化学气相沉积

1、v 6.1 CVD6.1 CVD概述概述v 6.2 CVD6.2 CVD工艺原理工艺原理 v 6.3 CVD6.3 CVD工艺方法工艺方法v 6.4 6.4 二氧化硅薄膜的淀积二氧化硅薄膜的淀积v 6.5 6.5 氮化硅薄膜淀积氮化硅薄膜淀积v 6.6 6.6 多晶硅薄膜淀积多晶硅薄膜淀积v 6.7 6.7 金属及金属化合物薄膜金属及金属化合物薄膜1MSI时代时代nMOS晶体管的各层膜晶体管的各层膜p+ silicon substratep- epi layer场氧化层n+n+p+p+n-wellILD氧化硅垫氧化层氧化硅氮化硅顶层栅氧化层侧墙氧化层金属前氧化层Poly金属多晶金属ULSI硅片

2、上的多层金属化硅片上的多层金属化钝化层压点金属p+ Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p- Epitaxial layerp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1Poly gaten+p+p+n+n+LI metal芯片中的金属层芯片中的金属层6.1 CVD6.1 CVD概述概述v 好的台阶覆盖能力好的台阶覆盖能力v 填充高的深宽比间隙的能力填充高的深宽比间隙的能力v 好的厚度均匀性好的厚度均匀性v 高纯度和高密度高纯度和高密度v 受控制的化学剂量受控制的化学剂量v 高度的结构完整性和低的膜应

3、力高度的结构完整性和低的膜应力v 好的电学特性好的电学特性v 对衬底材料或下层膜好的黏附性对衬底材料或下层膜好的黏附性6.1 CVD6.1 CVD概述概述1）物理气相淀积）物理气相淀积 Physical Vapor Deposition (PVD)利用某种利用某种物理过程物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。例如：例如：蒸发蒸发 evaporation，溅射，溅射sputtering2）化学气相淀积）化学气相淀积 Chemical Vapor Deposition (CVD)通

4、过通过气态物质的化学反应气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。程。 例如：例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVDp 两类主要的淀积方式两类主要的淀积方式6.1 CVD6.1 CVD概述概述除了除了CVD和和PVD外，制备薄膜的方法还有外，制备薄膜的方法还有:铜互连是由电镀工艺制作铜互连是由电镀工艺制作旋涂Spin-on镀/电镀electroless plating/electroplating6.1 CVD6.1 CVD概述概述n CVD技术特点：技术特点：n具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性具有淀积温度低、薄膜成分和厚

5、度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点等一系列优点nCVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属硅、氮化硅、金属(钨、钼钨、钼)等等6.1 CVD6.1 CVD概述概述CVD相对于相对于PVD,有什么优点？有什么优点？n跟材料特性相关的性质跟材料特性相关的性质结晶性和理想配结晶性和理想配比都比较好比都比较好n薄膜成分和膜厚容易控制薄膜成分和膜厚容易控制n*淀积温度低淀

6、积温度低n*台阶覆盖性好（台阶覆盖性好（step coverage) 6.1 CVD6.1 CVD概述概述单晶单晶 (外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜半导体、介质、金属薄膜半导体、介质、金属薄膜常压化学气相淀积（常压化学气相淀积（APCVD），低压），低压CVD (LPCVD)，等离子体增强淀积（，等离子体增强淀积（PECVD）等）等u CVDCVD反应必须满足三个挥发性标准反应必须满足三个挥发性标准 在淀积温度下在淀积温度下, ,反应剂必须具备足够高的蒸汽压反应剂必须具备足够高的蒸汽压 除淀积物质外除淀积物质外, ,反应产物必须是挥发性的反应产物必须是挥发性的

7、 淀积物本身必须具有足够低的蒸气压淀积物本身必须具有足够低的蒸气压6.2 CVD6.2 CVD工艺原理工艺原理化学气相淀积的基本过程化学气相淀积的基本过程n1、反应剂气体混合物以合理的流速被输运到沉积区、反应剂气体混合物以合理的流速被输运到沉积区n2、反应剂气体由主气流通过边界层扩散到衬底表面、反应剂气体由主气流通过边界层扩散到衬底表面n3、反应剂气体吸附在衬底表面上、反应剂气体吸附在衬底表面上n4、吸附原子（分子）发生化学反应，生成薄膜基本元素、吸附原子（分子）发生化学反应，生成薄膜基本元素n5、副产物分子离开衬底表面，由衬底外扩散到主气流，排出、副产物分子离开衬底表面，由衬底外扩散到主气流

