第五章薄膜淀积工艺(中)
3. 等离子体增强化学气相淀积
PECVD，Plasma Enhanced CVD 4. 其他特殊的CVD工艺：金属CVD，RTCVD，……
1. 常压化学气相淀积（APCVD）
特点：在大气压下进行，设备简单，反应速率快，适于介质淀积。
SiO2淀积工艺：
■ O2与SiH4气体流量比大于 3:1时，可获得化学配比的
侧壁（Spacer）介质 多晶－金属间介质 金属－金属间介质 钝化层
(1) 二氧化硅淀积的工艺方法： 也可用
■ LPCVD SiO2 低温（500℃以下） SiH4 +O2 中温（650 ℃ ～750 ℃） TEOS（正硅酸乙酯）分解 高温（～900 ℃） SiH2Cl2 +N2O ■ PECVD SiO2：TEOS分解、SiH4 +N2O
三、化学气相淀积工艺
■ 引言
■
■ ■
CVD工艺原理
CVD技术分类及设备简介 典型物质（材料）的CVD工艺
参考资料：
《微电子制造科学原理与工程技术》第13章
（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）
（三）CVD 技术分类及设备简介
1. 常压化学气相淀积 APCVD，Atmospheric Pressure CVD 2. 低压化学气相淀积 LPCVD，Low Pressure CVD
■ 钨的CVD工艺 低于400 ℃ 钨插塞工艺：大面积淀积钨，回刻钨，只留下接触孔中的钨
钨插塞工艺示意图
课后作业
教材第352页：第3、5、7题
第五章 薄膜淀积工艺 （中）
薄膜淀积（Thin Film Deposition）工艺
■ ■ ■ ■ ■ 参考资料： 《微电子制造科学原理与工程技术》第10、12、13章 （电子讲稿中出现的图号是该书中的图号） 概述 真空技术与等离子体简介 (第10章) 化学气相淀积工艺 (第13章) 物理气相淀积工艺 (第12章) 小结
LPCVD 的典型应用 SiH4/Ar(He) SiH2Cl2 +NH3 ∼ 620℃ 750~800℃
多晶硅 Si3N4
SiO2
PSG BSG
SiH2Cl2 +N2O
SiH4+PH3 +O2 SiH4+B2H6 +O2
∼ 910℃
∼ 450℃ ∼ 450℃
(4) LPCVD的问题：淀积温度较高、淀积速率偏低、颗粒沾污
SiO2。
■ N2用做稀释气体。
■ 加入磷烷（PH3）可形成磷
硅玻璃（PSG）。
问题： 气体喷嘴处的淀积造成 硅片上的颗粒沾污
图13.9 连续供片式APCVD系统
图13.11 用于使喷嘴处淀积最小化的喷头设计
2.低压化学气相淀积（LPCVD）
(1) 特点：在低气压下（0.1~1Torr）进行，淀积均匀性好， 适于介质和半导体材料的淀积。
c. 氧、氮、碳等杂质使无定形硅到1000 ℃以上仍是稳定的。 注意
再结晶后的多晶硅晶粒尺寸与热处理温度、 时间和掺杂浓度有关
例如：高浓度磷掺杂的多晶硅在900～1000 ℃加热20分 钟后，平均晶粒尺寸大约为1µm。
(4) 掺杂多晶硅 a. 多晶硅掺杂工艺：扩散、离子注入和原位（In-situ）掺杂。
PSG薄膜的回流效果示意图
■ PSG的回流（Reflow）工艺：1000～1100℃，N2/O2/H2O ■ PSG中磷含量的控制： （4～8 wt%） 磷含量过低，回流温度高，回流效果不好。
磷含量过高时，吸附水汽，形成磷酸，腐蚀铝金属层，
同时降低氧化层的介电常数，造成高温下的放气（Outgas） 现象，影响金属淀积工艺。 可采用SiO2—PSG—SiO2结构来减轻上述问题 主要用于多晶—第一层金属之间的绝缘介质
b. 扩散掺杂能获得最低的电阻率，而注入掺杂和原位掺杂则
具有低温工艺的优势。
3、氮化硅（Si3N4）的淀积
