第五章薄膜淀積工藝（上）第五章薄膜淀積工藝1薄膜淀積（ThinFilmDeposition）工藝■?概述■?真空技術(shù)與等離子體簡(jiǎn)介(第10章)■?化學(xué)氣相淀積工藝(第13章)■?物理氣相淀積工藝(第12章)■?小結(jié)參考資料：《微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)》第10、12、13章（電子講稿中出現(xiàn)的圖號(hào)是該書中的圖號(hào)）薄膜淀積（ThinFilmDeposition）工藝■2一、概述薄膜淀積工藝是IC制造中的重要組成部分：在硅表面以上的器件結(jié)構(gòu)層絕大部分是由淀積工藝形成的。1、薄膜淀積工藝的應(yīng)用一、概述薄膜淀積工藝是IC制造中的重要組成部分：在硅表1、薄32、薄膜淀積工藝一般可分為兩類：(1)化學(xué)氣相淀積（ChemicalVaporDeposition）：利用化學(xué)反應(yīng)生成所需薄膜材料，常用于各種介質(zhì)材料和半導(dǎo)體材料的淀積，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等。(2)物理氣相淀積（PhysicalVaporDeposition）：利用物理機(jī)制制備所需薄膜材料，常用于金屬薄膜的制備淀積，如鋁、鎢、鈦等。(3)其他的淀積技術(shù)還包括：旋轉(zhuǎn)涂布法、電解電鍍法等SOG（SpinonGlass）金屬Cu的淀積2、薄膜淀積工藝一般可分為兩類：(1)化學(xué)氣相淀積（Che43、評(píng)價(jià)薄膜淀積工藝的主要指標(biāo)：(1)薄膜質(zhì)量：組分、污染、缺陷密度、機(jī)械性能和電學(xué)性能(2)薄膜厚度及其均勻性：表面形貌和臺(tái)階覆蓋能力(3)薄膜的間隙填充（GapFilling）能力3、評(píng)價(jià)薄膜淀積工藝的主要指標(biāo)：(1)薄膜質(zhì)量：組分、污染5深寬比（AspectRatio）：深寬比（AspectRatio）：61、氣體分子的質(zhì)量輸運(yùn)機(jī)制：低壓CVD2、等離子體產(chǎn)生機(jī)制：濺射、等離子體增強(qiáng)CVD、反應(yīng)離子刻蝕等3、無污染的加工環(huán)境：蒸發(fā)、分子束外延4、氣體分子的長(zhǎng)自由程輸運(yùn)：離子注入二、真空技術(shù)和等離子體簡(jiǎn)介（一）微電子制造涉及的真空技術(shù)1、氣體分子的質(zhì)量輸運(yùn)機(jī)制：低壓CVD二、真空技術(shù)和等離子體71、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件：溫度為20℃，相對(duì)濕度為65%，大氣壓強(qiáng)為：101325Pa=1013.25mbar=760Torr2、壓強(qiáng)單位：■帕斯卡（Pa）：國(guó)際單位制壓強(qiáng)單位，1Pa=1N/m2■標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）：壓強(qiáng)單位，1atm=101325Pa■乇（Torr）：壓強(qiáng)單位，1Torr=1/760atm，1Torr=1mmHg■毫巴（mbar）：壓強(qiáng)單位，1mbar=102Pa■其他常用壓強(qiáng)單位還有：PSI（磅/平方英寸）（二）真空基礎(chǔ)知識(shí)1、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件：（二）真空基礎(chǔ)知識(shí)83、氣體動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)的幾個(gè)公式：注意：這些公式只在λ<<L時(shí)適用（L是腔體的特征長(zhǎng)度）氣體分子的平均速率：式中m是氣體分子質(zhì)量氣體分子的平均自由程：式中d為分子直徑；n為單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)根據(jù)理想氣體定律，代入上式，得到式中P為腔體壓力（二）真空基礎(chǔ)知識(shí)3、氣體動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)的幾個(gè)公式：注意：這些公式只在λ<<94、真空區(qū)域劃分：壓強(qiáng)高，真空度低；壓強(qiáng)低，真空度高?！?/p>

