第10章IC工艺薄膜化学汽相淀积(CVD)技术

1、第十章第十章薄膜化学汽相淀积（薄膜化学汽相淀积（CVDCVD）技术）技术10.1. 化学汽相淀积（化学汽相淀积（CVDCVD）原理）原理10.1.1. 薄膜生长的基本过程(与外延相似)外延是一特殊的薄膜生长1)参加反应的气体混合物被输运到沉积区2)反应物分子由主气流扩散到衬底表面3)反应物分子吸附在衬底表面4）吸附物分子间或吸附分子与气体分子间 发生化学反应，生成化学反应产物和副产物，并沉积在衬底表面（或原子迁移到晶格位置）5）反应副产物分子从衬底表面解吸6）副产物分子由衬底表面外扩散到主气流 中，然后排出沉积区10.1.2. Grove模型 和质量附面层模型Grove模型 :F1=hG(CG

2、-CS)F2=kSCSG=F/m =kShG/(kS+hG)(CT/ m)YG=hG（CG/ m）为高温下的质量输运控制G=kS（CG/ m）为较低温下的表面反应控制质量附面层（速度界面层）模型:可得：所以：eLmRLvLL3232002323vLLDRLDDhmGeLGGGaGTTDD00KTESekCVD原理的特点？10.2. CVD反应室气相沉积的反应控制模式主要为质量输运控制和表面反应控制。质量输运控制：质量输运控制：工艺容易控制；反应温度较高，生成膜的质量较好，但容易引入污染和外延时的自掺杂，可能存在工艺上的不兼容；设备简单；生长与气流有关，厚度均匀性不易控制。表面反应控制：表面反应

3、控制：生长反应与气流无关，因而均匀性好，产量高；生长速率与温度有关，较难控制；生长温度低，污染小，但容易产生缺陷。通过降低反应时的总气压，可以使DG（hG）增加，从而实现表面反应控制。在这种情况下，生长速率降低，即使在进一步降低反应温度，也能较好地控制厚度和缺陷。10.2.1 常压CVD （APCVD）13.5特点：温度高，不适宜生长某些钝化膜应用：较厚的膜生长生长速率：m/min10.2.2 低压CVD （LPCVD）13.6通过降低反应时的总气压(0.252.0torr)，可以使DG（hG）增加，从而实现表面反应控制。在这种情况下，生长速率降低（nm/min） ，即使在进一步降低反应温度(

4、500700C)，也能较好地控制厚度和缺陷。由于温度低，反应生成的原子、分子的迁移动能低，容易形成堆积缺陷；因而有些介质膜不宜用LPCVD技术。10.2.3 PECVD (13.7)为了进一步提高成膜质量，进一步降低反应温度和提高生长速率，采用了等离子增强CVD。10.3. 薄膜的性质及其生长10.3.1. SiO2膜CVD生长的SiO2膜的质量远不如热氧化SiO2膜。因而主要用于表面钝化和隔离介质膜工艺。而PSG已逐步成为主要的表面钝化表面钝化膜。 CVD生长的SiO2也用于化合物半导体器件。目前在金属化之前主要采用TEOS-LPCVD，而在金属化后主要采用PECVD技术(?) 。TEOS（

5、tetraethoxysilane，or Tetraethyl OrthoSilicate）（Si(OC2H5)4）四乙基硅氧化膜的主要特点是台阶覆盖能力好，但生长温度较高，介电参数稍差。主要用于抗Al电迁移的“阻挡层”(?)和深槽的“间隙壁”。（page 145 表、146页图）10.3.2. PSG和BPSG膜在TEOS氧化中加入少量磷或磷硼源（如：TMPO、TEB等）可形成PSG和BPSG。PSG和BPSG膜的特点：金属离子吸除作用和低温热熔流特性PSG具有比SiO2更好的低温熔流性而用于平坦化工艺，由于由于PSG的稳定性较差，且对的稳定性较差，且对Al有有腐蚀作用，现多用腐蚀作用，现多

6、用BPSG。 10.3.3. 氮化硅（Si3N4）和SiOxNy膜由于Si3N4非常稳定和杂质掩蔽性，在IC工艺中主要作为掩膜或外层保护膜。1）SiO2膜刻蚀的掩蔽2）离子注入掩蔽膜3）掩蔽SiO2膜不能掩蔽的杂质，如：Ga、Zn4）局部氧化（LOCOS）掩蔽膜5）多层布线金属间的介质隔离膜6）抗碱金属扩散但Si3N4/Si界面的应力很大，不宜直接在Si上生长Si3N4膜。SiOxNy膜是解决这一问题的途径之一。氮化硅有结晶化形和无定形两种在器件中常希望无定形氮化硅（？）（？）用反应溅射法等物理方法和低温CVD法可以制备无定形氮化硅膜，但以CVD为好。 （？）（？）常用PECVD法：3SiH2

