微电子工艺学课件_9

第一章绪论第二章现代CMOS工艺技术第三章晶体生长与衬底制备第四章加工环境与基片清洗第五章光刻第六章热氧化第七章扩散掺杂第八章离子注入掺杂第九章薄膜淀积第十章刻蚀第十一章后段工艺与集成1微电子工艺学2第九章薄膜淀积PPWellNWellPNP+P+N+N+Manyfilms,madeofmanydifferentmaterialsaredepositedduringastandardCMOSprocess.对淀积薄膜的要求或希望其具有的特性：•正确可控的组分；•高表面洁净度，低缺陷密度；•高度结构完整性；•均匀厚度（acrosswafer,andwafer-to-wafer），高表面平坦度；•良好电学和机械性能；•良好空隙填充/台阶覆盖（conformalcoverage）；•可用光刻技术刻蚀出精细图形；•……9.1概述hAspectratio=AR=w•Notetheaspectratiosandtheneedfornewmaterials.•Notealsothenumberofmetallayersrequiringmoredepositionsteps.YearofProduction199820002002200420072010201320162018TechnologyNode(halfpitch)250nm180nm130nm90nm65nm45nm32nm22nm18nmMPUPrintedGateLength100nm70nm53nm35nm25nm18nm13nm10nmMinMetal1Pitch(nm)214152108765442WiringLevels-Logic101112121414Metal1AspectRatio(Cu)1.71.71.81.92.02.0ContactAspectRatio(DRAM)1516>20>20>20>20STITrenchAspectRatio4.85.97.910.31416.4MetalResistivity(祇hm-cm)3.3,2.22.22.22.22.22.22.22.22.2InterlevelDielectricConstant3.93.73.7<2.7<2.4<2.1<1.9<1.7<1.7MetallineaContactholebwhwh3↑withfeaturesize↓inICs.4Fillingofspaces:Stepcoverage:Voids:Trapchemicalsleadtocracks(dielectric),largecontactresistanceandsheetresistance(metallization)Examples:Thinningcausesmetalresistancetoincrease,generatesheatandleadtofailure59.2化学气相淀积（ChemicalVaporDeposition，CVD）将含有构成薄膜元素的气态或液态反应剂的蒸汽，以合理流速引入反应室，在衬底表面发生化学反应并在衬底表面淀积薄膜。非晶（无定型）、多晶、单晶（外延）薄膜半导体、介质、金属薄膜APCVD、LPCVD、PECVD等CVD反应必须满足三个挥发性 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ：在淀积温度下，反应剂必须具备足够高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须具有足够低蒸气压CVD的主要特点：淀积温度较低淀积速度稳定稳定情况下，膜厚与时间成正比不仅可以淀积在单晶片上，而且能淀积在金属、陶瓷和玻璃等无序基片上。衬底边界层(1)气相分解；(2)传输到衬底表面；(3)吸附；(4)扩散；(5)分解、反应；(6)副产物解吸。6一、化学气相淀积的基本过程化学气相淀积通过一系列连续步骤完成：⎛⎞⎜⎟⎝⎠11+sSGGkC=Ch−生长动力学从简单生长模型出发，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。1=GGSJhCC(−)2=sSJkC12J=J=JtransportreactionSteadystateJ1:反应剂分子流密度J2:化学反应消耗的反应剂分子流密度hG:气体质量传输系数（cm/s）CG:气相中反应剂浓度（/cm3）Cs:硅表面处反应剂浓度（/cm3）设GTCY=CY:反应剂摩尔百分比CT:每立方厘米体积中分子的总数（包括反应剂和惰性气体）J1J2与热氧化不同，没有在SiO2中的扩散流高流速中流速低流速淀积速率质量输运控制区域反应速度控制区域结论：淀积速率与主气流中的反应剂浓度CG（＝YCT）和气相中反应剂的摩尔百分比Y成正比；当CG或Y为常数时，薄膜淀积速率将由ks和hG中较小的一个决定：•当时，。此时，薄膜淀积速率由表面反应速率控制，对温度的变化非常敏感；•当时，。此时，薄膜淀积速率由质量输运速率控制，对气流速率的变化比较敏感（）。7则生长速率N:形成薄膜的单位体积中的原子数（对硅，N=5×1022cm−3）sGGsGTsGsGkhCkhCJv===YNk+hNk+hNsGkh<<()Tsν=CkYN/Gshk<<()Tgν=ChYN/1/2Ghυ∝薄膜淀积速率与温度、气流速率的关系8三、化学气相淀积系统CVD通常包括如下子系统：气体源→液体源气体输入管道气体流量控制系统反应室基座加热及控制系统温度控制及测量系统根据淀积温度、反应室内压力、反应室壁温度以及淀积反应激活方式的不同，目前常用的化学气相淀积系统通常可分为APCVD、LPCVD、PECVD等几大类。最早使用的CVD系统，常用来淀积氧化层和生长硅外延层。