IC工藝設(shè)備一般工作在中低真空段，但為了獲得無污染的潔凈腔室，一般要求先抽到高真空段后再通入工藝氣體。（二）真空基礎(chǔ)知識(shí)真空度—指低于大氣壓的氣體稀薄程度4、真空區(qū)域劃分：壓強(qiáng)高，真空度低；■IC工藝設(shè)備一般10(1)真空系統(tǒng)的組成：氣源（待抽容器）、系統(tǒng)構(gòu)件（管道閥門等）及抽氣裝置（真空泵）。(2)氣體流動(dòng)：當(dāng)真空管道兩端存在有壓力差時(shí)，氣體會(huì)從高壓處向低壓處擴(kuò)散，形成氣體流動(dòng)。(3)氣體沿真空管道的流動(dòng)狀態(tài)可劃分為如下幾種基本形式：5、真空的獲得(1)真空系統(tǒng)的組成：氣源（待抽容器）、系統(tǒng)構(gòu)件（管道閥門11(1)低中真空泵：?

采用壓縮型旋轉(zhuǎn)葉片泵（氣體壓縮和氣體排除）；?

排氣量大時(shí)，需采用前置羅茨泵（轉(zhuǎn)速非常高）；?

對(duì)于高純凈環(huán)境，采用干泵以避免油蒸汽污染。(2)高真空泵：

抽吸腐蝕性和有毒氣體，或大容量氣體時(shí)，采用動(dòng)量轉(zhuǎn)移型泵，如擴(kuò)散泵和渦輪分子泵；

抽吸小容量氣體，或需要超高潔凈度時(shí)，采用氣體吸附型泵，如冷泵（低溫泵）等。7、真空密封：O形圈（低中真空）、金屬法蘭（高真空）8、氣壓測(cè)量：電容壓力計(jì)、熱傳導(dǎo)規(guī)表（低中真空）、離子規(guī)表（高真空）6、真空泵的分類：(1)低中真空泵：6、真空泵的分類：121、等離子體（Plasma）：指產(chǎn)生了部分電離現(xiàn)象的氣體

反應(yīng)腔抽真空，充氣

加高壓電場(chǎng)，氣體被擊穿，氣體離化，產(chǎn)生離子和自由電子

電子向陽極加速運(yùn)動(dòng)，離子向陰極運(yùn)動(dòng)，離子與陰極碰撞再產(chǎn)生大量二次電子

二次電子與中性氣體分子碰撞，再產(chǎn)生大量離子和電子，從而維持等離子體（三）等離子體簡(jiǎn)介2、等離子體的產(chǎn)生：1、等離子體（Plasma）：指產(chǎn)生了部分電離現(xiàn)象的氣體133、當(dāng)氣體由原子A和原子B組成時(shí)，可能出現(xiàn)的過程有典型工藝條件下只有0.1%左右的氣體離化率激發(fā)態(tài)的原子或分子的一個(gè)內(nèi)層電子處于高能量狀態(tài)，當(dāng)它躍遷回基態(tài)時(shí)，以可見光形式釋放能量。輝光放電（三）等離子體簡(jiǎn)介3、當(dāng)氣體由原子A和原子B組成時(shí)，可能出現(xiàn)的過程有典型工藝條14■

陰極暗區(qū)（Crooke暗區(qū)）：電子能量非常低；■

陽極暗區(qū)：電子密度很低；■

法拉第暗區(qū)：電子能量高，使氣體離子化而不是激發(fā)。（三）等離子體簡(jiǎn)介4、直流等離子體的組成■陰極暗區(qū)（Crooke暗區(qū)）：電子能量非常低；（三）等15圖10.17射頻等離子體示意圖■

當(dāng)電極為絕緣材料時(shí)，電荷聚集現(xiàn)象會(huì)造成電場(chǎng)的下降及等離子體的消失，此時(shí)應(yīng)采用射頻電源形成等離子體?！?/p>

