工学第六章薄膜工艺课件

1、第六章薄 膜 工 艺一、物理气相淀积（PVD）二、化学气相淀积（CVD）三、外延（Epitaxy）在微电子工艺中会用到不同种类的薄膜，比如：电介质膜、外延膜、多晶硅膜和金属膜等。电介质膜：可以用作绝缘材料，掩蔽材料和钝化层等；外延膜：高质量的单晶膜，对器件进行优化。多晶硅膜：在MOS器件中作栅电极材料；金属膜：包括硅化物，用作低阻互连，欧姆接触，金属/半导体整流等。薄膜工艺物理气相淀积：薄膜淀积过程是物理过程，如蒸发、溅射等。化学气相淀积：薄膜淀积过程是化学反应过程，如常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）等。外延：包括物理气相淀积和化学气相淀积，所生长的薄膜是单晶，因

2、此具有特殊性，其制备技术包括化学气相淀积、分子束外延（MBE）等。一、物理气相淀积工艺物理淀积工艺主要用作金属和难熔金属硅化物薄膜的制备。它们在微电子器件中主要是作为欧姆接触、互连、栅电极等方面用的薄膜。物理淀积主要包括：蒸发和溅射。早期半导体工艺中的金属层全由蒸发淀积，但目前大多被溅射代替，原因有二：一是蒸发的台阶覆盖能力差；二是蒸发难以生产合金。1、物理淀积的基本知识真空系统：物理淀积必须在真空环境中进行，否则由于空气分子的碰撞作用，将严重妨碍物理淀积的过程。真空度则依淀积方法和淀积物的性质而异。等离子体：等离子体产生是溅射工艺的物理基础，是等离子产生和运动的过程。1.1 真空系统的产生和

3、密封真空度的常用单位有托（Torr）、大气压（atm）、毫米汞柱（mmHg）、帕斯卡（Pa）等。其关系如下：Torr转换成其它气压单位的转换因子（相乘）单位转换因子标准大气压（atm）1.3310-3磅每平方英寸（PSI）1.93310-2毫米汞柱（mmHg）1帕或牛顿每平方米（Pa）133.3真空范围的近似分类初真空0.1760 Torr10 105 Pa中真空10-4 10-1 Torr10-2 10 Pa高真空10-8 10-4 Torr10-6 10-2 Pa超高真空10-8 Torrhg时，生长速率由质量传输系数hg决定：当hg ks时，生长速率由表面反应速率ks决定：其中N是硅原子

4、密度除以所生长分子中的硅原子数。2.51022 cm-3 在常压下，吸附和解吸的速度比较快，因此淀积速率主要取决于质量传输速率和表面化学反应速率。在高温下，一般是质量输运控制。在低温下，一般是反应速率控制。在低压下，气体分子的平均自由程很大，因此质量传输速率较大，因此淀积速率主要取决于表面吸附和表面化学反应速率。常压外延和低压外延为什么基座要倾斜放？生长速率与反应剂分压成正比，但随气流方向，反应气体的分压逐渐减小，导致沿气流方向的生长速率不一致；将基座迎气流方向倾斜放置，则滞流层厚度会沿气流方向变薄，导致质量输运加快，生长速率增大，从而最终补偿由于反应气体分压减小带来的生长速率减小。硅同质外延

5、工艺硅外延中常用的硅源有SiCl4，SiH2Cl2，SiHCl3，并用H2稀释，其中应用最广的是SiCl4 。不用SiH4作反应气体，是因为易在气体中成核，而不是在硅片表面。对于SiCl4 ，主要反应为：同时存在另外一个竞争反应为：硅片表面的反应实际上，硅片表面发生的反应比较复杂，但有两点需要注意：在Si-H-Cl系统中，硅片表面的反应物主要是SiCl2，这说明反应气体发生了中间反应。在Si-H-Cl系统中，在反应速率受限区域，外延生长都具有相同的反应激活能。这是因为反应速率都受限于氢从硅片表面释放的过程。不同硅源淀积速率与温度关系B质量输运控制区域；A反应速率控制区域。生长速率和流量的关系在