91.APCVD（AtmosphericPressureCVD）系统主要优点：一个大气压下淀积，设备和操作简单，对温度控制要求不是很高。主要缺点：对反应室结构要求较高淀积速率由质量输运控制（hg小），要获得较好的薄膜均匀性，须精确控制单位时间内到达各硅片表面及同一硅片不同位置的反应剂数量。低产率（throughput）高温淀积－硅片需水平放置，低温淀积－反应速率低；Coldwallreactor冷壁式：Tw<Ts气压大，hG小。10PoisseulleFlow气流从入口进入并以平流形式向出口流动。平流区亦称主气流区。边界层是主气流区与衬底表面间气流速度受到扰动的气体薄层。平流()1/2sμxδ(x)=ρUμ:气体粘度ρ:气体密度U:气流速度进入管形反应室中的气流GGsDh=δhG:气体质量传输系数DG:反应剂扩散系数δs:边界层厚度反应室内的实际气流卧式反应设备中放置硅片的石墨基座为什么要倾斜?11泊松流模型及边界层近似预期的气流沿基座方向距离（a.u.）边界层厚度（a.u.）实际气流边界层近似自基座向上距离（a.u.）气流速度3~10º气体流速U恒定，沿反应室长度x方向：δS↑，hG↓，气源耗尽（浓度减小）•倾斜基座：U↑→δS↓，hG↑•设定前后5~25°C温度梯度：kS↑•气体由上部注入：hG↑()1/2sμxδ(x)=ρU沿反应室长度x方向生长速率降低GGsDh=δ质量输运控制质量输运+反应速度控制气体入口喷头加热基座抽气边界层厚度与位置的关系122.LPCVD（LowPressureCVD）系统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δs只提高约7倍，则hG可提高100倍。气体在界面不再受到传输速率限制。1GtotalDP∝在质量输运控制区域：GGsDh=,δ降低了对反应室结构的要求，可通过反应室结构优化得到较高基片容量。降低了对反应室结构的要求，可通过反应室结构优化得到较高基片容量。P=0.1～1.0Torr主要优点：LPCVD淀积的某些薄膜，均匀性和台阶覆盖等方面比APCVD系统好，且污染较少，投片量大，成本低；主要缺点：淀积温度仍偏高，不适用于多层布线的绝缘介质膜及金属化后表面钝化膜的制备。直插放置多片（100-200）设定温差5～25°CT=300~900°C(+1°C)热壁式：Tw=TsHotwallreactor常用单位换算表帕斯卡千克力每平方厘米巴标准大气压托毫米汞柱Pa(N/m2)Kgf/cm2baratmTorrmmHgPa11.02×10-51×10-59.87×10-67.5×10-37.5×10-3Kgf/cm29.8×10410.980.967735.56735.56bar1×1051.0210.987750.06750.06atm1013251.031.011760760Torr133.321.36×10-31.33×10-31.32×10-311mmHg133.321.36×10-31.33×10-31.32×10-3111314抽气加热单元加热器外壳密闭石英基座浆式热偶气体注入环立式LPCVD反应器：适合自动化生产LPCVD可用于淀积多种薄膜：多晶硅、氮化硅、二氧化硅、磷硅玻璃（PSG）、硼磷硅玻璃（BPSG）和难熔金属钨等。AP、LPCVD淀积速率15PECVD是目前最主要的化学气相淀积系统，它通过非热能的射频等离子体激活和维持化学反应。在微电器件制造中利用辉光放电实现等离子增强化学汽相淀积的原因在于：a.辉光放电等离子体中有高密度的电子（109~1012atoms/cm-3）；b.电子气比普通气体分子温度高10~100倍。因此，本来需要在高温下进行的化学反应，当处于活跃的等离子场中时，在200~300°C甚至室温下即可发生。PECVD不仅淀积速率高，且淀积温度比APCVD和LPCVD低很多。3.PECVD系统（PlasmaEnhancedCVD）16PECVD淀积速率是典型的表面反应控制型，为保证薄膜均匀性，需准确控制衬底温度。PECVD系统除用于薄膜淀积外，还广泛应用于光刻去胶和刻蚀。除常规的气流速度、温度和气压等 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 外，淀积过程还依赖于RF功率密度及频率等参数。通常，在6.665~666.5Pa气压下使用的频率为50kHz~13.56MHz。17高密度等离子体（HDP）PECVD系统磁体腔体反应腔抽真空气体流入导板及靶加工位置腔体管道衬底装载位置温度探头辅助磁体磁控等离子体：利用磁场增加电子与气体原子（分子）的碰撞机率；电感耦合等离子体：当射频电流流过线圈时会产生感应磁场，利用感应磁场增加电子与气体原子（分子）的碰撞机率；电子回旋共振等离子体：利用交变电场和磁场的频率耦合，使电子作圆周运动，从而增加电子与气体原子（分子）的碰撞机率。工艺优点缺点应用APCVD反应简单低温台阶覆盖能力差有颗粒玷污投片量小低温SiO2（掺杂＆不掺杂）LPCVD高纯度和均匀性台阶覆盖能力较好投片量大需要较多维护要求真空系统低温SiO2（掺杂＆不掺杂）、Si3N4、多晶硅、W、WSi2PECVD低温、淀积速度快台阶覆盖能力好间隙填充能力好要求RF系统高成本化学物质和颗粒玷污高深宽比间隙填充、金属层上低温SiO2、双镶嵌结构的铜籽晶层、钝化（Si3N4）常用CVD系统的比较181920计算:采用低压化学气相淀积（LPCVD）淀积多晶硅，其反应激活能为1.65eV，在600℃时的淀积速率为80Å/min，则在620℃时的淀积速率为多少？