(1) 氮化硅薄膜在IC中的应用：
■ 硅选择氧化的掩蔽膜：氮化硅的氧化速率非常慢。 ■ IC的钝化层：化学配比的氮化硅（Si3N4）对水和钠的扩 散具有很强好的阻挡效果。
■ 氮化硅的介电常数高（6～7），适用于电容器的介质
变抽速来控制气压的方法，
此时淀积的重复性最好。
淀积速率与气压的关系
c. 硅烷浓度： 硅烷分气压
■ 淀积速率与硅烷浓度之间没有线性关系 ■ 非线性生长的因素：质量输运机制、同质反应、氢气吸 附等；高浓度硅烷中的同质反应在给定温度和气压下， 限制了淀积速率和浓度的上限。
(3) 多晶硅薄膜结构与淀积参数的关系 淀积温度、掺杂和淀积后的热处理影响多晶硅薄膜的结构。 a. 温度：低于575 ℃时淀积的多晶硅是无定形结构； 高于625 ℃时淀积的多晶硅是柱状结构。 b. 经过热处理后，多晶硅薄膜可发生结晶和晶粒生长。
APCVD气压：1atm
LPCVD气压：~ 0.001atm
淀积速率下降1000倍？
错误，因为淀积速率不仅取决于总压强，还受分压强影响
3.
等离子体化学气相淀积（PECVD）
保护层的淀积。 Si3N4: SiH2Cl2 +NH3 PSG: SiH4 +PH3 +O2
■ 特点：在低温下（<400℃）进行，适于金属层间介质及钝化
PECVD的反应能量来源于RF等离子体，同时等离子体也使反应
物质的表面扩散长度增加，从而改善厚度均匀性和台阶覆盖。
冷壁平行板PECVD
热壁平行板PECVD
（四）典型物质（材料）的CVD工艺
1、二氧化硅的淀积
■ 淀积二氧化硅可分为非掺杂二氧化硅和掺杂二氧化硅。 ■ 淀积二氧化硅的应用：
扩散掩蔽层
■ 为进一步降低回流温度（850 ℃ ），可采用同时掺磷和硼的
BPSG（B，P含量各占5 wt%）。
主要用于多晶硅化物—第一层金属之间的绝缘介质
(3)
淀积二氧化硅的性质
(4)
淀积法制备二氧化硅的优缺点
■ 优势： 淀积速率快，温度较低 可制备掺杂二氧化硅
台阶覆盖性和间隙填充能力好
■ 不足： 与热二氧化硅相比，绝缘性能较差，与硅的界面性能差 工艺中使用有毒有害气体，设备成本高
原位掺杂工艺：PH3，AsH3，B2H6
������
三族元素（如硼）掺杂有助于分子的表面吸附，因而将
提高多晶硅淀积速率。
������
五族元素（如磷、砷）掺杂减少分子的表面吸附，因而 将降低多晶硅淀积速率。
扩散掺杂：POCl3扩散工艺，掺杂后的浓度达到1×1021 cm-3。
离子注入掺杂：可同时制作P型和N型掺杂多晶硅。
层，也有用于小尺寸MOS器件的栅介质。 由于氮化硅薄膜的界面特性差、应力高，因此一般不在硅上 直接淀积氮化硅，而多采用ON或ONO结构。
(2)
LPCVD 淀积氮化硅■来自700～900 ℃■ 淀积速率受温度、气压、反应物浓度和温度梯度控制 温度控制与多晶硅淀积相似 淀积速率随总压强或DCS分压增加而增加，随氨气分
(5)
二氧化硅淀积工艺的发展趋势
b. 掺氟的SiO2（FSG）
作为金属层间介质，SiO2引入的寄生电容会影响IC的
工作速度，并造成串扰（cross-talk ）。
在SiO2中掺入F，可以将介电常数降低到3.2，从而减小
寄生电容。
FSG的制备采用PECVD或HDP-CVD工艺。
馈气： SiH4，O2 ，SiF4。
APCVD工艺
(2) 掺杂二氧化硅的淀积工艺：
■ 加入PH3、POCl3、PO(CH3O)3（TMP） 等掺杂剂，可制
作磷硅玻璃（PSG）
■ 加入B2H6、B(C2H5O)3（TMB）等掺杂剂，可制作硼硅玻璃
（BSG）
■ PSG可以降低玻璃转化点（软化）的温度，采用回流工艺可
改善淀积薄膜的台阶覆盖性，提高硅片表面的平坦度。
或SixNy
■ 氮化硅中含氢量通常较高，可达20％左右；也通常有氧
