半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)

1、集成電路及微機(jī)械加工技術(shù)-----半導(dǎo)體集成電路工藝基礎(chǔ) 張正元,提綱一、 概論二、 工藝流程實(shí)例（圖解）三、 基本單項(xiàng)工藝技術(shù) 1、 擴(kuò)散－摻雜 2、 離子注入－摻雜 3、 氧化－薄膜生長 4、 CVD－薄膜生長 7、 金屬化（PVD）－薄膜，互連 5、 光刻－圖形轉(zhuǎn)移 6、 刻蝕－形成圖形

2、 8、 清洗四、工藝集成開發(fā),集成電路制造工藝的技術(shù)性和實(shí)用性強(qiáng)，涉及面廣，發(fā)展依賴于基礎(chǔ)材料、器件物理、工藝原理、電子光學(xué)、離子光學(xué)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、超凈和超純技術(shù)、真空技術(shù)、自動控制、精密機(jī)械、冶金化工等方面的新成果。,一、 概論,(一)、集成電路工藝技術(shù)的發(fā)展規(guī)律 Intel 公司創(chuàng)始人摩爾于1975 年總結(jié)出IC 工業(yè)發(fā)展的一個重要規(guī)律，即摩爾定律：IC 的集成度將每年翻一番。1980年摩爾定律被修改為

3、： IC 的集成度每1.5年翻一番，即每3年乘以4。 IC 發(fā)展的另一些規(guī)律為： 建立一個芯片廠的造價(jià)也是每3年乘以4。 線條寬度每4 ~ 6 年下降一半。 芯片上每個器件的價(jià)格每年下降30% ~ 40% 。 晶片直徑的變化： 60年：0.5英寸， 65年：1英寸， 70年：2英寸， 75年：3英

4、寸， 80年：4英寸， 90年：6英寸， 95年：8英寸(200mm), 2000年：12英寸(300mm)。,(二)、集成電路的發(fā)展展望 目標(biāo)：集成度 、可靠性 、速度 、功耗 、成本 。 努力方向：線寬 、晶片直徑 、設(shè)計(jì)技術(shù) 。,,,,,,,,,美國1992 ~ 2007 年半

5、導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃,美國1997 ~ 2012 年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃,世界硅微電子技術(shù)發(fā)展的預(yù)測,可以看出，專家們認(rèn)為，至少在未來10年內(nèi)，IC 的發(fā)展仍將遵循摩爾定律，即集成度每3年乘以4 ，而線寬則是每6 年下降一半。 硅技術(shù)過去一直是，而且在未來的一段時(shí)期內(nèi)也還將是微電子技術(shù)的主體。目前硅器件與集成電路占了3000多億美圓的半導(dǎo)體市場的95% 以上。,二、工藝流程實(shí)例,1、以工藝分： 雙極（Bipolar），

6、互補(bǔ)雙極（Complementary Bipolar） MOS（ 硅/鋁柵,自/非自對準(zhǔn)CMOS，VDMOS ） BiCMOS（ BiCMOS，CBiCMOS ）、BCD2、以隔離技術(shù)分： PN結(jié)隔離、LOCOS、深/淺槽隔離、SOI隔離3、以材料分： 體硅，SiGe，AsGa，SOI（襯底）等4、以應(yīng)用分： 模擬IC、數(shù)字IC 、混合信號IC、RF、微波IC等,常見單片IC工藝流程,硅柵

7、非自對準(zhǔn)CMOS工藝流程,,,注入預(yù)氧,,,,,,N-,PSD硼注入,,,Poly淀積,摻雜工程：熱擴(kuò)散、離子注入/退火、中子嬗變等薄膜制備： 包括氧化、蒸發(fā)、CVD 、濺射(PVD) 等圖形的轉(zhuǎn)移與形成： 包括光刻、刻蝕等工藝,三、基本單項(xiàng)工藝技術(shù),§1.1 概述 擴(kuò)散是將一定數(shù)量和一定種類的雜質(zhì)摻入到硅片或其它晶體中，以改變其電學(xué)性質(zhì)，并使摻入的雜質(zhì)數(shù)量和分布情況都滿足要求。這是一種基本而重

8、要的半導(dǎo)體技術(shù)。擴(kuò)散工藝用于形成雙極器件中的基區(qū)、發(fā)射區(qū)和集電區(qū)、MOS器件中的源區(qū)與漏區(qū)，擴(kuò)散電阻、互連引線以及多晶硅摻雜等。 濃度的差別越大，擴(kuò)散越快；溫度越高，擴(kuò)散也越快。,1、擴(kuò)散摻雜,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,間隙式雜質(zhì)（雜質(zhì)原子半徑較小）,,,替位式雜質(zhì)（雜質(zhì)原子與本體原子電子殼層和價(jià)電子數(shù)接近， 半徑大小相當(dāng)）,§1.2 擴(kuò)散機(jī)構(gòu),半徑較小的雜質(zhì)原子從半導(dǎo)體晶格

