第6讲 低压化学气相沉积资料.pdf

微机电系统制程微机电系统制程 Microfabrication technology 第六讲：低压化学气相沉积第六讲：低压化学气相沉积 虞益挺虞益挺 乔大勇乔大勇 Outline Fundamentals1 2Exercises 设备结构及原理设备结构及原理 设备操作流程设备操作流程 常见故障及排除常见故障及排除 薄膜淀积之薄膜淀积之LPCVDLPCVD 几种淀积模型几种淀积模型 薄膜质量评价薄膜质量评价 设备日常维护设备日常维护 注意事项注意事项 1、、Fundamentals-薄膜淀积之薄膜淀积之LPCVD 1、、Fundamentals-薄膜淀积之薄膜淀积之LPCVD 各种薄膜淀积方法各种薄膜淀积方法 化学气相淀积化学气相淀积(CVD) －－Oxidation －－Low Pressure (LPCVD) －－Plasma Enhanced (PECVD) 溅射溅射(Sputtering) －－RF －－DC 蒸镀蒸镀(Evaporation) －－Thermal －－Electron-beam －－Flash 外延外延(Epitaxy) －－Vapor Phase (VPE) －－Liquid Phase (LPE) －－Molecular Beam (MBE) 电化学沉积电化学沉积(Electrochemical (Electrochemical Deposition)Deposition) 旋涂旋涂(Spin coating) －－Spin-on glass (SOG) －－Polyimide (PI), photoresist －－PZT 常见薄膜：常见薄膜：SCS、、SiO2、、Si3N4、、PolySi、、Metals、、Polymer 1、、Fundamentals-薄膜淀积之薄膜淀积之LPCVD 反应速率：由反应速率：由温度温度控制控制 化学气相淀积化学气相淀积(CVD)：反应气体的输运－气体流量：反应气体的输运－气体流量 低压：增加了气体的输运速率低压：增加了气体的输运速率 低压化学气相淀积低压化学气相淀积( (LPCVD)：： 分子的平均自由程：一个分子在运动过分子的平均自由程：一个分子在运动过 程中程中 与其他分子碰撞前所行进的距与其他分子碰撞前所行进的距 离。

离 低压化学气相沉积低压化学气相沉积 1、、Fundamentals-薄膜淀积之薄膜淀积之LPCVD 反应速率反应速率(R): 其中其中, , Ea表示活化能表示活化能(activation energy, eV), k为波兹曼常数为波兹曼常数( (Boltzmann constant), T为为 温度温度(K) 高温高温 —— 反应速率反应速率 反应气体的传输速率反应气体的传输速率 —— 受气体传输速率的限制受气体传输速率的限制 低温低温 —— 反应速率反应速率 SiO2:P + by-products 更好的流动性：良好的台阶覆盖性能；作为牺牲层材料：更高的刻蚀速率更好的流动性：良好的台阶覆盖性能；作为牺牲层材料：更高的刻蚀速率 (BSG/BPSG) 1、、Fundamentals-薄膜淀积之薄膜淀积之LPCVD 氧化硅薄膜氧化硅薄膜(Silicon dioxide) 1、、Fundamentals-薄膜淀积之薄膜淀积之LPCVD 氮化硅薄膜氮化硅薄膜(Silicon Nitride) 反应方程式：反应方程式： 3SiH4+ 4NH3－－ Si3N4+ 12H2 x SiCl2H2+ y NH3－－ SixNy+ 2xHCl + 3y/2H2 T: 700～～900℃℃ ；；P: 0.2～～0.5Torr 缺陷数较缺陷数较PECVD少少 PECVD：～：～250-350 ℃℃，， Si/N ratio：：0.8-1.2，，应力可控应力可控 用途：电气用途：电气/ /热绝缘层、钝化层、掩膜层、刻蚀阻止层热绝缘层、钝化层、掩膜层、刻蚀阻止层 