第6讲-低压化学气相沉积

微机电系统制程Microfabricationtechnology第六讲：低压化学气相沉积虞益挺乔大勇OutlineFundamentals12Exercises设备结构及原理设备操作流程常见故障及排除薄膜淀积之LPCVD几种淀积模型薄膜质量评价设备日常维护注意事项1、Fundamentals-薄膜淀积之LPCVD1、Fundamentals-薄膜淀积之LPCVD各种薄膜淀积方法化学气相淀积(CVD)－Oxidation－LowPressure(LPCVD)－PlasmaEnhanced(PECVD)溅射(Sputtering)－RF－DC蒸镀(Evaporation)－Thermal－Electron-beam－Flash外延(Epitaxy)－VaporPhase(VPE)－LiquidPhase(LPE)－MolecularBeam(MBE)电化学沉积(ElectrochemicalDeposition)旋涂(Spincoating)－Spin-onglass(SOG)－Polyimide(PI),photoresist－PZT常见薄膜：SCS、SiO2、Si3N4、PolySi、Metals、Polymer1、Fundamentals-薄膜淀积之LPCVD反应速率：由温度控制化学气相淀积(CVD)：反应气体的输运－气体流量低压：增加了气体的输运速率低压化学气相淀积(LPCVD)：分子的平均自由程：一个分子在运动过程中与其他分子碰撞前所行进的距离。低压化学气相沉积1、Fundamentals-薄膜淀积之LPCVD反应速率(R):其中,Ea表示活化能(activationenergy,eV),k为波兹曼常数(Boltzmannconstant),T为温度(K)。高温——反应速率反应气体的传输速率——受气体传输速率的限制低温——反应速率反应气体的传输速率——受反应速率的限制随着温度的升高,表面的反应速率随之增加！低压化学气相沉积1、Fundamentals-薄膜淀积之LPCVD反应方程式：SiH4+O2－SiO2+2H2T500℃，～100nm/min氧化硅薄膜(Silicondioxide)low-tempoxide(LTO)hightemperature反应方程式：Si(OC2H5)4－SiO2+by-productsT～700℃，～0.01μm/min用途：介质层/绝缘层、光刻掩膜、牺牲层材料PSG原位掺杂(PH3)Si(OC2H5)4+O2+PH3－SiO2:P+by-products更好的流动性：良好的台阶覆盖性能；作为牺牲层材料：更高的刻蚀速率(BSG/BPSG)1、Fundamentals-薄膜淀积之LPCVD氧化硅薄膜(Silicondioxide)1、Fundamentals-薄膜淀积之LPCVD氮化硅薄膜(SiliconNitride)反应方程式：3SiH4+4NH3－Si3N4+12H2xSiCl2H2+yNH3－SixNy+2xHCl+3y/2H2T:700～900℃；P:0.2～0.5Torr缺陷数较PECVD少PECVD：～250-350℃，Si/Nratio：0.8-1.2，应力可控用途：电气/热绝缘层、钝化层、掩膜层、刻蚀阻止层1、Fundamentals-薄膜淀积之LPCVD氮化硅薄膜(SiliconNitride)1、Fundamentals-薄膜淀积之LPCVD多晶硅薄膜(Polysilicon)反应方程式：SiH4－Si+2H2T:580～650℃；P:0.1～0.4Torr用途：门电路、大阻值电阻、局部互连、微结构器件层原位(in-situ)掺杂p型，B2H6，～0.005欧·厘米，淀积速率↑n型，AsH3/PH3，～0.02欧·厘米，淀积速率↓淀积后掺杂：注入、扩散PECVD很少用！掺杂方式：1、Fundamentals-薄膜淀积之LPCVD淀积过程反应源气体在热的硅片表面发生化学反应，生成固体薄膜！薄膜种类：PolySi、Si3N4、SiO2、PSG、LTO工艺参数：温度、压力、气体流量、工艺时间1、Fundamentals-几种淀积模型1、Fundamentals-薄膜质量评价与淀积温度、掺杂类型、热处理工艺有很大关系温度对多晶硅晶粒的影响:590℃，无定形态610℃，晶体态590～610℃，中间态晶粒大小对表面粗糙度的影响：晶粒（大小、晶向等）1、Fundamentals-薄膜质量评价应力与应力梯度应力：拉应力、压应力来源、影响、测量、控制应力梯度：应力在厚度方向上的不一致1、Fundamentals-薄膜质量评价应力与应力梯度1、Fundamentals-薄膜质量评价应力与应力梯度平均应力淀积温度570℃610℃张应力压应力应力梯度淀积温度570℃610℃基底表面薄膜表面P.Krulevitch,R.T.Howe,G.C.Johnsonetc.StressinUndopedLPCVDPolycrystallineSilicon.InternationalConferenceonSolid-StateSensorsandActuators,TRANSDUCERS'91,Jun.1991:949-952.convexconcaveconcave1、Fundamentals-薄膜质量评价应力与应力梯度不同的设备，应力状态随温度的变化规律不尽相同，本实验室LPCVD在610℃以上淀积的多晶硅呈现convex变形，而非concave变形。