薄膜淀积工艺(上)要点

第五章薄膜淀积工艺（上）薄膜淀积（ThinFilmDeposition）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）一、概述薄膜淀积工艺是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。1、薄膜淀积工艺的应用2、薄膜淀积工艺一般可分为两类：(1)化学气相淀积（ChemicalVaporDeposition）：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。(2)物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition）：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（SpinonGlass）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(3)薄膜的间隙填充（GapFilling）能力深宽比（AspectRatio）：1、气体分子的质量输运机制：低压CVD2、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、标准环境条件：温度为20℃，相对湿度为65%，大气压强为：101325Pa=1013.25mbar=760Torr2、压强单位：■帕斯卡（Pa）：国际单位制压强单位，1Pa=1N/m2■标准大气压（atm）：压强单位，1atm=101325Pa■乇（Torr）：压强单位，1Torr=1/760atm，1Torr=1mmHg■毫巴（mbar）：压强单位，1mbar=102Pa■其他常用压强单位还有：PSI（磅/平方英寸）（二）真空基础知识3、气体动力学理论推导的几个公式：注意：这些公式只在λL时适用（L是腔体的特征长度）气体分子的平均速率：式中m是气体分子质量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：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。（二）真空基础知识真空度—指低于大气压的气体稀薄程度(1)真空系统的组成：气源（待抽容器）、系统构件（管道阀门等）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。(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：5、真空的获得(1)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。(2)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；� 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）6、真空泵的分类：1、等离子体（Plasma）：指产生了部分电离现象的气体 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2、等离子体的产生：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■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4、直流等离子体的组成图10.17射频等离子体示意图■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。■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。（三）等离子体简介5、射频放电等离子体■典型的射频电源频率为13.56MHz。■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。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。当上下电极面积相同时，6、射频等离子体中的电压-位置关系（三）等离子体简介■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工艺三、化学气相淀积工艺（一）引言1、定义：化学反应的能量来源：热（高温）、等离子体、光2、CVD工艺一般用于介质层和半导体材料的薄膜制备。注意：化学反应不是发生在气体与衬底之间的。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“ChemicalVaporDeposition”，简称为“CVD”。(1)淀积温度较低，减轻了衬底的热形变，减少了沾污，并抑制了缺陷的生成(2)淀积薄膜的成分和厚度容易受控，薄膜厚度与反应时间成正比，工艺的均匀性与重复性好(3)淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好，薄膜的台阶覆盖性好(4)淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如蒸发、溅射等）；厚度范围广（由几百埃至数毫米）。(5)能大量生产，工艺操作简单方便。