1、、Fundamentals-薄膜淀积之薄膜淀积之LPCVD 氮化硅薄膜氮化硅薄膜(Silicon Nitride) 1、、Fundamentals-薄膜淀积之薄膜淀积之LPCVD 多晶硅薄膜多晶硅薄膜(Poly silicon) 反应方程式：反应方程式：SiH4－－ Si + 2H2 T: 580～～650℃℃ ；；P: 0.1～～0.4Torr 用途：门电路、大阻值电阻、局部互连、微结构器件层用途：门电路、大阻值电阻、局部互连、微结构器件层 原位原位(in-situ)掺杂掺杂 p p型，型，B2H6，～，～0.005欧欧·厘米，淀积速率厘米，淀积速率↑↑ n n型，型，AsH3/PH3，～，～0.02欧欧·厘米，淀积速率厘米，淀积速率↓↓ 淀积后掺杂：注入、扩散淀积后掺杂：注入、扩散 PECVD很少用！很少用！ 掺杂方式：掺杂方式： 1、、Fundamentals-薄膜淀积之薄膜淀积之LPCVD 淀积过程淀积过程 反应源气体在热的硅片表面发生化学反应，生成固体薄膜！反应源气体在热的硅片表面发生化学反应，生成固体薄膜！ 薄膜种类：薄膜种类：PolySi、、Si3N4、、SiO2、、PSG、、LTO 工艺参数：温度、压力、气体流量、工艺时间工艺参数：温度、压力、气体流量、工艺时间 1、、Fundamentals-几种淀积模型几种淀积模型 1、、Fundamentals-薄膜质量评价薄膜质量评价 与淀积温度、掺杂类型、热处理工艺有很大关系与淀积温度、掺杂类型、热处理工艺有很大关系 温度对多晶硅晶粒的影响温度对多晶硅晶粒的影响: : 610℃，晶体态，晶体态 590590～～610℃610℃，中间态，中间态 晶粒大小对表面粗糙度的影响：晶粒大小对表面粗糙度的影响： 晶粒（大小、晶向等）晶粒（大小、晶向等） 1、、Fundamentals-薄膜质量评价薄膜质量评价 应力与应力梯度应力与应力梯度 应力：拉应力、压应力应力：拉应力、压应力 来源、影响、测量、控制来源、影响、测量、控制 应力梯度：应力在厚度方向上应力梯度：应力在厚度方向上 的不一致的不一致 1、、Fundamentals-薄膜质量评价薄膜质量评价 应力与应力梯度应力与应力梯度 1、、Fundamentals-薄膜质量评价薄膜质量评价 应力与应力梯度应力与应力梯度 平平 均均 应应 力力 淀积淀积 温度温度 570 ℃℃610 ℃℃ 张应力张应力 压应力压应力 应应 力力 梯梯 度度 淀积淀积 温度温度 570 ℃℃610 ℃℃ 基底表面基底表面 薄膜表面薄膜表面 P. Krulevitch, R. T. Howe, G. C. Johnson etc. Stress in Undoped LPCVD Polycrystalline Silicon. International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, TRANSDUCERS'91, Jun. 1991: 949-952. convexconcaveconcave 1、、Fundamentals-薄膜质量评价薄膜质量评价 应力与应力梯度应力与应力梯度 不同的设备，应力状态随温度的变化规律不尽相同，本实验室不同的设备，应力状态随温度的变化规律不尽相同，本实验室LPCVD在在610 ℃℃以上淀积的以上淀积的 多晶硅呈现多晶硅呈现convex变形，而非变形，而非concave变形。

