半导体工艺技术薄膜淀积

发布者:admin 发布时间:2019-10-28 21:33 浏览次数:

  半导体工艺技术第九章薄膜淀积 半导体制造工艺牟洪江 B607,610 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 半导体薄膜:Si介质薄膜:SiO BPSG,…金属薄膜:Al,Cu,W,Ti,… 在集成电路制 备中,很多薄 膜材料由淀积 工艺形成 单晶薄膜:Si, SiGe(外延) 多晶薄膜:poly-Si Deposition 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 1)化学气相淀积—ChemicalVapor Deposition (CVD) 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。 例如:APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD 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。 例如:蒸发evaporation,溅射sputtering 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 除了CVD和PVD外,制备薄膜的方法还有:铜互连是由电镀工艺制作 旋涂Spin-on 镀/电镀electroless plating/electroplating 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 外延:在单晶衬底上生长一层新的单晶层,晶向取决于衬底 外延硅应用举例 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 CMOS栅电极材料;多层金属化电极的导电材料半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 ChemicalVapor Deposition (CVD) Polycrystalline Single crystal (epitaxy) Substrate Epitaxy Courtesy Johan Pejnefors, 2001 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 台阶覆盖性好(conformalcoverage —保角覆盖) 平整性好半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 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 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 淀积物本身必须具有足够低的蒸气压半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 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 (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, 并随输运气体排出反应室 化学气相淀积的基本过程 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 12 代表在衬底表面化学反应消耗的反应剂分子流密度生长动力学 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SiO 中的扩散流半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 13 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 可得: 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 14 则生长速率这里Y 为在气体中反应剂分子的摩尔比值, 是反应剂分子的分压,PG1 G3…..等是系统中其它气体的分压 N是形成薄膜的单位体积中的原子数。对硅外延N为510 22 cm -3 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 15 Y一定时,v 中较小者决定1、如果h 表面(反应)控制,对温度特别敏感 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 16 质量传输控制过程出现 在高温 表面控制过程在较低温度 出现 生长速率和温度的关系 硅外延:E =1.6eV 斜率与激活能 constant半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 17 值相同外延硅淀积往往是 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。 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。 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 18 当工作在高温区,质量控制为主导,h 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。 控制的淀积主要和反应腔体几何形状有关半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 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 第九章薄膜淀积 20 这里界面层厚度 是x方向平板长度的函数。随着x的增加, 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 为气体粘度为气体密度 U为气体速度 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 21 因此,支座倾斜可以促使 (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 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。 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 22 外延单晶硅的化学反应式 以上所有反应是可逆的,因此还原反应和HCl对硅的腐蚀均可 发生,这和反应剂的摩尔分量和生长温度有关。 HCl Si SiClHCl Si Cl SiH SiClCl SiH HCl SiCl SiHCl HCl Cl SiH SiHClHCl SiHCl 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 23 2HSi SiH HClSi Cl SiH 2HGe GeH 2HSi SiH 2HGe GeH HClSi Cl SiH HClHCl Si SiClHCl Si Cl SiH 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 24 Two different modes epitaxyNon-selective epitaxial growth (NSEG) Selective epitaxial growth (SEG) Oxide Epi Substrate Substrate Epi Poly 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 25 斜率与激活 成正比APCVD的主要问题:低产率(throughput) 高温淀积:硅片需水平放置 低温淀积:反应速率低 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 26 低压化学气相淀积 (LPCVD) 因此低压可以大大提高h 例如在压力为1torr时,D 可以提高100倍。