半导体工艺技术薄膜淀积

半导体工艺技术第九章薄膜淀积1半导体制造工艺牟洪江[e-mail]607,610半导体工艺技术第九章薄膜淀积2半导体工艺技术第九章薄膜淀积3半导体薄膜：Si介质薄膜：SiO2，Si3N4,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-SiDeposition半导体工艺技术第九章薄膜淀积41）化学气相淀积—ChemicalVaporDeposition(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,HDPCVD2）物理气相淀积—PhysicalVaporDeposition(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两类主要的淀积方式半导体工艺技术第九章薄膜淀积5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electrolessplating/electroplating半导体工艺技术第九章薄膜淀积6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7CMOS栅电极材料；多层金属化电极的导电材料多晶硅薄膜的应用半导体工艺技术第九章薄膜淀积8ChemicalVaporDeposition(CVD)PolycrystallineSinglecrystal(epitaxy)SubstrateEpitaxyCourtesyJohanPejnefors,2001半导体工艺技术第九章薄膜淀积9对薄膜的要求1.组分正确，玷污少，电学和机械性能好2.片内及片间（每一硅片和硅片之间）均匀性好3.台阶覆盖性好（conformalcoverage—保角覆盖）4.填充性好5.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在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压除淀积物质外,反应产物必须是挥发性的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，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12F1是反应剂分子的粒子流密度F2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SiO2中的扩散流半导体工艺技术第九章薄膜淀积13hG是质量输运系数（cm/sec）ks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：)(1SGGCChFSsCkF221FFF11GsGShkCC半导体工艺技术第九章薄膜淀积14设TGCCY则生长速率这里Y为在气体中反应剂分子的摩尔比值,CG为每cm3中反应剂分子数，这里CT为在气体中每cm3的所有分子总数....21GGGGTotalGTGPPPPPPCCYPG是反应剂分子的分压，PG1，PG1PG2PG3…..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5×1022cm-3YNChkhkNChkhkNFvTGsGsGGsGs半导体工艺技术第九章薄膜淀积15Y一定时，v由hG和ks中较小者决定1、如果hGks，则Cs≈CG,这种情况为表面反应控制过程有2、如果hGks，则CS≈0，这是质量传输控制过程有质量输运控制，对温度不敏感YkNCvsTYhNCvGT表面（反应）控制，对温度特别敏感kTEkkasexp0半导体工艺技术第九章薄膜淀积16T对ks的影响较hG大许多，因此：hGks质量传输控制过程出现在高温hGks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：Ea=1.6eV斜率与激活能Ea成正比hG≈constant半导体工艺技术第九章薄膜淀积17以硅外延为例（1atm，APCVD）hG常数Ea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，hG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。记住关键两点：ks控制的淀积主要和温度有关hG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s是x方向平板长度的函数。随着x的增加，s(x)增加，hG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sGGDhUxxs)(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s(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s(x)沿x减小和hG的增加。从而用加大hG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。HClSiHSiClHClSiClSiHHSiClClSiHHClSiClSiHClHClClSiHHSiHClHClSiHClHSiCl222222222322233242半导体工艺技术第九章薄膜淀积23目前外延常用气源及相应总体化学反应242HSiSiHHClSiClSiH222硅外延：硅锗外延：242HGeGeH242HSiSiH242HGeGeHHClSiClSiH222选择性外延：加HClHClSiHSiClHClSiClSiH22222原位掺杂外延：加BH3/B2H6，PH3/AsH3半导体工艺技术第九章薄膜淀积24TwodifferentmodesofepitaxyNon-selectiveepitaxialgrowth(NSEG)Selectiveepitaxialgrowth(SEG)OxideEpiSubstrateSubstrateEpiPoly半导体工艺技术第九章薄膜淀积25斜率与激活能Ea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hG的值。例如在压力为1torr时，DG可以提高760倍，而s只提高约7倍，所以hG可以提高100倍。气体在界面不再受到传输速率限制。totalGPD1在质量输运控制区域：sGGDh半导体工艺技术第九章薄膜淀积27ksat760torrksatlowpressurehGat760torr(APCVD)hGatlowpressure(LPCVD)1/TLog(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C，或分段进气半导体工艺技术第九章薄膜淀积29Batchprocessing：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淀积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（overallreaction）方程是：SiH4→Si(多晶)+2H2低于575℃所淀积的硅是无定形或非晶硅（amorphousSi）；高于600℃淀积的硅是多晶，通常具有柱状结构（columnstructure）；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（graingrowth）。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，insitu），与外延掺杂类似多晶硅的氧化多晶硅通常在900~1000℃范围内进行干氧氧化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-温度-压强-硅烷浓度-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YkNCvsT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（250~450C）)(2)()()(2224gHsSiOgOgSiH可以同时掺杂，如：PH3，形成PSG磷硅玻璃：)(6)(2)(5)(425223gHsOPgOgPH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C）的高质量氧化硅膜)(2)(4)()(4)(22224gOHgNsSiOgONgSiH也可以PECVD：P2O5和SiO2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35TEOS（正硅酸乙酯）为源的淀积副产物)()()()(22452sSiOgOlHOCSi2）中温LPCVD（680~730C）（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，SiO2膜质量较好（3）加入PH3等可形成PSGTEOS也可采用PECVD低温淀积（250～425C）—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37PSG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C,使PSG软化流动，改善台阶形状一般6~8wt%PBPSG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2438007003226643HHClNSiNHClSiHCoLPCVD：质量好，产量高2343HSiNHNHSiHPECVD：等离子体中或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。224322HSiNHNSiH半导体工艺技术第九章薄