变形 Mirror photo by SEM Mirror Topography by Zygo optical Profiler Mirror roughness by SEM Mirror with Polysilicon (Convex) Mirror with Polysilicon+ Al (convave) 1、、Fundamentals-薄膜质量评价薄膜质量评价 应力与应力梯度应力与应力梯度 MUMPsMUMPs工艺：工艺： Si3N4：：130MPa Poly0：：-16MPa Poly1: -1MPa Poly2: -9MPa Metal: 60MPa 1、、Fundamentals-薄膜质量评价薄膜质量评价 台阶覆盖性能台阶覆盖性能(Coverage) (a) (b) (c) (d) 四种薄膜淀积覆盖方式四种薄膜淀积覆盖方式(a)(a)快速表面迁移形成的共形覆盖快速表面迁移形成的共形覆盖(b)(b)无表无表 面迁移，长自由行程时的非共形覆盖面迁移，长自由行程时的非共形覆盖(c)(c)无表面迁移，短自由行程无表面迁移，短自由行程 时的非共形覆盖时的非共形覆盖(d)(d)部分共形覆盖部分共形覆盖 形成共形覆盖的条件是吸附于表形成共形覆盖的条件是吸附于表 面的反应剂或反应中间产物能在面的反应剂或反应中间产物能在 发生最终反应前沿表面快速地迁发生最终反应前沿表面快速地迁 移，此时，不管表面的几何形貌移，此时，不管表面的几何形貌 如何，表面的反应剂浓度是均匀如何，表面的反应剂浓度是均匀 的，因而能获得完全均匀的厚度；的，因而能获得完全均匀的厚度； 在反应剂吸附后，不发生显著的在反应剂吸附后，不发生显著的 表面迁移就完全反应的情况下，表面迁移就完全反应的情况下， 淀积速率将正比于气体分子的到淀积速率将正比于气体分子的到 达角达角φφ，， 1、、Fundamentals-薄膜质量评价薄膜质量评价 台阶覆盖性能台阶覆盖性能(Coverage) Mali, R. K., Bifano, T. and Koester, D. A., “Design-based approach to planarization in multilayer surface micromachining,“ J. Micromech. Microeng., (9) pp. 294-299, 1999 1、、Fundamentals-薄膜质量评价薄膜质量评价 其它指标其它指标 淀积速率淀积速率 膜厚均匀性膜厚均匀性 黏附性黏附性 薄膜组分薄膜组分 掺杂浓度掺杂浓度 缺陷密度缺陷密度(针孔、杂质等针孔、杂质等) 机械性能机械性能(杨氏模量、疲劳强度、断裂强度等杨氏模量、疲劳强度、断裂强度等) 2、、Exercises-设备结构及原理设备结构及原理 2、、Exercises-设备结构及原理设备结构及原理 2、、Exercises-设备结构及原理设备结构及原理 2、、Exercises-设备结构及原理设备结构及原理 结构原理图结构原理图 主要技术指标：主要技术指标： 工作温度范围：工作温度范围：550～～950℃℃( (最高最高1200℃)1200℃) 淀积薄膜类型：淀积薄膜类型：SiO2、、Si3N4、、Poly-Si 淀积薄膜厚度：淀积薄膜厚度：600600～～2000020000埃埃 2、、Exercises-设备操作流程设备操作流程 2、启动顺序、启动顺序总电源总电源控制小盒电源控制小盒电源工控机电源工控机电源 1、检查冷却水、压缩空气是否打开、检查冷却水、压缩空气是否打开? ? 2、、Exercises-设备操作流程设备操作流程 3、设定、设定工艺温度工艺温度并启动并启动加热开关加热开关 左端控制热偶左端控制热偶 主控制热偶主控制热偶 右端控制热偶右端控制热偶 2、、Exercises-设备操作流程设备操作流程 注：注：F1~F10功能键的作用功能键的作用 F1: : 系统状态页系统状态页 F3: : 报警显示页报警显示页 F5: : PID参数设定值参数设定值 F7: : 工艺编辑页工艺编辑页 F9: : 执行自动拉温区功能执行自动拉温区功能 F2: : 温度状态页温度状态页 F4: : 气体流量设定页气体流量设定页 F6: : 扫描状态页扫描状态页 F8: : 执行工艺页执行工艺页 F10: : 清除报警提示清除报警提示 2、、Exercises-设备操作流程设备操作。