半导体工艺基础第八章薄膜技术

1、西南科技大学理学院刘德雄2013.04.01第八章 薄膜淀积本章重点n硅外延薄膜制备原理nSiO2薄膜n化学气相淀积(CVD)n物理气相淀积(PVD)n薄膜类型外延薄膜器件工作区掩蔽膜实现定域工艺绝缘介质膜表面保护、钝化、隔离金属膜及多晶膜电极引线及栅电极n薄膜材料半导体材料Si、GaAs、GaN、SiC、SiGe金属材料Al、Au、Pt、Ni、Cu、W无机材料SiO2 、Si3N4有机材料薄膜淀积概述n薄膜制备间接生长法：制备薄膜所需的原子或分子通过化学反应得到。 包括：气相外延、热氧化、化学气相淀积（CVD) 等。直接生长法：制备薄膜所需的原子或分子不通过化学反应，直接转移到衬底上。 包括

2、：液相外延、固相外延、分子束外延（MBE) 、真空蒸发、溅射、涂敷等薄膜淀积概述8.1 硅外延薄膜制备原理n外延（epitaxy):在单晶衬底上生长一层新的单晶的方法（技术）。 特点：沿衬底的晶向方向生长；外延温度低于晶体的熔点；外延层可与衬底形成突变PN结。n外延层：衬底上新生长的单晶层。n外延片: 生长了外延层的衬底。8.1 硅同质外延薄膜制备原 理n外延的分类按工艺分类：n气相外延n液相外延n固相外延nMBE（分子束外延）8.1 硅同质外延薄膜制备原 理按材料分类n同质外延：外延层材料与衬底材料相同。n异质外延：外延层材料与衬底材料不相同，如外延SiGe、GaN、SiC、SOS(Sili

3、con on Sapphire)、SOI(Silicom on Insulators)按压力分类n常压外延n低压（减压）外延一、外延生长动力学原理1.生长过程H2还原SiCl4体系n生长反应： SiCl4 + 2H2Si(s)+4HCl(g)n腐蚀反应： SiCl4+ Si(s) 2SiCl2n中间生长反应： SiCl4 + H2SiHCl3 +HCl SiCl4 + H2SiCl2+2HCl SiHCl3 + H2 SiH2Cl2 +HCl SiHCl3 SiCl2+HCl SiH2Cl2 SiCl2+H2一、外延生长动力学原理n生成的SiCl2吸附在衬底表面： 2SiCl2=Si(s)+S

4、iCl4 SiCl2+H2=Si(s)+2HCl一、外延生长动力学原理n外延生长的步骤传输（扩散）：反应物从气相转移到Si表面；吸附：反应物吸附在Si表面；化学反应：在Si表面进行化学反应，得到Si及副产物脱吸：副产物脱离吸附；逸出：脱吸的副产物从表面转移到气相，逸出反应室加接：生成的Si原子加接到晶格点阵上；一、外延生长动力学原理n外延生长速率:与化学反应动力学、吸（脱）附动力学、扩散动力学有关，取决于最慢者。 常压外延：取决于扩散与化学反应； 低压外延：取决于吸附与化学反应。2.生长动力学原理 简单的生长模型：假定反应器空间尺寸与基 座相比，可视为无限大，且温度均匀。一、外延生长动力学原理

5、速度附面层：速度分布受到扰动的区域，也称滞留层n自由流体：速度附面层以外的流体。n附面层厚度u:在该处的流速是自由流体流速uT的99。 式中，气体粘滞系数；g气体密度；n无量纲常数，线性分布n 。 若基座的长度L， 则 Tgnuuxx 2 TgL0uuuLdxxL1 一、外延生长动力学原理 uT=M/S，M气体流量，S反应器截面积。质量附面层N：小于N，浓度分布不均匀； 大于N，浓度分布均匀。n假定在N内，浓度呈线性分布，则 ，0y N式中，NG N内的反应剂浓度；NGS外延层表面反应 剂浓度；NG0N外的反应剂浓度.；yNNNNNGS0GGSG 一、外延生长动力学原理n设外延层表面反应剂离子

6、流密度为J1,则式中，DG反应剂在H2中的扩散系数；hG反应剂的气相转移系数（hG=DG/ NDG/ u)。n设外延层表面消耗的离子流密度为J2，则 J2=ksNGS ks表观化学反应速率常数.n平衡时， |J1|=J2=J，则 Gs0GGSh/k1NN GS0GGGS0GNG0yGG1NNhNNDyNDJ 一、外延生长动力学原理n生长速率式中，NT单位体积混合气体总分子数；Y反应剂摩尔分数；NSiSi原子密度。当hG ks，则 NGSNG0，V= ks(NT/ NSi) Y，是表面反应控制。当ks hG，则 NGS 0， V= hG(NT/ NSi) Y，是质量转移控制。YNNhkhkNNh