存在。 该工艺通常用于钝化层的制作。
(4) 氮化硅薄膜特性比较
4、金属材料的 CVD 淀积
对于深亚微米工艺，高的深宽比结构使化学气相淀积方法开 始进入金属材料淀积的领域。其中，金属钨（W）的CVD是使 用最广泛的。
钨插塞工艺
金属填充接触孔示意图
从0.35µm工艺开始， FSG已经被普遍用于金属－金属间介质。
2、多晶硅（Poly-Si）的淀积
(1) 多晶硅工艺及应用
■ 多晶硅在CMOS工艺中用做器件栅极；
a. 用途
■ 在DRAM中，多晶硅用做沟槽电容的极板； ■ 多晶硅也可用于高值电阻、局部互连线等。
在一个DRAM工艺流程中，大约需要进行4～6次多晶淀积工艺。
压增加而降低
■ 淀积薄膜的组分： 当NH3过量时，得到化学配比的Si3N4
椭偏仪测量折射率，或测量HF液中腐蚀速率
折射率在1.8~2.2之间，高折射率代表富硅，低折射率代
表氧的存在
薄膜中一般含有氢和氯
(3) PECVD 淀积氮化硅
■ 200～400 ℃ ■ 馈气：Ar（或He），SiH4和NH3（或N2） ■ 淀积薄膜一般不是化学配比的Si3N4，因此常写成SiN，
积速率过慢，不能实用。
一般采用温度梯度来控制淀积速率的均匀性。
后端温度升高，补偿硅烷消耗
■ 温度不同，淀积薄膜的形态不同：温度提高，多晶晶粒尺寸
变大。
b. 气压： 0.2~1.0 Torr ■ 当气体分压比和泵的抽速不 变，改变总气流量时，淀积
速率与气压成正比关系。
■ 固定气流量只改变抽速时， 淀积速率与气压的关系很小。 ■ 为维持稳定的淀积速率，一 般采用固定气流量，通过改
(5)
二氧化硅淀积工艺的发展趋势 SiO2 高密度等离子体CVD
a. HDP-CVD
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工艺技术(薄膜工艺-淀积)
D W
500 Å
250 Å
高的深宽比间隙
Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering
制备薄膜的方法之一：
化学汽相淀积（CVD） (Chemical Vapor Deposition)
通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。
中反等应真温空度气度一态下般源（在约6500.-17～505℃托）
计算机终端 工作接口
载气
气流控制器
液态源 载N气2 O2
LPCVD
炉
前
三温区
驱
加热器
物
气
体
加热器 TEOS
温度控制器
炉温控制器
压力控制器 尾气
真空泵
固态源
等离子体辅助CVD
等离子体
等离子体是一种高能量、离子化的气体。
当从中性原子中去除一个价电子时， 形成正离子和自由电子。
polySi
n+
n+ Fox
p-well
polySi
p+
p+
n-well
silicon substrate
CMOS Contacts & Interconnects
DPUVRelVipavmonEesaxlEvirpotetiopczshRISaRueMOtersDGiseois1nsttEtchback
Deposition Chamber
Resistively Heated Pedestal
高密度等离子体淀积腔
Photo 11.4
用CVD淀积不同的材料薄膜
CVD单晶硅 (外延)：
最初的外延生长技术是指： 利用化学气相淀积的方法在单晶衬底上生长一薄层单晶硅的技术。
薄膜淀积与外延技术
（3）化学角度
有机薄膜 无机薄膜
编辑课件
3
5.1 概述
（4）组成
金属薄膜 非金属薄膜
（5）物性
硬质薄膜
声 学 薄 膜
热 学 薄 膜
金属导电薄膜
半
导
体
薄
膜
超
导
薄
膜
介电薄膜
磁
阻
