第六章_薄膜气相淀积工艺.ppt
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1、1化学气相淀积工艺化学气相淀积工艺23q半导体薄膜:半导体薄膜:Si,GaAsq介质薄膜介质薄膜:SiO2,BPSG,Si3N4,q金属薄膜金属薄膜:Al,Cu 在集成电路制备在集成电路制备中,许多材料由中,许多材料由淀积工艺淀积工艺形成形成4Silicon substrateOxide宽宽长长厚厚与衬底相比与衬底相比薄膜非常薄薄膜非常薄Figure 11.4薄膜薄膜是指一种在衬底上生长的薄固体物质。如果一是指一种在衬底上生长的薄固体物质。如果一种种固体物质具有三维尺寸,固体物质具有三维尺寸,那么那么薄膜是指一维尺寸薄膜是指一维尺寸远远小于两外两维上的尺寸。远远小于两外两维上的尺寸。5对薄膜的
2、要求对薄膜的要求1.Desired composition,low contaminates,good electrical and mechanical properties.组分正确,沾污少,电和组分正确,沾污少,电和 机械性能好机械性能好2.Uniform thickness across wafer,and wafer-to-wafer.每一硅片和硅片之间均匀性好每一硅片和硅片之间均匀性好3.Good step coverage(“conformal coverage”).台阶覆盖性好台阶覆盖性好4.Good filling of spaces.填充性好填充性好5.Planarized
3、 films.平整性好平整性好 6Step Coverage Issues:7Filling Issues:8Examples or problems in actual structures.a)stepcoverage in sputter deposition of Al.b).voids inCVD oxide9可以用可以用深宽比深宽比来描述一个小间隙(如槽或孔)来描述一个小间隙(如槽或孔)深宽比定义深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值为间隙的深度和宽度的比值高深宽比间隙难淀积均匀厚度的膜。高深宽比间隙难淀积均匀厚度的膜。随着集成电随着集成电路特征尺寸的不断减小,对于高深宽比间隙的均路特
4、征尺寸的不断减小,对于高深宽比间隙的均匀、无空洞的填充淀积工艺显得至关重要。匀、无空洞的填充淀积工艺显得至关重要。10Two main types of deposition methods have beendeveloped and are used in CMOS technology:两种主要的淀积方式两种主要的淀积方式 Chemical Vapor Deposition(CVD)-APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD Physical Vapor Deposition(PVD)-evaporation,sputter deposition化学气相淀积化学气相淀积物理气相淀
5、积物理气相淀积n区别在于:区别在于:反应物的来源是否经过化学变化。反应物的来源是否经过化学变化。1112化化学学气气相相沉沉积积是是利利用用气气态态化化合合物物或或化化合合物物的的混混合合物物在在基基体体受受热热面面上上发发生生化化学学反反应应,从从而而在在基基体体表表面面上上生生成成不挥发的涂层。不挥发的涂层。化学气相沉积化学气相沉积(CVD)(CVD)3 3个要点:个要点:1.产生产生化学变化;化学变化;2.膜中膜中所有的所有的材料材料物质都源于外部的源;物质都源于外部的源;3.化学气相淀积工艺中的化学气相淀积工艺中的反应物必须以气相形式参加反应物必须以气相形式参加反应。反应。13CVD工
6、艺优点n(1)CVD成膜成膜温度温度远远低于体材料的熔点低于体材料的熔点。因此减轻了。因此减轻了衬底片的热形变,衬底片的热形变,抑制了缺陷生成抑制了缺陷生成;设备简单,重复性设备简单,重复性好;好;n(2)薄膜的)薄膜的成分精确可控、配比范围大成分精确可控、配比范围大;n(3)淀积速率一般高于)淀积速率一般高于PVD(物理气相淀积,如蒸发、(物理气相淀积,如蒸发、溅射等),溅射等),效率高;厚度范围广效率高;厚度范围广,由几百埃至数毫米,由几百埃至数毫米,可以实现厚膜淀积可以实现厚膜淀积,且能大量生产;,且能大量生产;n(4)淀积膜)淀积膜结构完整、致密,良好的台阶覆盖能力,结构完整、致密,良
