薄膜成长技术课件

第四章薄膜成長技術薄膜成長或者稱薄膜沈積(ThinFilmDeposition)技術，是指在一基板上(Substrate)成長一層同質(HomogeneousStructure)或者是異質(Hetero-structure)材料之技術。金屬層、複晶矽薄膜(polycrystallinesilicon)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)層都適用此種方法來沉積薄膜層。4-1薄膜沈積之原理薄膜沈積技術可分為化學氣相沈積(ChemicalVaporDeposition,CVD)和物理氣相沈積(PhysicalVaporDeposition,PVD)二種方法。而化學氣相沈積方法在半導體工業上最常用的是低壓化學氣相沈積方法(LowPressureChemicalVaporDeposition,LPCVD)與常壓化學氣相沈積方法(AtmosphericPressureChemicalVaporDeposition,APCVD)

物理氣相沈積方法，最常用的是金屬濺鍍機(Sputtering)和金屬蒸鍍機(Evaporation)最為典型也最為常用。Sputtering

：藉助電漿產生之離子(如Ar)去撞擊電極靶源，始靶源之金屬沉積於基座上

如AlCuSi、W等Evaporation：把要蒸鍍的金屬置放在熔點極高的承載器，然後加溫至被蒸發金屬之熔點如鋁線(Al)與金線(Au)之蒸鍍電漿(plasma)是一群中性分子(氣體)中有一部分帶正電，一部分帶負電，而正負電賀立子數目接近相等，故整體電將呈現電中性，其活性皆很強。由中性原子或分子、負電(電子)和正電(離子)所構成。電子濃度對所有氣體濃度的比例被定義為游離率(ionizationrate)薄膜沉積之機制2. 氧化矽和氮化矽材料之沈積：

以低溫製程來沉積此兩種絕緣材料作內層介電層，內金屬介電層以及作保護層之用低溫之電漿加強式化學氣相沉積(PlsmaEnhancedVaporDeposition,PECVD)

反應溫度藉高能量之電漿效應，使溫度得以降低磷矽玻璃(PhosphosilicateGlass,PSG)PSG材料和氮化矽材料均可以阻擋水氣，更可以防止鹼金屬之擴散，很適合做鈍化保護層氮化矽(siliconnitride)之成長PECVD之化學反應式為：LPCVD爐之化學反應式則為

或者

磊晶矽晶圓片之成長

磊晶晶片之成長機制1. 磊晶成長之物理機制當在氣體流動穩定狀態下，F1和F0是相等，F為通量(Flux)，定義為單位面積下參與反應之原子數目，hg則為氣相質量傳送係數(Gas-phaseMass-transferCoefficient)，ks是化學表面反應速率常數(ChemicalSurface-reactionRateConstant)Ea是主動活化能(ActivationEnergy)，大約1.9eV。當hg>>ks為SurfaceReactionControl主導成長之機制，反之hg<<ks則為MassTransferControl來主導磊晶層之成長。成長速率為，N1是單位體積下之矽原子數量（經驗值約為~5×1022cm–3）Cg=YCT，CT是單位體積之總氣體量，Y是矽原子之莫耳(Mole)數比，當hg>>ks時，磊晶膜之成長速率為，反之hg<<ks時成長速率為。2. 磊晶成長之問題磊晶層在成長時如遇到原晶片基座表面不均勻之所謂選擇性磊晶層(SelectiveEpitaxyGrowth,SEG)。另外一個製程之問題即“Auto-doping”之現象，磊晶層與單晶基座之介面處之載子濃度不是陡峭(Abruptly)分佈，中最大之紅外線長長度為，最小之紅外線波長長度則為，t為磊晶層之厚度，n是磊晶層折射線係，m為1,2,3…，θ是紅外線之入射角度，n是磊晶層折射係數，m為1,2,3…，θ是紅外線之入射角度。

，υ是磊晶矽之成長速度，D是載子之擴展常數，t為成長時間。有關抑制Autodoping現象的方法有下列方式(a)在矽晶片背面成長一層二氣化矽(SiO2)或氮化矽(Si3N4)材料(b)低壓磊晶成長(c)高溫烘烤

還有一個製程上之問題，那就是反應氣體在爐管之停滯層(StagnantLayer)。υ是氣體之流速，η是黏度(Viscosity)，是其密度，其中c1和c2為經驗常數。3. 磊晶成長之缺陷

其他磊晶成長技術其實磊晶成長方法除了上面所談之APCVD方式，還有很多種，如有機金屬氣相磊晶法(MetalOrganicChemicalVaporDeposition,MOCVD)、分子束磊晶法(MolecularBeamEpitaxy,MBE)、液相磊晶法(LiquidPhaseEpitaxy,LPE)…在磊晶成長過程中，影響品質因素有很多種，可分為外部的(Extrinsic)與本質(Intrinsic)，前者是界面乾淨度和磊晶層之純度，後者則包括晶格差異和界面化學鍵之能量(InterfaceChemicalEnergy)等。

磊晶晶片之市場與應用4-4單晶矽與複晶矽電阻特性之

比較4-5物理氣相沈積法以目前半導體製程中，最常用的是蒸鍍機(Evaporation)與濺鍍機(Sputtering)二種

Evaporation：沉積熔點比較低的金屬,如金線,白金,鉻線Sputtering：熔點比較高或者複合材料,如鎢,鈦,TiN,TiW,及YBCuO

蒸鍍系統與原理

濺鍍系統與原理濺鍍系統分類直流濺鍍技術(DCSputtering)

導電性佳之金屬靶源,TiW、AlSiCu

交流射頻濺鍍技術(RFSputtering)導電性較差之金屬靶源材料,如陶瓷材料、BaCO3

PVD在體積電路之對屬製程的應用最常用之金屬材料，可以說是鋁，其優點為低電阻率，便宜與二氧化矽之結合性(Coherence)良好，低應力(LowStress)

1.鋁Spiki