6、Si-Cl-H系统高温外延中，硅表面上的混合气体主要是H2，HCl和SiCl2，其中SiCl2是反应气体，而HCl则对硅有腐蚀作用。因此，生长速率可以用下面公式拟合：说明：生长速率随流量会有一个最大值。生长速率对SiCl4流量的函数工业上典型生长条件选择性硅外延基于以下事实：外延生长中在不同衬底上的晶粒成核速率有：SiO2Si3N4Si。通过调整Si-H-Cl系统中Cl的比例，因为HCl可以刻蚀掉硅晶核。工艺步骤是：采用SiO2作为掩蔽层，增加反应气体中Cl的含量，使SiO2上的硅晶核被腐蚀掉。选择性硅外延示意图外延掺杂掺杂原理：在反应气体中加入掺杂气体，在外延生长的时候结合进入生长层。常用掺

7、杂气体有：乙硼烷（B2H6）、磷烷（PH3）和砷烷（AsH3）。掺杂过程：与外延生长相似，也分为：向晶片表面输运，吸附，反应，解吸等过程。掺杂浓度影响因素与掺杂气体的分压成比例关系，一般随分压的增大而增大。与温度有关，不同杂质对温度依赖关系不一样。如硼随温度升高，掺杂量变大；而磷、砷则变小。与生长速率有关，高温下，掺杂浓度随生长速度增加而下降；低温下，掺杂浓度随生长速度增加而增大。掺杂浓度与诸多因素有关，通常是通过实验摸索出适当的工艺条件。外延工艺中的杂质分布气相自掺杂效应外延生长初期，反应器中杂质和衬底杂质蒸发出来，从而对外延层掺杂；衬底杂质的再分布，衬底杂质向外延层中扩散；掺入外延层中杂质

8、的再分布，掺入的杂质向衬底内部扩散。总的杂质分布是上述行为的叠加。问题：外延层中的杂质来源有哪些？气体掺杂；气相自掺杂；衬底向外延层中的扩散。减小杂质再分布措施降低反应温度，比如采用低压化学气相淀积。高温烘烤，使硅片表面形成杂质耗尽层。清洁反应器，降低杂质污染。用氧化硅，高纯硅覆盖衬底背面，减少蒸发。外延生长缺陷堆垛层错一般沿（111）方向，在晶面中插入多余的原子层面。尖峰外延层表面突起，可能与生长初期缺陷有关。图形漂移、畸变和塌边硅片上的图形在生长外延层之后，位置、形状发生变化。图形漂移示意图卤化物输运GaAs外延砷源：AsH3气体镓源：HCl与热Ga反应生成GaCl气体3.2 外延分子束外

9、延（MBE）该工艺是将分子束流直接喷射到衬底表面，形成外延层的技术。它能够生长原子级厚度的薄膜，而且能够精确控制膜组分和杂质含量。分子束的产生将制备薄膜的物质加热使之熔化，产生的蒸气分子通过喷射炉的炉口喷射出去，从而产生分子束。常用蒸发源有：硅，镓，砷，锑，铝。分子束外延装置示意图影响MBE薄膜质量的因素必须在超高真空下进行，接近10-10 Torr。衬底必须清洗干净。包括高温烘烤（10001200），氢键保护，等离子溅射等。掺杂采用易蒸发的物质，如镓、铝、锑等金属杂质，而不是硼、磷、砷等。常见薄膜沉积二氧化硅（SiO2）氮化硅（Si3N4）多晶硅（poly-Si）金属化薄膜二氧化硅（SiO2）常压CVD或低压CVD低压CVD（LPCVD）氮化硅（Si3N4）低压CVD（LPCVD）等离子增强CVD（PECVD）多晶硅（poly-Si）低压CV