兩個(gè)電極相對(duì)等離子體內(nèi)部是負(fù)電位的，且電極兩端都有暗區(qū)。（三）等離子體簡(jiǎn)介5、射頻放電等離子體■

典型的射頻電源頻率為13.56MHz?！鲈诟哳l交變電場(chǎng)下，正離子跟不上電場(chǎng)極性改變，而電子則可能在交替的半周期內(nèi)撞擊每個(gè)電極的表面。圖10.17射頻等離子體示意圖■當(dāng)電極為絕緣材料時(shí)16圖10.18射頻等離子體中直流電壓-位置關(guān)系當(dāng)上下電極面積不同時(shí)，面積比越大，小面積電極與等離子體之間的電壓降越大，這意味著存在一個(gè)指向該電極的強(qiáng)電場(chǎng)。當(dāng)上下電極面積相同時(shí)，6、射頻等離子體中的電壓-位置關(guān)系（三）等離子體簡(jiǎn)介圖10.18射頻等離子體中直流電壓-位置關(guān)系當(dāng)上下電極面17■?引言■?CVD工藝原理■?CVD技術(shù)分類及設(shè)備簡(jiǎn)介■?典型物質(zhì)（材料）的CVD工藝三、化學(xué)氣相淀積工藝■?引言三、化學(xué)氣相淀積工藝18（一）引言1、定義：?化學(xué)反應(yīng)的能量來源：熱（高溫）、等離子體、光2、CVD工藝一般用于介質(zhì)層和半導(dǎo)體材料的薄膜制備。注意：化學(xué)反應(yīng)不是發(fā)生在氣體與襯底之間的。對(duì)于一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并淀積出所需固體薄膜的生長(zhǎng)技術(shù)。其英文原名為“ChemicalVaporDeposition”，簡(jiǎn)稱為“CVD”。（一）引言1、定義：?化學(xué)反應(yīng)的能量來源：熱（高溫）、等離19(1)淀積溫度較低，減輕了襯底的熱形變，減少了沾污，并抑制了缺陷的生成(2)

淀積薄膜的成分和厚度容易受控，薄膜厚度與反應(yīng)時(shí)間成正比，工藝的均勻性與重復(fù)性好(3)

淀積膜結(jié)構(gòu)完整、致密，與襯底粘附性好，薄膜的臺(tái)階覆蓋性好(4)

淀積速率一般高于PVD（物理氣相淀積，如蒸發(fā)、濺射等）；厚度范圍廣（由幾百埃至數(shù)毫米）。(5)

能大量生產(chǎn)，工藝操作簡(jiǎn)單方便。3、CVD工藝的主要特點(diǎn)：(1)淀積溫度較低，減輕了襯底的熱形變，減少了沾污，并抑20圖13.1簡(jiǎn)單的熱CVD反應(yīng)器（二）CVD工藝原理1、考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的SiCVD反應(yīng)器：■反應(yīng)器管壁溫度為TW

