1、學(xué)習(xí)必備歡迎下載課 題 序 號5 授 課 班 級075電子 1、2 授 課 課 時8 授 課 形 式講授授 課 章 節(jié)名稱主題 5、化學(xué)氣相淀積使 用 教 具多媒體教 學(xué) 目 的1了解化學(xué)氣相淀積概念2了解化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)和方法3了解外延的概念和生成方法4掌握 cvd 質(zhì)量檢測教 學(xué) 重 點化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)和方法、外延的概念和生成方法、cvd 質(zhì)量檢測教 學(xué) 難 點外延的概念更 新 、 補充 、 刪 節(jié)內(nèi)容無課 外 作 業(yè)5-1 5-16教 學(xué) 后 記學(xué)習(xí)必備歡迎下載授課主要內(nèi)容或板書設(shè)計第 5 章化學(xué)氣相淀積5.1概述5.2化學(xué)氣相淀積5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)5.4外延5.5cvd 質(zhì)量檢測學(xué)

2、習(xí)必備歡迎下載課 堂 教 學(xué) 安 排教 學(xué) 過 程主 要 教 學(xué) 內(nèi) 容 及 步 驟5.1 引言5.1.1薄膜淀積的概念所謂薄膜， 是指一種在硅襯底上生長的薄固體物質(zhì)。薄膜與硅片表面緊密結(jié)合，在硅片加工中，通常描述薄膜厚度的單位是納米（nm） 。半導(dǎo)體制造中的薄膜淀積是指在硅片襯底上增加一層均勻薄膜的工藝。在硅片襯底上淀積薄膜有多種技術(shù)，主要的淀積技術(shù)有化學(xué)氣相淀積（cvd ）和物理氣相淀積（pvd ） ，其他的淀積技術(shù)有電鍍法、旋涂法和分子束外延法。化學(xué)氣相淀積(cvd) 是通過混合氣體的化學(xué)反應(yīng)生成固體反應(yīng)物并使其淀積在硅片表面形成薄膜的工藝。而物理氣相淀積（pvd ）是不需通過化學(xué)反應(yīng)，

3、 直接把現(xiàn)有的固體材料轉(zhuǎn)移至硅片表面形成薄膜的工藝。電鍍法是制備銅薄膜時主要采用的淀積技術(shù)。旋涂法采用的設(shè)備是標準的旋轉(zhuǎn)涂膠機，比cvd 工藝更經(jīng)濟，通常用于制備低k（k 指介電常數(shù)）絕緣介質(zhì)膜。分子束外延法是一種制備硅外延層的較先進的淀積技術(shù)。5.1.2常用的薄膜材料在半導(dǎo)體制造中所包含的薄膜材料種類很多，早期的芯片大約含有數(shù)十種， 而隨著集成電路結(jié)構(gòu)和性能的發(fā)展，芯片中薄膜材料種類也越來越多，如圖 5?1 所示，這些薄膜材料在器件中都起到了非常重要的作用。總的來說， 薄膜材料的種類可分為金屬薄膜層、絕緣薄膜層和半導(dǎo)體薄膜層三種。圖 5-1早期和現(xiàn)代mos 結(jié)構(gòu)中的各層薄膜1) 金屬薄膜層在

4、半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用主要是制備金屬互連線。2) 常見的絕緣薄膜材料有二氧化硅(sio2)、 摻雜二氧化硅(如 psg、 bpsg)、氮化硅 (si3n4) 等。3) 半導(dǎo)體薄膜材料主要有多晶硅、外延硅層等。5.1.3半導(dǎo)體制造中對薄膜的要求在圖 5?1 中給出了制作一個早期nmos 管所需的淀積層。圖中器件的特征尺寸遠大于。由于特征高度的變化，硅片上的各層薄膜并不平坦，學(xué)習(xí)必備歡迎下載質(zhì)量不高。 這成為超大規(guī)模集成電路時代所需的多層金屬、高密度芯片制造的限制因素。隨著硅片加工向更高的芯片密度發(fā)展，特征尺寸縮小到0 18m 甚至更小，而且需要用到6 層甚至更多層金屬來做連接。這使得在硅片上可靠地沉