9、的間隙中擠進(jìn)去，即所謂 “間隙式” 擴(kuò)散；半徑較大的雜質(zhì)原子代替半導(dǎo)體原子而占據(jù)格點(diǎn)的位置，再依靠周圍空的格點(diǎn)（即空位）來進(jìn)行擴(kuò)散，即所謂 “替位式” 擴(kuò)散。 對硅而言，Au、Ag、Cu、Fe、Ni 等半徑較小的雜質(zhì)原子按間隙式擴(kuò)散，而 P、As、Sb、B、Al、Ga、In 等半徑較大的雜質(zhì)原子則按替位式擴(kuò)散，間隙式擴(kuò)散的速度比替位式擴(kuò)散的速度快得多。,§1.3 擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程（一）、費(fèi)克第一定律——擴(kuò)散

10、定律 一維情況下，單位時(shí)間內(nèi)垂直擴(kuò)散通過單位面積的粒子數(shù)——即擴(kuò)散流密度jp( x, t )與粒子的濃度梯度成正比。擴(kuò)散系數(shù)D與溫度T（K）之間有如下指數(shù)關(guān)系： D = D∞e —ΔE/kT,（二）、費(fèi)克第二定律——擴(kuò)散方程,體積元內(nèi)雜質(zhì)變化量：,式中假定D為常數(shù)，與雜質(zhì)濃度 N( x, t )無關(guān)，x 和 t 分別表示位置和擴(kuò)散時(shí)間。針

11、對不同邊界條件求出方程的解，可得出雜質(zhì)濃度 N 的分布，即 N 與 x 和 t 的關(guān)系。兩種擴(kuò)散方式,,恒定表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散,A、恒定表面源擴(kuò)散,在整個擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)不斷進(jìn)入硅中，而表面雜質(zhì)濃度始終保持不變。雜質(zhì)濃度分布呈余誤差分布。,恒定表面源擴(kuò)散的主要特點(diǎn)如下： （1）表面雜質(zhì)濃度Ns 由所擴(kuò)散的雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度下（900℃~1200℃）的固溶度決定。 （2）擴(kuò)散時(shí)間越長，擴(kuò)散溫度越高，擴(kuò)散進(jìn)

12、硅片內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量越多。 （3）擴(kuò)散時(shí)間越長，溫度越高，擴(kuò)散深度越大。結(jié)深的位置：稱為 “ 擴(kuò)散長度 ”,（4）雜質(zhì)濃度梯度： 對公式求導(dǎo)，可得出濃度梯度為：,將公式代入，可得結(jié)深處的雜質(zhì)濃度梯度為：,,結(jié)論：1、NB 和 Ns 一定，PN 結(jié)越深，結(jié)深處的雜質(zhì)濃度梯度就越??；2、在相同擴(kuò)散條件下，Ns 越大或D 越小的雜質(zhì)，擴(kuò)散后的濃度 梯度將越大。,B、有限表面源擴(kuò)散

13、 擴(kuò)散開始時(shí)，表面薄層內(nèi)的雜質(zhì)總量一定，而在以后的擴(kuò)散過程中不再有雜質(zhì)加入，此種擴(kuò)散稱為有限源擴(kuò)散。,有限源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布為高斯分布，其表達(dá)式為：,有限源擴(kuò)散的特點(diǎn)如下： （1）雜質(zhì)分布：擴(kuò)散時(shí)間越長，雜質(zhì)擴(kuò)散得越深，表面濃度越低；擴(kuò)散時(shí)間相同時(shí)，擴(kuò)散溫度越高，雜質(zhì)擴(kuò)散得也越深，表面濃度下降得越多； （2）在整個擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)總量 Q 保持不變。 （3）表面雜質(zhì)濃度可控，任何 t 時(shí)刻的

14、表面濃度為： （4）結(jié)深： 根據(jù) NB = N（xj , t），可求出結(jié)深為：,上式中A與比值（Ns /NB）有關(guān)，其數(shù)值可從高斯分布的計(jì)算曲線求得。 表面濃度 Ns 與擴(kuò)散深度成反比，擴(kuò)散越深，則表面濃度越低；NB 越大，結(jié)深將越淺； （5）雜質(zhì)濃度梯度：,（三）、兩步擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散，難于制作低表面濃度的深結(jié)；有限表面源擴(kuò)散，難于制作高表面濃度的淺結(jié)。為了同時(shí)滿足對表面濃度、雜

15、質(zhì)總量以及結(jié)深等的要求，實(shí) 際生產(chǎn)中常采用兩步擴(kuò)散工藝：第一步稱為預(yù)擴(kuò)散或預(yù)淀積，在較低的溫度下，采用恒定表面源擴(kuò)散方式在硅片表面擴(kuò)散一層雜質(zhì)原子，其分布為余誤差函數(shù)，目的在于控制擴(kuò)散雜質(zhì)總量；第二步稱為再擴(kuò)散或再分布，將表面已沉積雜質(zhì)的硅片在較高溫度下擴(kuò)散，以控制擴(kuò)散深度和表面濃度。,§1.4 雜質(zhì)的擴(kuò)散方法 擴(kuò)散方法很多，按所用雜質(zhì)源的形式來分，有： 固態(tài)源擴(kuò)散、液態(tài)源擴(kuò)散、氣態(tài)源擴(kuò)散；

