半导体器件-半导体工艺介绍-薄膜淀积
半导体制造技术—第四讲：淀积工艺
提供反应物质：反应气体是淀积过程中形成薄膜的主要物质来源 控制反应速率：反应气体的浓度和流量可以控制反应速率从而影响薄膜的厚度和质量 影响薄膜性质：反应气体的种类和比例可以影响薄膜的性质如导电性、光学性能等 参与化学反应：反应气体在淀积过程中参与化学反应形成所需的薄膜材料
半导体制造技术之淀 积工艺
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淀积工艺概述
淀积工艺的原理
淀积工艺的应用
淀积工艺的优缺点
淀积工艺的未来展 望
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淀积工艺概述
淀积工艺是半导体制造过程中的关键步骤之一 主要目的是在硅晶圆上沉积一层或多层薄膜 薄膜可以是金属、氧化物、氮化物等 淀积工艺包括化学气相淀积（CVD）、物理气相淀积（PVD）等方法
研究方向：新型材料、新工艺、新设备 技术挑战：提高性能、降低成本、提高可靠性 研发目标：实现更高性能、更低成本、更可靠的淀积工艺 研发成果：新型材料、新工艺、新设备的研发和应用
太阳能电池：利用淀积工艺制造高效太阳能电池提高光电转换效率 燃料电池：利用淀积工艺制造高性能燃料电池提高能源转换效率 储能设备：利用淀积工艺制造高性能储能设备提高储能效率和稳定性 电动汽车：利用淀积工艺制造高性能电动汽车电池提高续航里程和充电速度
物理淀积的优 点是沉积速度 快沉积层厚度 均匀沉积层质
量高
化学淀积是一种通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
化学淀积可以分为气相化学淀积和液相 化学淀积两种类型
气相化学淀积是通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
液相化学淀积是通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
化学淀积工艺可以应用于半导体制造中的各 种薄膜制备如氧化物、氮化物、金属等
半导体制造工艺流程简介
半导体制造工艺NPN高频小功率晶体管制造的工艺流程为：外延片——编批——清洗——水汽氧化——一次光刻——检查——清洗——干氧氧化——硼注入——清洗——UDO淀积——清洗——硼再扩散——二次光刻——检查——单结测试——清洗——干氧氧化——磷注入——清洗——铝下CVD——清洗——发射区再扩散——三次光刻——检查——双结测试——清洗——铝蒸发——四次光刻——检查——氢气合金——正向测试——清洗——铝上CVD——检查——五次光刻——检查——氮气烘焙——检查——中测——中测检查——粘片——减薄——减薄后处理——检查——清洗——背面蒸发——贴膜——划片——检查——裂片——外观检查——综合检查——入中间库。
PNP小功率晶体管制造的工艺流程为：外延片——编批——擦片——前处理——一次氧化——QC检查（tox）——一次光刻——QC检查——前处理——基区CSD涂覆——CSD预淀积——后处理——QC检查（R□）——前处理——基区氧化扩散——QC检查（tox、R□）——二次光刻——QC检查——单结测试——前处理——POCl3预淀积——后处理（P液）——QC检查——前处理——发射区氧化——QC检查（tox）——前处理——发射区再扩散（R□）——前处理——铝下CVD——QC检查（tox、R□）——前处理——HCl氧化——前处理——氢气处理——三次光刻——QC检查——追扩散——双结测试——前处理——铝蒸发——QC检查（t Al）——四次光刻——QC检查——前处理——氮气合金——氮气烘焙——QC检查（ts）——五次光刻——QC检查——大片测试——中测——中测检查（——粘片——减薄——减薄后处理——检查——清洗——背面蒸发——贴膜——划片——检查——裂片——外观检查）——综合检查——入中间库。