，硅片基座溫度為TS

，一般TS>>TW■

從左邊入口通入硅烷（SiH4）和氫氣（H2），硅烷分解生成

多晶硅，H2用做稀釋劑（硅烷占總進(jìn)氣量的1％）■

氣體在進(jìn)入反應(yīng)腔時(shí)，溫度與管道壁相同■

反應(yīng)生成物和未反應(yīng)的氣體

從右邊出口流出■

腔體中氣流足夠慢，反應(yīng)腔

壓強(qiáng)是均勻的圖13.1簡(jiǎn)單的熱CVD反應(yīng)器（二）CVD工藝原理1、考212、SiCVD反應(yīng)器中發(fā)生的總反應(yīng)：其中，g代表氣態(tài)物質(zhì)，s代表固態(tài)物質(zhì)。(1)當(dāng)反應(yīng)是在腔內(nèi)氣體中自發(fā)發(fā)生（與位置無關(guān)）時(shí)，稱該反應(yīng)為同質(zhì)過程（HomogeneousProcess）氣體中存在大量固體硅顆粒，導(dǎo)致淀積層表面形態(tài)和均勻性差(2)當(dāng)反應(yīng)僅在硅片表面處發(fā)生并形成固體時(shí)，稱該反應(yīng)為異質(zhì)過程（HeterogeneousProcess）在SiCVD系統(tǒng)中，發(fā)生的同質(zhì)反應(yīng)是：在SiCVD系統(tǒng)中，發(fā)生的異質(zhì)反應(yīng)是：2、SiCVD反應(yīng)器中發(fā)生的總反應(yīng)：其中，g代表氣態(tài)物質(zhì)22圖13.3SiCVD過程中硅片表面模型淀積均勻性提高分子被吸附在硅片表面后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硅原子并釋放出氫：吸附過程a代表被吸附的物質(zhì)表面總反應(yīng)■吸附在硅表面的H2被解吸附，留下空位，使反應(yīng)可繼續(xù)進(jìn)行?！?/p>

被吸附的SiH2在硅片表面擴(kuò)散，直到找到空位成鍵?！?/p>

表面擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)時(shí)，淀積均勻；表面擴(kuò)散長(zhǎng)度短時(shí)，淀積不均勻。

溫度上升，擴(kuò)散長(zhǎng)度提高圖13.3SiCVD過程中硅片表面模型淀積均勻性提高分子233、一個(gè)典型的SiCVD工藝可分為以下幾個(gè)步驟：(1)

反應(yīng)氣體從腔體入口向硅片附近的輸運(yùn)(2)

氣體反應(yīng)產(chǎn)生中間物質(zhì)分子：(3)

中間反應(yīng)物SiH2輸運(yùn)到硅片表面（吸附）(4)

表面反應(yīng)釋放出反應(yīng)產(chǎn)物并淀積到硅片表面(5)

氣體副產(chǎn)物從硅片表面被釋放（解吸附）(6)

副產(chǎn)物離開硅片表面的輸運(yùn)(7)

副產(chǎn)物離開反應(yīng)器的輸運(yùn)最慢的步驟決定了淀積薄膜的速率關(guān)鍵問題涉及到：1、反應(yīng)腔內(nèi)的氣體流動(dòng)2、反應(yīng)腔內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)3、一個(gè)典型的SiCVD工藝可分為以下幾個(gè)步驟：(1)244、反應(yīng)腔內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)：(1)假設(shè):在小的體積元內(nèi)溫度和氣體化學(xué)組分是均勻的，且只進(jìn)行一種反應(yīng)，如：(2)化學(xué)平衡時(shí)，每種物質(zhì)的濃度維持固定不變P為其下標(biāo)物質(zhì)的分壓強(qiáng)，方程式中H的系數(shù)為2，故取平方。a.KP(T)取決于溫度，其中?G為反應(yīng)中吉布斯自由能的變化。b.KP(T)與氣體壓力無關(guān)?；瘜W(xué)平衡與質(zhì)量作用定律(3)反應(yīng)平衡常數(shù)(質(zhì)量作用定律)定義為：說明4、反應(yīng)腔內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)：(1)假設(shè):在小的體積元內(nèi)溫度和氣25假設(shè)KP(T)是已知的，此時(shí)三個(gè)分壓強(qiáng)都未知而只有一個(gè)方程式：通常，反應(yīng)器的總壓強(qiáng)是已知的，因此可以有第二個(gè)方程式：由于H2無消耗，故PH2=0.99P（入口分壓強(qiáng)）再根據(jù)入口氣流與Si/H的關(guān)系式，可推導(dǎo)出第三個(gè)方程式：其中，氣流量被認(rèn)為是已知的。至此，可根據(jù)三個(gè)方程式求出三種物質(zhì)的分壓強(qiáng)。假設(shè)KP(T)是已知的，此時(shí)三個(gè)分壓強(qiáng)都未知而只有一個(gè)方程式26■CVD過程從氣相中消耗硅，因此硅的分壓強(qiáng)并非只與入口氣流有關(guān)；要考慮含硅的氣相分子流量變化情況（擴(kuò)散）■可能發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)過程，如：至此的討論都建立在化學(xué)平衡近似的基礎(chǔ)上，實(shí)際CVD中的情況如何呢？在實(shí)際的淀積工藝中，平衡分壓強(qiáng)的求解：■要求解平衡分壓強(qiáng)，必須考慮每種反應(yīng)式的反應(yīng)平衡常數(shù)。補(bǔ)充注意■CVD過程從氣相中消耗硅，因此硅的分壓強(qiáng)并非只與入口27(1)當(dāng)反應(yīng)腔壓力降低時(shí)，反應(yīng)物分子的平均自由程增加，造成：■各種氣相物質(zhì)之間沒有足夠的碰撞機(jī)會(huì)，使其不能達(dá)到熱平