16、按所用擴(kuò)散系統(tǒng)的形式來分，有： 開管式擴(kuò)散、閉管式擴(kuò)散、箱法擴(kuò)散以及涂源法擴(kuò)散。(一)、硼擴(kuò)散 擴(kuò)硼的雜質(zhì)源均是先分解或化合產(chǎn)生 B2O3 ，再與表面硅反應(yīng)產(chǎn)生單質(zhì)B 并向硅內(nèi)擴(kuò)散。 2B2O3 + 3Si 4B + 3SiO2 B2O3的性質(zhì),,(二)、磷擴(kuò)散 磷擴(kuò)散源很多，其共性在于先生成P2O5

17、 ，再與硅反應(yīng)生成單質(zhì)磷向硅內(nèi)擴(kuò)散。 2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2 1、磷的固態(tài)源擴(kuò)散 2、磷的液態(tài)源擴(kuò)散 3、磷的氣態(tài)源擴(kuò)散(三)、砷擴(kuò)散(四)、銻擴(kuò)散 (五)、金擴(kuò)散,,§1.5 雜質(zhì)擴(kuò)散后結(jié)深和方塊電阻的測量(一)、結(jié)深的測量 測量結(jié)深的方法主要有磨角法、磨

18、槽法和光干涉法。 1、磨角法 首先將擴(kuò)散片磨成斜角（1?~5?），然后采用染色液對表面染色以區(qū)分N區(qū)和P區(qū)的界面位置。常用的染色液是濃氫氟酸加0.1~0.5體積的濃硝酸的混合液。最后通過以下兩個公式可求出結(jié)深：,2、磨槽法 適用于測量淺結(jié)。

19、 其中，R 是磨槽圓柱體的半徑，a 和 b 由顯微鏡測出。若R 遠(yuǎn)大于 a 和 b，則 近似為：,3、光干涉法,(二)、擴(kuò)散層電阻,半無窮大樣品： 樣品尺寸有限：,離子注入是另一種對半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜的方法。§2.1 離子注入設(shè)備 由以下幾個部分組成：離子源質(zhì)量分析器加速器中性束偏移器聚焦系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)工作室,2

20、、離子注入摻雜,§2.2 注入離子的濃度分布與退火 離子注入過程：入射離子與半導(dǎo)體的原子核和電子不斷發(fā)生碰撞，從而損失其能量，經(jīng)過一段曲折路徑的運(yùn)動，最后因動能耗盡而停止在半導(dǎo)體中的某處。,,(一)、注入離子濃度分布

21、φ注入劑量，單位為cm-2RP 是平均投影射程，?RP為射程偏差，與注入能量有關(guān)。,注入離子濃度分布的特點(diǎn)： 1、最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投影射程處： (1) 注入離子的劑量φ越大，濃度

22、峰值越高； (2) 注入離子的能量E（20~200 KeV）越大，RP 、?RP 相應(yīng)越大，濃度峰值越低。 2、在x = RP 處的兩邊，注入離子濃度對稱地下降，且下降速度越來越快。,表3.1 硅中離子注入能量(KeV)與射程(Å)的對應(yīng)關(guān)系,(二)、晶格損傷與退火 1、晶格損傷 由離子注入所引起的空位和間隙原子對等點(diǎn)缺陷稱為晶格損傷，與注入離子的能量、質(zhì)

23、量、劑量、靶溫和靶材料等有關(guān)。 (1) 在相同的入射能量和相同的靶材料下，輕離子注入損傷密度小，但區(qū)域較大；重離子注入損傷密度大，但區(qū)域很??； (2) 注入劑量增大，靶的晶格損傷越嚴(yán)重。 (4) 注入劑量一定時(shí)，劑量率（單位時(shí)間通過單位面積注入的離子數(shù)）越高，注入時(shí)間越短； (5) 避免溝道滲透效應(yīng)，沿某一晶向入射離子優(yōu)于隨機(jī)入射，偏離晶向5º左右。,2、退火 目

24、的：消除晶格損傷，并且使注入的雜質(zhì)轉(zhuǎn)入替代位置而實(shí)現(xiàn)電激活。 (1) 熱退火 溫度范圍：600℃~1200℃。低溫長時(shí)間 + 高溫短時(shí)間。 (2) 快速退火 采用脈沖激光、

25、脈沖電子束與離子束、掃描電子束、連續(xù)波激光、寬帶非相干光源（如鹵燈和高頻加熱）等退火，特點(diǎn)是瞬時(shí)內(nèi)使晶片的某個區(qū)域加熱到極高的溫度，并在較短的時(shí)間內(nèi)（10 -3~10 -2S）完成退火。,,§2.3 離子注入的特點(diǎn)及參數(shù)（一）優(yōu)點(diǎn) 1、離子注入擴(kuò)大了雜質(zhì)的選擇范圍；掩蔽膜可用SiO2、金屬膜或光刻膠。 2、注入溫度一般不超過400℃，退火溫度也較低（650℃），避免了高溫 過程帶來的不利（如結(jié)的推移、熱