GR平面品种（小功率三极管）工艺流程为：编批——擦片——前处理——一次氧化——QC检查（tox）——一次光刻——QC检查——前处理——基区干氧氧化——QC检查（tox）——一GR光刻（不腐蚀）——GR硼注入——湿法去胶——前处理——GR基区扩散——QC检查（Xj、R□）——硼注入——前处理——基区扩散与氧化——QC检查（Xj、tox、R□）——二次光刻——QC检查——单结测试——前处理——发射区干氧氧化——QC检查（tox）——磷注入——前处理——发射区氧化和再扩散——前处理——POCl3预淀积（R□）——后处理——前处理——铝下CVD——QC检查（tox）——前处理——氮气退火——三次光刻——QC检查——双结测试——前处理——铝蒸发——QC检查（t Al）——四次光刻——QC检查——前处理——氮气合金——氮气烘焙——正向测试——五次光刻——QC检查——大片测试——中测编批——中测——中测检查——入中间库。
半导体制程简介
半导体制程简介半导体制程是一种用于制造半导体器件的工艺过程，是现代电子工业不可或缺的关键部分。
半导体制程可以将硅等材料转化为半导体晶片，进而制造出各种集成电路、微处理器、存储芯片和其他电子器件。
在半导体制程中，首先需要选择合适的半导体材料，最常用的是硅。
硅具有优异的半导体特性和良好的物理特性，成为了制造半导体器件的首选材料。
其他半导体材料如化合物半导体和有机半导体也应用于特定的器件。
接下来是晶片的制备过程，主要包括晶体生长、切割和抛光。
晶体生长是通过高温熔炼和快速冷却，使单晶硅生长为大块晶体。
然后，晶体经过切割成薄片，再通过抛光和平整的过程使其表面光洁平整。
接着是半导体器件的制备过程。
这包括了沉积层、光刻、蚀刻、离子注入和金属化等步骤。
沉积层是通过物理气相沉积（PECVD）或热熔腐蚀（CVD）将薄膜材料沉积在晶片上。
光刻是将光敏胶覆盖在晶片上，然后用紫外线照射到其中的图案模板上，最后通过蚀刻去除未被曝光的区域。
离子注入是将离子通过加速器注入晶片中，改变材料的导电性和电阻率。
金属化是在晶片上涂覆金属，形成电线和电极，用于电子器件的连接。
最后是芯片封装和测试。
封装是将半导体器件连接到外部引脚和包装中，以保护器件并提供适当的电连接。
测试是对芯片进行电性能和可靠性的检查，以确保其正常工作并符合规格要求。
半导体制程是一项复杂而精细的工艺过程，需要严格的控制和高度的精确度。
不断的技术创新和工艺改进使得半导体器件的制造变得越来越高效和可靠。
半导体制程的进步不仅推动了电子技术的发展，还广泛应用于通信、计算机、汽车、医疗和工业等各个领域，为现代社会的科技进步和生活便利做出了巨大贡献。
在半导体制程中，制造芯片的关键技术之一是微影技术。
微影技术是一种将光刻或电子束曝光技术应用于半导体制程中的方法，用于将非常小的结构图案精确地转移到半导体表面，从而实现微小而密集的电子元件。
微影技术的进步极大地促进了半导体技术的发展，使得芯片的功能更加强大、体积更小。
半导体制造技术—第四讲：淀积工艺
CVD 反应器类型
CVD 反应器类型 热壁 冷壁 持续移动 外延 高压 喷嘴 桶 冷壁平面 等离子体辅助 纵向流动等温 常压 低压 批处理 单片
Figure 11.11
半导体知识人
各种类型 CVD 反应器及其主要特点
高温二氧化硅 (掺杂或不 掺杂),氮化硅、多晶硅等
低温，快速淀积，好的 台阶覆盖能力，好的间 隙填充能力
要求 RF 系统，高成 本，压力远大于张力， 化学物质（如 H2）和 颗粒沾污
高的深宽比间隙的填充， 金属上的 SiO2,ILD-1,ILD, 为了双镶嵌结构的铜籽晶 层，钝化( Si3N4).