解：LPCVD淀积速率受反应速率控制，反应速率R∝反应速率常数ks，于是有：620620600511exp()808938731.6511exp()8.61710893873aRRERk−⎡⎤==−−⎢⎥⎣⎦⎡⎤=−−⎢⎥×⎣⎦解上式，得到：R620＝130.7Å/min/0eaEkTskk−=1sgTsgkhCRYkhN=××+21热生长二氧化硅的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ：必须在硅衬底生长；温度较高，与一些工艺不兼容；生长速率低。热生长二氧化硅具有最佳的电学特性，CVD二氧化硅不可能取而代之，但可作为其补充。1.二氧化硅的化学气相淀积五、常用薄膜的化学气相淀积热生长（1000°C）SiH4＋O2（450°C）TEOS（700°C）SiH2Cl2＋N2O（900°C）组份SiO2SiO2(H)SiO2SiO2(Cl)密度（g/cm3）2.22.12.22.2折射率1.461.441.461.46电介质强度（106V/cm）>1081010刻蚀速率（Å/min）（H2O:HF＝100:1）30603030刻蚀速率（Å/min）（HF缓冲溶液）4401200450450台阶覆盖⎯保形性不良保形性好保形性好22根据淀积温度不同，CVDSiO2系统可分为三类：低温（300～450°C）中温（650～750°C）高温（900°C）（1）低温CVD二氧化硅•以硅烷为源•以TEOS（Si(OC2H5)4）为源：PECVD•TEOS与臭氧混合源：APCVD硅烷＋氧气：AP、LP、PECVD硅烷＋N2O：PECVD4222SiH(g)+O(g)=SiO(g)+2H(g)反应温度较低，适合在铝层上淀积。42222SiH(g)+2NO(g)=SiO(g)+2N(g)+2H(g)台阶覆盖和间隙填充特性比以硅烷为源的APCVD要好。高淀积速率，具高保形性和低粘稠度，能很好填充沟槽及金属线之间的间隙。25422Si(OCH)+O=SiO+副产物θ＝90°θ＝180°θ＝270°abc到达角及其对台阶覆盖的影响黏滞系数≈0.2~0.423（2）中温CVD二氧化硅以TEOS为源，LPCVD→具更好保形性：不能用于铝膜上的淀积，但适合在多晶硅栅上淀积，可作为金属淀积之前的绝缘层（如在多晶硅与金属之间的绝缘层），也可形成隔离层（如作为LDD侧墙）。（3）高温CVD二氧化硅二氯硅烷+一氧化二氮，LPCVD具有极好均匀性，可在多晶硅上淀积绝缘层。衬底表面气体分子输运机制再发射：黏滞系数小于1时，气体分子通常与侧壁发生多次碰撞后才固定在表面的某个位置。表面迁移：反应剂分子被黏附之前在衬底表面发生的迁移。表面迁移通常被认为是台阶覆盖的确定因素。然而实验发现，在大量保形覆盖薄膜中，再发射机制才是决定保形覆盖的关键因素。2542242Si(OCH)=SiO+4CH+2HO22222SiClH+2NO=SiO+2N+2HClTEOSSc≈0.05~0.1，比硅烷小得多在淀积二氧化硅的气体中掺入磷烷（PH3），即可得到磷硅玻璃（PSG）：24（4）CVD掺杂二氧化硅2422SiH(g)+O(g)+2SiO(s)H(g)=225322PO4PH(s(g)+5O(g)+6H)(g)=APCVD，LPCVD，PECVD二元玻璃网络体，性质与USG有很大不同：碱金属离子的吸杂中心加热时会变软流动，易形成光滑表面→相邻金属间的绝缘体+PSG高温平坦化工艺：在氧、氮等气体环境中，温度1000~1100°C，压力1~2.5atm，PSG软化，尖角变得圆滑（表面坡角减小量反映PSG流动程度），可达到对衬底上陡峭台阶的良好覆盖。⎛⎞⎜⎟⎝⎠1012010wtθ−%≈°磷低于6wt％时流动性变差硼磷硅玻璃（B2O3-P2O5-SiO2，BPSG）：三元氧化薄膜，850°C回流平坦化，降低浅结中杂质扩散。B↑1％→T↓40％，B>5wt%→晶粒沉淀，影响薄膜稳定性。33−34BO,PO−25含磷量不同的样品在1100°C蒸汽中处理20分钟后的SEM照片0wt%2.2wt%4.6wt%7.2wt%262.多晶硅的化学气相淀积栅电极（MOS技术的重大发展）CMOS互连引线（高掺杂多晶硅）BJT和BiCMOS发射极（高掺杂多晶硅）SRAM高值负载电阻（低掺杂多晶硅）填充深／浅槽的隔离介质（低掺杂多晶硅）多晶硅薄膜的电学特性除了与其本身半导体性质有关外，还与其结构和掺杂等情况密切相关。小单晶（约100nm量级）晶粒→存在大量晶粒间界（高密度缺陷和悬挂键）→杂质扩散速度明显增加&杂质在晶粒内部与晶界之间分凝0.5~1.0nm宽多晶硅薄膜的主要应用：同样掺杂浓度下，多晶硅电阻率比单晶硅高。可在多晶硅中掺入浓度很高的杂质，甚至远超过固溶度106~107Ω·cm500μΩ·cm27多晶硅薄膜通常采用LPCVD工艺，将硅烷在580~650°C热分解淀积而成。由于淀积温度较低，淀积速率受表面反应控制，总反应式：影响多晶硅结构、表面形态和特性的工艺参数有淀积温度、压力、掺杂杂质及其浓度以及淀积后的热处理过程。多晶硅混合形态硅烷分压（mTorr）淀积速率（nm/min）42SiH(g)=Si(s)+2H(g)多晶硅淀积速率与温度、压力的关系多晶硅的掺杂有三种方式：扩散掺杂：源漏区扩散的同时，高浓度掺杂；离子注入掺杂：精确控制，不太高浓度掺杂；原位insitu掺杂：简化步骤，工艺控制复杂；3.氮化硅的化学气相淀积氮化硅（Si3N4）薄膜是一种无定形绝缘 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ，具有以下特性：对扩散有极强掩蔽能力；具有较低压应力（采用PECVD制备）；可对底层金属实现保形覆盖；薄膜中针孔很少。在微电子器件中应用广泛，如作为器件最终钝化层和机械保护层、硅选择性氧化掩模、DRAM电容中O-N-O叠层介质里的绝缘材料、MOSFET侧墙以及浅沟隔离的CMP停止层等等。