化学气相沉积

第六章化学(huàxué)气相沉积6.1CVD概述6.2CVD工艺原理6.3CVD工艺方法6.4二氧化硅(èryǎnghuàguī)薄膜的淀积6.5氮化硅薄膜淀积6.6多晶硅薄膜淀积6.7金属及金属化合物薄膜1精品资料MSI时代(shídài)nMOS晶体管的各层膜p+siliconsubstratep-epilayer场氧化层n+n+p+p+n-wellILD氧化硅垫氧化(yǎnghuà)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金属多晶金属精品资料ULSI硅片上的多层金属化钝化层压点金属p+SiliconsubstrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3M-4p-Epitaxiallayerp+ILD-6LIoxideSTIn-wellp-wellILD-1Polygaten+p+p+n+n+LImetal精品资料芯片(xīnpiàn)中的金属层精品资料6.1CVD概述(ɡàishù)对薄膜的要求(yāoqiú)好的台阶覆盖能力填充高的深宽比间隙的能力好的厚度均匀性高纯度和高密度受控制的化学剂量高度的结构完整性和低的膜应力好的电学特性对衬底材料或下层膜好的黏附性精品资料6.1CVD概述(ɡàishù)1）物理气相淀积—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某种物理过程实现物质的转移，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。例如：蒸发(zhēngfā)evaporation，溅射sputtering2）化学气相淀积—ChemicalVaporDeposition(CVD)通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD两类主要的淀积方式精品资料6.1CVD概述(ɡàishù)除了(chúle)CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有:铜互连是由电镀工艺制作旋涂Spin-on镀/电镀electrolessplating/electroplating精品资料6.1CVD概述(ɡàishù)化学(huàxué)气相淀积（CVD）CVD技术特点：具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点CVD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SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等精品资料6.1CVD概述(ɡàishù)CVD相对于PVD,有什么(shénme)优点？跟材料特性相关的性质——结晶性和理想配比都比较好薄膜成分和膜厚容易控制*淀积温度低*台阶覆盖性好（stepcoverage)

精品资料6.1CVD概述(ɡàishù)单晶(外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜半导体、介质、金属薄膜常压化学气相淀积（APCVD），低压CVD(LPCVD)，等离子体(děnglízǐtǐ)增强淀积（PECVD）等CVD反应必须满足三个挥发性标准在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压除淀积物质外,反应产物必须是挥发性的淀积物本身必须具有足够低的蒸气压化学气相淀积（CVD）精品资料6.2CVD工艺(gōngyì)原理化学(huàxué)气相淀积的基本过程1、反应剂气体混合物以合理的流速被输运到沉积区2、反应剂气体由主气流通过边界层扩散到衬底表面3、反应剂气体吸附在衬底表面上4、吸附原子（分子）发生化学反应，生成薄膜基本元素5、副产物分子离开衬底表面，由衬底外扩散到主气流，排出精品资料边界层理论(lǐlùn)气体速度受到扰动并按抛物线型变化(biànhuà)、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）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在离硅片表面或者侧壁一定距离处，气体流速过渡到最大气流Um6.2CVD工艺原理精品资料6.2CVD工艺(gōngyì)原理Grove模型从简单的生长模型出发，用动力学方法(fāngfǎ)研究化学气相淀积推导出生长速率的表达式及其两种极限情况。