薄
膜
光
学
薄编膜辑课件
薄膜的一个重要参数 厚度，决定薄膜性能、质量
通常，膜厚 < 数十um， 一般在1um 以下。
20
5.2 化学气相沉积
编辑课件
反应方向判据：
Gr 0
可以确定反 应温度。
21
5.2 化学气相沉积
平衡常数 K P 的意义： ▪ 计算理论转化率
▪ 计算总压强、配料比对反应的影响
Pi
ni P ni
通过平衡常数可以确定系统的热力学平衡问题。
编辑课件
22
5.2 化学气相沉积
CVD的（化学反应）动力学
4
5.1 概述
两种常见的薄膜结构 • 单层膜
• 周期结构多层膜
编辑课件
A Substrate
B A B A Substrate
5
5.1 概述
在集成电路制备 中，很多薄膜材 料由淀积工艺形 成
Deposition
✓半导体薄膜：Si
✓介质薄膜：SiO2，Si3N4, BPSG，…单晶薄膜：Si, SiGe（外延）
的 利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬
淀 底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。
积 例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering
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。
单击此处添加小标题
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)
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特点：使用有机金属化合物作为反应物。
单击此处添加小标题
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
第五章薄膜淀积工艺(下)
图12.10 蒸发多成分薄膜的方法示意图
（三）溅射工艺介绍
1、 溅射概述 溅射概述 制造中金属材料的淀积 1) 溅射工艺的用途： IC制造中金属材料的淀积 溅射工艺的用途： IC制造中金属材料的 工艺的用途 2) 溅射工艺(相对于蒸发工艺)的优势： 溅射工艺 相对于蒸发工艺) 优势： 工艺( a. 台阶覆盖性得到改善 台阶覆盖性得到改善 覆盖性得到 b. 辐射缺陷远小于电子束蒸发 辐射缺陷远 c. 容易制备难熔金属、合金材料和复合材料薄膜。 容易制备难熔金属 合金材料和复合材料薄膜 难熔金属、 薄膜。 3) 当靶材料是化合物或合金时，淀积材料的化学配比与 当靶材料是化合物 合金时 化合物或 靶材料的略微不同。 靶材料的略微不同。 当不同成分的溅射速率不同时 当不同成分的溅射速率不同时，靶表面积累更多溅射速率 溅射速率不同时， 较低的材料， 较低的材料，使得淀积薄膜的成分重新接近靶体材料
真空度一般要求高于 10-5Torr。 Torr。
蒸发的速率取决于： 蒸发的速率取决于： (1) 离开蒸气源的材料有多少；(2) 到达硅片衬底的材料有多少 离开蒸气源的材料有多少 蒸气源的材料有多少； 到达硅片衬底的材料有多少
2、蒸发工艺的淀积速率 1)通量密度：单位时间内通过单位面积表面的气体分（ 1)通量密度：单位时间内通过单位面积表面的气体分（原）子数 通量密度
此时，蒸气源正上方的硅片会得到更 此时， 多的淀积薄膜。 多的淀积薄膜。
b. 到达圆片表面的材料比例常数 到达圆片表面的材料比例常数 考虑到到达圆片表面的部分正比于圆片所对的立体角
为获得好的均匀性 为获得好的均匀性，一般采 均匀性， 用球形放置方式，此时有： 球形放置方式，此时有： 方式