5、積符合要求的薄膜材料至關(guān)重要。1.良好的臺階覆蓋能力2. 填充高的深寬比間隙的能力圖 5-2薄膜的臺階覆蓋圖 5-3高深寬比通孔填充效果比較3. 良好的厚度均勻性4. 高純度和高密度5. 高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應(yīng)力圖 5-4薄膜中晶粒的成核與生長過程圖 5-5膜應(yīng)力導(dǎo)致硅片襯底發(fā)生變形6. 對襯底材料或下層膜良好的粘附性5.2化學(xué)氣相淀積5.2.1化學(xué)氣相淀積的概念學(xué)習(xí)必備歡迎下載化學(xué)氣相淀積 （cvd ）是通過混合氣體的化學(xué)反應(yīng)生成固體反應(yīng)物并使其淀積在硅片表面形成薄膜的工藝。反應(yīng)產(chǎn)生的其他副產(chǎn)物為揮發(fā)性氣體，離開硅片表面并被抽出反應(yīng)腔。硅片表面及其鄰近的區(qū)域被加熱以向反應(yīng)系統(tǒng)提供附加的能

6、量。5.2.2化學(xué)氣相淀積的原理化學(xué)氣相淀積工藝的反應(yīng)在爐管反應(yīng)腔內(nèi)進行，同時必須使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在硅片表面或者非常接近表面的區(qū)域（表面催化），這樣可以生成高質(zhì)量的薄膜。 而如果反應(yīng)發(fā)生在距離硅片表面較遠的地方，會導(dǎo)致反應(yīng)物粘附性差、密度低和缺陷多，這是必須避免的。例如：利用硅烷和氧氣經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)淀積sio2 膜，其反應(yīng)的生成物sio2 淀積在硅片表面，同時生成了氣態(tài)的副產(chǎn)物氫氣，氫氣經(jīng)排氣系統(tǒng)排出爐管外。反應(yīng)式如下：圖 5-6cvd 的主要反應(yīng)過程 氣態(tài)反應(yīng)劑被輸送至反應(yīng)腔，以平流形式向出口流動。 反應(yīng)劑從主氣流區(qū)以擴散方式通過邊界層到達硅片表面。 反應(yīng)劑被吸附到硅表面。 被吸附到硅表面的原子

7、(分子 )在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)淀積成膜。 反應(yīng)產(chǎn)生的氣態(tài)副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)劑離開襯底，排出系統(tǒng)。5.3化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)5.3.1apcvd 常壓化學(xué)氣相淀積（apcvd ）是指在一個大氣壓下進行的一種化學(xué)氣相淀積的方法，這是最初采用的cvd 方法。這種方法工藝系統(tǒng)簡單，工藝溫度是 400600，反應(yīng)速度和淀積速度快（淀積速度可達1000 nm/min ） ，但其淀積的薄膜均勻性較差，氣體消耗量大，且臺階覆蓋能力差，因此apcvd 常被用于淀積相對較厚的介質(zhì)層（如psg 或 bpsg 等） 。圖 5-7apcvd 學(xué)習(xí)必備歡迎下載1. sio2 的淀積1)硅烷 (sih4) 法

8、是用 o2 氧化 sih4 來淀積 sio2。2)teos-o3 法是使用正硅酸乙酯(teos) 與 o3 反應(yīng)淀積sio2。2. 摻雜 sio2 的圖 5-8psg 回流后表面平坦化圖 5-9氣體分子的運動軌跡圖 5-10lpcvd 1. sio2 的淀積2. si3n4 淀積3. 多晶硅淀積圖 5-11多晶硅柵自對準工藝示意圖學(xué)習(xí)必備歡迎下載4. 典型的 lpcvd 工藝設(shè)備操作1)做好淀積前的準備工作，包括按流程卡確認程序、工藝、設(shè)備及硅片數(shù)量。2)硅片清洗。3)選擇程序。4)系統(tǒng)充氣。5)裝片。6)按“ start”鍵，設(shè)備將按設(shè)定的程序進爐。7)程序結(jié)束，自動出舟，同時發(fā)出報警聲，此