26、缺陷等）。 3、離子注入能精確控制摻雜的濃度分布和摻雜深度，易制作極低濃度和 淺結(jié)。4、離子注入可選出單一的雜質(zhì)離子，保證了摻雜的純度。 5、離子注入的橫向擴(kuò)散很小，集成度高，高頻特性好。6、劑量在1011~1017離子/cm2較寬的范圍內(nèi)，同一平面內(nèi)雜質(zhì)分布的均勻性。7、無固溶度限制。,（二）缺點(diǎn) 1、高能注入形成晶格缺陷、損傷； 2、注入設(shè)備復(fù)雜。,（三）、離子注入?yún)?shù)1、劑量,2、能量：決定射程（投影

27、射程Rp，標(biāo)準(zhǔn)偏差 ),§3.1 SiO2 的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途(一)、結(jié)構(gòu) 分為結(jié)晶形和無定形兩類。結(jié)晶形SiO2 由 Si – O 四面體在空間規(guī)則排列而成，如石英、水晶等；無定形SiO2 是Si - O四面體在空間無規(guī)則排列而成，如熱生長 SiO2 、淀積 SiO2 等。 無定形SiO2 中硅原子要運(yùn)動須打斷四個Si - O鍵，而氧原子的運(yùn)動最多打斷兩個Si - O鍵，因此，

28、氧空位的出現(xiàn)易于硅空位。氧化的過程均是含氧的氧化劑穿過 SiO2 層到達(dá)Si-SiO2 界面與 Si反應(yīng)生成 SiO2 。,3、氧化,(二)、SiO2 的主要性質(zhì) 1、物理性質(zhì),2、化學(xué)性質(zhì) 化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，僅被 HF 酸腐蝕。,(三)、SiO2 膜在集成電路中的應(yīng)用 1、用作選擇擴(kuò)散的掩膜； 2、用作表面保護(hù)及鈍化； 3、用作絕緣介質(zhì)（隔離、絕緣柵、

29、多層布線絕緣、電容介質(zhì)等）； 4、離子注入中用作掩蔽層及緩沖介質(zhì)層等。,§3.2 SiO2 的掩蔽作用(一)、雜質(zhì)在 SiO2 中的擴(kuò)散系數(shù) 其中：?E為雜質(zhì)在 SiO2 中的擴(kuò)散激活能；D0為表觀擴(kuò)散

30、系數(shù)。 SiO2 中雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)：B 、P 、As 、Sb 、Au 等擴(kuò)散系數(shù)較?。籊a 、Na 、K 、H2 、H2O 等擴(kuò)散系數(shù)較大。 SiO2 層為無定形體，不是晶體，故雜質(zhì)在 SiO2 中不存在固溶度的概念。,(二)、SiO2掩蔽層厚度的確定 SiO2 層起掩蔽作用的條件： （1）具有一定厚度；（2）Dsi >> DSiO2 雜質(zhì)

31、在 SiO2 層中的分布大部分按余誤差函數(shù)分布：,定義 N(x)/NS 的比值為 10 –3 時(shí)對應(yīng) SiO2 的 xmin ：,§3.3 高溫氧化（熱氧化） 高溫氧化法生長的 SiO2 結(jié)構(gòu)致密，掩蔽性能良好。 氧化層厚度 x0 與消耗掉的硅厚度 x 的關(guān)系：x = 0.44 x0,氧化方法： 1、高質(zhì)量氧化：干氧氧化或分壓氧化； 2、厚層

32、的局部氧化或場氧化：干氧（10min）+濕氧+干氧(10min)或高壓氧化； 3、低表面態(tài)氧化：摻氯氧化、濕氧氧化加摻氯氣氛退火或分壓氧化（ H2O 或 O2+N2 或 Ar 或 He 等）。,§3.4 熱氧化生長動力學(xué)(一)、熱氧化過程,1、氧化劑擴(kuò)散穿過滯留層達(dá)到SiO2 表面，其流密度為F1 。 2、氧化劑擴(kuò)散穿過SiO2 層達(dá)到SiO2-Si界面，流密度為F2 。 3

33、、氧化劑在Si 表面與Si 反應(yīng)生成SiO2 ，流密度為F3 。 4、反應(yīng)的副產(chǎn)物離開界面。,1） DSiO2 >> KS x0 SiO2的生長速度主要由Si表面的化學(xué)反應(yīng)速度決定，稱為反應(yīng)控制。 2） DSiO2 << KS x0 SiO2 的生長速度主要由氧化劑的擴(kuò)散速度決定，稱為擴(kuò)散控制。,(二)、SiO2

34、的生長厚度計(jì)算 1）在氧化的初期，t +? >?， t >>A2 /4B， 為拋物線氧化規(guī)律： x02 = B t,(三)、決定氧化速率的各種因素 1、氧化劑分壓的影響 2、氧化溫度的影響 3、硅表面晶向的影響 B 與硅晶向無關(guān)；B/

35、A 與硅原子晶向有關(guān)：,4、雜質(zhì)的影響 (1)氧化層中高濃度 Na+ 將增大 B 和 B/A ； (2)氧化劑中Cl2 、HCl 、（C2HCl3）將增大B和B/A，有利于改善 SiO2 質(zhì)量和 SiO2 – Si 界面性質(zhì)； (3)重?fù)诫s硅氧化得比輕摻雜硅快。,§3.5 熱氧化過程中雜質(zhì)的再分布(一)、熱氧化時(shí)硅中雜質(zhì)再分布產(chǎn)生的原因 1、雜質(zhì)在Si、SiO

