薄膜制备技术简介在线视频

诸位同学大家好

那么今天我们来学习

我们这个第四章

薄膜制备技术

那么我会通过五小节

给同学们讲授

薄膜制备技术这一章

首先我们看第一节

薄膜制备技术简介

大家知道

集成电路也好

其他的微结构器件也好

里头用了很多很多的

各种各样的薄膜

那么这些薄膜里头呢

大概有这么三类

一类是介质薄膜

它是绝缘性的

那么它包括譬如说

MOS器件的栅氧化薄膜

那么它是一个很高质量的薄膜

也包括其他的起绝缘特性的

一些介质薄膜

另外一类呢是金属薄膜

那么金属薄膜呢

也可能是与半导体

起接触特性的

也可能是互连的特性的

再第三类呢还有一些

前两类薄膜都是非晶态的

那么也可能还有一类是

单晶态的薄膜

那么单晶态的半导体薄膜

在很多器件中

也起到一些功能性的作用

那么我们这一章

就是要给大家介绍

各种这个薄膜的制备技术

在介绍各种薄膜

制备技术之前

让我们看一下

这些薄膜的要求是什么

我们首先看一下

栅氧化层的这个薄膜

栅氧化层薄膜呢

它的这个要求的厚度是很薄的

通常的栅氧化层的这个厚度

在一到三个纳米

那么在先进的这个

MOS器件里

它的这个等效的厚度

甚至于要到一个纳米以下

另外呢它与这个半导体

之间的界面态要非常地小

而且它的绝缘性要非常地好

那么它的这个bandgap

要到9个电子伏以上

它的击穿场强要到

7-15MV/cm

另外呢它还如果要是

用重掺杂着多晶硅做栅的话

要求有很好的阻挡

B穿通的作用

它是一个很高质量的

氧化层薄膜

大家可以看这张图

下面是硅沟道的单晶

上面是多晶硅的栅

那么中间呢就是这一层

这个氧化层

那么你可以看到它的界面

是非常好的一个光滑的

原子级光滑的一个界面

它的厚度只有1.2个纳米

那么除了这个栅氧化层以外

我们还在集成电路里

还用到很多其他类型的

这个介质膜

你譬如说我们在这个

存储器件里头

用了很多也同样是高质量的

起隧穿作用的氧化层

那么它的厚度通常是

在几个纳米的这样的厚度

那么除了这个所谓隧穿

就是Tunneling oxide以外呢

我们还用到了很多这个

Pad oxide

它往往是起到那么舒缓

工艺应力的作用

那么它的厚度呢

大概在几十纳米

那么这以外呢

我们还用到了很多

所谓的Field oxide

它的功能是用在这个

器件之间的绝缘上的

那么除了这些氧化层以外

我们还用到了很多所谓

Mask oxide

那么它的作用呢

是在工艺过程中

起阻挡的作用

那么来定义加工哪些区域

不加工哪些区域

除此以外呢

还有一大类这个介质薄膜

它是用在这个互连上的

那么大家知道

集成电路呢

有很多层这个互连

那么现在的这个集成电路

互连层数很可能到十层以上

金属线之间

填充了大量的这种绝缘介质

那么我们叫做inter matel dielectric

那么所以呢可以看到

集成电路里头用了大量的

各种各样的介质层

那么我们这些介质层

都用在了那个器件和这个

电路哪个具体的位置可以看到

你譬如说这张图里头

它除了这个栅氧化层以外

这个栅两侧

它有这个氮化硅的这个侧墙

它是起到栅和源漏之间的

这样一个隔离的这个作用的

另外呢还有这张图里头的

这个STI的这个所谓的

浅槽隔离也是shallow-trench isolation

中的这个介质

那么它的厚度呢

到了微米这个量级

它是起到器件之间的

这个隔离作用的

还有呢你譬如说第一层

这个器件和第一互连之间的

这样的一个这个所谓BPSG

它是一种掺杂的

起平坦化的介质层

那么等等

还有呢像这张图里头

那么它展示的是一个

多层的互连结构

那么多层的互连结构

那么有可能它的金属是

铜或者是铝

而它的这些互连结构的

这个中间呢

填充了大量的介质

那么起绝缘作用

除了这个介质以外

那么我们集成电路里头

还用到大量的这种金属层

你譬如说这张图里头

那么器件的源漏

它的接触

那么它是用一种硅化物

和半导体形成这个欧姆接触

那么在欧姆接触上边呢

它通常还会用一个

所谓的这个金属塞

那么通常呢我们是用钨

这种金属来形成这个金属塞

