1、第六章薄第六章薄 膜膜 工工 艺艺一、物理气相淀积（一、物理气相淀积（PVD）二、化学气相淀积（二、化学气相淀积（CVD）三、外延（三、外延（Epitaxy）在微电子工艺中会用到不同种类的薄膜，比如：在微电子工艺中会用到不同种类的薄膜，比如：电介质膜、外延膜、多晶硅膜和金属膜等。电介质膜、外延膜、多晶硅膜和金属膜等。1.电介质膜电介质膜：可以用作绝缘材料，掩蔽材料和：可以用作绝缘材料，掩蔽材料和钝化层等；钝化层等；2.外延膜外延膜：高质量的单晶膜，对器件进行优化。：高质量的单晶膜，对器件进行优化。3.多晶硅膜多晶硅膜：在：在MOS器件中作栅电极材料；器件中作栅电极材料；4.金属膜金属膜：包括硅
2、化物，用作低阻互连，欧姆：包括硅化物，用作低阻互连，欧姆接触，金属接触，金属/半导体整流等。半导体整流等。薄膜工艺薄膜工艺 物理气相淀积物理气相淀积：薄膜淀积过程是物理过程，如蒸：薄膜淀积过程是物理过程，如蒸发、溅射等。发、溅射等。化学气相淀积化学气相淀积：薄膜淀积过程是化学反应过程，：薄膜淀积过程是化学反应过程，如常压化学气相淀积（如常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相）、低压化学气相淀积（淀积（LPCVD）等。）等。外延外延：包括物理气相淀积和化学气相淀积，所生：包括物理气相淀积和化学气相淀积，所生长的薄膜是单晶，因此具有特殊性，其制备技术长的薄膜是单晶，因此具有特殊性，其制备技术
3、包括化学气相淀积、分子束外延（包括化学气相淀积、分子束外延（MBE）等。）等。一、物理气相淀积工艺一、物理气相淀积工艺1.物理淀积工艺主要用作金属和难熔金属硅化物理淀积工艺主要用作金属和难熔金属硅化物薄膜的制备。它们在微电子器件中主要是物薄膜的制备。它们在微电子器件中主要是作为欧姆接触、互连、栅电极等方面用的薄作为欧姆接触、互连、栅电极等方面用的薄膜。膜。2.物理淀积主要包括：物理淀积主要包括：蒸发蒸发和和溅射溅射。3.早期半导体工艺中的金属层全由蒸发淀积，早期半导体工艺中的金属层全由蒸发淀积，但目前大多被溅射代替，原因有二：一是蒸但目前大多被溅射代替，原因有二：一是蒸发的台阶覆盖能力差；二是
4、蒸发难以生产合发的台阶覆盖能力差；二是蒸发难以生产合金。金。1 1、物理淀积的基本知识、物理淀积的基本知识 真空系统真空系统：物理淀积必须在真空环境中进：物理淀积必须在真空环境中进行，否则由于空气分子的碰撞作用，将严行，否则由于空气分子的碰撞作用，将严重妨碍物理淀积的过程。真空度则依淀积重妨碍物理淀积的过程。真空度则依淀积方法和淀积物的性质而异。方法和淀积物的性质而异。等离子体等离子体：等离子体产生是溅射工艺的物：等离子体产生是溅射工艺的物理基础，是等离子产生和运动的过程。理基础，是等离子产生和运动的过程。1.1 1.1 真空系统的产生和密封真空系统的产生和密封真空度的常用单位有托（真空度的常
5、用单位有托（Torr）、大气压（）、大气压（atm）、）、毫米汞柱（毫米汞柱（mmHg）、帕斯卡（）、帕斯卡（Pa）等。其关系如）等。其关系如下：下：Torr转换成其它气压单位的转换因子（相乘）转换成其它气压单位的转换因子（相乘）单位单位转换因子转换因子标准大气压（标准大气压（atm）1.3310-3磅每平方英寸（磅每平方英寸（PSI）1.93310-2毫米汞柱（毫米汞柱（mmHg）1帕或牛顿每平方米（帕或牛顿每平方米（Pa）133.3真空范围的近似分类真空范围的近似分类初真空初真空0.1760 Torr10 105 Pa中真空中真空10-4 10-1 Torr10-2 10 Pa高真空高真空
