西电集成电路制造技术-第六章CVD

集成电路制造技术

Fabrication

TechnologyofICSchoolofMicroelectronics

XidianUniversity2013.10第六章化学气相淀积化学气相淀积：CVD，ChemicalVapourDeposition。定义：一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底发生化学反应，淀积出所需固体薄膜的生长技术。通过气态物质化学反应在衬底上淀积薄膜。

特点：温度低、薄膜成分厚度易控制、均匀重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单。淀积IC所需各种薄膜。CVD薄膜：

SiO2、Si3N4、PSG、BSG(绝缘介质)多晶硅、单晶硅、非晶硅、金属(互连线/接触孔/电极/铝、钨、钼)CVD系统：常压CVD(APCVD)

低压CVD(LPCVD)

等离子CVD(PECVD)6.1CVD模型6.1.1CVD的基本过程①传输：反应剂从气相经附面层(边界层)扩散到(Si)表面；②吸附：反应剂吸附在表面；③化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产物；④淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜；⑤脱吸：副产物脱离吸附；⑥逸出：脱吸的副产物从表面扩散到气相，逸出反应室。6.1CVD模型6.1.2边界层理论CVD气体的特性：平均自由程远小于反应室尺寸，具有黏滞性；平流层：主气流层，流速Um均一；边界层(附面层、滞留层)：流速受到扰动的气流层；泊松流(PoisseulleFlow)：沿主气流方向(平行Si表面)无速度梯度，沿垂直Si表面有速度梯度的流体；6.1CVD模型6.1.2边界层理论边界层厚度δ(x)：流速小于0.99Um的区域；

δ(x)=(μx/ρU)1/2μ-黏滞系数，x-与基座的距离，ρ-密度，U-边界层流速；平均厚度或

Re=ρUL/μ，雷诺数(无量纲)：惯性力/黏滞力Re

<2000，平流型(流线平行，互不干扰)Re>2000，湍流型(杂乱无章，相互碰撞，小旋涡，防止)。商业CVD：50-100；6.1.3Grove模型6.1CVD模型6.1.3Grove模型①假定边界层中反应剂的浓度梯度为线形近似，则流密度为

F1=hg(Cg-Cs)

hG-气相质量转移系数，CG-主气流中反应剂浓度，

CS-表面处反应剂浓度；②表面的化学反应速率正比于Cs，则流密度为

F2=ksCs③平衡状态下，F=F1=F2，则

Cs=Cg/(1+ks/hg)6.1.3Grove模型

Cs=Cg/(1+ks/hg)④两种极限：a.hg>>

ks时，

Cs→Cg

，反应控制；b.hg<<

ks时，

Cs→0，扩散控制；6.1CVD模型⑤薄膜淀积速率G的一般表达式设形成一个单位体积薄膜所需的原子数为N1，

Si:N1=5x1022cm-3，

G=F/N1=F2/N1=[kshg/(ks+hg)](Cg/N1)Cg=YCT,(若反应剂被稀释)Y-反应剂的摩尔百分比，CT-分子总数/cm3；一般表达式：G=[kshg/(ks+hg)](CT/N1)Y6.1CVD模型