气体在界面不再受到传输速率限制。 total 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 27 lowpressure 760torr(APCVD) lowpressure (LPCVD) Log(v)半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 28 增加产率—晶片可直插放置许多片(100-200) 工艺对温度灵敏,但是采用温度控制好的热壁式系统可解决 温度控制问题 气流耗尽仍是影响均匀性的因素,可以设定温差5~25 或分段进气半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 29 Batch processing:同时100-200片 薄膜厚度均匀性好 可以精确控制薄膜的成份和结构 台阶覆盖性较好 低温淀积过程 淀积速率快 生产效率高 生产成本低 LPCVD法的主要特点 有时,淀积温度需很低,薄膜质 量要求又很高。如: 在形成的Al层上面淀积介质等。 解决办法:等离子增强化学气相 PECVD半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 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:SiH 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)。 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 31 多晶硅的掺杂 气固相扩散 离子注入 在淀积过程中加入 掺杂气体(称为原位 掺杂,in situ),与 外延掺杂类似 多晶硅的氧化 多晶硅通常在900~1000 未掺杂或轻掺杂多晶硅的氧化速率介於(111)和(100) 单晶硅的氧化速率之间 掺磷多晶硅的氧化速率要比未掺杂(或轻掺杂)多晶硅的 氧化速率快 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 32 薄膜淀积速率随温 度上升而迅速增加 淀积速率随压强 (硅烷分压)增加而 增加 淀积参数的影响 掺杂剂浓度半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 33 多晶硅的淀积速率 通常不是硅烷浓度的线性函数 表面吸附的影响 一级反应线性关系 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 34 氧化硅的淀积方法 1)低温CVD(250~450C) 硅烷为源的淀积——APCVD,LPCVD,PECVD淀积温度低,可作为钝 化层,密度小于热生长 氧化硅,台阶覆盖差。 用HD-PECVD可以获 得低温(120 组成的二元玻璃网络体 应力小,流动性增加 碱金属离子的吸杂中心 易吸水形成磷酸 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 35 TEOS(正硅酸乙酯)为源的淀积 副产物 OCSi 2)中温LPCVD(680~730C) (1)不能淀积在Al层上(为什么?) (2)厚度均匀性好,台阶覆盖优良,SiO 膜质量较好(3)加入PH 等可形成PSGTEOS也可采用 PECVD低温淀积 (250~425 —台阶覆盖优良,用于互连介质层 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 36 台阶覆盖(保角性conformality) 淀积速率正比于气体分子到达角度 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 37 PSG回流工艺可解决 台阶覆盖问题 PSG回流工艺:将形 成PSG的样品加热到 1000 -1100 PSG软化流动,改善台阶形状 一般6~8 wt% BPSG可以进一步降低回流温度半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 38 氮化硅的淀积方法 800700 SiNH Cl SiH LPCVD:质量好,产量高 3HSiNH NH SiH 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。 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 39 等离子增强化学气相淀积(PECVD) 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。 13.56MHz 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 40 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 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:SiH ,SiO,F等。原子激发 ABAB*+e ABAB 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: 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 41 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 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 42 PVD Evaporation Sputtering 淀积金属、介 质等多种薄膜 淀积金属薄膜 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 43 真空蒸发:在真空中, 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 真空状态 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 44 一、真空蒸发淀积薄膜的物 一、真空蒸发淀积薄膜的物 理过程 理过程 蒸发过程:被蒸发物质从凝聚相蒸发过程:被蒸发物质从凝聚相 ——所需能量为所需能量为汽化热H 在真空系统中的输运过程在真空系统中的输运过程 气相分子在衬底上吸附、成核和气相分子在衬底上吸附、成核和 生长 生长 为蒸汽压,A为积分常数, 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 45 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 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 46 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: 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。 反比于气体压强r为气体分子的半径 平均自由程 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 47 可见蒸发的淀积速率和蒸发 材料、温度/蒸汽压、及淀积 腔的几何形状决定反应腔内 晶片的位置、方向有关。 