介电常数约6~9，不能作为层间绝缘层，否则将造成较大寄生电容，降低电路速度作为选择氧化掩模或DRAM电容介质：中温（700~800°C），LPCVD，密度高（2.9~3.1g/cm3），较好化学计量比、台阶覆盖性和较少粒子污染，但应力较大（约105N/cm2）。2233423SiHCl+4NH=SiN+6HCl+6H作为最终钝化层：低温（200~400°C），PECVD，但很难得到正确化学计量比（SixNyHz），且密度比中温LPCVD氮化硅低（2.4~2.8g/cm3）。432xyz2SiH+NH/N=SiNH+H2829PECVD氮化硅膜的淀积速率、密度及化学配比304.金属的化学气相淀积在互连金属化工艺中，化学气相淀积的吸引力在于：可提供具有良好台阶覆盖性能的保形性覆盖层一次可覆盖大量晶片与PVD膜相比，通常具有更低电阻率（1）钨的化学气相淀积CVD钨是最广泛用于互连的难熔金属：电阻率（7~12μΩ·cm）；具有较高热稳定性，熔点最高（3410°C）；具有较低应力（<5×104N/cm2）、很好的保形台阶覆盖能力且热扩散系数与硅非常相近；钨尽管不能单独作为栅材料和全部的互连材料，但却在互连中得到广泛应用：首先是作为接触插塞（plug），其次是局部互连材料。钉头插塞俯视侧视W接触插塞SEM照片31钨的化学气相淀积通常在冷壁、低压系统中进行。常用淀积源有WF6、WCl6和W(CO)6等，多数钨CVD以WF6作为钨源，淀积温度通常低于450°C：6626422WF(g)+3Si(s)=2W(s)+3SiF(g)WF(g)+3H(g)=W(s)+6HF(g)2WF(g)+3SiH(g)=2W(s)+3SiF(g)+6H(g)用钨填充接触孔和通孔的工艺步骤：a.表面原位预清洁处理；b.淀积接触层（溅射或CVD生成Ti膜）；c.淀积附着／阻挡层（溅射或CVDTiN膜）；d.覆盖式化学气相淀积钨（两步淀积）；e.钨膜回刻；f.附着层和接触层刻蚀。TiNTi32硅与金属形成稳定的金属和半导体化合物（例如WSix、TiSi2和CoSi2等）：特点—电阻率低、热稳定性高，且制备工艺与集成电路工艺兼容。重要应用—作为MOSFET的栅极。它既可以单独制备于栅氧化层上，也可以与掺杂多晶硅一起形成polycide（多晶硅／难熔金属硅化物）多层栅结构。主要目的—减小源、漏、栅电极以及内连线的接触电阻。在制备polycide多层栅结构时，可以采用自对准的金属硅化物技术。（2）金属硅化物的化学气相淀积LPCVD，300~400°C：LPCVD，570~600°C，台阶覆盖比使用硅烷时更好。6422WF(g)+2SiH(g)=WSi(s)+6HF(g)+H(g)62224WF(g)+3.5SiHCl(g)=WSi(s)+1.5SiCl+6HF(g)+HCl(g)33多晶硅化物和自对准金属硅化物工艺的步骤采用金属硅化物栅电极作为掩蔽，以形成MOSFET的源、漏电极，可以使这些电极的重叠最小化，减小寄生电容。衬垫：在集成电路互连工艺中，通常在金属薄膜下面采用PVD或CVD预先淀积一层薄膜。这层薄膜既可作为扩散阻挡层又可作为附着层，其功能在淀积以及淀积后的使用过程所经历的全部温度范围内都需要保持。氮化钛（TiN）是应用最广泛的金属扩散阻挡层，其淀积可以采用化合物靶材的PVD或CVD方法。对于深亚微米技术，CVDTiN比PVDTiN具有更好的台阶覆盖性。氮化钛的淀积可以通过TiCl4与NH3、H2/N2或NH3/H2反应，在热LPCVD系统中完成（温度>600°C，用于接触孔淀积）：为了使CVDTiN在通孔和接触孔淀积中都能使用，一般倾向使用金属有机化合物源，如四二甲基氨基钛（TDMAT），400°C，LPCVD：4324224326TiCl(g)+8NH(g)=6TiN(s)+24HCl(g)+N(g)2TiCl(g)+N(g)+4H(g)=2TiN(s)+8HCl(g)2TiCl(g)+2NH(g)+H(g)=2TiN(s)+8HCl(g)34（3）氮化钛、铝和铜的化学气相淀积[]32332246TiN(CH)(g)+8NH(g)=6TiN(s)+24NH(CH)(g)+N(g)35与PVD铝相比，CVD铝具有一些潜在的优点：良好的台阶覆盖性，可一次完成填充和互连；对接触孔有很好的填充性；低电阻率（与钨相比）；与硅和二氧化硅有良好附着性；CVD铝通常采用热分解四丁基铝（Al(C4H9)4，TIBA）来进行，缺点是蒸气压较低，导致淀积速度较慢。其它几种值得注意的有机金属化合物铝源：TMA、TEAA、DMAH以及DMEEA等。以DMAH为铝源化学气相淀积铝可以在低于200°C的温度下进行：实际生产中仍有需要解决的问题：CVD铝薄膜抗电迁移能力较差。以上所有铝的有机金属化合物都是有毒物质，易燃，接触水会发生爆炸，在使用和储存过程中必须低温密封，注意操作安全[]3223623(CH)AlH=Al(CH)+Al+3/2H电流通过薄的金属导体时，如果电流密度较大，金属原子与电子流之间发生动量交换，将使金属原子沿电流方向输运。AlfilmElectronflowHillockVoidCathodeAnodeSiO2filmAl铝2.7μΩ·cm铝合金3.5μΩ·cmCVD铜源：Cu(hfac)(TMVS)（三甲基乙烯树脂硅烷六氟化乙酰丙酮化铜，C10H13CuF6O2Si）和Cu(hfac)2：尽管采用CVD向通孔和沟槽中填充铜的可靠性较差，但它与CMOS工艺有更好的兼容性，因此对于Cu-CVD工艺在互连集成的应用，一直在进行大量的研究。ILDSi3N4TaN＋种子层ILDILDILDCuILD36铝2.7μΩ·cm，铜1.7μΩ·cm铜的缺点之一：不易刻蚀ElectrochemicalDeposition(ECD)大马士革镶嵌工艺222Cu(hfac)(TMVS)(g)=Cu(s)+Cu(hfac)(g)+2TMVS(g)Cu(hfac)(g)+H=Cu(s)+2H(hfac)(g)37同质外延：生长的外延层与衬底材料相同，反之为异质外延；正向外延：在低阻衬底材料上生长高阻外延层，反之为反向外延；气相外延（VPE）、液相外延（LPE）和固相外延（SPE）。