第7章薄膜工艺IC 芯片的制作过程实际上就是在硅衬底上多次反复进行薄膜形成、光刻、掺杂等加工。

大多数薄膜形成是通过淀积方式在衬底上形成薄膜，硅氧化生长的SiO 2薄膜是硅材料本身同氧气进行化学反应而成，硅的外延则是一种特殊的薄膜工艺，它只能在硅的单晶上生长硅的薄膜。

淀积的方法有两类：物理淀积与化学淀积。

真空蒸发、溅射、分子束外延等属于物理淀积，利用化学反应过程的生长方法称为化学淀积。

化学淀积分液相淀积与气相淀积，电镀就是液相淀积。

7.1 蒸发7.2 溅射7.3 化学气相淀积（CVD ）7.4 外延7.5 其它薄膜生长方式7.6 金属化工艺本章内容7.1 蒸发真空腔硅圆片淀积材料坩埚机械泵初级抽气泵扩散泵冷阱放气阀早期半导体工艺的金属层全由蒸发的方式淀积。

蒸发的过程是在真空条件下，把蒸发的材料加热熔化，从固体变成液体，再变成气体。

淀积的速率同该材料的蒸汽压有关，不同的材料其蒸汽压不同。

为了得到合适的淀积速率，一般要求蒸汽压至少应为10mTorr 。

常用材料的蒸气压三种坩埚加热方式三种坩埚加热方式电阻加热方式（灯丝）源棒（放在灯丝里面）加热灯丝电阻加热方式（坩埚）淀积材料感应加热方式（坩埚）淀积材料氮化硼坩埚感应线圈电子束蒸发方式（电阻加热和感应加热都存在加热元件材料沾污的问题）淀积材料电子束偏转磁铁偏转磁铁灯丝加速栅极多组分薄膜对于蒸气压很接近的两种或多种材料，例如Al 和Cu ，可以把这些材料的混合物放在一个坩埚里蒸发，或制成合金进行蒸发。

单源蒸发硅圆片合金膜合金溶液硅圆片合金膜多源同时蒸发材料2材料1对于蒸气压相差很大的合金，如TiW ，用单源蒸发方式开始蒸发出来的蒸汽几乎是纯钛，所以很难得到正确的合金组份。

采用多源方式，一个放Ti ，一个放W ，然后同时蒸发，可以有很好的改进，但是仍留下蒸气压的问题。

硅圆片分层淀积材料1多源按次序蒸发材料2挡板对于多成分薄膜的一种替代方法就是利用挡板的打开与关闭进行按次序淀积，然后提高样品的温度让各组分互相扩散，从而形成合金。

7.2 溅射蒸发工艺的两个缺点：●覆盖台阶覆盖（step coverage ）的能力差，常在垂直的壁上断开。

如果当台阶的纵横比大于1︰1、而且硅片不旋转的情况下，蒸发的薄膜很难连续。

衬底温度低、无旋转衬底加温并旋转衬底衬底淀积的材料●很难蒸发合金。

比如TiW 材料，当蒸发的坩埚温度为2500℃时，Ti 的蒸汽压是1 Torr ，而W 的蒸汽压仅为3×10-8Torr ，开始蒸发出来的几乎全是纯Ti 。

溅射的优点：●覆盖台阶覆盖性能好，辐射缺陷远少于电子束蒸发，可以溅射难熔金属（如：W ）和绝缘材料（如：SiO 2）。

电源真空泵阳极阴极（靶）硅片氩等离子体气体入口这种简单的溅射系统中，阴极与阳极的距离通常小于10 cm ，腔内气体压力维持在0.1 Torr 。

简单的平行板直流溅射系统溅射原理溅射原理在两个电极之间加一高电压，电极间隙内为低气压气体，可激发产生等离子体。

离子加速向带负电的阴极运动，它们轰击表面，释放出二次电子，这些电子被加速，离开阴极。

电子在从阴极向阳极运动的过程中，电子会与中性粒子碰撞，如果碰撞传递的能量小于气体原子的离化能，原子将被激发至高能态，之后通过发射光子由高能态跃迁回基态，产生了等离子特有的辉光。