Table 11.2
半导体知识人
固态薄膜
厚
宽 与衬底相比 薄膜非常薄
Oxide Silicon substrate
Figure 11.4
半导体知识人
薄膜特性
好的台阶覆盖能力
填充高的深宽比间隙的能力 好的厚度均匀性 高纯度和高密度 受控制的化学剂量 高度的结构完整性和低的膜应力 好的电学特性 对衬底材料或下层膜好的黏附性
SiH4(气)+2PH3(气)+O2(气) SiO2(固)+2P(固)+5H2(气)
半导体知识人
在磷硅玻璃中，磷以P2O5的形式存在，磷 硅玻璃由P2O5和SiO2的混合物共同组成；对于 要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说， P2O5 含量（重量比）不超过 4 ％，这是因为磷硅玻 璃（PSG）有吸潮作用。 应用高密度等离子体CVD可以在600～ 650℃的温度下淀积PSG，由于它的淀积温度、 相对平坦的表面、好的间隙填充能力，近来也 常采用PSG作为第一层层间介质（ILD-1）。在 SiO2中引入P2O5可以减小膜应力，进而改进膜 的完整性。掺杂会增加玻璃的抗吸水性。 PSG 层还可以有效地固定离子杂质。离子会吸附到 磷原子上，因而不能通过PSG层扩散达到硅片 表面。
半导体器件-半导体工艺介绍-薄膜淀积
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特点：使用有机金属化合物作为反应物。
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它是利用有机金属如三甲基镓、三甲基铝等与特殊气体如砷化氢、磷化氢等，在反应器内进行化学反应，并使反应物沉积在衬底上， 而得到薄膜材料的生产技术。
作为有机化合物原料必须满足的条件： 在常温左右较稳定，且容易处理。 反应生成的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层。 为了适应气相生长，在室温左右应有适当的蒸气压（≥1Torr）。 原料的优点： 这类化合物在较低的温度即呈气态存在，避免了液态金属蒸发的复杂过程。
MOCVD设备
物理沉积PVD （Physical Vapor Deposition）
没有化学反应出现，纯粹是物理过程
采用蒸发或溅射等手段使固体材料变成蒸汽，并在基底表面凝聚并沉积下来。
Thermal Evaporation (热蒸发) E-beam Evaporation (电子束蒸发) Sputtering (溅射) Filter Vacuum Arc (真空弧等离子体) Thermal Oxidation (热氧化) Screen Printing (丝网印刷) Spin Coating (旋涂法) Electroplate (电镀) Molecular Beam Epitaxy (分子束外延)
高真空 环境
<10-3 Pa
物理沉积方法
热蒸发技术 (Thermal Evaporation Technique)
蒸发工艺是最早出现的金属沉积工艺
钨W(Tm=3380℃) 钽Ta(Tm=2980℃) 钼Mo(Tm=2630℃)
热蒸发-几种典型结构
挡板
蒸发源
晶振
电子束蒸发 (E-beam Evaporation Technique)
半导体工艺中所涉及的常用薄膜
Film DepositionDeposition is the process of depositing films onto a substrate. There are three categories of these films:* POLY* CONDUCTORS* INSULATORS (DIELECTRICS)Poly refers to polycrystalline silicon which is used as a gate material, resistor material, and for capacitor plates.Conductors are usually made of Aluminum although sometimes other metals such as gold are used. Silicides also fall under this category. Insulators refers to materials such as silicon dioxide, silicon nitride, and P-glass (Phosphorous-doped silicon dioxide) which serve as insulation between conducting layers, for diffusion and implantation masks, and for passivation to protect devices from the environment.