k为一个常数，保证了达到硅 为一个常数， 片表面各点的气体分子数相等， 片表面各点的气体分பைடு நூலகம்数相等， 即淀积速率的均匀性 即淀积速率的均匀性。 均匀性。
薄膜淀积工艺(上)要点
反应腔抽真空，充气 加高压电场，气体被击
穿，气体离化，产生离子和 自由电子
电子向阳极加速运动，
离子向阴极运动，离子与阴 极碰撞再产生大量二次电子
二次电子与中性气体分
子碰撞，再产生大量离子和 电子，从而维持等离子体
（三）等离子体简介
3、当气体由原子A和原子B组成时，可能出现的过程有
典型工艺条件下 只有0.1%左右 的气体离化率
（二）真空基础知识
1、标准环境条件： 温度为20℃，相对湿度为65%，大气压强 为：101325 Pa = 1013.25 mbar = 760 Torr 2、压强单位：
■ 帕斯卡（Pa）：国际单位制压强单位，1Pa = 1 N/m2
■ 标准大气压（atm）：压强单位，1 atm = 101325 Pa ■ 乇（Torr）：压强单位，1 Torr = 1/760 atm，1 Torr = 1 mmHg ■ 毫巴（mbar）：压强单位，1 mbar = 102 Pa ■ 其他常用压强单位还有：PSI（磅/平方英寸）
压强高，真空度低；
压强低，真空度高。
■ IC工艺设备一般工作在中低真空段，但为了获得无污染的
洁净腔室，一般要求先抽到高真空段后再通入工艺气体。
5、 真空的获得 及抽气装置（真空泵）。 (2) 气体流动：当真空管道两端存在有压力差时，气体会从高压处 向低压处扩散，形成气体流动。
(1) 真空系统的组成：气源（待抽容器）、系统构件（管道阀门等）
■ 典型的射频电源频率为13.56 MHz。 能在交替的半周 期内撞击每个电极的表面。
■ 两个电极相对等离子体内部
是负电位的，且电极两端都 有暗区。
图10.17 射频等离子体示意图
（三）等离子体简介
穿，气体离化，产生离子和 自由电子
电子向阳极加速运动，
离子向阴极运动，离子与阴 极碰撞再产生大量二次电子
二次电子与中性气体分
子碰撞，再产生大量离子和 电子，从而维持等离子体
（三）等离子体简介
3、当气体由原子A和原子B组成时，可能出现的过程有
典型工艺条件下 只有0.1%左右 的气体离化率
（二）真空基础知识
1、标准环境条件： 温度为20℃，相对湿度为65%，大气压强 为：101325 Pa = 1013.25 mbar = 760 Torr 2、压强单位：
■ 帕斯卡（Pa）：国际单位制压强单位，1Pa = 1 N/m2
■ 标准大气压（atm）：压强单位，1 atm = 101325 Pa ■ 乇（Torr）：压强单位，1 Torr = 1/760 atm，1 Torr = 1 mmHg ■ 毫巴（mbar）：压强单位，1 mbar = 102 Pa ■ 其他常用压强单位还有：PSI（磅/平方英寸）
压强高，真空度低；
压强低，真空度高。
■ IC工艺设备一般工作在中低真空段，但为了获得无污染的
洁净腔室，一般要求先抽到高真空段后再通入工艺气体。
5、 真空的获得 及抽气装置（真空泵）。 (2) 气体流动：当真空管道两端存在有压力差时，气体会从高压处 向低压处扩散，形成气体流动。
(1) 真空系统的组成：气源（待抽容器）、系统构件（管道阀门等）
■ 典型的射频电源频率为13.56 MHz。 能在交替的半周 期内撞击每个电极的表面。
■ 两个电极相对等离子体内部
是负电位的，且电极两端都 有暗区。
图10.17 射频等离子体示意图
（三）等离子体简介
第五章薄膜淀积工艺中演示文稿
图13.11 用于使喷嘴处淀积最小化的喷头设计
第7页，共31页。
2.低压化学气相淀积（LPCVD）
(1) 特点：在低气压下（0.1~1Torr）进行，淀积均匀性好，