8、，排出n 气体速度受到扰动并按抛物线型变化、同时还存在反气体速度受到扰动并按抛物线型变化、同时还存在反应剂浓度梯度的薄层称为边界层（附面层、滞留层）应剂浓度梯度的薄层称为边界层（附面层、滞留层）n气体分子的平均自由程远小于反应室的几何尺寸，可以气体分子的平均自由程远小于反应室的几何尺寸，可以认为气体为黏滞性流动认为气体为黏滞性流动n由于气体的黏滞性，气体与硅片表面或侧壁存在摩擦力由于气体的黏滞性，气体与硅片表面或侧壁存在摩擦力，该摩擦力使紧贴硅片表面或者侧壁的气体流速为零，该摩擦力使紧贴硅片表面或者侧壁的气体流速为零n在离硅片表面或者侧壁一定距离处，气体流速过渡到最在离硅片表面或者侧壁一定距离

9、处，气体流速过渡到最大气流大气流Um6.2 CVD6.2 CVD工艺原理工艺原理6.2 CVD6.2 CVD工艺原理工艺原理从简单的生长模型出发，用从简单的生长模型出发，用动力学方法研究化学气相淀动力学方法研究化学气相淀积推导出积推导出生长速率的表达式生长速率的表达式及其两种极限情况。及其两种极限情况。与热氧化生长稍有与热氧化生长稍有不同的是，没有了不同的是，没有了在在SiO2中的扩散流中的扩散流F F1 1：主气流到衬底表面的反应剂流密度：主气流到衬底表面的反应剂流密度F F2 2：反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜的流密度：反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜的流密度C Cg g：反应剂在主气流

10、中的浓度：反应剂在主气流中的浓度C Cs s：反应剂在硅表面处的浓度：反应剂在硅表面处的浓度6.2 CVD6.2 CVD工艺原理工艺原理其中：其中：hG 是质量输运系数，是质量输运系数， ks 是表面化学反应系数是表面化学反应系数l 在稳态，两类粒子流密度应相等，这样得到在稳态，两类粒子流密度应相等，这样得到可得：可得：)(1SGGCChFSsCkF 221FFF11GsGShkCC（1）hg ks时，时，Cs趋向趋向Cg，淀积速率受表面化学反应控制，淀积速率受表面化学反应控制（2）ks hg时，时，Cs趋向趋向0，淀积速率受质量输运速率控制，淀积速率受质量输运速率控制 结论结论： （1 1）

11、淀积速率与）淀积速率与C Cg g（反应剂的浓度）或者（反应剂的浓度）或者Y Y（反应剂的摩尔百（反应剂的摩尔百分比）成正比；分比）成正比；（2 2）在）在C Cg g或者或者Y Y为常数时，薄膜淀积速率将由为常数时，薄膜淀积速率将由KsKs和和hghg中较小中较小的一个决定。的一个决定。n 薄膜淀积速率（其中N1表示形成一个单位体积薄膜所需要的原子数量）：YNChkhkNChkhkNFGTgsgsggsgs1116.2 CVD6.2 CVD工艺原理工艺原理v 升高温度可以提高淀积速率升高温度可以提高淀积速率v 但随着温度的上升，淀积速率对温度的敏感度不断下降；但随着温度的上升，淀积速率对温度

12、的敏感度不断下降；当温度高过某个值后，淀积速率受当温度高过某个值后，淀积速率受质量输运速率质量输运速率控制控制图图6.8 6.8 硅膜淀积速率与温度倒数的关系硅膜淀积速率与温度倒数的关系表面化学反应控制：温度表面化学反应控制：温度质量输运速率控制：位置质量输运速率控制：位置6.2 CVD6.2 CVD工艺原理工艺原理斜率与激活斜率与激活能能Ea成正比成正比以硅外延为例（以硅外延为例（1 atm，APCVD）hG 常数常数Ea 值相同值相同外延硅淀积外延硅淀积往往是往往是在高温下进行，以在高温下进行，以确保所有硅原子淀确保所有硅原子淀积时排列整齐，形积时排列整齐，形成单晶层。为质量成单晶层。为质

13、量输运控制过程。此输运控制过程。此时对温度控制要求时对温度控制要求不是很高，但是对不是很高，但是对气流要求高。气流要求高。多晶硅生长多晶硅生长是在低是在低温进行，是表面反温进行，是表面反应控制，对温度要应控制，对温度要求控制精度高。求控制精度高。6.2 CVD6.2 CVD工艺原理工艺原理当工作在高温区当工作在高温区,质量控制为主导，质量控制为主导，hG是常数，是常数，此时反应气体通过边界层的扩散很重要，即反此时反应气体通过边界层的扩散很重要，即反应腔的设计和晶片如何放置显得很重要。应腔的设计和晶片如何放置显得很重要。关键两点：关键两点：ks 控制的淀积控制的淀积 主要和温度有关主要和温度有关

14、hG 控制的淀积控制的淀积 主要和反应腔体几何形状有关主要和反应腔体几何形状有关6.2 CVD6.2 CVD工艺原理工艺原理6.3 CVD6.3 CVD工艺方法工艺方法化学气相淀积系统化学气相淀积系统n气态源或液态源气态源或液态源n气体输入管道气体输入管道n气体流量控制系统气体流量控制系统n反应室反应室n基座加热及控制系统基座加热及控制系统n温度控制及测量系统温度控制及测量系统n减压系统（减压系统（LPCVD和和PECVD)6.3 CVD6.3 CVD工艺方法工艺方法n 气体源趋向液态气体源趋向液态n气态源不安全气态源不安全n淀积的薄膜特性不好淀积的薄膜特性不好n液态源的输送液态源的输送 保存