……MoF 6+SiH 4MoSiWF 6+SiH 4WSiAl, Cu, W……SiH 4+PH 3+O 2PSGSiH 2Cl 2+NH 3Si 3N 4SiH 4+O 2SiO 2SiH 2Cl 2Epi-SiSiH 4Poly-Si半导体工艺中所涉及的常用薄膜：（PSG = Phospho-Silicate Glass)There are two major classifications of deposition techniques each having its own subset of relatedtechniques:Deposition Method:Sputtering (溅射）Evaporation (蒸发）CVD技术：使用加热、等离子体或紫外线等各种能源，使气态物质经化学反应（热解或化学合成）形成固态物质淀积在衬底上的方法，叫做化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition)技术，简称CVD技术。
半导体制造工艺第5章 化学气相淀积
图5-7
APCVD系统
5.3 化学气相淀积系统
1. SiO2的淀积 1)硅烷(SiH4)法是用O2氧化SiH4来淀积SiO2。 2)TEOS-O3法是使用正硅酸乙酯(TEOS)与O3反应淀积SiO2。
2. 掺杂SiO2的淀积
图5-8 PSG回流后表面平坦化
5.3 化学气相淀积系统
图5-9
气体分子的运动轨迹
机，比CVD工艺更经济，通常用于制备低k（k指介电常数）绝缘介
质膜。
5.1 概述
分子束外延法是一种制备硅外延层的较先进的淀积技术。 5.1.2 常用的薄膜材料 在半导体制造中所包含的薄膜材料种类很多，早期的芯片大
约含有数十种，而随着集成电路结构和性能的发展，芯片中薄膜 材料种类也越来越多，如图5⁃1所示，这些薄膜材料在器件中都起 到了非常重要的作用。总的来说，薄膜材料的种类可分为金属薄 膜层、绝缘薄膜层和半导体薄膜层三种。
5.3 化学气相淀积系统
5.3.2 LPCVD
图5-10
LPCVD系统
5.3 化学气相淀积系统
1. SiO2的淀积
2. Si3N4淀积 3. 多晶硅淀积
图5-11 多晶硅栅自对准工艺示意图
5.3 化学气相淀积系统
4. 典型的LPCVD工艺设备操作 1)做好淀积前的准备工作，包括按流程卡确认程序、工艺、设备 及硅片数量。
半导体制造工艺
第5章 化学气相淀积
第5章 化学气相淀积
5.1 概述
5.2 化学气相淀积 5.3 化学气相淀积系统 5.4 外延 5.5 CVD质量检测 5.6 淀积工艺模拟
5.1 概述
5.1.1 薄膜淀积的概念 所谓薄膜，是指一种在硅衬底上生长的薄固体物质。薄膜与硅 片表面紧密结合，在硅片加工中，通常描述薄膜厚度的单位是纳米 （nm）。半导体制造中的薄膜淀积是指在硅片衬底上增加一层均匀
半导体工艺技术薄膜淀积
hG 是质量输运系数（cm/sec）
半导体工艺技术
13
F2 ksCS
ks 是表面化学反应系数（cm/sec） 在稳态，两类粒子流密度应相等。这样得到
F F1 F2
可得：
ks CS CG 1 hG
1
第九章 薄膜淀积
设
半导体工艺技术
第九章 薄膜淀积
半导体工艺技术
5
除了CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有:
旋涂Spin-on 镀/电镀electroless plating/electroplating
铜互连是由电镀工艺制作
第九章 薄膜淀积
外延硅应用举例
半导体工艺技术
6
外延：在单晶衬底上生长一层新
的单晶层，晶向取决于衬底
第九章 薄膜淀积
解决办法：等离子增强化学气相 淀积 PECVD
第九章 薄膜淀积
半导体工艺技术
30
多晶硅淀积方法
LPCVD，主要用硅烷法，即在600-650 ℃温度下，由硅 烷热分解而制成，总体化学反应（overall reaction） 方程是：SiH4→Si(多晶)+2H2 低于575 ℃所淀积的硅是无定形或非晶硅（amorphous Si）； 高于600 ℃淀积的硅是多晶，通常具有柱状结构（column structure）； 当非晶经高温（>600 ℃）退火后，会结晶（crystallization）； 柱状结构多晶硅经高温退火后，晶粒要长大（grain growth）。