与热氧化生长稍有不同的是，没有了在SiO2中的扩散流F1：主气流到衬底表面的反应剂流密度F2：反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜的流密度Cg：反应剂在主气流中的浓度Cs：反应剂在硅表面处的浓度精品资料6.2CVD工艺(gōngyì)原理其中：hG是质量输运系数，ks是表面(biǎomiàn)化学反应系数在稳态，两类粒子流密度应相等，这样得到可得：（1）hg>>ks时，Cs趋向Cg，淀积速率受表面化学反应控制（2）ks>>hg时，Cs趋向0，淀积速率受质量输运速率控制Grove模型精品资料结论(jiélùn)：（1）淀积速率与Cg（反应剂的浓度）或者Y（反应剂的摩尔百分比）成正比；（2）在Cg或者Y为常数时，薄膜淀积速率将由Ks和hg中较小的一个决定。薄膜淀积速率(sùlǜ)（其中N1表示形成一个单位体积薄膜所需要的原子数量）：Grove模型6.2CVD工艺原理精品资料升高温度可以提高淀积速率(sùlǜ)但随着温度的上升，淀积速率(sùlǜ)对温度的敏感度不断下降；当温度高过某个值后，淀积速率(sùlǜ)受质量输运速率(sùlǜ)控制薄膜淀积速率(sùlǜ)图6.8硅膜淀积速率与温度倒数的关系表面化学反应控制：温度质量输运速率控制：位置6.2CVD工艺原理斜率与激活能Ea成正比精品资料以硅外延(wàiyán)为例（1atm，APCVD）hG常数(chángshù)Ea

值相同外延硅淀积往往是在高温下进行，以确保所有硅原子淀积时排列整齐，形成单晶层。为质量输运控制过程。此时对温度控制要求不是很高，但是对气流要求高。多晶硅生长是在低温进行，是表面反应控制，对温度要求控制精度高。6.2CVD工艺原理精品资料当工作在高温区,质量(zhìliàng)控制为主导，hG是常数，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。关键两点：ks控制的淀积主要和温度有关hG控制的淀积主要和反应腔体几何(jǐhé)形状有关6.2CVD工艺原理精品资料6.3CVD工艺(gōngyì)方法化学气相淀积系统气态源或液态(yètài)源气体输入管道气体流量控制系统反应室基座加热及控制系统温度控制及测量系统减压系统（LPCVD和PECVD)精品资料6.3CVD工艺(gōngyì)方法气体源趋向液态气态源不安全(ānquán)淀积的薄膜特性不好液态源的输送保存在室温下的液态源，使用时先注入到气化室中，气化后直接输送到反应室中精品资料质量(zhìliàng)流量控制系统进入反应室的气体流量精确可控控制反应室的气压(qìyā)直接控制气体流量，质量流量控制系统质量流量计阀门气体流量单位:体积/单位时间温度为273K，一个标准大气压(qìyā)下，每分钟通过的气体体积6.3CVD工艺方法精品资料CVD反应(fǎnyìng)室的热源薄膜是在高于室温的温度下淀积的。热壁系统：Tw=Ts冷壁系统：Tw<TsTw：反应室的侧壁温度Ts：放置硅片的基座温度热壁和冷壁淀积室各有优缺点，根据(gēnjù)需要进行选择。6.3CVD工艺方法精品资料6.3CVD工艺(gōngyì)方法精品资料常压化学(huàxué)气相淀积(APCVD)低压化学(huàxué)气相淀积(LPCVD)等离子增强化学(huàxué)气相淀积(PECVD)6.3CVD工艺(gōngyì)方法精品资料6.3CVD工艺(gōngyì)方法APCVD反应器的结构(jiégòu)示意图精品资料6.3CVD工艺(gōngyì)方法精品资料6.3CVD工艺(gōngyì)方法操作简单，淀积速率高，适合介质薄膜的淀积。易发生气相反应，产生污染台阶覆盖性和均匀性比较差质量输运控制淀积速率，对反应室结构和气流模式(móshì)提出高的要求APCVD精品资料斜率(xiélǜ)与激活能Ea成正比APCVD的主要问题：低产(dīchǎn)率（throughput）高温淀积：硅片需水平放置低温淀积：反应速率低6.3CVD工艺方法精品资料单晶硅外延要采用(cǎiyòng)图中的卧式反应设备，放置硅片的石墨舟为什么要有倾斜?6.3CVD工艺(gōngyì)方法精品资料界面层厚度s是x方向(fāngxiàng)平板长度的函数。a.随着x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀积受质量传输(chuánshū)控制，则淀积速度会下降；b.沿支座方向反应气体浓度的减少,同样导致淀积速度会下降。为气体粘度；为气体密度；U为气体速度；6.3CVD工艺方法精品资料支座倾斜可以促使s(x)沿x变化减小。原理：由于支座倾斜后，气流的流过的截面积下降，导致气流速度(sùdù)的增加，进而导致s(x)沿x减小和hG的增加。从而用加大hG的方法来补偿沿支座长度方向的气源的耗尽而产生的淀积速率的下降。尤其对质量传输控制的淀积至关重要，如APCVD法外延硅。6.3CVD工艺(gōngyì)方法精品资料低压(dīyā)化学气相淀积（LPCVD）因此低压可以大大提高hG的值。例如在压力为1torr时，DG可以提高760倍，而ds只提高约7倍，所以(suǒyǐ)hG可以提高100倍。