微电子工艺之薄膜技术

1、第三章 薄膜技术,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 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,第三章 薄膜技术,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：液相外延、固相外延、分子束外延（MBE) ）、真空蒸发、溅射、涂敷等,第三章 薄膜技术,本章重点：Si同质

2、外延薄膜；SiO2薄膜。,3.1 硅外延薄膜制备原理,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。 外延层：衬底上新生长的单晶层。 外延片:生长了外延层的衬底。,3.1 硅同质外延薄膜制备原 理,外延的分类 按工艺分类： 气相外延 液相外延 固相外延 MBE（分子束外延）,3.1 硅同质外延薄膜制备原 理,按材料分类 同质外延：外延层材料与衬底材料相同。 异质外延：外延层材料与衬底材料不相同，如外延SiGe、GaN、SiC、SOS(Silicom on Sapphire)、SOI(Sil

3、icom on Insulators) 按压力分类 常压外延 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 生长反应： SiCl4 + 2H2Si(s)+4HCl(g) 腐蚀反应： SiCl4+ Si(s) 2SiCl2 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,生成的SiCl2吸附在衬底表面： 2SiCl2=Si(s)+SiCl4 SiCl2+H2=Si(s)+

4、2HCl,一、外延生长动力学原理,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,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,速度附面层：速度分

5、布受到扰动的区域，也称滞留层 自由流体：速度附面层以外的流体。 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,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。 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. ；,一、外延生长动力学原理,设外延层表面反应剂离子流密度为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=D

6、G/ NDG/ u)。 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. 平衡时， |J1|=J2=J，则,一、外延生长动力学原理,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。,二、外延掺杂及杂质再分布,1. 掺杂原理以SiH4-H2-PH3为例 2PH3(g)=2P+3H2 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=Hp

7、fs亨利定律， H亨利常数 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,表面所消耗的掺杂剂粒子流密度为 Jf2vNf ， 式中，v生长速率 平衡时， Jf1 Jf2，hGhf，则 Pf0/pfs 1+HpG0/NSi ，Nf/NSi =Pf0/(pG0+NSi/H)， pG0气相中反应剂分压。 或,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）： 掺杂剂分压一定时：高温下，H与v无关，掺杂浓

8、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 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。 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） 初始条件:N2(x,0)=Nsub,x0; 边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀，即,二、外延掺杂及杂质再分布,边界条件二：在外延层表面（x=xf）,扩散流密度Jd为 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；,二、外延掺杂及杂质再分布,Jb单位时间内

9、，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 衬底原始杂质浓度；N2 (x,t)衬底杂质浓度分布。 当vt ，可简化得,二、外延掺杂及杂质再分布,外延掺入杂质的再分布 Nf外延层掺入杂质的原始浓度；N1(x,t)掺入杂质的最终分布。 初始条件： N1(x,0)0， （x0） 边界条件： N1(x,t)x=-=0; N1(x,t)x=xf=Nf 当vt 时，有,二、外延掺杂及杂质再分布,当vt2 时，有 N1(x,t)Nf 总的杂质分布（图324） N(x,t)=N1(x,t

10、) N2(x,t) “+”: 同一导电类型； “”:相反导电类型；,三、自掺杂（非故意掺杂）,1.定义 衬底杂质及其他来源杂质非人为地掺入外延层 2.来源 衬底杂质的固态外扩散； 各种气相自掺杂:衬底背面及侧面释放的杂质；外延生长前吸附在表面的杂质；气相腐蚀的杂质；其他硅片释放的杂质。,三、自掺杂,3.外延层中的杂质浓度分布（图326b）三个区域 ：主要由衬底外扩散形成； ：由气相自掺杂形成； ：外延稳定区。,四、缺陷及检测,1.缺陷 位错 层错（堆垛层错） 2.埋层的漂移与畸变,3.2 其他外延技术,自学,3.3 SiO2薄膜,作用： 制备：热氧化；热分解淀积；外延；阳极氧化；溅射法。,一、

11、 SiO2的结构与性质,1. 结构 结晶形结构：如石英晶体（水晶），密度2.658g/cm3 无定形（非晶形）结构：由无规则排列的Si-O4四面体组成的三维网络结构，如SiO2薄膜，密度2.2g/cm3 结构特点：短程有序，长程无序； Si-O4四面体:不存在共同的边和面，只在顶角处通过氧（O)相互联结。 Si-O4四面体中氧原子： 桥联氧原子为两个Si原子共用，是多数； 非桥联氧原子只与一个Si原子联结，是少数；,一、 SiO2的结构与性质,SiO2中的杂质 a.网络形成剂：取代Si位置，半径与Si接近，如B+3、 P+5 、 Al+3 族元素：配位数由3（B2O3)变为4（B2O4-2)，

12、使SiO2缺氧，即 非桥联氧减少，网络强度增加。 族元素：配位数由5（P2O5)变为4（P2O4+2)，使SiO2多余氧， 即非桥联氧增多，网络强度减弱。 b.网络改变剂：不能取代Si位置，占据网络空间，半径较大， K+ 、Na+、Ca+、Ba+、Pb+2、Al+3 作用:将自身的氧离子交给网络，产生更多的非桥联氧，形成 更多网络空洞，使结构强度减弱，熔点降低。,一、 SiO2的结构与性质,2 性质 酸性氧化物，不溶于水，化学稳定性较高 耐多种强酸、强碱； 极易与HF作用； 热膨胀系数只有Si的1/5，,二、SiO2膜的制备,干氧、水汽、湿氧三类 1.干氧氧化 机理起始氧化： Si+O2 Si