36、2 中平衡濃度不同 分凝系數(shù) m = 2、雜質(zhì)在Si、SiO2 中擴(kuò)散速度不同 3、氧化速度與氧化層厚度,熱氧化中雜質(zhì)在SiO2 - Si界面再分布的四種情況(a)氧化層中慢擴(kuò)散（硼）； (b)氧化層中快擴(kuò)散（硼，在H2 氣氛下）；(c)氧化層中慢擴(kuò)散（磷）；(d)氧化層中快擴(kuò)散（鎵）,(二)、熱氧化過程中硅中雜質(zhì)的再分布 1、硅中摻磷

37、 (1) 溫度一定時(shí)，水汽氧化（濕氧氧化）導(dǎo)致雜質(zhì)再分布程度較大，其 NS/NB 大于干氧氧化； (2) 同一氧化氣氛下，氧化溫度越高，磷向硅內(nèi)擴(kuò)散的速度越快，表面堆積現(xiàn)象減小，NS/NB 趨于1。 2、硅中摻硼 (1) 溫度一定時(shí)，水汽氧化（濕氧氧化）導(dǎo)致雜質(zhì)再分布 程度增大，NS/NB 小于干氧氧化； (2) 同一氧化氣氛下，氧化溫度越高，硼向

38、硅表面擴(kuò)散速度加快，補(bǔ)償了雜質(zhì)的損耗，NS/NB 趨于1。,§3.6 氧化膜質(zhì)量檢測及應(yīng)用(一)、氧化膜厚度測量方法,表4.6 SiO2層厚度與顏色的關(guān)系,(二)、氧化膜缺陷檢測 包括氧化膜針孔、氧化層錯的檢測。(三)、介電系數(shù)和擊穿特性測量 計(jì)算介電系數(shù)公式： 其中：Cmax 代表電容器的最大電容; ?0 代表真空電容率; tox 代表氧化膜厚度；A 代表氧化

39、層的面積。(四)、應(yīng)力測量 圓盤彎曲法；基片彎曲法；X射線和電子衍射技術(shù)。,(五)、熱生長 SiO2 – Si 系統(tǒng)中的電荷    與熱氧化有關(guān)電荷的名稱及位置示意圖Qf ：固定氧化物電荷， Qit ：界面陷阱電荷， Qm ：可動離子電荷 ， Qot ：氧化物陷阱電荷。,§4.1 CVD的薄膜及技術(shù)分類 化學(xué)氣相淀

40、積（Chemical Vapor Deposition）是指單獨(dú)地或綜合的利用熱能、輝光放電等離子體、紫外光照射、激光照射或其它形式的能源，使氣態(tài)物質(zhì)在固體的熱表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在該表面上淀積，形成穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)的工藝過程。,4、化學(xué)氣相淀積（CVD）,(一)、CVD 分類 1、按溫度分，可分為低溫（200 - 500o C）、中溫（500 -1000o C）、和高溫（1000 - 1300o C）CVD 。

41、 2、按壓力分，可分為常壓 CVD（APCVD）和低壓 CVD（LPCVD）。 3、按反應(yīng)室壁溫度分，可分為熱壁 CVD 和冷壁 CVD 。熱壁是指壁溫高于晶片溫度，通常是在反應(yīng)室外采用電阻發(fā)熱方式透過室壁對晶片進(jìn)行加熱。冷壁是指壁溫低于晶片溫度，可采用射頻感應(yīng)或電阻發(fā)熱方式在反應(yīng)室內(nèi)對基座進(jìn)行加熱。 4、按反應(yīng)激活方式分，可分為熱激活、等離子激活（PECVD）和紫外光激活等。 5、

42、按氣流是水平還是垂直流動，可分為臥式 CVD 和立式CVD 。,(二)、CVD薄膜分類 半導(dǎo)體集成電路制造中所用的薄膜材料，包括介質(zhì)膜、半導(dǎo)體膜、導(dǎo)體膜以及超導(dǎo)膜等，幾乎都能用CVD工藝來制備。 介質(zhì)膜：SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3、PSG、BSG、Si3N4 半導(dǎo)體：Si、Ge、GaAs、GaP、AlN、InAs、V2O3 導(dǎo)體：Al、Ni、Au、Pt、Ti、W、Mo、WSi2、摻雜多晶

43、硅 超導(dǎo)體：Nb3Sn、NbN、Nb4N5,(三)、CVD淀積方法,(四)、CVD工藝特點(diǎn) 1、CVD成膜溫度遠(yuǎn)低于體材料的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)，因而減輕了襯底片的熱形變，減小了沾污，抑制了缺陷生成，減輕了雜質(zhì)的再分布，適于制造淺結(jié)分立器件以及VLSI電路； 2、薄膜的成分精確可控、配比范圍大，重復(fù)性好； 3、淀積速率一般高于 PVD（ 物理氣相淀積，如蒸發(fā)、濺射等）；厚度范圍從幾百