然而如果传递的能量足够高，原子将被离化，并且产生的离子将加速移向阴极，离子束对阴极的轰击产生了溅射工艺。

溅射原理示意阴极极间距离L腔内压力p⊕●二次电子●⊕溅射原子●正离子反射离子与中性粒子靶阳极硅片溅射产额是指从靶上发出的原子数与射到靶上的离子数之比。

它由离子质量、离子能量、靶原子质量和靶的结晶性决定。

靶●⊕溅射产额S （靶上产生离子/ 射到靶上离子）1232001000800600400离子能量（eV ）AuPtAl Cr WTiSi氩等离子体中溅射产额与离子能量的关系氩等离子体中溅射产额与离子能量的关系磁控溅射系统磁控溅射系统真空腔溅射气体真空高压E等离子体BSN NN S S在等离子体内加上一个磁场，使得电子绕磁力线方向作螺旋运动，增加了它们与中性原子的碰撞而产生离子的概率，也就增加了靶的离子的轰击率。

在普通的等离子体中，离子密度是0.0001%，而在磁控系统中，离子密度可达0.03%。

由于磁场的存在，可以在更低的腔室压力下，一般为10-5～10-7Torr 时，也能形成等离子体。

衬底溅射的形貌和台阶覆盖薄膜工艺的关键要求之一就是即使覆盖在高纵横的结构上，薄膜也能保持合适的高度。

左图是典型的剖面随溅射时间的扩展情况。

在表面和上面的拐角处，淀积速率比较高，侧壁上的淀积速率适中，但侧壁薄膜厚度向底部逐渐减小，在台阶底角处，容易产生明显的凹口或裂纹。

如果衬底加热，将显著地改善台阶覆盖。

衬底溅射工艺溅射比蒸发的质量好，磁控溅射比直流溅射的产额高，衬底加热比不加热的台阶覆盖性能好。

改善台阶覆盖的第二种方法是在硅圆片上加RF 偏压。

这种加射频的磁控溅射，常常用于溅射难溶金属和非金属材料，如：W 、TiW 、SiO 2等。

对于通过溅射金属层以对重掺杂硅形成欧姆接触的溅射，必须要考虑金属与硅的接触电阻问题，因为即使硅片在去离子水清洗甩干后马上放进真空系统中，实际上它已经在硅的表面生长了一层薄薄的自然氧化层，为了在溅射金属前去掉这层氧化层，可以采用颠倒电学连接的方式，这就是“反溅”工艺，亦称“溅射刻蚀”。

“反溅”工艺“反溅”工艺PERKIN-ELMER 4400溅射台溅射台Varian 公司的3190溅射台Varian 公司的XM-90溅射台Varian 公司的3180溅射台进片部分溅射台后部7.3 化学气相淀积（CVD ）CVD —C hemical V apor D epositionAPCVD —常压化学气相淀积L ow P ressure C hemical V apor D epositionLPCVD —低压化学气相淀积PECVD —等离子体增强化学气相淀积P lasma-E nhanced C hemical V apor D epositionA ir P ressure C hemical V apor D eposition按反应压力分：CVD 的分类按反应器壁温度分：热壁按淀积温度分：按激活方式分：冷壁低压常压低温高温中温等离子体激活热激活7.3.1 APCVD —常压化学气相淀积清洗溶液排气气体喷头N 2N 2进片盒出片盒加热器链式驱动带硅片APCVD 主要用于淀积SiO 2 ，一般以氮气稀释的氧气及SiH 4相互间隔地送入喷嘴，O 2和SiH 4在喷嘴出口处混合，并在热的硅圆片和传送带上发生淀积反应：SiH 4＋2O 2= SiO 2＋2H 2O这种连续式APCVD 淀积SiO 2 ，具有结构简单、生产率高、可以生长掺杂的SiO 2、薄膜厚度与掺杂均匀性好和可以淀积大直径硅圆片等优点，但是这种系统必须要有很强的排风装置，喷嘴要经常清扫等缺点。