9.3外延（Epitaxy）一种制备单晶薄膜的技术。在低于晶体熔点的温度下，在表面经过细致加工的单晶衬底上，沿其原来的结晶轴方向生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。分类CMOS电路中的完整器件通常并不是做在体硅上，而是做在一层很薄（2~4μm）的轻掺杂外延层上，目的：避免闩锁效应；提供有别于扩散或离子注入的控制杂质浓度分布的方法；外延层在某些方面的性能优于体材料，制作的CMOS器件具有很好的电介质完整性和很小的漏电流。38性质硅源SiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH4常温常压下形态液体液体气体气体沸点°C57.131.78.2-112相对分子质量169.9135.5101.032.1硅的质量分数％16.520.727.887.5空气中的性质发烟、氯气味发烟、氯气味自燃、氯气味自燃高温热分解小小中大最佳生长温度°C1150~12001100~11501050~11501000~1075最大生长速度μm/min小（3~5）中（5~10）大（10~15）中（5~10）常用生长速度μm/min0.5~1.50.5~1.50.5~1.00.1~0.5允许氧含量10-65~105~1052一、硅气相外延：含有一定硅源蒸汽的氢气流，流经被高频感应或红外灯加热的硅片表面，当条件适当时便会在其上外延成膜。温度／K生长速率／a.u.100012001400800-0.00500.05391.物理化学原理以氢还原四氯化硅体系为例，氢气为还原剂、运载和稀释气体，在高温下将四氯化硅还原析出硅：实际发现测量，气相中可能存在一系列中间反应：42SiCl(g)+2H(g)=Si(s)+4HCl(g)4234223222322222SiCl+H=SiHCl+HClSiCl+H=SiCl+2HClSiHCl+H=SiHCl+HClSiHCl=SiCl+HClSiHCl=SiCl+H五个反应均在气相中进行，有两点需特别注意：SiHCl3和SiH2Cl2在整个反应中是中间产物，以其作为硅源，反应历程可以缩短。SiCl2被认为是最主要的反应剂：2224SiCl+H=Si(s)+2HCl2SiCl=Si(s)+SiCl上述中间反应均可逆，意味着在适当的热力学条件下反应也可向左进行，即硅也会在氯硅烷环境中被腐蚀。腐蚀在高温和低温都会发生，而外延生长只在中间温度发生。外延硅生长速率与温度的关系台阶上层台阶下层吸附原子台阶边缘弯折位置析出的游离态硅原子被生长表面吸附成为吸附原子；如果吸附原子能量较高，会沿表面滑动（扩散）并聚集成群，群体分子数超过某一临界值时结晶形成晶核，放出潜热而在衬底表面固定下来；形成的晶核倾向于嫁接到晶面的弯折（kinkposition）处，且晶核不断扩展直至形成一个完整的新晶面。40近晶面模型2.薄膜生长模型结晶体在（111）面上的形貌外延为横向生长，晶体表面杂质会阻碍生长，进而产生层错或位错缺陷。单晶/多晶生长速率与温度的关系Rmax随温度呈指数上升如果吸附原子迁移过程受到抑制，则可能生成多晶薄膜。原子稳定性受生长速率和温度限制。在任一特定温度下，都存在一个最大生长速率。siliconcrystalepilayer41外延生长42外延生长中存在两种类型的掺杂：有意识掺杂：为在衬底上生长具有特定厚度、导电类型以及电阻率等性能的外延层，将杂质由外部掺入到外延层的过程。无意识掺杂：在外延生长中，由于扩散效应和自掺杂效应，造成衬底中的杂质在外延层和衬底之间发生再分布的过程。（1）有意识外延掺杂外延层中的杂质原子是在外延生长过程中加入到晶格点阵中的，常用的杂质源主要是杂质的气态氢化物，如B2H6、PH3和AsH3。外延层掺杂浓度与下列因素有关：一定生长条件下，外延层掺杂浓度与混合气氛中的掺杂剂分压成正比；在一定掺杂剂分压下，外延层掺杂浓度与外延生长速度有关；在质量输运控制范围内，虽然生长速率与温度关系不明显，但杂质浓度随温度增加而下降。3.外延层中的杂质分布⎛⎞⎜⎟⎝⎠01GJkTNpRRHh==+外延工艺的优势之一：可精确控制掺杂浓度siliconcrystalepilayer外延掺杂4344①扩散效应：衬底中的杂质与外延层中的杂质在外延过程中互相扩散，引起衬底与外延层界面附近的杂质浓度缓慢变化的现象。一方面，由外部掺入外延层的杂质继续向衬底深处扩散另一方面，衬底中的杂质不断向生长着的外延层扩散总的杂质浓度分布是它们各自扩散的共同结果：（2）无意识外延掺杂－扩散效应&自掺杂效应外延层气体衬底CbCexCC1(x,t)C2(x,t)0de111(,)22bxCxtCerfcDt⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎝⎠221(,)22exCxtCerfcDt⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎝⎠1211(,)2222bexxCxtCerfcCerfcDtDt⎛⎞⎛⎞=±⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠当外延层和衬底中杂质为同一导电类型时取正号，为相反导电类型时取负号。对流扩散通常情况下1tDtυ>>45C1+C20C2−C1为减小扩散效应，得到界面陡峭的分布，可采取下列措施：用扩散速率低的锑作为n型衬底本底杂质；本底杂质浓度在满足电学性能要求的前提下不宜过高；外延生长温度在保证结晶质量的前提下尽量降低；使用生长温度较低的外延体系或技术，如SiH4-H2体系、低压外延技术等。