15、在室温下的液态源，使用时先注入到气化室中，气化后直接输送到反应室中n 进入反应室的气体流量精确可控进入反应室的气体流量精确可控n控制反应室的气压控制反应室的气压n直接控制气体流量，质量流量控制系统直接控制气体流量，质量流量控制系统n质量流量计质量流量计n阀门阀门n 气体流量单位气体流量单位:体积体积/单位时间单位时间n温度为温度为273K，一个标准大气压下，每分钟，一个标准大气压下，每分钟通过的气体体积通过的气体体积6.3 CVD6.3 CVD工艺方法工艺方法n 薄膜是在高于室温的温度薄膜是在高于室温的温度下淀积的。下淀积的。n热壁系统：热壁系统：Tw=Tsn冷壁系统：冷壁系统：Tw1000A

16、/min）。）。n易气相成核，均匀性不好，材料利用率低。易气相成核，均匀性不好，材料利用率低。n质量输运控制淀积速率。质量输运控制淀积速率。n均匀性好，台阶覆盖性好，污染少。对反应室结构要求均匀性好，台阶覆盖性好，污染少。对反应室结构要求低。装片量大。低。装片量大。n淀积速度低，工作温度高。淀积速度低，工作温度高。n表面反应控制淀积速率。表面反应控制淀积速率。6.3 CVD6.3 CVD工艺方法工艺方法6.3 CVD6.3 CVD工艺方法工艺方法n反应温度低，附着性好，良好的阶梯覆盖，良好的反应温度低，附着性好，良好的阶梯覆盖，良好的电学特性可以与精细图形转移工艺兼容，薄膜应力电学特性可以与精

17、细图形转移工艺兼容，薄膜应力低，主流工艺。低，主流工艺。n具备具备LPCVD的优点的优点nhigh deposition rate at relatively low temperaturenImprove film quality and stress control through ion bombardment（炮击，轰击）（炮击，轰击）n表面反应控制淀积速率表面反应控制淀积速率共形台阶覆盖共形台阶覆盖非共形台阶覆盖非共形台阶覆盖均匀厚度均匀厚度n 台阶覆盖：淀积薄膜的表面几何形貌与半台阶覆盖：淀积薄膜的表面几何形貌与半导体表面的各种台阶形状的关系。导体表面的各种台阶形状的关系。n保形覆

18、盖：无论衬底表面有什么样的倾斜图形，在所保形覆盖：无论衬底表面有什么样的倾斜图形，在所有图形的上面都能淀积相同厚度的薄膜有图形的上面都能淀积相同厚度的薄膜n原因：反应物在吸附、反应时有显著的表面迁移原因：反应物在吸附、反应时有显著的表面迁移6.3 CVD6.3 CVD工艺方法工艺方法1、淀积速率正比于气体分子到达角度、淀积速率正比于气体分子到达角度6.3 CVD6.3 CVD工艺方法工艺方法6.3 CVD6.3 CVD工艺方法工艺方法n 举例举例n在在APCVD中，以中，以SiH4和氧气为反应剂沉淀和氧气为反应剂沉淀SiO2n因因SiH4的黏滞系数很大，淀积速率正比于气体分子到达的黏滞系数很大

19、，淀积速率正比于气体分子到达表面时的角度范围表面时的角度范围n 到达角到达角n反应物到达半导体表面时有不同的角度反应物到达半导体表面时有不同的角度n在一个陡峭的台阶处，在一个陡峭的台阶处，APCVD SiO2时，薄膜在台阶顶时，薄膜在台阶顶部处最厚，在拐角处最薄部处最厚，在拐角处最薄。nSiO2薄膜在拐角处的斜率大于薄膜在拐角处的斜率大于90o，使得，使得随后的薄膜淀随后的薄膜淀积和各项异性刻蚀变得非常困难积和各项异性刻蚀变得非常困难。6.3 CVD6.3 CVD工艺方法工艺方法6.3 CVD6.3 CVD工艺方法工艺方法n遮蔽效应遮蔽效应nLPCVD工艺、工艺、PVD中的蒸发和溅射中的蒸发和溅射n反应剂分子的反应剂分子的平均自由程平均自由程很长，且在衬底表面很长，且在衬底表面上的上的迁移能力又很低迁移能力又很低的情况下，则会发生掩蔽的情况下，则会发生掩蔽效应，受到掩蔽的点处的膜厚小于没受到掩蔽效应，受到掩蔽的点处的膜厚小于没受到掩蔽的点处的膜厚的点处的膜厚6.3 CVD6.3 CVD工艺方法工艺方法n 磷硅玻璃磷硅玻璃n