6、10-8 10-4 Torr10-6 10-2 Pa超高真空超高真空10-8 Torrhg时，生长速率由质量传输系数时，生长速率由质量传输系数hg决定：决定：ggChNR R当当hg ks时，生长速率由表面反应速率时，生长速率由表面反应速率ks决定：决定：gsCkNR R其中其中N是硅原子密度除以所生长分子中的硅原子数。是硅原子密度除以所生长分子中的硅原子数。2.51022 cm-3 1.在常压下在常压下，吸附和解吸的速度比较快，因此淀积，吸附和解吸的速度比较快，因此淀积速率主要取决于质量传输速率和表面化学反应速速率主要取决于质量传输速率和表面化学反应速率。率。在高温下，在高温下，一般是质量输
7、运控制。一般是质量输运控制。在低温下，在低温下，一般是反应速率控制。一般是反应速率控制。2.在低压下在低压下，气体分子的平均自由程很大，因此质，气体分子的平均自由程很大，因此质量传输速率较大，因此淀积速率主要取决于表面量传输速率较大，因此淀积速率主要取决于表面吸附和表面化学反应速率。吸附和表面化学反应速率。常压外延和低压外延常压外延和低压外延为什么基座要倾斜放？为什么基座要倾斜放？生长速率与反应剂分压成正比，但随气流方向，生长速率与反应剂分压成正比，但随气流方向，反应气体的分压逐渐减小，导致沿气流方向的生反应气体的分压逐渐减小，导致沿气流方向的生长速率不一致；长速率不一致；将基座迎气流方向倾斜
8、放置，则滞流层厚度会沿将基座迎气流方向倾斜放置，则滞流层厚度会沿气流方向变薄，导致质量输运加快，生长速率增气流方向变薄，导致质量输运加快，生长速率增大，从而最终补偿由于反应气体分压减小带来的大，从而最终补偿由于反应气体分压减小带来的生长速率减小。生长速率减小。硅同质外延工艺硅同质外延工艺1.硅外延中常用的硅源有硅外延中常用的硅源有SiCl4，SiH2Cl2，SiHCl3，并用，并用H2稀释，其中应用最广的是稀释，其中应用最广的是SiCl4。2.不用不用SiH4作反应气体，是因为易在气体中成核，作反应气体，是因为易在气体中成核，而不是在硅片表面。而不是在硅片表面。3.对于对于SiCl4，主要反应
9、为：，主要反应为：42()()4()SiClHSiHCl气气体体气气体体（固固体体）气气体体222()()()SiHClSiClH（固固体体）气气体体气气体体气气体体同时存在另外一个竞争反应为：同时存在另外一个竞争反应为：硅片表面的反应硅片表面的反应实际上，硅片表面发生的反应比较复杂，但有实际上，硅片表面发生的反应比较复杂，但有两点需要注意：两点需要注意：1.在在Si-H-Cl系统中，硅片表面的反应物主要是系统中，硅片表面的反应物主要是SiCl2，这说明反应气体发生了中间反应这说明反应气体发生了中间反应。2.在在Si-H-Cl系统中，在反应速率受限区域，外延系统中，在反应速率受限区域，外延生长
10、都具有相同的反应激活能。这是因为反应生长都具有相同的反应激活能。这是因为反应速率都受限于氢从硅片表面释放的过程。速率都受限于氢从硅片表面释放的过程。不同硅源淀积速率与温度关系不同硅源淀积速率与温度关系B质量输运控制区域；质量输运控制区域；A反应速率控制区域。反应速率控制区域。生长速率和流量的关系生长速率和流量的关系在在Si-Cl-H系统高温外延中，硅表面上的混合气体主系统高温外延中，硅表面上的混合气体主要是要是H2，HCl和和SiCl2，其中，其中SiCl2是反应气体，而是反应气体，而HCl则对硅有腐蚀作用。因此，生长速率可以用下则对硅有腐蚀作用。因此，生长速率可以用下面公式拟合：面公式拟合：