G=[kshg/(ks+hg)](CT/N1)Y，Cg=YCT两个结论：

a.G与Cg(无稀释气体）或Y(有稀释气体)成正比；

b.当Cg或Y为常数时，G由ks

、hg中较小者决定：hg>>

ks，G=（CTksY)/N1，反应控制；hg<<

ks，G=（CThgY)/N1

，扩散控制；6.1CVD模型影响淀积速率的因素①主气体流速Um∵F1=hg(Cg-Cs)=

Dg(Cg-Cs)/δs，∴hg=Dg/δs=，以及

Re=ρUL/μ，U≤0.99Um，G=(CThgY)/N1

，结论：扩散控制的G与Um1/2与成正比提高G的措施：

a.降低δs：减小基座的长度L；

b.增加Um：Um增大到一定值后，hg>>

ks，转为反应控制，G饱和。6.1CVD模型②淀积速率与温度的关系低温下，hg>>

ks，反应控制过程，故

G与T呈指数关系；高温下，hg<<

ks，质量输运控制过程，

hg对T不敏感，故

G趋于平稳。6.2CVD系统CVD系统的组成①气体源：气态源和液态源；②气路系统:气体输入管道、阀门等；③流量控制系统：质量流量计；④反应室：圆形、矩形；⑤基座加热系统：电阻丝、石墨；⑥温度控制及测量系统常用CVD技术①常压CVD(APCVD)②低压CVD(LPCVD)③等离子体CVD(PECVD)6.2CVD系统6.2.1气体源CVD二氧化硅:气态源SiH4;液态源TEOS(正硅酸四乙酯)液态源的优势：①安全：气压小，不易泄露；②淀积的薄膜特性好液态源的输运：①冒泡法：由N2、H2、Ar2气体携带；②加热法：直接加热气化液态源；③直接注入法：液态源先注入到气化室，气化后直接送入反应室。6.2CVD系统6.2.2质量流量控制系统1.质量流量计作用：精确控制气体流量(ml/s)；操作：单片机程序控制；2.阀门作用：控制气体输运；6.2.4CVD技术1.APCVD/NPCVD(Normal

Pressure

CVD)定义：气相淀积在1个大气压下进行；最初方法淀积机理：气相传输控制过程。优点：淀积速率高(100nm/min)；操作简便；缺点：均匀性差(厚介质淀积)

；台阶覆盖差；易发生气相反应，产生微粒污染。淀积薄膜：Si外延薄膜,SiO2,poly-Si,Si3N4薄膜

APCVD为最简单的CVD法。装置:(1)输送反应气体至反应炉的载气体精密装置；(2)使反应气体原料气化的反应气体气化室；(3)反应炉；(4)反应后的气体回收装置等所构成。中心部分为反应炉，炉的形式分四类，重点:将反应气体均匀送入，改进反应气流与基板位置。水平时，基板倾斜；纵型时，反应气体由中心吹出，且基板夹具回转。汽缸型可同时收容多数基板且夹具旋转。扩散炉型，在基板上游加有混和气体使成乱流的装置。APCVD反应器的结构示意图2.LPCVD

随工艺特征尺寸减小，对薄膜均匀性及膜厚误差要求提高，出现低压化学气相淀积(LPCVD)。

LPCVD:

系统工作在较低压强下的一种化学气相淀积方法

LPCVD技术可制备硅外延层，各种无定形钝化膜及多晶硅薄膜，是一种重要的薄膜淀积技术。LPCVD主要特征：(1)反应室内压力减少至10-1000Pa反应气体,载气体平均自由行程及扩散常数变大，膜厚及相对阻抗分布可改善。减少反应气体消耗(2)反应室成扩散炉型，温度控制最简便，装置亦被简化，可大幅度改善其可靠性与处理能力(低气压下，基板易均匀加热)，可大量装荷改善生产性

LPCVD定义：在27-270Pa压力下进行化学气相淀积。淀积机理：表面反应控制过程。优点：均匀性好(±3-5％，常压：±10％)

台阶覆盖好；效率高、成本低。缺点：淀积速率低；温度高。淀积薄膜：poly-Si、Si3N4

、SiO2、PSG、

BPSG、W等。

LPCVD反应器的结构示意图3.PECVD等离子体增强化学气相淀积(PECVD)

采用高频等离子体驱动的一种气相淀积技术，是一种射频辉光放电物理过程和化学反应相结合的技术。可在很低衬底温度下淀积薄膜，如铝(A1)上淀积Si02。

PECVD主要用于淀积绝缘层。

PECVD

淀积原理:RF激活气体分子(等离子体)，使其在低温(室温)下发生化学反应，淀积成膜。淀积机理：表面反应控制过程。优点：温度低(200-350℃)；高的淀积速率；附着性好；台阶覆盖好；电学特性好；缺点：产量低；淀积薄膜：金属化后的钝化膜(Si3N4)；多层布线的介质膜(Si3N4、SiO2)。平行板型PECVD反应器的结构示意图二、各种CVD方法6.3CVD多晶硅6.3.1多晶硅薄膜的特性

1.结构特性①由无数生长方向各不相同的小晶粒(~100nm)组成；主要生长方向(优选方向)<580℃非晶

；625℃<110>；675℃<100>；高温<110>②晶粒间界有高密度缺陷和悬挂键。

2.物理特性：扩散系数明显高于单晶硅；

3.电学特性①电阻率远高于单晶硅；(掺杂原子到晶粒间界，不贡献自由载流子；晶粒间界悬挂键俘获自由载流子)②晶粒尺寸大的薄膜电阻率小。6.2.4CVD技术6.3.2CVD多晶硅工艺：LPCVD；气体源：气态SiH4；淀积过程：①吸附：SiH4(g)→SiH4(吸附)②热分解：SiH4(吸附)=SiH2(吸附)+H2(g)SiH2(吸附)=Si(吸附)+H2(g)③淀积：Si(吸附)=Si(固)④脱吸、逸出：SiH2、H2脱离表面，逸出反应室。总反应式：SiH4(吸附)=Si(固体)+2H2(g)