7、khkNJvSiTGsGsSi0GGsGsSi 二、外延掺杂及杂质再分布1. 掺杂原理以SiH4-H2-PH3为例n 2PH3(g)=2P+3H2 n设Nf为外延层中的杂质浓度，pfs为外延层表面处掺杂剂的分压，则有 Nf=Hpfs亨利定律， H亨利常数n向表面输运的掺杂剂离子流密度为 Jf1=-(hf/kT)(pf0-pfs) 式中，pf0气相中掺杂剂的分压； hf掺杂剂气相质量转移系数二、外延掺杂及杂质再分布n表面所消耗的掺杂剂粒子流密度为 Jf2vNf ， 式中，v生长速率n平衡时， Jf1 Jf2，hGhf，则 Pf0/pfs 1+HpG0/NSi ，Nf/NSi =Pf0/(pG0+

8、NSi/H)， pG0气相中反应剂分压。或vhkTH1pNf0ff 二、外延掺杂及杂质再分布2.影响掺杂浓度的因素掺杂剂分压Pf0：Nf 与 Pf0成正比（图315a）外延工艺（温度、生长速率）：n掺杂剂分压一定时：高温下，H与v无关，掺杂浓度随生长速率的增加而下降；低温下， Nf HPf0，且H随生长速率的增加而增加，因此掺杂浓度与生长速率成正比；。二、外延掺杂及杂质再分布3.杂质再分布n再分布：外延层中的杂质向衬底扩散； 衬底中的杂质向外延层扩散。n总杂质浓度分布：各自扩散的共同结果。衬底杂质的再分布（图321）n初始条件:N2(x,0)=Nsub,x0;n边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀

9、，即 0 xNx2 二、外延掺杂及杂质再分布n边界条件二：在外延层表面（x=xf）,扩散流密度Jd为n解得：式中，D2衬底杂质的扩散系数；h2衬底杂质气相转移系数；Jd衬底杂质抵达外延层表面的扩散流密度； t ,xNvhJJxNDJf22sbfxx22d 2222222222sub2Dxthvhvexph2h2vtD2xvt2erfcxvtDvexph2hvtD2xerfc2Nt ,xN二、外延掺杂及杂质再分布Jb单位时间内，进入新生长层（1个单位面积）中的衬底杂质数（ Jb vN2(xf,t)）；Js蒸发到气相中的杂质流密度（ Js h2N2(xf,t)）；vt外延层厚度；Nsub衬底原始杂

10、质浓度；N2 (x,t)衬底杂质浓度分布。 当vt ，可简化得tD2 tD2xerfcN21t ,xN2sub2二、外延掺杂及杂质再分布外延掺入杂质的再分布nNf外延层掺入杂质的原始浓度；N1(x,t)掺入杂质的最终分布。n初始条件： N1(x,0)0， （xt+t*，则ZOX=B/A(t+t*)，表面反应控制，（B/A线性速度常数）nb.当A2/4BE1。氧化温度较低时:反应速率低于扩散速率反应控制； 氧化温度较高时:反应速率更迅速增加，使反应速率大 于扩散速率扩散控制。 ttBZOX三、热氧化生长动力学原理3.氧化剂分压的影响 考虑压力后，B=BppG0，B/A=(Bp /A)pG0，故n

11、高压反应控制（高压下氧化剂扩散流密度大大 增加）n低压扩散控制4.氧化气氛n氧化速率：水汽湿氧干氧；n原因：a.反应激活能：E(H2O)=1.96eV,E(O2)=2.0eV; b.在SiO2中的固溶度：NH20=3X1019cm-3, NO2=5x1016cm-3n5.加速自建场的影响n干氧氧化：有一个快速的初始氧化阶段，即 z*=(233)nm t*(A/B)z*n湿氧和水汽氧化： t*0n表格- 本征的B、B/A和t*值四、实现SiO2的扩散掩蔽作用的条件1.对扩散系数的要求n杂质在Si中的扩散深度(结深)n杂质在SiO2中的扩散深度nZjO:杂质在窗口(Si中)扩散深度达到Zj的同时,