11、2212SiClHClRc pc p说明：生长速率随流量会有一个最大值。说明：生长速率随流量会有一个最大值。生长速率对生长速率对SiClSiCl4 4流量的函数流量的函数工业上典型工业上典型生长条件生长条件选择性硅外延选择性硅外延基于以下事实：基于以下事实：外 延 生 长 中 在 不 同 衬 底 上 的 晶 粒 成 核 速 率 有：外 延 生 长 中 在 不 同 衬 底 上 的 晶 粒 成 核 速 率 有：SiO2Si3N4Si。通过调整通过调整Si-H-Cl系统中系统中Cl的比例，因为的比例，因为HCl可以刻蚀掉硅可以刻蚀掉硅晶核。晶核。工艺步骤是工艺步骤是：采用：采用SiO2作为掩蔽层，增
12、加反应气体中作为掩蔽层，增加反应气体中Cl的的含量，使含量，使SiO2上的硅晶核被腐蚀掉。上的硅晶核被腐蚀掉。选择性硅外延示意图选择性硅外延示意图外延掺杂外延掺杂 掺杂原理掺杂原理：在反应气体中加入掺杂气体，在外延：在反应气体中加入掺杂气体，在外延生长的时候结合进入生长层。常用掺杂气体有：生长的时候结合进入生长层。常用掺杂气体有：乙硼烷（乙硼烷（B2H6）、磷烷（）、磷烷（PH3）和砷烷（）和砷烷（AsH3）。）。掺杂过程掺杂过程：与外延生长相似，也分为：向晶片表：与外延生长相似，也分为：向晶片表面输运，吸附，反应，解吸等过程。面输运，吸附，反应，解吸等过程。掺杂浓度影响因素掺杂浓度影响因素1
13、.与掺杂气体的与掺杂气体的分压分压成比例关系，一般随分压的成比例关系，一般随分压的增大而增大。增大而增大。2.与与温度温度有关，不同杂质对温度依赖关系不一样。有关，不同杂质对温度依赖关系不一样。如硼随温度升高，掺杂量变大；而磷、砷则变如硼随温度升高，掺杂量变大；而磷、砷则变小。小。3.与与生长速率生长速率有关，高温下，掺杂浓度随生长速有关，高温下，掺杂浓度随生长速度增加而下降；低温下，掺杂浓度随生长速度度增加而下降；低温下，掺杂浓度随生长速度增加而增大。增加而增大。4.掺杂浓度与诸多因素有关，通常是通过实验摸掺杂浓度与诸多因素有关，通常是通过实验摸索出适当的工艺条件。索出适当的工艺条件。外延工
14、艺中的杂质分布外延工艺中的杂质分布 气相自掺杂效应气相自掺杂效应外延生长初期，反应器外延生长初期，反应器中杂质和衬底杂质蒸发出来，从而对外延中杂质和衬底杂质蒸发出来，从而对外延层掺杂；层掺杂；衬底杂质的再分布衬底杂质的再分布，衬底杂质向外延层中，衬底杂质向外延层中扩散；扩散；掺入外延层中杂质的再分布掺入外延层中杂质的再分布，掺入的杂质，掺入的杂质向衬底内部扩散。向衬底内部扩散。总的杂质分布是上述行为的叠加。总的杂质分布是上述行为的叠加。问题：外延层中的杂质来源有哪些？问题：外延层中的杂质来源有哪些？1.气体掺杂；气体掺杂；2.气相自掺杂；气相自掺杂；3.衬底向外延层中的扩散。衬底向外延层中的扩
15、散。减小杂质再分布措施减小杂质再分布措施1.降低反应温度，比如采用低压化学气相淀降低反应温度，比如采用低压化学气相淀积。积。2.高温烘烤，使硅片表面形成杂质耗尽层。高温烘烤，使硅片表面形成杂质耗尽层。3.清洁反应器，降低杂质污染。清洁反应器，降低杂质污染。4.用氧化硅，高纯硅覆盖衬底背面，减少蒸用氧化硅，高纯硅覆盖衬底背面，减少蒸发。发。外延生长缺陷外延生长缺陷 堆垛层错堆垛层错一般沿（一般沿（111）方向，在晶面中）方向，在晶面中插入多余的原子层面。插入多余的原子层面。尖峰尖峰外延层表面突起，可能与生长初期外延层表面突起，可能与生长初期缺陷有关。缺陷有关。图形漂移、畸变和塌边图形漂移、畸变和