7、Cl2+7NH3Si3N4+3NH4Cl+HCl+6H2用SiH2Cl2比用SiH4生长的膜致密。刻蚀：氢氟酸、磷酸、氟基等离子体Si3N4膜SiO2膜Si浓HF中的腐蚀速率（埃/分） 15050000缓冲HF中的腐蚀速率（埃/分）151000磷酸中的腐蚀速率（埃/分）100105氟基等离子体腐蚀速率（埃/分）110206010.3.4. Al2O3膜特点：存在负电荷效应（可制Al2O3-SiO2复合栅结构MAOS）（？）抗辐照能力强抗碱金属迁移耐腐蚀性好（包括NaOH）Al2O3膜也有结晶化形和无定形两种CVD：2AlCl3+3CO2+3H2Al2O3+3CO+6HCl腐蚀：磷酸、氟基等离子

8、体Al2O3膜的缺点：应力大、工艺稳定性差、 可光刻性差10.3.4. 多晶硅膜Poly-Si1）半绝缘多晶硅膜（SIPOS）的特性和器件工艺作用是一种近于电中性的半导体材料；与Si的界面上的界面态少；有独特机理的表面钝化作用：a）表面离子沾污的静电屏蔽b）提高器件的耐压水平利用SIPOS膜的微弱导电性，p+区所加的负电位传到n区的表面；与SiO2膜中的正电荷作用相反，这种负电位使Si表面附近的电子浓度减少，从而使耗尽区的表面电场被削弱。（功率器件的终端技术之一）2）SIPOS膜的生长工艺LPCVD：SiH4Si+2H2 600650C分解 a）工艺难点：纯度的保证高阻半绝缘性106 cm膜的

9、均匀致密b）生长时适当加入一定浓度的氧（15%），形成的O-SIPOS膜的电阻率可提高（ 108 cm）c）掺入氮（N-SIPOS）可提高抗金属离子和水汽的浸蚀d）SIPOS膜的表面通常覆盖一层SiO2膜e）加入PH4、AsH4和BH4等可生长出高电导的掺杂多晶硅3）掺杂多晶硅在器件中的作用a）MOS栅的自对准工艺 b）MOS感应栅可读写和闪存器件10.3.5. 金属材料CVD金属膜的生长以物理溅射为基本方法，但由于其方向性，使其台阶覆盖能力不好；合金膜和硅化物的组成配比较难控制。1）金属硅化物的CVD如LPCVD：2WF6+SiH42WSix+3SiF4+14H2 6TiCl4+NH36Ti

10、N+24HCl+N2Dep-Etch-Dep ProcessFilm deposited with PECVD creates pinch-off at the entrance to a gap resulting in a void in the gap fill.Key-hole defectBread-loaf effectMetalSiO2The solution begins here1) Ion-induced deposition of film precursors2) Argon ions sputter-etch excess film at gap entrance r

11、esulting in a beveled appearance in the film.3) Etched material is redeposited. The process is repeated resulting in an equal “bottom-up” profile.Cap2）金属膜的CVDa）钨钨插塞：多层金属布线间的互连覆盖能力强、内应力小、附着力好工艺： （阅读） b）铝AlC4H93TIBA 250C分解 CH32C2H5N:AlH3DMEAA 200C分解High Aspect Ratio GapPhotograph courtesy of Integrate

12、d Circuit Engineering10.3.5. 光学与光电子学薄膜薄膜生长小结薄膜生长小结半导体器件制造中的薄膜主要有a) 外延层薄膜（主要用CVD技术生长，新技术有MOCVD和MBE等，某些材料需要用液相外延，替代技术有注氧隔离，直接键合等）b）金属与合金薄膜（主要用蒸发和溅射两种物理方法，某些金属用CVD和电化学方法）c）介质材料薄膜和多晶硅薄膜（主要用CVD技术生长）2）薄膜材料生长的基本技术与原理a) 物理方法（蒸发和溅射的基本原理，技术特点和工艺特点，主要的工艺控制条件，衬底加热的工艺作用，后快速热处理的工艺作用，MBE是一种高精度蒸发技术）b）CVD技术（CVD的基本原理，技术特点和工艺特点，主要的工艺控制条件，源材料的选择，外延是一种特殊的CVD薄膜）c）“过度层”薄膜的作用d）台