适于介质和半导体材料的淀积。
(2) 反应器结构：
■
冷壁系统：减少壁上淀积
■
热壁系统：装片量大，温度
均匀，壁上淀积严重
气压降低 ⇒ 分子平均自由程
特点：在大气压下进行，设备简单，反应速率快，适于介质淀积。
SiO2淀积工艺：
■
O2与SiH4气体流量比大于
3:1时，可获得化学配比的
SiO2。
N2用做稀释气体。
■
■
加入磷烷（PH3）可形成磷
硅玻璃（PSG）。
问题：
气体喷嘴处的淀积造成
硅片上的颗粒沾污
图13.9 连续供片式APCVD系统
第6页，共31页。
■
不足：
与热二氧化硅相比，绝缘性能较差，与硅的界面性能差
工艺中使用有毒有害气体，设备成本高
第17页，共31页。
(5)
二氧化硅淀积工艺的发展趋势
a. HDP-CVD
SiO2
高密度等离子体CVD
采用ECR等高密度等离子体源，在低压
（0.01Torr）下提供高密度的等离子体
馈气：SiH4，O2 ，Ar (或He)
b. 经过热处理后，多晶硅薄膜可发生结晶和晶粒生长。
c. 氧、氮、碳等杂质使无定形硅到1000 ℃以上仍是稳定的。
注意
再结晶后的多晶硅晶粒尺寸与热处理温度、时间和
掺杂浓度有关
例如：高浓度磷掺杂的多晶硅在900～1000 ℃加热20分
钟后，平均晶粒尺寸大约为1m。
薄膜淀积工艺上.pptx
吸附过程
a 代表被吸附的物质
表面总反应
■ 吸附在硅表面的H2被解吸附，留下
空位，使反应可继续进行。
■
被吸附的SiH2在硅片表面扩散，直
到找到空位成键。
■
表面扩散长度长时，淀积均匀；表
面扩散长度短时，淀积不均匀。
温度上升，扩散长度提高
淀积均匀性提高
图13.3 Si CVD过程中硅片表面模型
第22页/共36页
对于高纯净环境，采用干泵以避免油蒸汽污染。
(2)
高真空泵：
抽吸腐蚀性和有毒气体，或大容量气体时，采用动量转移
型泵，如扩散泵和涡轮分子泵；
抽吸小容量气体，或需要超高洁净度时，采用气体吸附型泵，
如冷泵（低温泵）等。
7、真空密封：O形圈（低中真空）、金属法兰（高真空）
8、气压测量：电容压力计、热传导规表（低中真空）、离子
体材料的淀积，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等。
(2) 物理气相淀积（Physical Vapor Deposition）：利用物理
机制制备所需薄膜材料，常用于金属薄膜的制备淀积，
如铝、钨、钛等。
(3) 其他的淀积技术还包括：旋转涂布法、电解电镀法等
SOG（Spin on Glass）
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金属Cu的淀积
(7) 副产物离开反应器的输运
1、反应腔内的气体流动
最慢的步骤决定了淀积薄膜的速率
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2、反应腔内的化学反应
4、反应腔内的化学反应：
化学平衡与质量作用定律
(1) 假设:在小的体积元内温度和气体化学组分是均匀的，
且只进行一种反应，如：
(2) 化学平衡时，每种物质的浓度维持固定不变
a 代表被吸附的物质
表面总反应
■ 吸附在硅表面的H2被解吸附，留下
空位，使反应可继续进行。
■
被吸附的SiH2在硅片表面扩散，直
到找到空位成键。
■
表面扩散长度长时，淀积均匀；表
面扩散长度短时，淀积不均匀。
温度上升，扩散长度提高
淀积均匀性提高
图13.3 Si CVD过程中硅片表面模型
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对于高纯净环境，采用干泵以避免油蒸汽污染。
(2)
高真空泵：
抽吸腐蚀性和有毒气体，或大容量气体时，采用动量转移