如坩锅正上方晶片比侧 向的晶片淀积得多。 为了得到好的均匀性, 常将坩锅和晶片放在同 一球面 小平面源由Langmuir-Knudsen理论,有 1083 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 48 加热器 必须在蒸发温度提供所需热量,但本身结构仍保 持稳定。熔点高于被蒸发 金属熔点 不能与处于熔融状态的蒸发料合金化或化合 易加工成形例:难熔钨丝螺旋式蒸发 电流通过螺旋状灯丝,使其达到白炽状态后发射电子 电子向阳极孔方向发射形成电子束,加速进入均匀磁场 调节磁场强度控制电子束偏转半径,使电子束准确射到蒸发源 蒸发源熔融汽化,淀积到硅片表面优点: 淀积膜纯度 高,钠离子 污染少 电阻丝半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 49 为了实现球形结构, 晶片放在一个行星 转动的半球罩内 —有公转和自转。 淀积的均匀性可以得 到很大改善 电子束蒸发系统 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 50 蒸发工艺中的一些问题: 对某些元素淀积速率很慢 合金和化合物很难采用 台阶覆盖差 目前大生产很少采用 溅射的优点: 台阶覆盖比蒸发好 辐射缺陷远少于电 子束蒸发 制备复合材料和合 金性能较好 可以淀积介质材料 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 51 Sputtering Sputterdeposition 利用高能粒子(通常是由电场加速的正 离子如Ar )撞击固体表面,使表面离子(原子或分子)逸出的现象 溅射的种类: 直流溅射 射频溅射 反应溅射 磁控溅射 准直溅射 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 52 不同元素的平衡蒸气 压与温度的函数关系 yield 0.1-3 per incident ion 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 53 1、直流(DC)溅射 只能溅射导电物质 a)阳极(anode)上放硅片, 阴极(cathode)是靶,真空 室作为放电二极管,通入放电 气体(如Ar) b)阴极加1-10 kV负高压, 产生辉光放电,形成等离子体 c)正离子被加速至数百-数千 伏,撞击在靶材上,将靶材中 原子剥离 d)这些原子形成蒸汽并自由 地穿过等离子体区到达硅表面 e)溅射淀积时反应腔里压力 在10 mtorr左右。在引入放电 气体前,真空室base pressure 要达高线 torr以上) 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 54 直流溅射系统中等离子体结构和电压分布(系统中通入氩气) 等离子体中包含 同等数量的正氩 离子和电子以及 中性氩原子 大部分的电压降 在阴极暗区 氩离子轰击阴极 靶(如Al), Al原 子被溅射出,通 过等离子区淀积 到阳极硅片上 阴极 辉光 阳极鞘区 等离子体 阴极 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 55 阴极暗区半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 56 2、射频溅射—也可溅射介质 如靶是绝缘材料,不能采用直流溅射,因为绝缘靶上会有正 电荷积累。此时可以使用交流电源。 13.56 MHz 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 57 RF溅射系统中稳态时的电压分布 当两边面积不等时, 面积小的电极一边 (电流密度大)有更 大电压降,并有关系: Unequalarea electrodes (left electrode smaller) m=1~2(实验值) 半导体工艺技术第九章薄膜淀积 58 一般将靶电极的面积设计得较小,电压主要降在靶电极,使溅射 在靶上发生。硅片电极也可以和反应腔体相连,以增加电压降比值 硅片电极也可以单独加上RF偏压,这样在实际淀积前可 预先清洁晶片或“溅射刻蚀”. 另外一种应用是偏压-溅射淀积(bias-sputter deposition), 在晶片上溅射和淀积同时进行。这可以改善淀积台阶覆盖性 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 59 3、反应溅射 在溅射气体中引入反应活性气体如氧或氮气, 可改变或控制溅射膜的特性。 如在低温下可制作SiO 等钝化膜或多属布线中的绝缘层;TiN、TaN等导电膜或扩 散阻挡层 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 60 4、磁控溅射 直流溅射和RF溅射中,电子和气体分子碰撞的离化效 率较低,电子的能量有许多消耗在非离化的碰撞和被 阳极收集。通过外加磁场提高电子的离化率, 射可以提高溅射效率。可溅射各种合金和难熔金属,不会像蒸发那样, 造成合金组分的偏离 阴极表面发射的二次电子由于受到磁场的束缚,使 得高密度等离子体集中在靶附近, 而不再轰击硅片, 避免了硅片的升温 均匀性、重复性好,有良好的台阶覆盖 溅射效率提高 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 61 5、准直溅射 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 62 薄膜淀积总结 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 63 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 64 CVD versus PVD (coarse comparison) CVD PVD Flexibility Poor Good Deposition temperature High Low Deposition pressure High Low Step coverage (conformality) Good Poor Thickness uniformity Good Good Composition control Good Poor Film purity High Low Dielectric Preferred Preferred半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 65 本章主要内容 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;SiO —互连介质;Si —钝化。金属…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 半导体工艺技术 第九章薄膜淀积 66 CVD的原理,制 作的典型薄膜 升高低温反应,淀积均匀性增加,产率增加。外延硅(单晶生长,多晶硅,SiO 淀积温度较高;反应源来源有限PECVD的原理, 制作的典型薄膜 激活能部分来自于等离子体—反应气体被加速 电子撞击而离化,形成不同的活性基团,低温 下反应生成固态膜。非化学配比的氧化硅、氮 化硅 蒸发的原理, 两种加热方式 在真空中加热蒸发材料,使其原子或分子蒸发 到真空,转移、冷凝在基片上,形成薄膜。加 热:电阻丝或电子束 溅射淀积的原理利用高能粒子撞击固体表面,使表面离子(原 子或分子)沉积到基片表面


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