外延生长过程中杂质的对流扩散效应，特别是高浓度一侧向异侧端的扩散，不仅使界面附近浓度分布偏离了理想情况下的突变分布而形成缓变，且只有在离界面稍远处才保持理想状态下的均匀分布，使外延层有效厚度发生变化：变窄（Cb>Ce），变宽（Cb<Ce）1×103~2×104Pa满足电学参数要求的部分46在外延生长过程中，衬底和／外延层中的杂质由于蒸发和腐蚀作用，进入气相边界层中，并重新掺入外延层，导致杂质的实际分布偏离理想情况。自掺杂效应是气相外延的本征效应，不可能完全避免。减少自掺杂的指导思想是：降低由衬底蒸发的杂质量；尽量避免使蒸发出的杂质重新进入外延层。②自掺杂效应（Autodoping）47为此，可采取下列具体措施：对重掺杂衬底，用二氧化硅、轻掺杂高纯硅等覆盖衬底背面和侧面，减少杂质外逸；使用蒸汽压和扩散速率低的杂质作为衬底掺杂，如用锑代替高蒸汽压的砷和高扩散速率的磷；采用两步外延，即在衬底表面预先生长一层薄的本征外延层以阻挡衬底杂质外逸，之后再开始正式外延生长；在保证外延质量和速度的前提下，尽量采用硅烷等不含氯的原料，既可降低外延生长温度，也可减少反向化学腐蚀；避免在高温下采用HCl对衬底进行腐蚀，或在腐蚀之后使用低温气体流除去因腐蚀外逸的杂质；对某些杂质，可使用低压外延生长。自掺杂效应对流扩散杂质快速穿过边界层被排出，重新进入外延层的几率降低。48二、其它外延技术SEG原理：利用外延生长的基本原理以及硅在绝缘体上难以核化成膜的特性，在硅表面特定区域生长外延层而其它区域不生长的工艺技术。通过调整硅源中的Si/Cl比，可以从非选择性生长向选择性生长和腐蚀方向变化→最佳：低压，SiH2Cl2+HCl生长。主要应用：器件隔离、接触孔平坦化、沟槽隔离填充及MOS器件源漏结构的形成等等。问题：沿多种晶体平面的低生长速率造成的表面不平整，半导体／氧化物界面上形成的缺陷以及生长速率与开窗大小及其分布的关系。1.选择外延（SelectiveEpitaxialGrowth）外延层氧化层理想实际厚度变化硅核小平面硅成核可能性：Si>Si3N4>SiO2选择性外延生长截面图siliconcrystaloxideepipoly选择外延49OxideEpiSubstrateSubstrateEpiPolyNSEGSEG50横向超速外延（ExtendedLateralOvergrowth，ELO）形成SOI结构51在蓝宝石（α-Al2O3）、尖晶石（MgO⋅Al2O3）等单晶绝缘衬底上异质外延生长单晶硅膜的工艺技术，是SOI技术中工艺比较成熟、应用较多的一种。选择衬底材料非常重要：首要考虑相容性－晶体结构、熔点、蒸汽压以及热膨胀系数等。2.SOS（SilicononSapphire／Spinel）外延外延生长在硅上的单晶绝缘膜（如CaF2）亦可与表面距离，缺陷晶格常数（Å）晶格与硅失配（％）波长（μm）禁带宽度（eV）晶格不匹配引起的缺陷→增厚外延层：缺陷虽向上传播，但不会贯穿。所有绝缘体热膨胀系数均比硅高2到3倍→激光脉冲使硅层熔融再结晶、固相外延、双固相外延技术等。对于LSI和某些高成本ULSI，SOS外延层的质量是可以达到要求的。一些化合物半导体和合金的能带隙及晶格常数52异质外延时外延层与衬底为不同材料，且外延层必须保持理想化界面，这意味着通过界面的原子间必须连续。因此，这两种材料要么有相同的晶格间距，要么通过变形形成同样的晶格间距。异质外延生长的类型53应力层超晶格的形成原理与构成应力层超晶格（SLS:strained-layersuperlattice）:典型异质外延结构。两种具有不同晶格常数a1和a2的材料生长成为具有同一晶格常数b的结构，其中a1>b>a2。对较薄的膜层，晶格不匹配被膜层中的均匀应力调节容纳，这种情况下界面处不会发生失配位错，可以获得高质量的结晶材料。超晶格（superlattice）：几种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。54用氢气作载气将有机金属化合物蒸汽和气态非金属氢化物经过开关网络送入反应室内加热的衬底上，通过分解反应生长出外延层。3.金属有机物化学气相淀积（MetalOrganicCVD,MOCVD）突出优点：能生长出薄的、具有原子层级成分突变的极佳外延层。广泛应用于Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族化合物的异质外延层生长，是制备化合物半导体光电器件，包括蓝光LED、大功率激光器以及GaAs太阳电池等的关键工艺。一种基于热分解反应的气相外延工艺。有些元素不能形成稳定卤化物和氢化物，但在适当蒸气压下却能形成稳定的金属有机化合物，MOCVD对这样的元素非常重要。沉积速率0.05~1μm/min空气中易自燃用MOCVD材料制备的器件5556在极高真空度（约10-8Pa）环境中，一束或多束含有薄膜组分元素的热原子流或分子流直接喷射到衬底表面并反应生成外延层的工艺技术。4.分子束外延（MolecularBeamEpitaxy,MBE）突出优点：可对化学成分和掺杂分布进行精确控制，生长具有原子层量级厚度膜层。生长速率很慢，比如砷化镓，典型生长速率为1μm/hr。已广泛应用于元素半导体、Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体及有关合金、多种金属和氧化物的单晶生长，适于制备微波、光电和多层结构器件。57MBE（固态源、气态源、化学束、射频等离子体MBE）设备的特点是结构复杂、配置齐全，主要组成部分：超高真空系统；生长系统；测量、分析和监控系统。