介 (第10章) ■ ��� 化学气相淀积工艺 (第13章) ■ ��� 物理气相淀积工艺 (第12章) ■ ��� 小结 参考资料： 《微电子制造科学原理与工程技术》第10、12、13章 （电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）
(3) 薄膜的间隙填充（ Gap Filling）能力
深宽比（Aspect Ratio）：
二、真空技术和等离子体简介 （一） 微电子制造涉及的真空技术
1、气体分子的质量输运机制：低压CVD
2、等离子体产生机制：溅射、等离子体增强CVD、反应
离子刻蚀等
3、无污染的加工环境：蒸发、分子束外延
4、气体分子的长自由程输运：离子注入
■ 典型的射频电源频率为13.56 MHz。 ■ 在高频交变电场下，正离子
跟不上电场极性改变，而 电子则可能在交替的半周 期内撞击每个电极的表面。
■ 两个电极相对等离子体内部
是负电位的，且电极两端都 有暗区。
图10.17 射频等离子体示意图
（三）等离子体简介
6、射频等离子体中的电压-位置关系
当上下电极面积相同时，