气体在界面不再受到传输速率限制。在质量输运控制区域：6.3CVD工艺方法精品资料33/40分子自由(zìyóu)程变长，反应气体质量迁移速率相对于表面反应速率大大增加，这就克服了质量传输限制，使淀积薄膜的厚度均匀性提高，也便于采用直插密集装片降低气体压力，气体分子的自由(zìyóu)程加长，气相反应中容易生成亚稳态的中间产物，从而降低了反应激活能，因此，在不改变淀积速率的情况下，淀积温度就可以低于APCVD的淀积温度反比(fǎnbǐ)于气体压强r为气体分子的半径平均自由程6.3CVD工艺方法精品资料LPCVD反应器的结构(jiégòu)示意图低压(dīyā)化学气相淀积（LPCVD）6.3CVD工艺方法精品资料低压(dīyā)化学气相淀积（LPCVD）6.3CVD工艺(gōngyì)方法精品资料表面反应速率控制淀积速率原因：在较低的气压下，气体的扩散速率比在一个大气压下高出很多倍。结果：对温度比较敏感，温度相对来说较易控制，对反应室结构要求不高，可放置较多的硅片。优点增加产率—晶片可直插放置许多片（100-200）污染少，均匀(jūnyún)性和台阶覆盖性较APCVD好缺点：相对低的淀积速率，相对高的工作温度低压(dīyā)化学气相淀积（LPCVD）6.3CVD工艺方法精品资料LPCVD气缺现象：当气体反应剂被消耗而出现的反应剂浓度改变的现象对于只有一个入气口的反应室，情况比较严重。措施(cuòshī)：在水平方向上逐渐提高温度来加快反应速度，从而提高淀积速率采用分布式的气体入口增加反应室中的气流速度6.3CVD工艺(gōngyì)方法精品资料Batchprocessing：同时100-200片薄膜厚度均匀性好可以精确控制薄膜的成份和结构台阶覆盖性较好低温(dīwēn)淀积过程淀积速率快生产效率高生产成本低LPCVD法的主要(zhǔyào)特点有时，淀积温度需很低，薄膜质量要求又很高。如：在形成的Al层上面淀积介质等。解决办法：等离子增强化学气相淀积PECVD6.3CVD工艺方法精品资料最常用反应激活能：通过非热能源的射频（RF）等离子体来激活和维持化学反应(huàxuéfǎnyìng)。低温淀积应用：在Al上淀积二氧化硅或氮化硅较高的淀积速率表面反应速率控制淀积速率，精确控制衬底的温度，可得到均匀的薄膜。等离子体增强(zēngqiáng)化学气相淀积（PECVD）6.3CVD工艺方法精品资料等离子体中的电子与反应气体分子碰撞(pènɡzhuànɡ)反应气体分子分解成多种成份：离子、原子及活性基团活性基团不断吸附在基片表面上吸附在表面上的活性基团之间发生化学反应生成薄膜层表面吸附的离子受到离子和电子的轰击，易迁移，发生重新排列。淀积的薄膜均匀性良好，具有填充小尺寸结构的能力。等离子体增强(zēngqiáng)化学气相淀积（PECVD）6.3CVD工艺方法精品资料APCVD设备简单(jiǎndān)，淀积速率大（>1000A/min）。易气相成核，均匀性不好，材料利用率低。质量输运控制淀积速率。LPCVD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。淀积速度低，工作温度高。表面反应控制淀积速率。CVD的三种(sānzhǒnɡ)方法比较6.3CVD工艺方法精品资料CVD的三种方法(fāngfǎ)比较6.3CVD工艺(gōngyì)方法PECVD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，薄膜应力低，主流工艺。具备LPCVD的优点highdepositionrateatrelativelylowtemperatureImprovefilmqualityandstresscontrolthroughionbombardment（炮击，轰击）表面反应控制淀积速率精品资料共形台阶覆盖非共形台阶覆盖均匀厚度台阶覆盖：淀积薄膜的表面几何形貌(xínɡmào)与半导体表面的各种台阶形状的关系。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原因：反应物在吸附、反应时有显著的表面迁移台阶覆盖（保角性conformality）6.3CVD工艺(gōngyì)方法精品资料台阶覆盖（保角性conformality）1、淀积速率正比(zhèngbǐ)于气体分子到达角度6.3CVD工艺(gōngyì)方法精品资料台阶覆盖（保角性conformality）6.3CVD工艺(gōngyì)方法精品资料举例在APCVD中，以SiH4和氧气为反应剂沉淀SiO2因SiH4的黏滞系数很大，淀积速率(sùlǜ)正比于气体分子到达表面时的角度范围到达角反应物到达半导体表面时有不同的角度在一个陡峭的台阶处，APCVDSiO2时，薄膜在台阶顶部处最厚，在拐角处最薄。SiO2薄膜在拐角处的斜率大于90o，使得随后的薄膜淀积和各项异性刻蚀变得非常困难。台阶覆盖（保角性conformality