7.3.2 LPCVD —低压化学气相淀积气体控制真空泵废气处理装置电阻加热炉硅片源瓶现在使用APCVD 的方式比较少，广泛使用的是LPCVD ，淀积SiO 2 、Si 3N 4 、多晶硅、非晶硅、PSG 、BSG 、BPSG 等各种薄膜。

LPCVD 方式的淀积速率高，它可以把硅片竖起来放，如果片与片之间距离5mm 、恒温区为500mm 的话，一次可以淀积100片硅片，所以无论是从成本来说还是从淀积质量来说，LPCVD 都优于APCVD ，这就是LPCVD 广泛使用的原因。

7.3.3 PECVD —等离子体增强化学气相淀积LPCVD 有很多优点，但是它有一个缺点，它就是淀积时的温度比较高，一般需要600℃～700 ℃，对于多层布线间的绝缘介质或最后的钝化保护层，由于已有不耐高温的Al ，所以不能采用LPCVD 的方式。

PECVD 的工作温度只有200 ℃～350 ℃，很适合有Al 布线后的工艺。

PECVD 的缺点是硅片只能平行地放在电极之间，所以容载能力小，特别是对大直径硅片。

冷壁平行板PECVD反应气体真空泵RF 电源等离子体硅片电极加热热壁平行板PECVD硅片抽气气体入口电极加热元件高密度等离子体PECVD 高密度等离子体PECVD 2.45Gz为了在低的衬底温度下淀积高质量的薄膜，在PECVD 中引入了了高密度等离子体（High-Density Plasma ），有各种形式的HDP ，左图是采用电子回旋共振（ECR ）的PECVD 系统。

这种方式可以分解或分裂一个或多个反应气体，以原子形态参与反应，所以具有高的反应率，没有必要用高的衬底温度来驱动反应。

如：在低达120 ℃以下可形成良好的二氧化硅薄膜。

ECR 磁体ECR 腔体电场整形辅助磁体抽真空气体进反应腔硅片温度探头多靶位CVD 系统多靶位CVD 系统的优点：●制作多种不同成分的薄膜。

●用多靶位淀积同一种薄膜，可以提高薄膜的均匀性。

●提高生产效率。

美国Noverllus公司的Concept One CVD系统，左边用于淀积绝缘材料，右边淀积钨。

（侧视图）（俯视图）片内均匀性、片与片之间的均匀性都小于1.5%用Concept One CVD系统淀积钨（扫描电镜照片）CVD法制作SiO2薄膜CVD法制作SiO2薄膜高温氧化工艺生长的SiO2广泛用于MOS IC的场氧、栅氧和离子注入的掩蔽氧化等，因为热氧化的设备简单，而且热氧化生成的膜致密性好，但是热氧化有一个缺点就是氧化时的温度高达1000 ℃左右。

IC芯片在经过某些工艺处理后，已不能再经受高温处理，比如Al的熔点是660 ℃，如果芯片上已有Al 金属层后，任何工艺处理时都必须低于450 ℃，甚至更低。

另外，硅的热氧化是Si 直接同O2反应生成SiO2 ，在非Si的表面上生长SiO2只能采用淀积的方式。

根据不同的方法，反应温度为200～800 ℃。

SiH4＋2O2= SiO2＋2H2O不同用途的SiO2需要采用不同的淀积方式，常用的有硅烷和氧反应生长SiO2：也可以采用正硅酸乙脂（英文缩写名为TEOS）热分解或同臭氧反应的方式：Si(OC2H5)4＋（O3）→SiO2＋副产物热分解温度为200～500 ℃（LTO）,也许需要高温退火。

用臭氧的PECVD或HDPECVD的方式，反应温度为250～400 ℃。

还可以由SiH2Cl2（或SiH4）和N2O（或CO2）反应生成SiO2的方式：SiH2Cl2＋2N2O →SiO2＋2N2＋2HClSiH4＋2CO2→SiO2＋2CO ＋2H2在淀积SiO2 的时候，有时需要在SiO2里进行掺杂，生成掺杂SiO2，如BSG、PSG和BPSG等，这类SiO2常用于器件的钝化、通过回流实现硅片表面平坦化、扩散时的掺杂源和起吸杂作用，也可以用作金属层之间的绝缘层。