12、而在氧化层内距表面为ZjO处的杂质浓度达到某一人为指定值Nob。DtAZjj tDAZOXjOjO 四、实现SiO2的扩散掩蔽作用的条件n设氧化层厚度为ZOX，则nSiO2具有掩蔽扩散作用的条件： ZOX ZjO，即n若DOXD，则ZOX较厚，难于制备、光刻，如Ga,Al； DOXD，则ZOX较薄，如B、P；n对D的要求：a. DOX要小； b. 在Si中的D要大，但不能太大。DDAAZZZZOXjjOjjOjOX 四、实现SiO2的扩散掩蔽作用的条件2.最小掩膜厚度ZOX,min的确定n （恒定源扩散）n若取Nob/N os=10-6，则ZOX,min6.8 (双极) Nob/N os=10

13、-9，则ZOX,min8.6 (MOS)osob1OXmin,OXNNerfctD2Z tDOXtDOX8.3 薄膜的化学气相淀积 （CVD)一、定义及反应方程式n1.化学气相淀积定义：一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。 其英文原名为“Chemical Vapour Deposition”，简称为“CVD”。一、定义及反应方程式2.反应方程式及功能SiO2膜 n硅烷热氧化分解 SiH4+O2 400 SiO2+H20 SiH4+N2O 200-400 SiO2+N2+HCl SiH4+CO2 SiO2+H2+CO 优点：温度低；反应机理

14、简单。 缺点：台阶覆盖差。n 一、定义及反应方程式n烷氧基硅烷（四乙氧基硅烷，TEOS）热分解 Si(OC2H5)4 650-750 SiO2+H2O+CXHY 优点：厚度均匀；台阶覆盖好。 缺点: SiO2膜质量较热生长法差；SiO2膜含C、有机原子团。 适 于：在多晶硅栅上淀积； 不适于：在Al栅上淀积。一、定义及反应方程式多晶硅（poly-Si)膜：由无数生长方向各不相同的小晶粒(100nm量级）组成。主要生长方向（优选方向）n特性：与Si及SiO2的接触性能更好；台阶覆盖性好。n用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。n淀积反应 SiH4 650 Si(poly)+H2n淀积速率： n提高

15、v的途径：降低p1/2H2。(用N2或Ar替代H2稀释SiH4)2/12H2/14SiHSisppNkv 一、定义及反应方程式n掺杂：同样掺杂浓度，其电阻率比单晶Si高。）原位掺杂：迁移率低；）热扩散掺杂：杂质扩散比在单晶Si中快；电阻率低；）离子注入掺杂：掺杂浓度低。n氧化：在其表面形成SiO2,作多层结构的层间电介质。）遵循线性抛物线规律；） SiO2质量不如单晶硅，如绝缘电阻小、耐压低等一、定义及反应方程式Si3N4膜n特性：非常强的掩蔽能力（尤其对钠和水汽）；针孔少；不能用于层间的绝缘层（介电常数大）。n用途：氧化掩蔽膜，最终钝化膜，MOS管的栅介质等。n淀积反应：SiH4+NH3 7

16、50-900 Si3N4+H2 (PECVD) SiH2Cl2+NH3 750-900 Si3N4+H2+HCl (LPCVD) SiCl4+NH3 750-900 Si3N4+HCln淀积温度：700-900 ，无定形，阻挡Na+作用最强。 高温（T900):微晶，阻挡Na+作用弱。 低温（T400 Mo+HF MoCl5+H2 600-700 Mo+HCl WF6+H2 600-700 W+HFn用途：MOS管的栅电极、互连线等。n PSG(phosphorus-doped silicon dioxide glass,磷硅玻璃)及BPSG(boron-doped phosphosilica

17、te glass ,硼磷硅玻璃）n组分： PSG :SiO2+P2O5 BPSG :SiO2+B2O3n淀积反应：PH3+O2 400 P2O3+H2O B2H6+O2 400 B2O3+H2O 一、定义及反应方程式 3.CVD工艺的特点CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。因此减轻 了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成；设备简单，重复性好；薄膜的成分精确可控、配比范围大；淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如蒸发、溅 射等）；厚度范围广，由几百埃至数毫米。且能大量生产；淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。二、各种CVD方法1. APCVD（常压化学气相淀积）n定义：化学反应在常