44、7;至數(shù)毫米，生產(chǎn)量大； 4、淀積膜結(jié)構(gòu)完整、致密，與襯底粘附性好，臺階覆蓋性能好。,§4.2 化學(xué)氣相淀積生長動力學(xué)(一)、薄膜生長過程 1、氣體分子擴(kuò)散到襯底表面 2、氣體分子被襯底表面吸附 3、被吸附的分子在襯底表面上反應(yīng)，生成薄膜及化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)物 4、反應(yīng)副產(chǎn)物分子從襯底表面脫附 5、副產(chǎn)物分子擴(kuò)散離開襯底表面,(二)、化

45、學(xué)氣相淀積模型 F1 = hG（CG-CS） F2 = kS CS F1 ：到達(dá)襯底表面的反應(yīng)物流量F2 ：膜生長時(shí)消耗的反應(yīng)物流量CG ：主氣流中反應(yīng)物的濃度CS ：襯底表面上的反應(yīng)物濃度 hG ： 氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù) kS ：表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù),薄膜的生長速率（淀積率）其中：N1 為淀積膜的密度 （1）高溫區(qū)，hG > kS 因

46、 ，故 即：低溫下，淀積率受表面反應(yīng)速率控制。,,(三)、滯留層 （附面層或速度邊界層 ）與 hG 的關(guān)系

47、 ?：襯底表面滯留層的厚度（與氣體流速平方根成反比） DG ：氣體分子通過滯留層向襯底表面擴(kuò)散的速率,1、常壓CVD中，質(zhì)量遷移速率 hG 與表面反應(yīng)速率 kS 常屬同一數(shù)量級?？偟牡矸e速率由兩者決定，受反應(yīng)室的幾何尺寸、氣體流速、基座形狀及放置方式影響大； 2、LPCVD及PECVD中，壓力從105 Pa 降到十幾 ~ 270Pa。DG ?

48、1/P，故 DG 增加1000倍以上；? 比常壓增大3~10倍。因此 hG = DG/? 增大100~300倍，hG >> kS ，反應(yīng)主要受溫度控制。,§4.3 化學(xué)氣相淀積工藝(一)、APCVD 化學(xué)反應(yīng)在常壓下進(jìn)行，APCVD常用于淀積二氧化硅，特別是摻雜的SiO2 ，如磷硅玻璃（PSG）。產(chǎn)量低，片內(nèi)及片間均勻性較差，易產(chǎn)生霧狀顆粒、粉末等。為提高均勻性，須提高稀釋氣體流量，同時(shí)降低淀積溫

49、度。目前普遍采用 LTCVD（常壓下低溫化學(xué)氣相淀積）SiO2 和摻雜 SiO2 膜。,1、基本化學(xué)反應(yīng) 稀釋的SiH4（硅烷）同過量 O2 反應(yīng)在熱襯底上生長SiO2 ： SiH4+ O2 SiO2 +2H2 稀釋的SiH4和PH3（磷烷）同過量O2反應(yīng)生成磷硅玻璃（PSG），PSG是一種兩元玻璃質(zhì)化合物：

50、(1-x)SiH4+2xPH3+3[O2] (SiO2)1-x(P2O5)x+ [H2],2、常壓LTCVD工藝特點(diǎn) （1）溫度升高，淀積速率增大，淀積溫度選擇在400~450℃； （2）SiH4或O2流量增大，淀積速率增大；SiH4流量幾十到幾百毫升/分，總氣體流量幾到幾十升/分，淀積速率幾百Å 至幾微米/分； （3）在保證足夠淀積速率下，應(yīng)選擇足

51、夠大的稀釋氣體（N2）流量，避免大量SiO2白色粉末的形成，同時(shí)提高均勻性； （4）淀積的 SiO2 或PSG膜均需在700~1000℃溫度下（N2 或惰性氣體）處理 5~15 min，目的在于提高膜的密度、抗蝕性及介電擊穿強(qiáng)度。,(二)、LPCVD 1、LPCVD的一般工藝流程 裝片； 爐子恒溫并對反應(yīng)室抽真空到 1.3 Pa ；充 N2 氣或其它惰性氣體進(jìn)行吹洗；再抽真空到 1.3 Pa ；

52、完成淀積；關(guān)閉所有氣流，反應(yīng)室重新抽到 1.3 Pa ；回充 N2 氣到常壓，取出硅片。 2、LPCVD工藝的一般特點(diǎn) （1）LPCVD都在65~130 Pa 氣壓下進(jìn)行，硅片垂直于氣流方向背靠背密集豎直放置，裝片量大，能保證膜厚及膜組分的高度均勻性，臺階覆蓋性能好； （2）與APCVD相比，LPCVD在更寬的溫度范圍內(nèi)，其淀積速率的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系； （3）LPCVD的淀積速率隨

53、反應(yīng)氣體分壓的升高而增大； （4）淀積溫度與反應(yīng)氣體分壓恒定時(shí)，增加反應(yīng)氣體的流量，淀積速率增大，淀積速率一般為幾十至幾百Å。,3、LPCVD淀積 SiO2 4、LPCVD淀積 Si3N4,5、LPCVD淀積多晶硅。 特點(diǎn)： (a) LPCVD 熱分解硅烷淀積多晶硅的溫度一般為600~750℃，低于600℃淀積出的是非晶硅，高于此溫度才能生長出多晶硅; (b)LPC