型泵，如扩散泵和涡轮分子泵；
抽吸小容量气体，或需要超高洁净度时，采用气体吸附型泵，
如冷泵（低温泵）等。
7、真空密封：O形圈（低中真空）、金属法兰（高真空）
8、气压测量：电容压力计、热传导规表（低中真空）、离子
体材料的淀积，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等。
(2) 物理气相淀积（Physical Vapor Deposition）：利用物理
机制制备所需薄膜材料，常用于金属薄膜的制备淀积，
如铝、钨、钛等。
(3) 其他的淀积技术还包括：旋转涂布法、电解电镀法等
SOG（Spin on Glass）
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金属Cu的淀积
(7) 副产物离开反应器的输运
1、反应腔内的气体流动
最慢的步骤决定了淀积薄膜的速率
第23页/共36页
2、反应腔内的化学反应
4、反应腔内的化学反应：
化学平衡与质量作用定律
(1) 假设:在小的体积元内温度和气体化学组分是均匀的，
且只进行一种反应，如：
(2) 化学平衡时，每种物质的浓度维持固定不变
薄膜物理淀积技术
4）电迁移现象：
表观现象为，Al电极引线在大电流密度作 用下，一部分出现空洞而断裂，一部分出现 Al原子堆积而形成小丘。
主要机理是，在高电流密度（~106A/cm2）Al离子 被电子风“吹”离晶格位置。 对策包括，Al膜多晶化、Al-Cu等合金、夹心 结构、介质膜覆盖和Cu基材料。
肖特基接触还大量用于MESFET器件
LI oxide
n+
p+
p+
STI
n+
n+
p+
n-well
p-well
p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate
Copper Metallization
• 9.1.薄膜沉积的特点：
• 微电子技术中的薄膜种类繁多，一般都不 能（也不需要）形成与衬底晶格匹配的晶 体。形成非晶或多晶薄膜即可（但要求其 界面的应力足够小）。其生长的过程大致 为：
• 9.4. 器件中的金属膜 在器件中的作用：
—欧姆电极、连线、肖特基接触
9.4.1.欧姆接触与肖特基接触（半导体物理）
1、金属功函数与半导体亲合能对金—半接触 时的界面空间电荷区的影响 阻挡层和反阻挡层的形成
2、界面态的影响
FWe ？
费米能级钉扎
3、隧穿效应
4、与半导体载流子浓度的关系
5、实现低欧姆接触的途径 高掺杂（正面） 粗表面（背面） 合金（双面）：合金层和扩散层 表面态的形成
Hi-Vac valve Hi-Vac pump
Roughing pump
2）电子束蒸发： 纯度高 镀膜速率易控制
3）溅射沉积 直流溅射
RF Sputtering System
第五章淀积
第五章 淀
积
5.1引言
现代半导体器件和电路的进展要求对大量的不同材料进行集成 化。制造这些器件需要对不同的材料进行可控沉积和加工：金属主 要用于各种半导体区域之间的互连，绝缘体则用于金属导线和半导 体间的电隔离，二氧化硅和其它材料的沉积可用于生成器件的有源 区，如硅的金属－氧化物－半导体场效应晶体管的有源区。对金属、 半导体、绝缘体进行加工是在衬底硅片表面的薄层中进行的。器件 的特性依赖于这些沉积层的化学、物理及结构特性。
二、膜淀积 薄膜：指一种在衬底上生长的薄固体物质，其某一维尺寸通常远远 小于另外两维上的尺寸。描述薄膜的单位是埃。 半导体制造中的薄膜淀积是指任何在硅片衬底上物理淀积一层膜的 工艺。这层膜可以是导体、绝缘体或者半导体材料（二氧化硅、氮 化硅、多晶硅以及金属） 薄膜的特性： 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
