薄膜淀积

1、第八章 薄膜淀积,第八章 薄膜淀积 Thin Film Deposition,8.1 引言 8.2 化学气相淀积 （CVD） 8.3 物理气相淀积 （PVD） 8.4 薄膜制备方法 8.5 小结,第八章 薄膜淀积,7 .1 引言,第八章 薄膜淀积,半导体薄膜：Si，GaAs 介质薄膜: SiO2, BPSG, Si3N4, 金属薄膜:Al, Cu,在集成电路制备中，许多材料由薄膜淀积工艺形成,单晶薄膜：Si, SiGe(外延生长） 多晶薄膜：poly-Si, 非晶薄膜,第八章 薄膜淀积,第八章 薄膜淀积,ULSI电路中的薄膜材料,单晶硅 多晶硅 淀积氧化硅 淀积氮化硅 淀积氮氧化硅 金属化的导电材料,第八章 薄膜淀积,单晶硅 为什么要采用淀积技术（或称外延技术） 来形成单晶硅？,外延 在单晶衬底上生长一层新的单晶层,晶向 取决于衬底,第八章 薄膜淀积,外延硅应用举例,第八章 薄膜淀积,多晶硅薄膜的应用 栅电极材料；多层金属化电极的导电材料 扩散源；浅结器件的欧姆接触材料,第八章 薄膜淀积,氮化硅和氮氧化硅薄膜的应用 氧化的掩模；器件的表面钝化层 栅介质的一部份； 多层金属化中的介质膜

2、淀积氧化硅的应用 扩散或离子注入的掩模；掺杂膜的复盖层 掺硼或砷的SiO2可作为固态扩散源 用于增加MOS IC的场氧化层厚度 掺磷氧化硅(PSG)膜 提取和阻止钠离子扩散 减小了复盖台阶，平整化,第八章 薄膜淀积,为什么要采用低介电常数(low-k)介质 电路的布线层数将增加到9层 器件特征尺寸在不断减小 金属布线的线间距及层间距在不断缩小,金属布线电阻与互连寄生电容增大，因而互连延迟随集成电路集成度的提高呈不断增大的趋势。模拟结果表明，当电路特征尺寸小于0.25m时，电路的互连延迟将大于器件本征延迟。,第八章 薄膜淀积,第八章 薄膜淀积,Interconnect Technology Requirements (Near Term),第八章 薄膜淀积,Interconnect Technology Requirements (Long Term),第八章 薄膜淀积,Classes of Low Dielectric Constant Materials,第八章 薄膜淀积,第八章 薄膜淀积,选取什么材料 如何评估薄膜质量 采用何种制备薄膜技术,第八章 薄膜淀积,对薄膜的要求,Desi

3、red composition, low contaminates, good electrical and mechanical properties. 组分正确，沾污少，电和 机械性能好 Uniform thickness across wafer, and wafer-to -wafer. 每一硅片和硅片之间均匀性好 3. Good step coverage (“conformal coverage”). 台阶覆盖性好 4. Good filling of spaces. 填充性好 5. Planarized films . 平整性好,第八章 薄膜淀积,Step Coverage,台阶覆盖,第八章 薄膜淀积,Filling,填充,空洞,第八章 薄膜淀积,Examples or problems in actual structures. a) stepcoverage in sputter deposition of Al. b). voids in CVD oxide,第八章 薄膜淀积,纵横比,第八章 薄膜淀积,NTRS Roadmap for Interconnects:,

4、第八章 薄膜淀积,Two main types of deposition methods have been developed and are used in CMOS technology: 两种主要的淀积方式 Chemical Vapor Deposition (CVD) - APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD Physical Vapor Deposition (PVD) - evaporation, sputter deposition,化学气相淀积,物理气相淀积,蒸发,溅射,第八章 薄膜淀积,第八章 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,Spin on 旋涂 电镀,第八章 薄膜淀积,8.2 化学气相淀积 （CVD） 8.2.1 常压化学气相淀积 （APCVD） 8.2.2 低压化学气相淀积 （LPCVD） 8.2.3 等离子增强化学气相淀积 （PECVD） 8.2.4 高密度等离子化学气相淀积 （HDPCVD）,第八章 薄膜淀积,化学气相淀积(chemical vapor deposition),一种或数种物质的

5、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。 可形成单晶硅、多晶硅、介质薄膜、金属薄膜等 常压化学气相淀积 （APCVD），低压CVD (LPCVD),等离子体增强淀积(PECVD), 快速热处理CVD（RTCVD）等,第八章 薄膜淀积,Deposition of epitaxial (single crystal) silicon in cold-walled, atmospheric pressure system (figure a above) 外延单晶硅 在冷壁常压系统,例1,方程(1)中H2不但是携带气体和稀释气体,同时还是还原剂,石墨基座,第八章 薄膜淀积, Deposition of amorphous silicon dioxide in hot walled, low pressure system 在热壁，低压系统制备无定型二氧化硅,例2,第八章 薄膜淀积,第八章 薄膜淀积,第八章 薄膜淀积,离子镀,第八章 薄膜淀积,第八章 薄膜淀积,第八章 薄膜淀积,按反应压力分：,CVD的分类,按反应器壁温度分：,热壁,按淀积温度分：,按激