3、CVD工艺的主要特点：图13.1简单的热CVD反应器（二）CVD工艺原理1、考虑一个简单的SiCVD反应器：■反应器管壁温度为TW，硅片基座温度为TS，一般TSTW■从左边入口通入硅烷（SiH4）和氢气（H2），硅烷分解生成多晶硅，H2用做稀释剂（硅烷占总进气量的1％）■气体在进入反应腔时，温度与管道壁相同■反应生成物和未反应的气体从右边出口流出■腔体中气流足够慢，反应腔压强是均匀的2、SiCVD反应器中发生的总反应：其中，g代表气态物质，s代表固态物质。(1)当反应是在腔内气体中自发发生（与位置无关）时，称该反应为同质过程（HomogeneousProcess）气体中存在大量固体硅颗粒，导致淀积层表面形态和均匀性差(2)当反应仅在硅片表面处发生并形成固体时，称该反应为异质过程（HeterogeneousProcess）在SiCVD系统中，发生的同质反应是：在SiCVD系统中，发生的异质反应是：图13.3SiCVD过程中硅片表面模型淀积均匀性提高分子被吸附在硅片表面后发生化学反应，形成硅原子并释放出氢：吸附过程a代表被吸附的物质表面总反应■吸附在硅表面的H2被解吸附，留下空位，使反应可继续进行。■被吸附的SiH2在硅片表面扩散，直到找到空位成键。■表面扩散长度长时，淀积均匀；表面扩散长度短时，淀积不均匀。温度上升，扩散长度提高3、一个典型的SiCVD工艺可分为以下几个步骤：(1)反应气体从腔体入口向硅片附近的输运(2)气体反应产生中间物质分子：(3)中间反应物SiH2输运到硅片表面（吸附）(4)表面反应释放出反应产物并淀积到硅片表面(5)气体副产物从硅片表面被释放（解吸附）(6)副产物离开硅片表面的输运(7)副产物离开反应器的输运最慢的步骤决定了淀积薄膜的速率关键问题涉及到：1、反应腔内的气体流动2、反应腔内的化学反应4、反应腔内的化学反应：(1)假设:在小的体积元内温度和气体化学组分是均匀的，且只进行一种反应，如：(2)化学平衡时，每种物质的浓度维持固定不变P为其下标物质的分压强，方程式中H的系数为2，故取平方。a.KP(T)取决于温度，其中∆G为反应中吉布斯自由能的变化。b.KP(T)与气体压力无关。化学平衡与质量作用定律(3)反应平衡常数(质量作用定律)定义为：说明假设KP(T)是已知的，此时三个分压强都未知而只有一个方程式：通常，反应器的总压强是已知的，因此可以有第二个方程式：由于H2无消耗，故PH2=0.99P（入口分压强）再根据入口气流与Si/H的关系式，可推导出第三个方程式：其中，气流量被认为是已知的。至此，可根据三个方程式求出三种物质的分压强。■CVD过程从气相中消耗硅，因此硅的分压强并非只与入口气流有关；要考虑含硅的气相分子流量变化情况（扩散）■可能发生多种化学反应过程，如：至此的讨论都建立在化学平衡近似的基础上，实际CVD中的情况如何呢？在实际的淀积工艺中，平衡分压强的求解：■要求解平衡分压强，必须考虑每种反应式的反应平衡常数。补充注意(1)当反应腔压力降低时，反应物分子的平均自由程增加，造成：■各种气相物质之间没有足够的碰撞机会，使其不能达到热平衡和化学平衡；■具有不同能量（Maxwell分布）的气相分子之间没有足够的碰撞次数，也无法达到化学平衡。■在实际的CVD工艺中，一般认为：� 低压CVD工艺是受动力学控制的过程� 常压CVD是化学平衡过程“反应腔特征长度远大于气体分子的平均自由程”是一个必要的前提条件。■不能达到化学平衡的过程被称为“动力学控制过程”(2)对于动力学控制过程，SiCVD的反应式可改写为：其中，Kf和Kr分别代表正向反应和逆向反应的速率系数。反应物质浓度（分压强）随时间的变化率与各反应速率系数有关，对于实际的CVD系统，可能涉及到数十种反应物质和上百种化学反应，因此定量的处理过程是非常困难的，因此一般做定性处理即可。另外，还应考虑浓度梯度引起的物质扩散等问题。图13.4气流在管形反应器中的展开气体流动决定了化学物质的输运和气体的温度分布■气体是黏性流，且不可压缩。■气流在腔体表面的速度为零。（1）对CVD系统中气流的几个假设：层流对于一个表面温度固定的圆形管道，假设气体以匀速从管道左端流入，则在Zv距离内，气流将展开为完全的管道流（抛物线形）5、反应腔内的气体流动：气体流动动力学（2）推导：展开距离为：其中，a是管道半径，Re是无量纲的雷诺数雷诺数：其中，L为腔体特征长度，µ是动黏度，ρ是气体质量密度，η是气体的动态黏滞度当雷诺数较小时，管道中气流速度分布为抛物线形，即其中，r为距中心线的半径，dP/dz为横跨管道的压力梯度图13.4气流在管形反应器中的展开图13.1简单的热CVD反应器再回到图13.1的系统，■假设系统温度均匀，气流速度在硅片表面降低到零，且腔体高度足够大，使硅片上方气流具有均匀速度。■边界层（滞流层）近似：在边界层中气流速度为零，在边界层外气流速度为v∞倾斜角度需根据特定工艺进行优化1）边界层的厚度与沿气流方向的位置有关，即为维持淀积速率的均匀，必须保证边界层的厚度均匀。■一般采用楔形基座，淀积表面朝气流方向倾斜。结论2）气相输运的扩散系数与温度的关系式有：显然，与体扩散系数相比，De对温度的依赖性要弱得多。总之，CVD过程受限于1）化学反应；或2）气相输运对决定CVD薄膜淀积速率～温度关系是至关重要的。3）化学反应速率系数与温度的关系式有：图13.8CVD淀积速率与温度的函数关系6、CVD淀积速率与温度的关系实验结果显示：(1)低温度下，淀积速率随温度倒数减小而增加化学反应速率限制区淀积速率是温度的敏感函数(2)高温度下，淀积速率随温度倒数减小的增加幅度趋缓质量输运速率限制区淀积速率是气体浓度的敏感函数，需控制气流及腔室设计教材第256～257页：第1、2题教材第352页：第1题课后作业