7、好的台阶覆盖能力,且与衬底粘附性好且与衬底粘附性好。n(5)CVD方法几乎方法几乎可以淀积可以淀积集成电路工艺中所需要的集成电路工艺中所需要的各种薄膜各种薄膜,例如掺杂或不掺杂的,例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属氮化硅、金属(钨、钼钨、钼)等等缺点是缺点是淀积过程容易淀积过程容易对薄膜表面形成污染、对薄膜表面形成污染、对环境的污染对环境的污染等等14 CVD CVD过程过程15(1)常压化学气相淀积(常压化学气相淀积(APCVD););(2)低压化学气相淀积(低压化学气相淀积(LPCVD););(3)等离子体辅助等离子体辅助CVD等离子体增强化学气相淀积
8、(等离子体增强化学气相淀积(PECVD)高密度等离子体化学气相淀积(高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)另外还有另外还有次常压化学气相淀积次常压化学气相淀积SAPCVD SAPCVD(sub sub atmosphere pressure CVDatmosphere pressure CVD)等。等。常用的常用的CVDCVD技术有:技术有:161.1.常压常压化学气相淀积化学气相淀积(NPCVD NormalPressureCVD)(APCVD Atmosphere Pressure)常压化学气相淀积常压化学气相淀积(APCVD/NPCVD)(APCVD/NPCVD)是指在是指在大气压下
9、大气压下进行的一种化学气相淀积的方法,进行的一种化学气相淀积的方法,这是化学气相淀积这是化学气相淀积最初所采用的方法最初所采用的方法。17APCVD系统示意图系统示意图418nAPCVD的缺点:的缺点:n1.硅片水平放置,量产受限,易污染。硅片水平放置,量产受限,易污染。n2.反应速度受多种因素影响,反应室尺寸、气体反应速度受多种因素影响,反应室尺寸、气体流速、硅片位置等都会影响速度。流速、硅片位置等都会影响速度。n3均匀性不太好,均匀性不太好,所以所以APCVD一般用在厚的介一般用在厚的介质淀积。质淀积。nAPCVD系统的优点系统的优点:n具有具有高沉积速率高沉积速率,可达,可达600010
10、000埃埃/min通常在集成电路制程中。通常在集成电路制程中。APCVD只应用于只应用于生长保护钝化层。生长保护钝化层。192.2.低压化学汽相淀积低压化学汽相淀积(LPCVD)(LPCVD)随着半导体工艺特征尺寸的减小,对薄膜随着半导体工艺特征尺寸的减小,对薄膜的的均匀性要求均匀性要求及膜厚的及膜厚的误差要求误差要求不断提高,不断提高,出出现了现了低压化学气相淀积低压化学气相淀积(LPCVD)。低压化学低压化学气相淀积是气相淀积是指系统工作在较低的压强下指系统工作在较低的压强下(一般一般在在100Pa以下以下)的一种化学气相淀积的方法。的一种化学气相淀积的方法。LPCVD技术不仅用于制备技术
11、不仅用于制备硅外延层硅外延层,还广泛,还广泛用于各种用于各种无定形钝化膜无定形钝化膜及及多晶硅薄膜多晶硅薄膜的淀积,的淀积,是一种重要的薄膜淀积技术。是一种重要的薄膜淀积技术。2021n在这个系统中沉积室在这个系统中沉积室(deposition chamber)是由石英管是由石英管(quartz tube)所构成,而所构成,而芯片芯片则则是是竖立竖立于一个特制的固定架上,于一个特制的固定架上,可以扩大装可以扩大装片量片量。n在在LPCVD系统中须要安装一个系统中须要安装一个抽真空系统,抽真空系统,使沉积室内保持在所设定的低压状况,并且使沉积室内保持在所设定的低压状况,并且使用压力计使用压力计来