斜率与激活 能Ea成正比
第九章 薄膜淀积
半导体工艺技术
26
低压化学气相淀积 （LPCVD） 在质量输运控制区域：
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存在问题
▪ 设备复杂、投资大、外延生长速度慢、经 济效益差。
▪ 对晶体平滑度、稳定性和纯度等参数要过 严格，缺陷和杂质会导致外延膜表面缺陷 密度大。
▪ 尽管已广泛用于多种新型半导体器件制备， 但其原子级生长机制仍很不清楚。
MOCVD设备
物理沉积PVD
（Physical Vapor Deposition）
▪ 采用蒸发或溅射等手段使固体材料变成蒸 汽，并在基底表面凝聚并沉积下来。
▪ 没有化学反应出现，纯粹是物理过程
物理沉积方法
▪ Thermal Evaporation (热蒸发) ▪ E-beam Evaporation (电子束蒸发) ▪ Sputtering (溅射) ▪ Filter Vacuum Arc (真空弧等离子体)
离子溅射技术物理过程
1 4
2
3
分子束外延
▪ 是一种可在原子尺度上精确控制外延厚度、掺杂 和界面平整度的薄膜制备技术。物理沉积单晶薄 膜方法；在超高真空腔内，源材料通过高温蒸发、 辉光放电离子化、气体裂解，电子束加热蒸发等 方法，产生分子束流。入射分子束与衬底交换能 量后，经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。
蒸发工艺是最早出现的金属沉积工艺
钨W(Tm=3380℃) 钽Ta(Tm=2980℃) 钼Mo(Tm=2630℃)
热蒸发-几种典型结构
晶振
挡板
蒸发源
电子束蒸发 (E-beam Evaporation Technique)
when V= 10 kV Electron Velocity = 6×104 km/s Temperature ~ 5000-6000 ℃
▪ 主要用于半导体薄膜制备（超薄膜、多层量子结、 超晶格）；
▪ 新一代微波器件和光电子器件的主要技术方法
经典范例——GaAs薄膜的生 ，可形成超精细结构。
▪ 生长速度低，容易在过程中控制，有利于 生长多层异质结构
▪ 是一个动力学过程，可以生长一般热平衡 生长难以得到的晶体 。
▪ 生长过程中，表面处于真空中，利于实时 监控检测。
E-beam Evaporation Machine
溅射技术 (Sputtering)
溅射技术基本原理：在真空腔中两个平板电极中充 有稀薄惰性气体，在施加电压后会使气体电离，离 子在电场的加速下轰击靶材(阴极)，在使靶材上撞 击(溅射)出原子，被撞击出的原子迁移到衬底表面 形成薄膜。
驱动方式： 直流型 DC Diode 射频型 RF Diode 磁场控制型 Magnetron
半导体工艺简介
物理与光电工程学院 张贺秋
参考书：《芯片制造－半导体工艺制程 实用教程》，电子工业出版社，赵树武 等译，2004-10
薄膜淀积（沉积）
为满足微纳加工工艺和器件要求，通常情况下关注 薄膜的如下几个特性：
1、台阶覆盖能力 2、低的膜应力 3、高的深宽比间隙填充能力 4、大面积薄膜厚度均匀性 5、大面积薄膜介电\电学\折射率特性 6、高纯度和高密度 7、与衬底或下层膜有好的粘附能力
▪ Thermal Oxidation (热氧化) ▪ Screen Printing (丝网印刷) ▪ Spin Coating (旋涂法) ▪ Electroplate (电镀) ▪ Molecular Beam Epitaxy (分子束外延)
高真空 环境
<10-3 Pa
热蒸发技术 (Thermal Evaporation Technique)
a）在常温左右较稳定，且容易处理。
b）反应生成的副产物不应妨碍晶体生长，不应污 染生长层。
c）为了适应气相生长，在室温左右应有适当的蒸 气压（≥1Torr）。
原料的优点：
这类化合物在较低的温度即呈气态存在，避免 了液态金属蒸发的复杂过程。
MOCVD综合评价：
MOCVD设备相对其他设备价格要贵，不光是 设备本身贵而且维护费用也贵。
金属有机化学气相沉积 （Metal organic chemical vapor deposition ）
它是利用有机金属如三甲基镓、三甲基铝等与 特殊气体如砷化氢、磷化氢等，在反应器内进 行化学反应，并使反应物沉积在衬底上， 而得 到薄膜材料的生产技术。
特点：使用有机金属化合物作为反应物。
作为有机化合物原料必须满足的条件：