衡和化學(xué)平衡；■具有不同能量（Maxwell分布）的氣相分子之間沒有足夠的

碰撞次數(shù)，也無法達(dá)到化學(xué)平衡?！鲈趯?shí)際的CVD工藝中，一般認(rèn)為：

低壓CVD工藝是受動(dòng)力學(xué)控制的過程

常壓CVD是化學(xué)平衡過程“反應(yīng)腔特征長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于氣體分子的平均自由程”是一個(gè)必要的前提條件?！霾荒苓_(dá)到化學(xué)平衡的過程被稱為“動(dòng)力學(xué)控制過程”(1)當(dāng)反應(yīng)腔壓力降低時(shí)，反應(yīng)物分子的平均自由程增加，造成：28(2)對(duì)于動(dòng)力學(xué)控制過程，SiCVD的反應(yīng)式可改寫為：其中，Kf和Kr分別代表正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)的速率系數(shù)。反應(yīng)物質(zhì)濃度（分壓強(qiáng)）隨時(shí)間的變化率與各反應(yīng)速率系數(shù)有關(guān)，對(duì)于實(shí)際的CVD系統(tǒng)，可能涉及到數(shù)十種反應(yīng)物質(zhì)和上百種化學(xué)反應(yīng)，因此定量的處理過程是非常困難的，因此一般做定性處理即可。另外，還應(yīng)考慮濃度梯度引起的物質(zhì)擴(kuò)散等問題。(2)對(duì)于動(dòng)力學(xué)控制過程，SiCVD的反應(yīng)式可改寫為：其中29圖13.4氣流在管形反應(yīng)器中的展開氣體流動(dòng)決定了化學(xué)物質(zhì)的輸運(yùn)和氣體的溫度分布■氣體是黏性流，且不可壓縮?！鰵饬髟谇惑w表面的速度為零。（1）對(duì)CVD系統(tǒng)中氣流的幾個(gè)假設(shè)：層流對(duì)于一個(gè)表面溫度固定的圓形管道，假設(shè)氣體以勻速?gòu)墓艿雷蠖肆魅?，則在Zv距離內(nèi)，氣流將展開為完全的管道流（拋物線形）5、反應(yīng)腔內(nèi)的氣體流動(dòng)：氣體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)（2）推導(dǎo)：圖13.4氣流在管形反應(yīng)器中的展開氣體流動(dòng)決定了化學(xué)物質(zhì)的30展開距離為：其中，a是管道半徑，Re是無量綱的雷諾數(shù)雷諾數(shù)：其中，L為腔體特征長(zhǎng)度，μ

是動(dòng)黏度，ρ是氣體質(zhì)量密度，η是氣體的動(dòng)態(tài)黏滯度當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，管道中氣流速度分布為拋物線形，即其中，r為距中心線的半徑，dP/dz為橫跨管道的壓力梯度圖13.4氣流在管形反應(yīng)器中的展開展開距離為：其中，a是管道半徑，Re是無量綱的雷諾數(shù)雷諾數(shù)：31圖13.1簡(jiǎn)單的熱CVD反應(yīng)器再回到圖13.1的系統(tǒng)，■假設(shè)系統(tǒng)溫度均勻