MirrorphotobySEMMirrorTopographybyZygoopticalProfilerMirrorroughnessbySEMMirrorwithPolysilicon(Convex)MirrorwithPolysilicon+Al(convave)1、Fundamentals-薄膜质量评价应力与应力梯度MUMPs工艺：Si3N4：130MPaPoly0：-16MPaPoly1:-1MPaPoly2:-9MPaMetal:60MPa1、Fundamentals-薄膜质量评价台阶覆盖性能(Coverage)(a)(b)(c)(d)四种薄膜淀积覆盖方式(a)快速表面迁移形成的共形覆盖(b)无表面迁移，长自由行程时的非共形覆盖(c)无表面迁移，短自由行程时的非共形覆盖(d)部分共形覆盖形成共形覆盖的条件是吸附于表面的反应剂或反应中间产物能在发生最终反应前沿表面快速地迁移，此时，不管表面的几何形貌如何，表面的反应剂浓度是均匀的，因而能获得完全均匀的厚度；在反应剂吸附后，不发生显著的表面迁移就完全反应的情况下，淀积速率将正比于气体分子的到达角φ，1、Fundamentals-薄膜质量评价台阶覆盖性能(Coverage)Mali,R.K.,Bifano,T.andKoester,D.A.,Design-basedapproachtoplanarizationinmultilayersurfacemicromachining,J.Micromech.Microeng.,(9)pp.294-299,19991、Fundamentals-薄膜质量评价其它指标淀积速率膜厚均匀性黏附性薄膜组分掺杂浓度缺陷密度(针孔、杂质等)机械性能(杨氏模量、疲劳强度、断裂强度等)2、Exercises-设备结构及原理2、Exercises-设备结构及原理2、Exercises-设备结构及原理2、Exercises-设备结构及原理结构原理图主要技术指标：工作温度范围：550～950℃(最高1200℃)淀积薄膜类型：SiO2、Si3N4、Poly-Si淀积薄膜厚度：600～20000埃2、Exercises-设备操作流程2、启动顺序总电源控制小盒电源工控机电源1、检查冷却水、压缩空气是否打开?2、Exercises-设备操作流程3、设定工艺温度并启动加热开关左端控制热偶主控制热偶右端控制热偶2、Exercises-设备操作流程注：F1~F10功能键的作用F1:系统状态页F3:报警显示页F5:PID参数设定值F7:工艺编辑页F9:执行自动拉温区功能F2:温度状态页F4:气体流量设定页F6:扫描状态页F8:执行工艺页F10:清除报警提示2、Exercises-设备操作流程4、炉管预抽真空打开机械泵抽真空1：打开V109阀(*表示打开,-表示关闭,用S键切换)，蝶阀Press选择%状态按F4抽真空2：蝶阀选择全开(*)，同时打开罗兹泵。等待V111阀开启2、Exercises-设备操作流程SiO2工控机界面2、Exercises-设备操作流程SiN工控机界面2、Exercises-设备操作流程Poly工控机界面2、Exercises-设备操作流程首先打开TEOS源电源开关，等升温到设定值24.2℃时插上管道加热插头并打开TEOS源阀门。注：当淀积SiO2薄膜时，工艺前需要先对TEOS源进行升温2、Exercises-设备操作流程5、氮气回填,送入硅片打开炉门,小心送入硅片,关上炉门等待:炉体升温完成、腔体真空足够小(4mTorr)、TEOS源升温完成关闭罗兹泵氮气回填:先按F4,再按ESC键等待:直到V108自动开启2、Exercises-设备操作流程6、抽真空按F8,选择“Break”，停止回填工艺重复第4步2、Exercises-设备操作流程7、开启特气瓶阀门等待:腔体真空足够小(4mTorr)打开气体阀门2、Exercises-设备操作流程注：PH3尾气处理装置压缩空气开关切换为探测活性炭箱体切换为探测氧化分解箱体紫外灯电源PH3浓度检测压缩空气流量计2、Exercises-设备操作流程8、选择并执行工艺选择工艺:按F8,↑↓键选择dir,ENTER键;↑↓键选择具体工艺,ENTER键载入检查工艺:按F7执行工艺:按F8,↑↓键选择start,ENTER键开始工艺(按F1观察每一步执行情况)2、Exercises-设备操作流程注：工艺步骤检查漏率(第0步)抽本体真空清洗流量计(N2)抽流量计调压(N2,NH3,O2)工艺开始执行至结束抽本体真空清洗流量计(N2)抽流量计回填(N2)2、Exercises-设备操作流程9、打开炉门,小心取出硅片,关上炉门12、关工艺气体(TEOS源)11、停止加热10、抽真空13、关罗兹泵14、关机械泵15、关主机(足够高真空以后)16、关加热电源17、关主电源18、关冷却水、压缩空气2、Exercises-常见故障及排除开机过程中出现系统报警解决办法:根据报警指示打开相应项设备急停按钮止闹2、Exercises-常见故障及排除程序运行过程中的报警2、Exercises-常见故障及排除程序运行过程中的报警按F32、Exercises-常见故障及排除程序运行过程中的报警F3:*表示故障；-表示正常表示热偶的检测系统与主机的通讯是否正常,数据是否正确表示流量的检测系统与主机的通讯是否正常,数据是否正确炉门是否已经关闭表示控制系统的零点跳动大超温报警(系统自动转到保温状态)TEOS源液位报警表示炉膛温度超过极限超温报警值(系统将自动关掉炉子的加热电源)TEOS源温度报警压力差报警(当实际压力值与设定值之差超过某一固定值时)真空泄漏报警(在抽气、检漏过程中,当炉膛内发生真空泄漏时)流量计报警(当流量测定值与设定值之差的绝对值超过报警设定值时,流量预报警)流量计报警(当流量测定值与设定值之差的绝对值超过报警设定值的两倍时)热偶报警2、Exercises-常见故障及排除程序无法进行自动控制解决办法:切换到Computer2、Exercises-常见故障及排除真空抽不上去如果长时间未使用或未清洗炉管，用氮气反复清洗炉膛并抽真空如果重新安装炉管后首次使用，确认各炉门，炉尾和特气VCR接头的密封性解决办法:F10止闹程序自动执行氮气回填以后出现的报警2、Exercises-设备日常维护清洗炉管清除气动阀内部的杂质颗粒拉温区更换流量计2、Exercises-设备日常维护注意事项提防毒性气体的泄漏，确保人生安全任何时