《薄膜成长技术》PPT课件.ppt

1、第四章,薄膜成長技術,薄膜成長或者稱薄膜沈積(Thin Film Deposition)技術，是指在一基板上(Substrate)成長一層同質(Homogeneous Structure)或者是異質(Hetero-structure)材料之技術。 金屬層、複晶矽薄膜(polycrystalline silicon)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)層都適用此種方法來沉積薄膜層。,4-1 薄膜沈積之原理,薄膜沈積技術可分為化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition, CVD)和物理氣相沈積(Physical Vapor Deposition, PVD)二種方法。而

2、化學氣相沈積方法在半導體工業上最常用的是低壓化學氣相沈積方法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)與常壓化學氣相沈積方法(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition, APCVD),以LPCVD為例，要生成薄膜的材料是與爐管的溫度及注入爐管的氣體種類有關 爐管的溫度高於550SiH4複晶矽薄膜 爐管的溫度約485 Si2H6 複晶矽薄膜 氧氣和SiH4在爐管內二氧化矽(SiO2)層 氨氣和SiH2Cl2在爐管內 Si3N4,物理氣相沈積方法，最常用的是金屬濺鍍機(Sputtering)和金

3、屬蒸鍍機(Evaporation)最為典型也最為常用。 Sputtering ：藉助電漿產生之離子(如Ar)去撞擊電極靶源，始靶源之金屬沉積於基座上 如AlCuSi、W等 Evaporation ：把要蒸鍍的金屬置放在熔點極高的承載器，然後加溫至被蒸發金屬之熔點 如鋁線(Al)與金線(Au)之蒸鍍,電漿(plasma),是一群中性分子(氣體)中有一部分帶正電，一部分帶負電，而正負電賀立子數目接近相等，故整體電將呈現電中性，其活性皆很強。 由中性原子或分子、負電(電子)和正電(離子)所構成。電子濃度對所有氣體濃度的比例被定義為游離率(ionization rate),薄膜沉積之機制,4-2 低壓

4、力化學氣相沈積法 (Low Pressure Chemical Vapor Depostition, LPCVD),1.複晶矽材料之沈積：,2.氧化矽和氮化矽材料之沈積： 以低溫製程來沉積 此兩種絕緣材料作內層介電層，內金屬介電層以及作保護層之用 低溫之電漿加強式化學氣相沉積(Plsma Enhanced Vapor Deposition,PECVD),反應溫度藉高能量之電漿效應，使溫度得以降低 磷矽玻璃(Phosphosilicate Glass,PSG) PSG材料和氮化矽材料均可以阻擋水氣，更可以防止鹼金屬之擴散，很適合做鈍化保護層,氮化矽(silicon nitride)之成長 PEC

5、VD之化學反應式為： LPCVD爐之化學反應式則為 或者,4-3 磊晶矽晶片之成長技術,磊晶之原文，Epi-taxy是希臘文，原意是在上面有秩序的(Upon-order)排列，而磊晶晶片即是用一簡單之製程，在一有結晶狀之基座(Substrate)上面成長單晶結構之物質，以目前製程上之應用，可分為同質之磊晶晶片(Homoepitaxy Wafer)和異質之磊晶晶片(Heteroepitaxy Wafer) 。,磊晶矽晶圓片之成長,1.低溫氧化層之技術(LTO) 目前較常用之低溫氧化矽之成長技術為大氣壓力化學氣相沈積方法，(Atmospheric Pressure Chemical Vapor D

6、eposition, APCVD) 。 2.去除晶片邊緣處之氧化矽(EOS) 因晶片成長磊晶層時因晶片邊緣粗糙處，易吸附雜質及異物,磊晶晶片之成長機制,1.磊晶成長之物理機制 當在氣體流動穩定狀態下，F1和F0是相 等， F為通量(Flux) ，定義為單位面積下參與反應之原子數目，hg則為氣相質量傳送係數(Gas-phase Mass-transfer Coefficient)， ks是化學表面反應速率常數(Chemical Surface-reaction Rate Constant) Ea是主動活化能(Activation Energy)，大約1.9eV。當hgks為 Surface Re

7、action Control主導成長之機制,，反之hgks時，磊晶膜之成長速率為 ，反之hgks時成長速率為 。,2.磊晶成長之問題 磊晶層在成長時如遇到原晶片基座表面不均勻之所謂選擇性磊晶層(Selective Epitaxy Growth, SEG)。 另外一個製程之問題即“Auto-doping”之現象，磊晶層與單晶基座之介面處之載子濃度不是陡峭(Abruptly)分佈 ，中最大之紅 外線長長度為 ，最小之紅外線波長長度則為 ，t為磊晶層之厚度，n是磊晶層折射線係，m為1,2,3，,是紅外線之入射角度，n是磊晶層折射係數，m為1,2,3，是紅外線之入射角度。 ，是磊晶矽之成長速度，D是載

8、子之擴展常數，t為成長時間 。 有關抑制Autodoping現象的方法有下列方式 (a)在矽晶片背面成長一層二氣化矽(SiO2)或氮化矽(Si3N4)材料 (b)低壓磊晶成長 (c)高溫烘烤,還有一個製程上之問題，那就是反應氣體在爐管之停滯層(Stagnant Layer)。 是氣體之流速 ，是黏度(Viscosity) ，是其密 度 ，其中c1和c2為經驗常數。,3.磊晶成長之缺陷,其他磊晶成長技術,其實磊晶成長方法除了上面所談之APCVD方式，還有很多種，如有機金屬氣相磊晶法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)、分子束磊晶法(Mo

9、lecular Beam Epitaxy, MBE)、液相磊晶法(Liquid Phase Epitaxy, LPE)在磊晶成長過程中，影響品質因素有很多種，可分為外部的(Extrinsic)與本質(Intrinsic)，前者是界面乾淨度和磊晶層之純度，後者則包括晶格差異和界面化學鍵之能量(Interface Chemical Energy)等。,磊晶晶片之市場與應用,4-4 單晶矽與複晶矽電阻特性之 比較,4-5 物理氣相沈積法,以目前半導體製程中，最常用的是蒸鍍機(Evaporation)與濺鍍機(Sputtering)二種 Evaporation：沉積熔點比較低的金屬,如金線,白金,鉻線 Sputtering ：熔點比較高或者複合材料,如鎢,鈦,TiN,TiW, 及YBCuO,蒸鍍系統與原理,濺鍍系統與原理,濺鍍系統分類,直流濺鍍技術(DC Sputtering) 導電性佳之金屬靶源,TiW、AlSiCu 交流射頻濺鍍技術(RF Sputtering) 導電性較差之金屬靶源材料,如陶瓷材料、BaCO3,PVD在體積電路之對屬製程的應用,最常用之金屬材料，可以說是鋁，其優點為低電阻率，便宜與二氧化矽之結合性(Coherence)良好，低應力(Low Stress) 1.鋁Sp