9、時按面板上的“ack ”鍵，報警聲消除。8)經(jīng) 10min 冷卻后，取下正片或測試片，放入傳遞盒待檢驗和測試。5.3.3等離子體輔助cvd 等離子體又叫做電漿，是被電離后的氣體，即以離子態(tài)形式存在的氣體(正離子和電子組成的混合物)。 它廣泛存在于宇宙中， 常被視為是除固、液、氣之外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。在自然界里，火焰、閃電、太陽等都是等離子體。 等離子體有以下兩個特點： 等離子體呈現(xiàn)出高度不穩(wěn)定態(tài)，有很強的化學(xué)活性。等離子體輔助cvd 就是利用了這個特點。 等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，利用經(jīng)過設(shè)計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。 這兩個特點在后面的等離子體刻蝕工藝中得到了很好的利用。等離子

10、體產(chǎn)生方法有輝光放電、射頻放電和電暈放電等。1)有更低的工藝溫度(250450 )。2)對高的深寬比間隙有好的填充能力(用高密度等離子體cvd) 。3)淀積的膜對硅片有優(yōu)良的粘附能力。4)有較高的淀積速率。5)有較少的針孔和空洞，因而有較高的膜密度。6) 腔體可利用等離子體清洗。1. 等離子體增強cvd 圖 5-12pecvd 的反應(yīng)腔示意圖學(xué)習(xí)必備歡迎下載1)清洗。2)裝片。3)選擇菜單。4)卸片。5)測量。2. 高密度等離子體cvd (1)同步淀積和刻蝕hdpcvd的一個突破創(chuàng)新之處就在于在同一個反應(yīng)腔中同步地進行淀積和刻蝕的工藝。圖 5-13同步淀積和刻蝕(2)淺槽隔離 (sti) 對于

11、特征尺寸在0.35m 以上的器件，通常采用局部氧化(locos) 技術(shù)來隔離，如圖5-14b 所示。圖 5-14兩 mos 器件間的隔離3. 多腔集成cvd 設(shè)備圖 5-15多腔集成cvd 設(shè)備5.4 外延5.4.1外延的概念、作用、原理外延 (epi)工藝是指在單晶襯底上生長一層跟襯底具有相同晶向的單晶薄膜材料， 該單晶薄膜層稱為外延層。外延層除晶向必須與襯底一致外，其單晶材料、摻雜類型、摻雜濃度和厚度都可以按設(shè)計要求與襯底不同。學(xué)習(xí)必備歡迎下載若在硅襯底上生長單晶硅外延層稱為同質(zhì)外延層；若在硅襯底上生長鍺外延層稱為異質(zhì)外延層；若在重摻雜襯底上生長輕摻雜外延層稱為正外延；在輕摻雜襯底上生長的

12、重摻雜外延層稱為反外延。外延層的摻雜厚度、濃度、輪廓等屬性容易控制而不受硅襯底影響，因此這為設(shè)計者在優(yōu)化器件性能方面提供了很大的靈活性。圖 5-16外延層的用途5.4.2外延生長方法外延生長有兩個重要條件:一是必須去除表面的自然氧化層及硅片表面的雜質(zhì)。如果表面有一層薄的二氧化硅、非晶態(tài)層表面或污染物，則會影響外延生長原子的正確定位，結(jié)果導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)為多晶硅或形成缺陷較多的單晶。二是襯底的表面溫度足夠高（氣相外延時），只有在高溫的情形下，淀積在襯底上的硅原子才有足夠的動能移動到適當?shù)奈恢门c襯底形成一致晶向的單晶，而低溫淀積形成的薄膜為多晶。1.氣相外延圖 5-17臥式、立式和桶式反應(yīng)爐示意圖1)清潔。2)換氣。3)裝爐。4)原位拋光。5)外延生長。6)取片。2. 分子束外延學(xué)習(xí)必備歡迎下載圖 5-18mbe 系統(tǒng)設(shè)備示意圖1)超高真空工藝可以制備高質(zhì)量(良好的均勻性、純度和較低的晶體缺陷等)單晶薄膜。2)低溫生長，減少自摻雜。3)薄膜厚度、成分和濃度可嚴格控制，可實現(xiàn)厚度在原子層級別的超薄薄膜沉積。4)系統(tǒng)加入薄膜生長質(zhì)量分析儀，可進行原位觀察， 實時反饋以控制生長。5.4.3硅外延工藝1. 雙極型晶體管中外延層的應(yīng)用圖 5-19制作雙極型晶體