18、压下进行。n淀积机理：气相传输控制过程。n优点：淀积速率高（100nm/min）；操作简便；n缺点：均匀性差；台阶覆盖差；易发生气相反 应，产生微粒污染。n淀积薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄 膜。二、各种CVD方法2. LPCVD(低压化学气相淀积）n定义：在27270Pa压力下进行化学气相淀积。n淀积机理：表面反应控制过程。n优点：均匀性好（35，常压： 10）；台阶覆盖好；效率高、成本低。n缺点：相对APCVD，淀积速率低，温度高。n淀积薄膜： poly-Si、 Si3N4 、 SiO2、PSG、 BPSG等。二、各种CVD方法3. PECVD（等离子体增强化学

19、气相淀积）n等离子体：在低压气体上施加射频（RF）电场，其中的少量自由电子被加速而获得能量。加速电子与气体碰撞，产生二次电子、离子及受激原子、分子（活性基团）。二次电子又可碰撞产生更多的电子、离子等，且正负电荷相等。这种雪崩电离最终使气体成为等离子体。n淀积原理: 活性基团吸附在表面，发生化学反应，生成薄膜元素，形成薄膜层。二、各种CVD方法n淀积机理：表面反应控制过程。n优点：温度低（200350）；更高的淀积速率；附着性好；台阶覆盖好；电学特性好；n缺点：产量低；n淀积薄膜：金属化后的钝化膜（ Si3N4 ）；多层布 线的介质膜（ Si3N4 、SiO2） 。三、台阶覆盖（step cov

20、erage）四、磷硅玻璃回流（P-glass flow）8.4 物理气相淀积(PVD)n定义：利用某种物理过程如蒸发或溅射方法实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底(硅)表面上，并淀积成薄膜。n分类：真空蒸发法 和 溅射法n真空蒸发法 优点：较高淀积速率，较高薄膜质量(系统真空度高) 缺点：台阶覆盖能力差，淀积多元薄膜时组份难控制n溅射法 优点：淀积多元薄膜时组份易控制，淀积薄膜与衬底附着性好n溅射法在很大程度上已经取代了真空蒸发法，但真空蒸发法在科研和III-V族化合物半导体工艺中仍被采用。真空蒸发法n定义：利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸气压进行薄膜制备。n分类 热蒸发：通过加热蒸发

21、源使原子或分子从蒸发源表面逸出，形成蒸汽流并入射到衬底表面，凝结形成固态薄膜； （对于熔点不是很高，易熔化的材料） 电子束蒸发：利用定向高能电子束照射蒸发源使其获得高温，从而蒸发获得固态薄膜。 (对于高熔点难熔材料)n衬底为低温，蒸发源为高温热蒸发台基板蒸发源真空系统电子束蒸发台电子束蒸发台（实验室用）真空蒸发法制备薄膜的基本过程n加热蒸发过程，对蒸发源加热，使其温度接近或达到蒸发材料的熔点，则固态源表面的原子容易逸出，转变为蒸气。n原子或分子蒸气在蒸发源与衬底基片之间输运；飞行过程中会与真空室内的残余气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于真空度和源与衬底间距离；n被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积

22、过程：凝结、成核、生长或成膜。由于衬底温度低于蒸发源温度，同时被蒸发原子只具有很低能量，在衬底表面不具有运动能力，直接凝结成膜。真空度与分子平均自由程n分子平均自由程：粒子两次碰撞之间飞行的平均距离称为蒸发原子或分子的平均自由程。nd：气体分子的直径，P：压强。22kTd P高纯薄膜淀积必须在高真空度系统中进行的原因：（1）防止被蒸发的原子或分子在输运过程中不断与残余气体分子碰撞；（2）残余气体中的氧和水汽会使金属原子或分子在输运过程中发生氧化，同时也将使加热的衬底表面发生氧化；（3）残余气体中所含杂质也会淀积到薄膜中，影响薄膜质量。真空常用数据真空区域真空区域压强范围压强范围乇乇(Torr)

23、帕帕(Pa)低真空低真空760101013251333中真空中真空1010-313331.3x10-1高真空高真空10-310-81.33x10-110-6超高真空超高真空10-810-1210-610-10极高真空极高真空10-12 A(s) + B(g) nExp：SiH4(g) - Si(s) + 2H2(g) ， 650n应用：Al, Ti, Pb, Mo, Fe, Ni, B, Zr, C, Si, Ge, SiO2, Al2O3, MnO2, BN, Si3N4, GaN, Si1-xGex, . . . 还原反应（H2还原）nAX(g) + H2(g) A(s) + HX(g) n比高温分解的温度低，属可逆反应nExp：WF6(g) + 3H2(g) W(s) + 6