薄膜沉積原理分析PPT課件

1、1/37大綱 第一章 前言第二章 晶體生長(zhǎng)第三章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗第四章 光刻第五章 熱氧化第六章 熱擴(kuò)散第七章 離子注入第八章 薄膜淀積第九章 刻蝕第十章 后端工藝與集成第十一章 未來趨勢(shì)與挑戰(zhàn)第1頁(yè)/共37頁(yè)2/37本節(jié)課主要內(nèi)容常用的淀積薄膜有哪些？舉例說明其用途。什么是CVD？描述它的工藝過程。CVD的控制有哪兩種極限狀態(tài)？分別控制什么參數(shù)是關(guān)鍵？單晶硅（外延）器件；多晶硅柵電極；SiO2互連介質(zhì)；Si3N4鈍化。金屬化學(xué)氣相淀積：反應(yīng)劑被激活后在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)成膜。1)主氣流中的反應(yīng)劑越過邊界層擴(kuò)散到硅片表面；2)反應(yīng)劑被吸附在硅片表面；3)反應(yīng)成核生長(zhǎng)；4)副產(chǎn)物揮發(fā)。表

2、面反應(yīng)控制：溫度質(zhì)量輸運(yùn)控制：反應(yīng)器形狀，硅片放置第2頁(yè)/共37頁(yè)3/37氮化硅的淀積方法2438007003226643HHClNSiNHClSiHCo LPCVD：質(zhì)量好，產(chǎn)量高2343HSiNHNHSiHPECVD：等離子體中 或SiNxHy膜對(duì)水和鈉有極強(qiáng)的阻擋能力，可作為最終的鈍化層或多層布線中的介質(zhì)。224322HSiNHNSiH第3頁(yè)/共37頁(yè)4/37等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）低溫下（200350 C）利用非熱能來增強(qiáng)工藝過程反應(yīng)氣體被加速電子撞擊而離化。形成不同的活性基團(tuán)，它們間的化學(xué)反應(yīng)就生成所需要的固態(tài)膜。13.56MHz第4頁(yè)/共37頁(yè)5/37等離子體：物質(zhì)存在

3、的第四態(tài)高密度導(dǎo)電粒子構(gòu)成的氣體極板區(qū)域有輝光上標(biāo)“ * ” 表示那些能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基態(tài)的粒子。分離的原子或分子被稱為自由基，它們具有不完整的結(jié)合狀態(tài)并且非常活躍。如：SiH3，SiO，F(xiàn)等。 原子激發(fā) e* + A A*+e 分子激發(fā) e* + AB AB*+e e* + AB A*+B*+e 原子離子化 e* + A A+e+e 分子離子化 e* + AB AB + +e+e激發(fā)裂解離化等離子體由電子、離化分子、中性分子、中性或離化的分子片斷、激發(fā)的分子和自由基組成。假設(shè)流進(jìn)的氣體是由原子A和原子B組成的分子AB, 在輝光放電中可出現(xiàn)的過程可有:第5頁(yè)/共37頁(yè)6/37PECVD：在等離子

4、體反應(yīng)器中，PECVD最重要的特征是能在更低的溫度下淀積出所需要的薄膜。PECVD淀積的氧化硅和氮化硅膜與較高高溫下LPCVD的膜相比有以下特征：應(yīng)力較大、含H、非化學(xué)比的結(jié)構(gòu)因而造成膜的性質(zhì)的不同：粘附能力較差，有針孔、表面粗糙度增大，介電常數(shù)下降，折射率下降，腐蝕速率增加。PECVD薄膜淀積質(zhì)量強(qiáng)烈依賴于RF功率、壓強(qiáng)、溫度等參數(shù)第6頁(yè)/共37頁(yè)7/37第7頁(yè)/共37頁(yè)8/37第8頁(yè)/共37頁(yè)9/37物理氣相淀積 （PVD）蒸發(fā)（Evaporation）濺射（Sputtering）淀積金屬、介質(zhì)等多種薄膜淀積金屬薄膜第9頁(yè)/共37頁(yè)10/37真空蒸發(fā)：在真空中，把蒸發(fā)料(金屬)加熱，使其原

5、子或分子獲得足夠的能量，克服表面的束縛而蒸發(fā)到真空中成為蒸氣，蒸氣分子或原子飛行途中遇到基片，就淀積在基片上，形成薄膜 加熱器：電阻絲或電子束真空狀態(tài)蒸發(fā)第10頁(yè)/共37頁(yè)11/37汽化熱Hv TBAPvlogP為蒸汽壓，A為積分常數(shù)，R0為阿夫加德羅常數(shù)03 . 2 RHBv第11頁(yè)/共37頁(yè)12/37不同元素的平衡蒸氣壓與溫度的函數(shù)關(guān)系為了得到合適的淀積速率，樣品蒸氣壓至少為10 mTorr。Ta，W，Mo和Pt，這些難熔金屬，它們具有很高的溶化溫度，如為達(dá)到10 mtorr 的蒸氣壓， 鎢需要超過3000 。第12頁(yè)/共37頁(yè)13/37二、真空度與分子平均自由程 高純薄膜的淀積必須在高真