54、VD多晶硅膜中通常包含（111）、（110）、（100）、（311）等取向的晶粒，各成分的含量主要取決于淀積溫度； (c) 多晶硅中晶粒尺寸取決于淀積溫度，淀積溫度升高，晶粒尺寸增大；淀積溫度在625~750℃時(shí)，晶粒尺寸在720~870Å； (d) 淀積過程中摻入硼將增大多晶硅淀積速率；摻磷或砷時(shí)，多晶硅淀積速率減??； (e) 熱處理溫度越高，晶粒生長越大； (f) 多晶硅

55、摻雜將促進(jìn)晶粒生長。,(三)、PECVD工藝（Plasma-Enhanced CVD） 等離子增強(qiáng)CVD，輝光放電等離子場中的高能電子撞擊反應(yīng)物氣體分子，使之激活并電離，產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)很活潑的自由基團(tuán)，并使襯底產(chǎn)生更為活潑的表面結(jié)點(diǎn)，從而啟動并加快了低溫下的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)氣相淀積的技術(shù)。 1、設(shè)備的組成 反應(yīng)室和襯底加熱系統(tǒng)、射頻功率源、供氣及抽氣系統(tǒng)。,2、PECVD 淀積 Si3N4 的

56、工藝流程：（1）裝硅片；（2）抽真空到0.13Pa；（3）回充 N2 ，再抽真空，反復(fù)2~3次，實(shí)現(xiàn)真空清洗；（4）硅襯底加熱到淀積溫度；（5）反應(yīng)室充N2 ，壓力維持在67~133Pa ，起輝10min ，干法清洗硅片；（6）調(diào)節(jié)氣體（SiH4 、NH3 、N2）到預(yù)定的流量；（7）接通RF電源，完成淀積；（8）斷電，切斷SiH4 、NH3 ，對質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行 N2 清洗；（9）整個系統(tǒng)充 N2 到常壓，斷N2 ，

57、開爐，取片。,3、工藝參數(shù)對淀積的影響 （1）射頻功率增大，淀積速率幾乎線性上升 （2）襯底溫度對淀積速率影響小，但對薄膜的物理性質(zhì)影響較大。溫度在250℃~350℃，膜應(yīng)力小，抗酸腐蝕。 （3）氣體流量是影響淀積速率的主要因素。為保證淀積的均勻性，氣體流量應(yīng)維持在 1000~2500 ml/min 范圍內(nèi)。 （4）反應(yīng)室壓力增大，淀積速率增大，壓力在 27~270 Pa范

58、圍內(nèi)可保持穩(wěn)定的輝光放電等離子體、均勻性與重復(fù)性良好的薄膜。 （5）氣體總流量恒定時(shí)，SiH4 百分比濃度增大，淀積速率增大。,4、PECVD淀積薄膜反應(yīng)式 （1）3SiH4+4NH3 Si3N4+12H2 （2）SiH4+2N2O

59、 SiO2+2N2+2H2 （3）SiH4 Si+2H2 （4）(1-x)SiH4+xPH3 Si1-xPx+[H2],2、 CVD 法的反應(yīng)發(fā)生在SiO2 膜的表面，膜厚與時(shí)間成線性關(guān)系。而在氧化法中，一旦SiO2 膜形成以后，反應(yīng)劑須穿過SiO2 膜，反應(yīng)發(fā)

60、生在 SiO2 /Si 界面上。,CVD 法,氧化 法,化學(xué)反應(yīng),化學(xué)反應(yīng),SiO2,SiO2,Si,Si,,,3、CVD 法用的溫度較低，但膜的質(zhì)量較差。而氧化法則正好相反。,(四)、氧化制備的 SiO2 膜與CVD 制備的 SiO2 膜比較 1、 CVD 法SiO2 膜中的硅來自反應(yīng)氣體，而氧化法SiO2 膜中的硅來自硅襯底 。,§5.1 概述(一)、金屬化工藝的作用 金屬化工藝是根據(jù)集成

61、電路的設(shè)計(jì)要求，將各種晶體管、二極管、電阻、電容等元器件用金屬薄膜線條（互連線）連接起來，形成一個完整的電路與系統(tǒng)，并提供與電源、接地、輸入、輸出等外電路相連接的接點(diǎn)。 金屬化系統(tǒng)和金屬化工藝的優(yōu)劣將影響整個電路的電特性和可靠性。為提高電路速度與集成度，應(yīng)盡可能縮短互連線，或采用多層金屬化系統(tǒng)。,5、金屬化（PVD）,(二)、對金屬化系統(tǒng)的要求 1、電導(dǎo)率高，能提供低阻的互連引線； 2、與

62、高摻雜硅或高摻雜多晶硅能形成低阻的歐姆接觸； 3、與硅、SiO2 的粘附能力強(qiáng)； 4、抗電遷移能力強(qiáng)； 5、抗電化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)； 6、易于淀積和刻蝕； 7、便于超聲或熱壓鍵合，且鍵合點(diǎn)能經(jīng)受長期工作； 8、多層互連時(shí)，層與層之間不互相滲透和擴(kuò)散。,(三)、金屬 - 半導(dǎo)體接觸 1、肖特基接觸 肖特基接觸的特點(diǎn)是