12、来监控监控制程制程压力压力22nLPCVD系统的优点:系统的优点:具有优异的薄膜均匀度,具有优异的薄膜均匀度,以及较佳的阶梯覆盖能力,并且可以沉积大面以及较佳的阶梯覆盖能力,并且可以沉积大面积的芯片;积的芯片;nLPCVD的缺点:的缺点:沉积速率较低,而且经常使用沉积速率较低,而且经常使用具有毒性、腐蚀性、可燃性的气体。具有毒性、腐蚀性、可燃性的气体。n由于由于LPCVD所沉积的薄膜具有较优良的性质,所沉积的薄膜具有较优良的性质,因此在集成电路制程中因此在集成电路制程中LPCVD是用以是用以成长单晶成长单晶薄膜薄膜及其对及其对品质要求较高的薄膜品质要求较高的薄膜。23n APCVDAPCVD生
13、长速率快生长速率快,但成但成膜均匀性不好膜均匀性不好,容易产生容易产生影响薄膜质量的影响薄膜质量的微粒微粒,基本不应用于集成电路制造。基本不应用于集成电路制造。LPCVDLPCVD反应系统一般要求反应系统一般要求温度在温度在650650以上,不能应以上,不能应用到后段用到后段。后段工艺中薄膜生长的反应温度较低后段工艺中薄膜生长的反应温度较低,需,需引入引入额外额外的的非热能能量非热能能量或或降低反应所需激活能降低反应所需激活能以得到足够反以得到足够反应能量。应能量。24n前者代表是前者代表是PECVDPECVD和和HDPCVDHDPCVD,等离子体提供等离子体提供的能量大大降低反应所需热能,从
14、而降低反的能量大大降低反应所需热能,从而降低反应温度到应温度到400400以下;以下;后者代表是采用后者代表是采用TEOS TEOS 与与O O3 3反应系统的反应系统的SACVDSACVD,由于由于O O3 3在较低温度下在较低温度下就可以提供氧自由基,反应所需激活能小于就可以提供氧自由基,反应所需激活能小于TEOSTEOS与与O2 O2 系统,因此较低温度下也可以提系统,因此较低温度下也可以提供足够的淀积速率。供足够的淀积速率。25等离子体增强化学气相淀积等离子体增强化学气相淀积(PECVD)是是指采用指采用高频等离子体高频等离子体驱动的一种气相淀积技驱动的一种气相淀积技术,是一种射频辉光
15、放电的术,是一种射频辉光放电的物理过程和化学物理过程和化学反应反应相结合的技术。该气相淀积的方法相结合的技术。该气相淀积的方法可以可以在非常低的衬底温度下淀积薄膜在非常低的衬底温度下淀积薄膜,例如在铝,例如在铝(AL)上淀积上淀积Si02。工艺上。工艺上PECVD主要用于主要用于淀积绝缘层。淀积绝缘层。3.等离子体增强化学气相淀积等离子体增强化学气相淀积PCVD 或或PECVD:Plasma-enhanced CVD26nPECVD是在低压气体上施加一个高频电场,使气体电是在低压气体上施加一个高频电场,使气体电离,产生等离子体。等离子体中的电子和离子,在电场离,产生等离子体。等离子体中的电子和
16、离子,在电场作用下,不断旋转和运动,获得能量而被加速。这些高作用下,不断旋转和运动,获得能量而被加速。这些高能粒子与反应气体分子、原子不断发生碰撞,使能粒子与反应气体分子、原子不断发生碰撞,使反应气反应气体电离或被激活成性质活泼的活性基团。体电离或被激活成性质活泼的活性基团。高化学活性的高化学活性的反应物反应物可可使成膜反应在较低温度下进行。使成膜反应在较低温度下进行。27热板式热板式PECVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图28nPECVD的沉积原理与一般的的沉积原理与一般的CVD之间并没有太之间并没有太大的差异。大的差异。等离子体中的反应物是化学活性较等离子体中的反应物是化学活性较高的
17、离子或自由基,高的离子或自由基,而且而且衬底表面受到离子的衬底表面受到离子的撞击也会使得化学活性提高撞击也会使得化学活性提高。这两项因素都可。这两项因素都可促进基板表面的化学反应速率,促进基板表面的化学反应速率,因因PECVD在较在较低的温度即可沉积薄膜低的温度即可沉积薄膜。n在集成电路制程中,在集成电路制程中,PECVD通常是用来沉积通常是用来沉积SiO2与与Si3N4等介电质薄膜等介电质薄膜。PECVD的主要的主要优点优点是具有是具有较低的沉积温度下达到高的沉积速较低的沉积温度下达到高的沉积速率率291.更低的工艺温度更低的工艺温度(250450);2.对高的深宽比间隙有对高的深宽比间隙有
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