气体源原位（in-situ）分析手段MBE的进一步发展是用金属有机化合物（如TMG、TEG）取代Ⅲ族元素，这种方法称为金属有机分子束外延（MOMBE），也称为化学束外延（CBE）。虽然与MOCVD类似，但它是MBE的一种特殊形式。58MBE发展过程中的里程碑迄今用MBE研制的各种半导体超薄层异质结材料己不下数十种，包括化合物半导体、元素半导体和非晶材料等多种体系，己被用来开拓一系列新型的半导体光电子器件和超高速、超高频器件，如量子阱激光器、量子点激光器、自电光效应光双稳器件、超晶格量子阱远红外探测器、高电子迁移率晶体管（HEMT）、质配高电子迁移率晶体管（PHEMT）、异质结双极晶体管（BT）和共振遂穿负阻器件（RTD、RTT）等。59以单质固态材料为源，采用某种物理方法将源变为气态，并按一定化学计量比在衬底表面淀积成膜。根据固体源气化方式不同，可以把物理气相淀积技术分为真空蒸发（Evaporation）和溅射（Sputtering）两种最基本的方法。通常用于金属、金属氧化物或其它固态化合物的淀积。9.4物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition，PVD）在高真空环境中加热固体蒸发源，使其原子或分子从蒸发源表面逸出，形成蒸气流并入射到衬底表面，凝结形成固态薄膜。真空蒸发又称为热蒸发。一、真空蒸发60主要应用：制作有源元件、器件的接触及金属互连，高精度低温度系数薄膜电阻器和薄膜电容器的绝缘介质及电极等。显著优点：设备简单，操作简便，淀积薄膜纯度较高，厚度控制比较精确，成膜速度快以及生长机理简单等等。明显缺点：淀积薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不够理想，台阶覆盖能力较差等等。真空蒸发法制备薄膜的过程包含以下几个连续的步骤：加热蒸发过程；气化原子或分子在蒸发源与衬底之间的输运过程;蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程。由Langmuir-Knudsen理论，薄膜淀积速率：右边第一项由蒸发材料决定，第二项取决于温度，第三项由蒸发腔的几何形状决定。6122eevapSPMR=AZπkρT/123/21/2310HNkTePTeυσΔ=×汽化热平衡蒸气压视角因子源面积2coscosZRθφπ=如果晶片与坩埚均在同一圆周r上，薄膜均匀性较好，此时：2coscos214RrZrθφπ===点源小平面源旋转晶片&加热晶片→改善台阶覆盖62（1）电阻式蒸发定义：低压大电流流经用难熔金属丝（如钨）、薄片（如钼）制成的加热器的两端或加热石墨／氮化硼坩埚，使放在其上的蒸发源气化而蒸发到衬底表面。应用：铝、金、铬等易熔化、气化材料蒸镀。优点：设备简单，使用成本低，蒸发速度快，不产生电离辐射，台阶覆盖性能好。缺点：存在来自加热器污染的可能性（尤其钨加热器是钠玷污源），加热器寿命短需经常更换。常用真空蒸发系统真空蒸发的主要物理过程之一是采用各种技术加热蒸发源，根据对蒸发源加热方式的不同，常用真空蒸发系统可分为电阻式蒸发、电子束蒸发、电感式蒸发以及激光蒸发等几大类。加热螺旋丝源棒淀积材料载物舟坩埚淀积材料电阻加热器63（2）电子束蒸发定义：用高电压加速并聚焦由热阴极发射出的电子束，使之轰击蒸发源表面，当功率密度足够大时，可以使熔点在3000°C左右的难熔金属或电介质源熔化并蒸发到衬底表面形成薄膜。应用：难熔金属和氧化物材料（如W、Mo、SiO2、Al2O3等）的蒸镀。优点：屏蔽热阴极+水冷坩埚→高纯度薄膜；电子束扫描→均匀淀积；大载量源，投片量大且易获得较厚薄膜；衬底可离源较远→使用行星式装载系统；真空室内可放置多个源进行连续蒸发。缺点：衬底有辐射损伤；产生软X射线；结构复杂价格昂贵。64蒸发多成分薄膜的方法：材料1材料2材料1材料2挡板挡板合金溶液合金膜合金膜分层淀积单源蒸发多源共蒸发多源顺次蒸发熔化的淀积材料感应线圈氮化硼坩埚65（3）电感式蒸发定义：将盛有蒸发材料的石墨或陶瓷坩埚放置在水冷高频感应线圈内，使蒸发材料在高频电磁场的感应下升温，直至气化蒸发。优点：不存在电离辐射（相对于电子束蒸发）；蒸发速率高；蒸发源温度均匀、稳定；操作简便，温度控制精度高。高频感应加热器（4）激光蒸发定义：利用高功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸发材料进行加热，使之熔化并蒸发到衬底表面形成薄膜。应用：特别适于蒸发成分比较复杂的合金或化合物材料。优点：可以蒸发任何高熔点材料；提高淀积薄膜的纯度；淀积含有不同熔点材料的化合物薄膜可保证成分的比例；真空室结构简单，易获得高真空度。66气体入口直流/射频电源靶衬底基片真空系统简单平行板溅射系统腔体利用带电离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向被溅射的靶电极。在离子能量适合的情况下，入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中使其溅射出来，这些溅射出的原子以一定动能并沿一定方向射向衬底，从而实现在衬底上的薄膜淀积。二、溅射67离子轰击物理表面可能发生的四种物理过程反射：入射离子能量很低；吸附：入射离子能量小于10eV；溅射：入射离子能量为10eV~10keV。一部分离子能量以热的形式释放；一部分离子造成靶原子溅射。离子注入：入射离子能量大于10keV。入射离子反射离子＆中性粒子二次电子溅射原子表面衬底损伤注入溅射1.溅射过程由溅射的物理过程可见，从导体到绝缘体，从元素材料到合金、化合物薄膜，从普通金属材料到高熔点、低蒸气压材料，都可采用溅射制备，而且溅射几乎可以在任何衬底上淀积薄膜。