那么金属塞上边呢

是一个刚才讲到的

十层左右的这样的一个

多层的互连布线

那么这个布线呢

它的这个最细的线宽

往往到45纳米左右

而它的总长度

因为经常到了10亿这个量级

那么这个互连的这个网络

是非常庞杂的

那么如果把这个总长度

加起来呢它要到5公里这个量级

也就是说最细的线宽

在45纳米

而它的总长度在5公里

那么同学们可以想像

这样的一个庞杂的

一个互连网络的话

那么对我们加工技术的

角度看的话

那么对加工技术的可靠性

的要求是非常高的

我们看一下那么

为了满足这些这个薄膜

这个制备的需要呢

我们大概有哪些制备技术

那么从高质量介质膜

制备的角度来讲

我们主要有两个技术

一个是热氧化

一个是所谓的ALD

就是Atomic Layer Deposition

就是原子级沉积技术

那么还有一些呢

我们在刚才从那个

薄膜的具体功效上

我们也看到

好多薄膜呢是在

器件形成以后介质膜

在器件形成

甚至于在金属互连线形成以后

要淀积很多介质膜

这时候它的主要的要求

是要在低的热预算下

也就是说低的thermal budget

那么所谓thermal budget

是什么意思呢

就是说温度与时间的乘积

比较小的一个热预算下

来形成这样那个薄膜

比较小的热预算呢目的呢

是使得我在淀积薄膜的工艺下

不要对我已经形成的器件的

杂质分布或者是已经形成的

金属互连的网络

产生不好的影响

那么为了减小这些这个热预算

它的主要的制备技术

就是所谓的CVD技术

那么CVD技术呢

就是Chemical Vapor Deposition

化学气相沉积的意思

那么除了这个介质薄膜以外

那么我们有的时候还要

需要单晶薄膜

单晶薄膜我们主要的制备技术

就是外延技术

那么除了这个介质和半导体

薄膜以外

我们有的时候还需要

大量的金属薄膜

那么金属薄膜的制备技术

主要是通过溅射、蒸发和电镀

那么总的来说呢

这个薄膜的制备技术

我们需要考虑的因素有

包括你譬如说我们总是需要

薄膜与衬底之间

尽可能小的应力

那么薄膜要尽可能好的附着特性

那么薄膜要尽可能稳定的

这个化学特性

那么还有呢

我们薄膜制备之后呢

我们要通过干法或者湿法的

这个腐蚀来加工它

那我们希望它有比较好的

化学腐蚀的选择性和可加工性

再有呢我们的薄膜呢

往往不是在一个平坦上来淀积

我们往往是形成了

器件图形以后来做

那我们希望呢

希望它有比较好的保角性

也就是所谓conformation

那么所谓保角性的意思呢

就是说它在这个图形的面上

它的这个沉积的速度呢

是大致相同的等等

那么这一节呢

我们先简单的小结一下

那么我们这一节想请同学们

注意的就是有这么几点

一个是集成电路和其他

微结构器件中需要大量的

这个薄膜

那么这些薄膜呢

大概有三类

一类是各种介质薄膜

包括高质量的单介质

也包括其他的

起绝缘特性的一些介质膜

这些膜都是非晶态的

第二类薄膜是金属薄膜

包括与半导体接触性质的

也包括起互连作用的

还有一类是单晶薄膜

那么我们外延其他的

半导体的这个单晶薄膜

那么相应的制备技术呢

也很多包括氧化包括ALD

包括CVD包括外延包括蒸发

溅射电镀等等

那么这些技术的使用呢

实际上是围绕着

各个薄膜的它的器件

或电路中的作用

它的要求来选择的

那么所以呢选择不同的

制备手段和工艺优化的方向

都是围绕着这个薄膜

在器件和电路中的作用选择的

那么这一节呢就到这里

让我们看一段影像资料

这样呢大家对于各种薄膜的

制备呢有一个感性的认识

生成二氧化硅的硅元素直接来源于硅片表面

在两个大石英舟上放上硅片

然后将石英舟缓慢放入加热的立式炉中

从而让硅片逐步适应高温

在850-1000度的高温中，纯氧或水蒸汽从反应炉的顶部注入

同时反应的气体会在反应炉的底部被耗尽

氧气或水分子

将会在到达硅片表面后获得足够的能量打破分子的化学键

氧原子与表面的硅分子反应形成二氧化硅

氢气等副产物从反应炉中排出

氧化的速率受温度和氧化时间的影响很大

当氧气浓度很丰富时

二氧化硅层的生长速度由硅键断裂速度决定

而此过程大部分取决于温度的高低.