63、 金屬 - 半導(dǎo)體 接觸區(qū)具有整流特性 ，即單向?qū)щ娦浴?2、歐姆接觸 歐姆接觸的特點(diǎn)是流過金屬 - 半導(dǎo)體接觸區(qū)的電流與電壓成正比關(guān)系，近似服從歐姆定律，接觸電阻上的電壓降與硅體內(nèi)的電壓降相比可忽略。,對于金屬化系統(tǒng)來說，要求形成歐姆接觸。措施： （1）半導(dǎo)體高摻雜； （2）選取適當(dāng)?shù)慕饘匐姌O（如 Pt 、Ti 等），使其與半導(dǎo)體接觸的勢壘較低。,§5.2 金屬薄膜的制備方法(一)、

64、真空蒸發(fā)鍍膜 1、概念及過程 真空蒸發(fā)技術(shù)是對淀積薄膜的源材料施加熱能或動能，使之分解為原子或原子的集合體，并輸運(yùn)到硅片表面后結(jié)合或凝聚在硅片表面而形成薄膜。 蒸發(fā)過程：（1）被蒸發(fā)物質(zhì)由凝聚相（固體或液體）轉(zhuǎn)化為汽相。（2）汽相原子或分子在真空系統(tǒng)中輸運(yùn)。（3）汽相原子或分子到達(dá)襯底后在襯底上淀積、成核和生長。,2、對真空蒸發(fā)的要求 （1）真空蒸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)具有加熱源，以便將被蒸

65、發(fā)材料加熱到足夠高的溫度，形成汽相原子或分子。 （2）蒸發(fā)必須在真空室中進(jìn)行，真空度應(yīng)在1.33?10-2Pa ~1.33?10 –5 Pa ， 使金屬蒸發(fā)原子在系統(tǒng)中輸運(yùn)時(shí)的平均自由程遠(yuǎn)大于蒸發(fā)源與襯底間的距離。,3、電阻加熱蒸發(fā) （1）對制作電阻加熱器的材料的性能要求 （a）熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于蒸發(fā)源的熔點(diǎn)，且蒸汽壓極低； （b）蒸發(fā)過程中不軟化，不與蒸發(fā)源生成合金；

66、 （c）容易加工成所需要的各種形狀。 常用的電阻加熱器材料有：鎢、鉬、鉭。加熱器的形狀有：金屬絲、金屬舟。,基片加熱器,基片架,基片,真空室鐘罩,蒸發(fā)料,蒸發(fā)源加熱電極,電阻加熱金屬舟,抽氣,,,,,,,,,,,（2）蒸發(fā)工藝流程（以鎢絲加熱器蒸鋁膜為例） （a）掛鋁絲（99.99 %純度），將硅片置于襯底加熱器上，轉(zhuǎn)動活動擋板，使之位于蒸發(fā)源與硅片之間，蓋好鐘罩。 （b）抽真空：開動機(jī)械

67、泵，打開低真空閥，待真空度高于1.3Pa 后，關(guān)低真空閥，開高真空閥，轉(zhuǎn)到用擴(kuò)散泵抽高真空。 （c）硅片加熱：當(dāng)真空度抽到 6.7?10-3 Pa 后，開始加溫，使襯底溫度升到約400℃ ，恒溫?cái)?shù)分鐘以除去硅片表面吸附的污物，然后降溫。 （d）蒸發(fā)：襯底溫度降至150℃且真空度達(dá)到 6.7?10-3 Pa 以上，逐步加熱蒸發(fā)源使之熔化后附在鎢絲上，先使鋁中高蒸汽壓雜質(zhì)揮發(fā)掉（提高鋁的純度），然后迅速增大加熱

68、電流到一定值，打開擋板，使鋁蒸發(fā)到硅片上。蒸發(fā)完畢轉(zhuǎn)回?fù)醢?，并停止蒸發(fā)源加熱。 （e）取片：待硅片溫度降至150℃以下，關(guān)閉高真空閥，關(guān)閉擴(kuò)散泵電源，對真空室放氣，打開鐘罩，取出硅片。,（3）特點(diǎn) （a）優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，不產(chǎn)生電離輻射。 （b）缺點(diǎn)：可能受到來自加熱器的污染，如鎢絲加熱器會引入 K、Na 離子的沾污，而鉭絲或鉭舟則幾乎不會引入沾污；只能蒸發(fā)熔點(diǎn)在2000℃以下的材料；裝載量小而限

69、制了薄膜的最終厚度。,4、電子束蒸發(fā) （1）原理 電子束蒸發(fā)是利用陰極電子槍發(fā)射出電子，電子束在電場作用下穿過加速極陽極進(jìn)入磁場空間，通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度控制電子束的偏轉(zhuǎn)半徑，準(zhǔn)確地打到坩堝內(nèi)的蒸發(fā)源上（Al 或 Ti等），將電子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬熔化并蒸發(fā)到硅片表面上，形成薄膜。,（2）特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：K、Na 離子沾污輕；能夠蒸發(fā)熔點(diǎn)在 2000℃以上的材料或難熔金屬；蒸發(fā)速率大；臺階覆蓋性好