6、活方式分：,冷壁,低压,常压,低温,高温,中温,等离子体激活,热激活,第八章 薄膜淀积,Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition ( APCVD) 常压CVD,CVD的过程 1.反应剂分子以扩散方式从气相引导到晶片衬底附近 2.反应剂分子通过边界层转移到晶片衬底表面,8.2.1 常压化学气相淀积 （APCVD）,第八章 薄膜淀积,边界层,层流,第八章 薄膜淀积,3晶片衬底表面吸附反应剂分子 反应剂分子在硅衬底表面扩散、积累并完成化学反应, 形成 薄膜层 5残余反应剂分子和副产品从表面解析 6解析的残余反应剂分子和副产品从表面转移 7残余反应剂分子和副产品以扩散方式转移到气相、随气流排出。,第八章 薄膜淀积,两个基本因素控制着CVD生长膜的淀积速率和均匀性,反应气体向晶片表面的质量输运速率 反应气体在晶片表面的反应速率,第八章 薄膜淀积,F1是反应剂分子的粒子流密度 , 步骤 2 F2代表在衬底表面化学反应消耗的反应剂分子流密度,步骤3-5 CG 、Cs 分别是气流中反应剂浓度和硅圆片表面反应剂的浓度,生长动力学 从简单的生长模型出发，

7、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,第八章 薄膜淀积,hG 是质量输运系数 (in cm/sec).,kS 是表面化学反应系数(in cm/sec). 在稳态，两类粒子流密度应相等. 这样得到,从 (4) and (5) 得,第八章 薄膜淀积,设,则生长速率,这里Y为在气体中反应剂分子的摩尔分量, 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,PG 是反应剂分子的分压，PG1 PG2, 是系统中其他气体的分压.,N是形成外延层单位体积中的原子数。对硅外延N为5 x 1022cm-3,第八章 薄膜淀积,Y一定时， v 由hg和Ks中较小者决定 1. 如果hgKs，则CsCg,这种情况为表面控制过程 有 (表面控制) 2. 如果hgKs，则Cs0，这是质量传输控制过程 有 (质量输运控制）,第八章 薄膜淀积,T对Ks的影响较hg大许多，因此， hgKs表面控制过程在较低温度出现,生长速率和温度的关系,第八章 薄膜淀积,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

8、得很重要,当工作在较低温度, Ks为主导 Ks与温度T的关系为 Ks=ksoexp(-Ea/kT) Ks0 实验常数，对SiCl4 ks0=1*107cm/s K 波尔茲曼常数 Ea 激活能，对SiCl4 ,Ea=1.9eV,第八章 薄膜淀积,以硅外延为例 （图中是对不同外延生长源生长速率和温度的关系） (at 1 atm. pressure). 不同的源，但是EA 值相同和 hG 常数.,在较低温度，没有足够能量外延生长单晶硅，生长的是多晶硅。要形成单晶硅，生长温度要大於转换温度(SiH4-900C; SiCl4-1100C） 外延硅一般在高温进行,第八章 薄膜淀积,Deposition of epitaxial (single crystal) silicon in cold-walled, atmospheric pressure system (figure a above) 外延单晶硅 在冷壁常压系统,例1,方程(1)中H2不但是携带气体和稀释气体,同时还是还原剂,第八章 薄膜淀积,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。 是质量输运控制过

9、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.,第八章 薄膜淀积,记住关键两点： kS 表面化学反应系数，主要和温度有关 hG 质量输运系数，主要和反应腔体几何形状有关,在较低温度，外延生长是多晶硅。要形成单晶硅，生长温度 要大於转换温度(SiH4-900C; SiCl4-1100C）,第八章 薄膜淀积,为什么单晶硅外延要采用图中的反应设备,放置硅片的石墨舟 为什么要有倾斜? 下面来说明这一问题,第八章 薄膜淀积,外延硅淀积往往是在高温下进行，是质量输运控制过程。此时对温度控制要求不是很高,但是对气流要求高.,这里界面层厚度S是X方向平板长度的函数。,第八章 薄膜淀积,hG主要和反应腔体几何形状（边界层）有关,第八章 薄膜淀积,在质量输运控制过程,S为气流速度为零的衬底和气流速度为u的自由气流层之间的界面层厚度。这里，u不是一个常数，而且横跨整个衬底或基座区域，u变化很大。这里界面层厚度S是X方向平板长度的函数。,有关系:,是气体的沾滞度，是气体的密度 如果平板的长度为L，则横跨平板的平均界面层 厚度为b,在质量输运控制范围，外延硅生长速率和气流的速度平方根成正比,第八章 薄膜淀积,第八章 薄膜淀积,因此反应舟要倾斜一角度,第八章 薄膜淀积,8.2.2 低压化学气相淀积 （LPCVD） APCVD的问题： 如工作在高温，需采用卧式反应腔 如工作在低温，淀积速率下降，产量低,第八章 薄膜淀积,Low Pressure Chemical Vapor Deposition 降低气体压力，气体分子的自由程加长， 气相反应中容易生成亚稳态的中间产物，从而 降低了反应激活能，因此，在不改变淀积速率 的情况下，淀积温度就可以低于常压CVD的淀积温度 分子自由程变长，反应气体质量迁移速率 相对于表面反应速率大大增加，这就克服了质量迁移 的限制，使淀积薄膜的厚度均匀性提高， 也便于采用直插密集装片,第八章 薄膜淀积, The soluti

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