16、塌边硅片上的图形在硅片上的图形在生长外延层之后，位置、形状发生变化。生长外延层之后，位置、形状发生变化。图形漂移示意图图形漂移示意图卤化物输运卤化物输运GaAsGaAs外延外延砷源砷源：AsH3气体气体镓源镓源：HCl与热与热Ga反应生成反应生成GaCl气体气体3.2 3.2 外延分子束外延（外延分子束外延（MBEMBE）该工艺是该工艺是将分子束流直接喷射到衬底表面，将分子束流直接喷射到衬底表面，形成外延层的技术。它能够生长原子级厚形成外延层的技术。它能够生长原子级厚度的薄膜，而且能够精确控制膜组分和杂度的薄膜，而且能够精确控制膜组分和杂质含量。质含量。分子束的产生分子束的产生将制备薄膜的物质
17、加热使将制备薄膜的物质加热使之熔化，产生的蒸气分子通过喷射炉的炉之熔化，产生的蒸气分子通过喷射炉的炉口喷射出去，从而产生分子束。口喷射出去，从而产生分子束。常用蒸发源有常用蒸发源有：硅，镓，砷，锑，铝。：硅，镓，砷，锑，铝。分子束外延装置示意图分子束外延装置示意图影响影响MBE薄膜质量的因素薄膜质量的因素1.必须在超高真空下进行，接近必须在超高真空下进行，接近10-10 Torr。2.衬底必须清洗干净。包括高温烘烤（衬底必须清洗干净。包括高温烘烤（10001200），氢键保护，等离子溅射等。），氢键保护，等离子溅射等。3.掺杂采用易蒸发的物质，如镓、铝、锑等掺杂采用易蒸发的物质，如镓、铝、锑等
18、金属杂质，而不是硼、磷、砷等。金属杂质，而不是硼、磷、砷等。常见薄膜沉积常见薄膜沉积1.二氧化硅（二氧化硅（SiO2）2.氮化硅（氮化硅（Si3N4）3.多晶硅（多晶硅（poly-Si）4.金属化薄膜金属化薄膜二氧化硅（二氧化硅（SiO2）4504222oCSiHOSiOH 700254290022222()222ooCCSi OC HSiOSiH ClN OSiONHCl 副副产产物物常压常压CVD或低压或低压CVD低压低压CVD（LPCVD）氮化硅（氮化硅（Si3N4）7502223423466oCSiH ClNHSi NHHCl 300422300432233ooCCSiHNSiNHHS
19、iHNHSiNHH 低压低压CVD（LPCVD）等离子增强等离子增强CVD（PECVD）多晶硅（多晶硅（poly-Si）600422oCSiHSiH 低压低压CVD（LPCVD）CVDCVD沉积钨沉积钨6264644236232323236WFHWHFWFSiWSiFWFSiHWSiFH（氢氢还还原原反反应应）（硅硅还还原原反反应应）（硅硅烷烷还还原原反反应应）CVDCVD沉积沉积TiNTiN4324224326862424282228TiClNHTiNHClNTiClNHTiNHClTiClNHHTiNHCl用于提供金属与衬底的粘附性和防止金属与衬底之用于提供金属与衬底的粘附性和防止金属与衬底之间的化学反应。间的化学反应。习题习题从图从图14.8中找出每一种化合物，大约在什么温度时，中找出每一种化合物，大约在什么温度时，生长成为质量输运控制的？其中假设生长成为质量输运控制的？其中假设hg与温度无关，与温度无关，ksk0exp(-Ea/kT)，Cg为为1015cm-3，计算，计算SiH2Cl2的的hg和和k0。