13、O2 后续氧化：a.O2先向Si/SiO2扩散； b.再在Si/SiO2继续氧化。 特点速度慢；氧化层致密；表面结构是非极性的硅氧烷；不易浮胶。 2.水汽氧化 机理起始氧化：H2O+Si SiO2+H2,二、SiO2膜的制备,后续氧化两种机理 一种：H20先扩散到达Si/SiO2；再氧化。 另一种：H20先与SiO2反应，H20 SiO22(Si-OH) ; Si-OH再扩散，达到Si/SiO2，与Si反应，即 2(Si-OH)+Si-Si 2(Si-O-Si)+H2 H2迅速离开Si/SiO2，并与SiO2中的氧结合，即 1/2H2+-O-OH(羟基） 特点：氧化速度快；氧化层疏松质量差；表

14、面是极性的硅烷醇，易吸水；易浮胶。,二、SiO2膜的制备,3.湿氧氧化氧气中携带一定量的水汽 机理： O2+Si SiO2 H2O+Si SiO2+H2 特点：氧化速率介于干氧与水汽之间； 氧化层质量介于干氧与水汽之间； 4.掺氯氧化在干氧中掺少量的Cl2、HCl或C2HCl3 掺氯的作用：吸收、提取有害杂质，如Na+；减弱 Na+正电荷效应。,三、热氧化生长动力学原理,1.氧化层厚度与时间的关系 氧化步骤 a.氧化剂（O2、H2O）从气相传输到气体Si02界面； b.氧化剂扩散穿过Si02层，到达SiSi02界面； c.在界面处与Si氧化反应； d.反应的副产物（H2)扩散出Si02层，逸出

15、反应室。,三、热氧化生长动力学原理,热氧化模型-假定氧化过程是平衡过程 J1=hG(NG0-NGS) J2=DOXdN/dx= DOX(NOS- NOb)/ZOX,线性近似 J3=kS NOb 平衡时，J1=J2=J3,解得 A=2DOX(ks-1+h-1),B=2DOXHpG0/Nr(干氧：NrNSi；水汽： NrNSi）， 时间常数， -初始氧化层厚度。,三、热氧化生长动力学原理,a.当A2/4Bt+t*，则ZOX=B/A(t+t*)，表面反应控制，（B/A线性速度常数） b.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

16、大 于扩散速率扩散控制。,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 高压反应控制（高压下氧化剂扩散流密度大大 增加） 低压扩散控制 4.氧化气氛 氧化速率：水汽湿氧干氧； 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-3,5.加速自建场的影响 干氧氧化：有一个快速的初始氧化阶段，即 z*=(233)nm (图344） t*(A/B)z* 湿氧和水汽氧化： t*0 表37 本征的B、B/A和t*值,四、实现SiO2

17、的扩散掩蔽作用的条件,1.对扩散系数的要求 杂质在Si中的扩散深度(结深) 杂质在SiO2中的扩散深度 ZjO:杂质在窗口(Si中)扩散深度达到Zj的同时,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。,四、实现SiO2的扩散掩蔽作用的条件,设氧化层厚度为ZOX，则 SiO2具有掩蔽扩散作用的条件： ZOX ZjO，即 若DOXD，则ZOX较厚，难于制备、光刻，如Ga,Al； DOXD，则ZOX较薄，如B、P； 对D的要求：a. DOX要小； b. 在Si中的D要大，但不能太大。,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 （恒定源扩散） 若取

18、Nob/N os=10-6，则ZOX,min6.8 (双极) Nob/N os=10-9，则ZOX,min8.6 (MOS),3.4 薄膜的化学气相淀积 （CVD),一、定义及反应方程式 1.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 硅烷热氧化分解 SiH4+O2 400 SiO2+H20 SiH4+N2O 200-400 SiO2+N2+HCl SiH4+CO2 SiO2+H2

19、+CO 优点：温度低；反应机理简单。 缺点：台阶覆盖差。,一、定义及反应方程式,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） 特性：与Si及SiO2的接触性能更好；台阶覆盖性好。 用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。 淀积反应 SiH4 650 Si(pol

20、y)+H2 淀积速率： 提高v的途径：降低p1/2H2。(用N2或Ar替代H2稀释SiH4),一、定义及反应方程式,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。 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 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）。 用途：氧化掩蔽膜，最终钝化膜，MOS管的栅介质等。 淀积反应：SiH4+NH3

21、750-900 Si3N4+H2 (PECVD) SiH2Cl2+NH3 750-900 Si3N4+H2+HCl (LPCVD) SiCl4+NH3 750-900 Si3N4+HCl 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（T700):结构疏松，易龟裂。,金属Mo、W 淀积反应：MoF6+H2 400 Mo+HF MoCl5+H2 600-700 Mo+HCl WF6+H2 600-700 W+HF 用途：MOS管的栅电极、互连线等。, PSG(phosphorus-doped silicon dioxide glass,磷硅玻璃)及BPSG(boron-doped phosphosilicate glass ,硼磷硅玻璃） 组分： PSG :SiO2+P2O5 BPSG :SiO2+B2O3 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、