6、空度的系統(tǒng)中進(jìn)行，因?yàn)椋?. 源材料的氣相原子和分子在真空中的輸運(yùn)必須直線運(yùn)動(dòng)，以保證金屬材料原子和分子有效淀積在襯底上，真空度太低，蒸發(fā)的氣相原子或分子將會(huì)不斷和殘余氣體分子碰撞，改變方向。2. 殘余氣體中的氧和水氣，會(huì)使金屬和襯底氧化3. 殘余氣體和其他雜質(zhì)原子和分子也會(huì)淀積在襯底prkT22 反比于氣體壓強(qiáng)r為氣體分子的半徑平均自由程保角差第13頁(yè)/共37頁(yè)14/37三、蒸發(fā)速率和淀積速率單位時(shí)間內(nèi)，通過單位面積的分子數(shù)點(diǎn)源小平面源速率與蒸發(fā)的蒸氣流(F)和靶（硅片）的幾何形狀相關(guān)第14頁(yè)/共37頁(yè)15/37點(diǎn)源小平面源Revap是蒸發(fā)速率（g/s）是源蒸汽的發(fā)射角度，對(duì)于點(diǎn)源4N是淀積

7、材料的密度點(diǎn)源中F與i 無關(guān)，小平面源中F 隨 cosni 變化3、小平面源的非理想余弦發(fā)射1、點(diǎn)源的各項(xiàng)同性發(fā)均勻發(fā)射2、小平面源的理想余弦發(fā)射，即 n=1kevapevapPkNrRvrRFcos22kinevapinevapPkNrRvrRFcoscoscos22第15頁(yè)/共37頁(yè)16/37按 歸一化后，有 如下圖2001hNRll 是淀積點(diǎn)至硅片中心的距離h 是法線長(zhǎng)度ki222coshlrrhk 23201hl第16頁(yè)/共37頁(yè)17/37可見蒸發(fā)的淀積速率和蒸發(fā)材料、溫度/蒸汽壓、及淀積腔的幾何形狀決定反應(yīng)腔內(nèi)晶片的位置、方向有關(guān)。如坩鍋正上方晶片比側(cè)向的晶片淀積得多。為了得到好的均

8、勻性，常將坩鍋和晶片放在同一球面點(diǎn)源小平面源由Langmuir-Knudsen理論，有Pe是蒸氣壓（torr），As是源面積，m為克分子質(zhì)量，T為溫度esevapPTmAR21083. 5第17頁(yè)/共37頁(yè)18/37加熱器a) 必須在蒸發(fā)溫度提供所需熱量，但本身結(jié)構(gòu)仍保持穩(wěn)定。熔點(diǎn)高于被蒸發(fā)金屬熔點(diǎn) b) 不能與處于熔融狀態(tài)的蒸發(fā)料合金化或化合c) 蒸氣壓很低d) 易加工成形例：難熔鎢絲螺旋式蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)（ebeam）a) 電流通過螺旋狀燈絲，使其達(dá)到白熾狀態(tài)后發(fā)射電子 b) 電子向陽(yáng)極孔方向發(fā)射形成電子束，加速進(jìn)入均勻磁場(chǎng)c) 電子在均勻磁場(chǎng)洛侖茲力作用下作圓周運(yùn)動(dòng)d) 調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度控制

9、電子束偏轉(zhuǎn)半徑，使電子束準(zhǔn)確射到蒸發(fā)源e) 蒸發(fā)源熔融汽化，淀積到硅片表面優(yōu)點(diǎn)：淀積膜純度高，鈉離子污染少電子偏轉(zhuǎn)槍電阻絲第18頁(yè)/共37頁(yè)19/37為了實(shí)現(xiàn)球形結(jié)構(gòu)，晶片放在一個(gè)行星轉(zhuǎn)動(dòng)的半球罩內(nèi) 有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。淀積的均勻性可以得到很大改善電子束蒸發(fā)系統(tǒng)第19頁(yè)/共37頁(yè)20/37蒸發(fā)工藝中的一些問題:對(duì)某些元素淀積速率很慢合金和化合物很難采用臺(tái)階覆蓋差目前大生產(chǎn)很少采用濺射的優(yōu)點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋比蒸發(fā)好輻射缺陷遠(yuǎn)少于電子束蒸發(fā)制備復(fù)合材料和合金性能較好可以淀積介質(zhì)材料第20頁(yè)/共37頁(yè)21/37濺射Sputtering - 濺射淀積Sputter deposition 利用高能粒子（通常是由電場(chǎng)