AtomioneWaferplasmaArMetaltarget68溅射的六个阶段引入气体原子（Ar）与电子碰撞制造出离子（Ar+）；离子在电场作用下加速冲向靶阴极，对靶进行撞击；靶原子从表面飞溅出来；自由的靶原子向衬底传输；靶原子在衬底上凝结形成薄膜；多余物质被真空泵抽出。溅射的优点：台阶覆盖比蒸发好辐射缺陷远少于电子束蒸发制备复合材料和合金性能较好可以淀积介质材料蒸发溅射原子／离子动能0.1~0.2eV10~50eV致密性差好黏附性差好方向性好差均匀性差好台阶覆盖差好淀积速率极慢快大尺寸厚度控制差好成分控制差好可淀积材料少多制造成本低高69（1）溅射阈值每种靶材存在一个能量阈值（一般在10~30eV之间），低于阈值不会发生溅射反应。溅射阈值与入射离子种类无明显的依赖关系，主要取决于靶材本身特性（如升华热）。（2）溅射率／溅射产额平均每个正离子所能溅射出的靶原子数。2.溅射特性S=溅射出的靶原子数轰击靶阴极的离子数S与入射离子能量的关系入射离子质量：离子质量↑，S↑，但随原子序数起伏。入射离子能量：存在能量阈值。能量↑，S↑；能量过大，发生离子注入，因此产额在某一能量时会有最大值。入射离子数量：采用HDP可增加溅射速率。靶材种类：金属材料中，铜、银、金较容易溅射；碳、硅、钛、钒、锆、铌、钽、钨等较难溅射。入射角：不完整1/cosθ函数形式，最小值接近垂直入射处。7045keV离子射向银、铜和钽靶时，溅射率与轰击离子原子序数的关系气压在不同真空度、温度和离子能量下，溅射薄膜形貌会发生变化。特点形成条件1区多孔、低密度，无定形低真空，低温，低离子能量T区晶粒细小，多晶高真空，较低温度，高离子能量2区柱状晶粒，多晶较高真空，较高温度，较高离子能量3区颗粒状晶粒，多晶高真空，高温度，高离子能量71✔直流溅射射频溅射磁控溅射反应溅射离子束溅射偏压溅射3.常用溅射方法一般采用热退火进行溅射薄膜后处理，作用在于：消除溅射引起的损伤；使溅射薄膜与衬底发生某些反应，如金属与硅衬底生成硅化物，增加附着力。72直流溅射靶材应具有较好导电性→可以很方便地淀积各类金属薄膜。（1）直流溅射靶接阴极（cathode），硅片呈阳极（anode），真空室作为放电二极管，通入放电气体（如Ar）；阴极加1~10kV负高压，产生辉光放电，形成等离子体；正离子被加速至数百-数千伏，撞击靶材，使靶原子飞溅出来；靶原子形成蒸汽并自由穿过等离子区到达硅表面；溅射淀积时反应腔内压力为10mtorr左右。在引入放电气体前，真空室需达高真空（10－6torr以上）。Conductive阴极辉光阳极鞘区等离子体阴极暗区（鞘区）等离子体中包含同等数量的正氩离子和电子以及中性氩原子；大部分的电压降在阴极暗区；氩离子轰击阴极靶（如Al）,Al原子被溅射出，通过等离子区淀积到阳极硅片上。直流溅射系统中等离子体结构和电压分布（系统通入氩气）7374一种适用于各种金属和非金属材料的溅射淀积方法。在两个电极之间加高频电场时，因电场可以经其它阻抗形式耦合进入反应室，不必再要求电极一定是导体。（2）射频溅射13.56MHzV2V1Unequalareaelectrodes(leftelectrodesmaller)射频电压周期性改变各电极电位，每个电极都有可能因自偏压效应而受到离子轰击→加大非溅射电极面积，降低其自偏鞘层电压：⎛⎞⎜⎟⎝⎠1212mVA=AVm=1~2（实验值）RF溅射系统中稳态时的电压分布75硅片电极也可以单独加上RF偏压，这样在实际淀积前可预先清洁晶片或“溅射刻蚀”。另外一种应用是偏压-溅射淀积（bias-sputterdeposition），在晶片上溅射和淀积同时进行，可以改善淀积台阶覆盖性。76DC&RF溅射方法有两个主要缺点：淀积速率较小，工作气压较高，两者综合效果是气体分子对薄膜产生污染的可能性提高。而磁控溅射作为一种淀积速率较高，工作气压较低的溅射技术具有其独特优越性。（3）磁控溅射磁场有效提高电子与气体分子的碰撞几率，工作气压可明显降低（1Pa→0.1Pa），溅射原子被散射的几率减小：降低薄膜被污染的可能性；提高入射到衬底表面原子的能量，改善薄膜质量（致密化）。磁控溅射的最大缺点是靶的不均等使用和烧蚀，导致靶寿命降低。磁控溅射靶材剖面77多组分薄膜溅射：使用化合物靶材淀积，但化合物在溅射过程中可能发生分解，使薄膜与靶材的化学组分产生偏离。以纯金属为靶材，同时在工作气体中混入适量活性气体（如O2、N2、NH3、CH4和H2S等），使它们在溅射的同时与靶材发生化学反应，淀积形成多组分薄膜。这种在淀积的同时形成化合物的溅射技术称为反应溅射。反应溅射经常用于以下化合物薄膜的淀积：•氧化物：如Al2O3、SiO2、In2O3、SnO2；•碳化物：如SiC、WC、TiC；•氮化物：如TiN、AlN、Si3N4；•硫化物：如CdS、ZnS、CuS；（4）反应溅射阳极靶MMMOOO衬底✔气相中靶表面衬底表面78小平面源发射的理想余弦分布ϕR2coscosMRrθϕπ=（5）准直溅射薄膜即使覆盖在高深宽比的结构上也要求保持均匀厚度，以保证互连效果。为达到这一要求，可以使用带准直器的溅射方法，即准直溅射。79优点：改善接触孔底部的覆盖效果；缺点：•淀积速率降低。淀积次数的增加，准直器孔径变小，淀积速率会进一步减小；•准直器填塞呈辐射状，中间孔比边孔更快被堵塞，需经常更换，增加成本&粒子污染的几率。衬底靶准直器长投准直溅射：靶与衬底之间的距离5~10cm→25~30cm，同时等离子体在低压下产生。只有小角度射出的靶原子才能到达衬底表面，如同加了单孔准直器。80AppliedMaterialEndura薄膜淀积 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf _181薄膜淀积总结_2