温度越高，氧化速率越快

为了在硅片表面得到致密的氧化层

必须精确控制反应炉内硅片表面的温度

使其保持恒定

保证无论是单片、分批甚至每次运行

都能在整体硅片表面得到厚度均匀的氧化层是非常重要的

这能确保所有氧化后的整个硅片表面电气性能相同

由于特性要求会需要良好的绝缘层

介电常数决定了绝缘层的电荷储存能量

其能承受的击穿电压和能容忍的可能储存额外电荷的杂质的最低浓度

二氧化硅是一个高质量的绝缘体

在整个工艺流程中多次用来作为硅衬底保护层和两个电极之间的隔离层

在光刻、离子注入、N阱的热扩散之后

将被离子注入破坏的二氧化硅层将被刻蚀掉

一个新的氧化层将重新生长用于防止该层的再生长

并且保护将用于生产晶体管的区域

一个用于隔离的氮化硅层将通过化学气相淀积（CVD）来实现

在这个工艺中，所有的反应物都是从外部的气体源导入

含有硅元素的反应气体，例如二氯二氢硅将被使用

并和含有氮元素的气体（如氨气）反应

从而产生氮化硅

当只有一种反应物的浓度需要精确控制时

我们将更容易控制淀积反应的过程

例如通入大量的氨气

会使反应的速率完全取决于二氯二氢硅的浓度

反应气体通常由载气引入反应腔中

例如氮气或氢气

这些载气进入腔体降低了淀积的速率

使得淀积过程能够更好地控制载气不直接参与化学反应

同时又将反应废气带出反应腔

氮化硅淀积通常在低压CVD炉中进行

一旦硅片盒中被载入

反应腔会封闭然后开始对反应腔抽真空

在一个标准大气压下

腔体中的气体分子密度较高

抽真空过程中真空泵会将气体分子抽出

使得反应腔内的气体分子密度保持在很低的一个范围内

此时在腔体中放入硅片

有助于减少淀积氮化层时硅片表面的杂质空气分子

真空反应腔中分子会在任意空间点反应

这样即使在边角的地区也能得到均匀的沉积

如果温度刚刚好

反应物的分子键刚好在到达硅片表面时

得到足够的能量发生断裂

这些原子将在表面形成稳定的氮化硅成核

随着气体进入反应腔

离气体入口越远的地方气体浓度也越低

所以需要在提高气体出口附近的温度

以提高这一区域的反应速率以确保所有硅片上的淀积层具有一致的厚度

作为一个良好的绝缘体

氮化硅非常致密并且比其他材料更能抵抗杂质扩散

它是氧气和水蒸气的绝佳隔离层

在光刻图形化硅片之后

没有被光刻胶保护的氮化硅区域将被刻蚀

晶体管将在仍被氮化硅保护的地区制作

溅射工艺是怎么具体运作的呢？

首先你的旋涂材料以固态置于磁电管作为靶材料

对于高纯度的涂层

你需要一个干净的环境，只剩下你需要的材料

这就是为什么腔体内要抽真空，移除所有腔体内的分子

接着腔体内充满了溅射工艺的所需气体

工艺气体的种类取决于要淀积的物质

对于常见的氧气和氮气被清除

现在腔体内已经为开始工艺做好准备

负电势施加在背电极上

作为负极

腔体为地的参考点，作为正极