10、加速的正離子如Ar+）撞擊固體表面，使表面離子（原子或分子）逸出的現(xiàn)象濺射的種類: 直流濺射射頻濺射反應(yīng)濺射磁控濺射準(zhǔn)直濺射 .第21頁(yè)/共37頁(yè)22/37不同元素的平衡蒸氣壓與溫度的函數(shù)關(guān)系而不同元素的濺射產(chǎn)率（yield）相差不大（0.1-3 per incident ion）第22頁(yè)/共37頁(yè)23/371、直流（DC）濺射只能濺射導(dǎo)電物質(zhì)a）陽(yáng)極（anode）上放硅片，陰極（cathode）是靶，真空室作為放電二極管，通入放電氣體（如Ar）b）陰極加110 kV負(fù)高壓，產(chǎn)生輝光放電，形成等離子體c）正離子被加速至數(shù)百-數(shù)千伏，撞擊在靶材上，將靶材中原子剝離d）這些原子形成蒸汽并自由地穿過

11、等離子體區(qū)到達(dá)硅表面e）濺射淀積時(shí)反應(yīng)腔里壓力在10 mtorr左右。在引入放電氣體前，真空室base pressure要達(dá)高真空（106 torr以上） 第23頁(yè)/共37頁(yè)24/37直流濺射系統(tǒng)中等離子體結(jié)構(gòu)和電壓分布（系統(tǒng)中通入氬氣）等離子體中包含同等數(shù)量的正氬離子和電子以及中性氬原子大部分的電壓降在陰極暗區(qū)氬離子轟擊陰極靶（如Al）, Al原子被濺射出，通過等離子區(qū)淀積到陽(yáng)極硅片上陰極輝光陽(yáng)極鞘區(qū)等離子體陰極暗區(qū)(鞘區(qū))第24頁(yè)/共37頁(yè)25/37濺射中的主要過程陰極暗區(qū)第25頁(yè)/共37頁(yè)26/37大面積濺射靶要較點(diǎn)源會(huì)提供更寬范圍 的到達(dá)角（arrival angles）第26頁(yè)/共3

12、7頁(yè)27/372、射頻濺射 也可濺射介質(zhì) 如靶是絕緣材料，不能采用直流濺射，因?yàn)榻^緣靶上會(huì)有正電荷積累。此時(shí)可以使用交流電源。13.56 MHz第27頁(yè)/共37頁(yè)28/37RF濺射系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓分布當(dāng)兩邊面積不等時(shí)，面積小的電極一邊（電流密度大）有更大電壓降，并有關(guān)系:V2V1Unequal area electrodes (left electrode smaller)m=12（實(shí)驗(yàn)值）mAAVV1221第28頁(yè)/共37頁(yè)29/37一般將靶電極的面積設(shè)計(jì)得較小，電壓主要降在靶電極，使濺射在靶上發(fā)生。硅片電極也可以和反應(yīng)腔體相連，以增加電壓降比值硅片電極也可以單獨(dú)加上RF偏壓，這樣在實(shí)際淀

13、積前可預(yù)先清潔晶片或“濺射刻蝕”. 另外一種應(yīng)用是偏壓-濺射淀積（bias-sputter deposition），在晶片上濺射和淀積同時(shí)進(jìn)行。這可以改善淀積臺(tái)階覆蓋性第29頁(yè)/共37頁(yè)30/373、反應(yīng)濺射 在濺射氣體中引入反應(yīng)活性氣體如氧或氮?dú)猓筛淖兓蚩刂茷R射膜的特性。如在低溫下可制作SiOx、SiNx等鈍化膜或多屬布線中的絕緣層；TiN、TaN等導(dǎo)電膜或擴(kuò)散阻擋層 第30頁(yè)/共37頁(yè)31/374、磁控濺射 直流濺射和RF濺射中，電子和氣體分子碰撞的離化效率較低，電子的能量有許多消耗在非離化的碰撞和被陽(yáng)極收集。通過外加磁場(chǎng)提高電子的離化率, 磁控濺射可以提高濺射效率?？蔀R射各種合金和難熔

14、金屬，不會(huì)像蒸發(fā)那樣，造成合金組分的偏離陰極表面發(fā)射的二次電子由于受到磁場(chǎng)的束縛,使得高密度等離子體集中在靶附近, 而不再轟擊硅片，避免了硅片的升溫均勻性、重復(fù)性好，有良好的臺(tái)階覆蓋濺射效率提高第31頁(yè)/共37頁(yè)32/375、準(zhǔn)直濺射 第32頁(yè)/共37頁(yè)33/37薄膜淀積總結(jié)第33頁(yè)/共37頁(yè)34/37第34頁(yè)/共37頁(yè)35/37CVD versus PVD (coarse comparison)CVDPVDFlexibilityPoorGoodDeposition temperatureHighLowDeposition pressureHighLowStep coverage (conformality)GoodPoorThickness uniformityGoodGoodComposition controlGoodPoorFilm purityHighLowDielectricPreferred- Metal-Preferred第35頁(yè)/共37頁(yè)36/37本節(jié)課主要內(nèi)容CVD的原理，制作的典型薄膜DG1/P ，hGDG hG升高低溫反應(yīng)，淀積均勻性增加，產(chǎn)率增加。外延硅（單晶生長(zhǎng)，多晶硅， SiO2，