四、膜淀积技术
主要的淀积方法可分为化学工艺和物理工艺 化学工艺： 化学气相淀积（CVD） 常压化学气相淀积（APCVD) 低压化学气相淀积(LPCVD) 等离子体辅助化学气相淀积 金属有机物化学气相淀积 电镀（电化学淀积） 电化学淀积（ECD） 化学镀层
物理工艺： 物理气相淀积（PVD或溅射） 蒸发 旋涂方法 旋涂玻璃（SOG） 旋涂绝缘介质（SOD）
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粘附性
膜对台阶的覆盖：图形制作可以在硅片表面生成具有三个空 间维度的图形，这就形成了硅片表面的台阶，如果淀积的膜在 台阶上变薄，就容易导致高的膜应力、电短路或者在器件中产 生不希望的诱生电荷。所以膜的应力要尽量小。 高的深宽比间隙：可以用深宽比来描述一个小的间隙（槽或 孔）。深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值。填充硅片表面 上很小的间隙和孔的能力成为最重要的薄膜特性。对于穿过层 间介质的通孔，以及用来进行浅槽隔离的槽等，都需要有效间 隙填充。高深宽比的间隙使得难于淀积形成厚度均匀的膜，并 且会产生夹断和空洞。随着高密度集成电路特征尺寸的不断减 小，对于高深宽比的间隙可以进行均匀、无空洞填充淀积工艺 显得至关重要。
积
5.1引言
现代半导体器件和电路的进展要求对大量的不同材料进行集成 化。制造这些器件需要对不同的材料进行可控沉积和加工：金属主 要用于各种半导体区域之间的互连，绝缘体则用于金属导线和半导 体间的电隔离，二氧化硅和其它材料的沉积可用于生成器件的有源 区，如硅的金属－氧化物－半导体场效应晶体管的有源区。对金属、 半导体、绝缘体进行加工是在衬底硅片表面的薄层中进行的。器件 的特性依赖于这些沉积层的化学、物理及结构特性。
二、膜淀积 薄膜：指一种在衬底上生长的薄固体物质，其某一维尺寸通常远远 小于另外两维上的尺寸。描述薄膜的单位是埃。 半导体制造中的薄膜淀积是指任何在硅片衬底上物理淀积一层膜的 工艺。这层膜可以是导体、绝缘体或者半导体材料（二氧化硅、氮 化硅、多晶硅以及金属） 薄膜的特性： 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
四、膜淀积技术
主要的淀积方法可分为化学工艺和物理工艺 化学工艺： 化学气相淀积（CVD） 常压化学气相淀积（APCVD) 低压化学气相淀积(LPCVD) 等离子体辅助化学气相淀积 金属有机物化学气相淀积 电镀（电化学淀积） 电化学淀积（ECD） 化学镀层
物理工艺： 物理气相淀积（PVD或溅射） 蒸发 旋涂方法 旋涂玻璃（SOG） 旋涂绝缘介质（SOD）
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粘附性
膜对台阶的覆盖：图形制作可以在硅片表面生成具有三个空 间维度的图形，这就形成了硅片表面的台阶，如果淀积的膜在 台阶上变薄，就容易导致高的膜应力、电短路或者在器件中产 生不希望的诱生电荷。所以膜的应力要尽量小。 高的深宽比间隙：可以用深宽比来描述一个小的间隙（槽或 孔）。深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值。填充硅片表面 上很小的间隙和孔的能力成为最重要的薄膜特性。对于穿过层 间介质的通孔，以及用来进行浅槽隔离的槽等，都需要有效间 隙填充。高深宽比的间隙使得难于淀积形成厚度均匀的膜，并 且会产生夹断和空洞。随着高密度集成电路特征尺寸的不断减 小，对于高深宽比的间隙可以进行均匀、无空洞填充淀积工艺 显得至关重要。