这个电势使得自由电子加速

远离磁电管，当这些电子

与工艺气体原子碰撞

打出原子里的电子

形成带正电荷的工艺气体

并朝磁电管加速

这些离子具有足够大的能量去击出

在磁电管朝向的路径表面收集
磁电管上的一些靶材料，这些靶材料

这就是如何在衬底上聚集材料

阳离子会重新结合

自由电子来再次产生中性原子

在等离子中会产生发光现象，这是因为离子与自由电子重新组合

并进入一个低能态， 当自由电子

与离子想结合时会产生一个电压

但离子只需少的电压，因此

多余的电压会通过发光来释放掉

这道光为等离子体辉光，可以在工艺过程中被看到

这个工艺会以一个常速进行重复

直到达到目标厚度，并将电源从负极撤掉

当今微机电器件，太阳能电池和超薄隐形耐腐蚀涂料

是用一种叫原子层淀积（ALD）的令人兴奋技术来制备的

这个方法可以淀积不同材料的薄膜

通过充分利用顺序化学反应

发生在特殊设计的ALD反应器

ALD反应器最重要，利用气相化学剂的部件

在这个简化的模型中展示出来

一个热电偶和电脑控制的加热器被用于确保期望的淀积温度

薄膜的生长可以被振荡的石英晶体所监控

被用于淀积的化学物质，即前驱体

与运载气体一块进入反应腔

真空泵用于确保低压

和将反应副产品和前驱体的残留物移除

前驱体每次一个进入反应腔

以自我限制方式与衬底反应

当衬底反复被暴露于不同的前驱体时

期望材料的薄膜在每个周期内被淀积

最终薄膜的厚度取决于周期数

一个简单的例子，在硅衬底上淀积二氧化钛

通过用四氯化钛和水作为前驱体和氮气作为运载气体

在这个工艺中，淀积周期包括以下四步

第一步，先把四氯化钛送入腔体

与衬底表面的羟基发生反应，形成第一层

与此同时氯化氢被生成，氯化物从四氯化钛上移除

以及来自羟基的氢气

然后多余的四氯化钛和氯化氢从腔体内移除

第二步，清除运载气体

在第三步中，第二个前驱体，水，被送入到腔体中

在表面与四氯化钛发生反应

因此氯化物被氧气所取代，形成二氧化钛

最后，第四步，多余的水和氯化氢用氮气从腔体中被清除

留下第一层二氧化钛

通过重复这个周期，期望厚度的薄膜可以被淀积

薄膜生长可以用石英晶体微量天平被监控

如果在ALD过程中，材料被淀积在石英晶体，其质量会有所增加

在其振荡频率上会有很大的下降

该方法十分敏感以至于可以在ALD周期监控单次步骤

淀积薄膜的结构取决于衬底的温度

例如非晶薄膜可以通过低温获得，而晶体薄膜可通过较高的温度获得

该结构也取决于衬底材料和淀积层的厚度

ALD最好的优势是在精密三维结构生成均一，连续

拥有很好定义的厚度，结构和化学组分的薄膜可能性

例如，该方法甚至可用于涂纳米多孔模板的墙

以及如果模板过后被移除那么可以得到期望墙高

在过去的20年，ALD的应用有大幅度的增长

基于该纳米技术的第一个器件已经开始找到进入我们平常的生活途径