6.3CVD多晶硅特点：①与Si及SiO2接触性能更好；②台阶覆盖性好。缺点：SiH4易气相分解。用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。多晶硅掺杂①扩散：电阻率低；温度高；②离子注入：电阻率是扩散的10倍；③原位掺杂：一步完成淀积掺杂，影响薄膜物理特性，淀积过程(模型)复杂；膜厚，掺杂均匀性，速率硅烷中掺硼烷(磷,砷烷)，淀积速率↑

(↓)实际应用6.4CVD二氧化硅6.4.1CVDSiO2的方法1.低温CVD(300-450℃)①气态硅烷源硅烷和氧气：APCVD、LPCVD、PECVD

淀积机理：SiH4+O2~400℃

SiO2(固)+H2硅烷和N2O(NO)：PECVD

淀积机理:SiH4+N2O200-400℃

SiO2+N2+H2O原位掺P：形成PSG

淀积机理：PH3(g)+5O2=2P2O5(固)+6H2CVDSiO2密度低，高温退火，接近热生长SiO2n>1.46富硅,n<1.46,低密度多孔薄膜优点：温度低；反应机理简单。

缺点：台阶覆盖差。6.4CVD二氧化硅硅烷接触空气燃烧，不安全，工业界避免。②液态TEOS源

PECVDTEOS正硅酸四乙脂：化学性质不活泼，N2冒泡法携带淀积机理：Si(OC2H5)4+O2

250-425℃SiO2+H2O+CXHY

加入硼酸三甲酯TMB（磷酸三甲酯TMP）掺杂。优点：安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。缺点：SiO2膜质量较热生长法差；

SiO2膜含C、有机原子团。

6.4CVD二氧化硅2.中温LPCVDSiO2(650-750℃)化学反应Si(OC2H5)4

680-730℃SiO2+2H2O+4C2H4优点：较好的保形覆盖。用途：金属淀积前的绝缘层(多晶和金属层间的绝缘);隔离层(MOSFET的LDD)6.4CVD二氧化硅6.4.2台阶覆盖保形覆盖：所有图形上淀积的薄膜厚度相同；也称共性

(conformal)覆盖。高温LPCVD：保形覆盖低温APCVD：非保形覆盖覆盖模型：①淀积速率正比于气体分子到达表面的角度；②特殊位置的淀积机理：

a直接入射b再发射c表面迁移6.4CVD二氧化硅保形覆盖的关键：①表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比；

TEOS淀积SiO2比硅烷保形覆盖好（黏滞系数小1个数量级）②再发射6.4CVD二氧化硅6.4.3CVD掺杂SiO21.PSG工艺：原位掺杂PH3；组分：P2O5和

SiO2；磷硅玻璃回流(P-glassflow)工艺：PSG受热变软易流动，可提供平滑表面；高温平坦化回流依赖温度(1000-1100℃)，压力(1×105-2.5×106Pa)，磷浓度(6-8wt%)。

PSG吸潮，形成磷酸，腐蚀铝。2.BPSG工艺：原位掺杂PH3

、B2H6；组分：B2O3-P2O5-SiO2；回流温度：850℃；接触回流：刻接触孔后二次回流，第二次T低，接触孔尖角平滑6.5CVDSi3N4Si3N4薄膜的用途：①最终钝化膜；②掩蔽膜：用于选择性氧化；③DRAM电容的绝缘材料；④MOSFETs中的侧墙；⑤浅沟隔离的CMP停止层。

6.5CVDSi3N4Si3N4薄膜的特性：①扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧；②对底层金属可保形覆盖；钝化层③针孔少；④介电常数较大：(εSi3N4=6-9,εSiO2=4.2)

不能作层间的绝缘层，寄生电容大。淀积方法：根据用途选择；

①DRAM的电容介质：LPCVD；

②最终钝化膜：PECVD(200-400℃)6.5CVDSi3N4CVDSi3N4薄膜工艺1.LPCVD①反应剂：SiH2Cl2+NH3→Si3N4+H2+HCl②温度：700-900℃；③速率：与总压力(或pSiH2Cl2)成正比；④特点：密度高；不易被稀HF腐蚀；化学配比好；保形覆盖；⑤缺点：应力大；影响Si3N4质量因素：温度(梯度)，总气压，反应剂比例6.5CVDSi3N42.PECVD①反应：SiH4+NH3(N2)

→SixNyHz+H2②H的危害：阈值漂移

H危害的解决：N2代替NH3③温度：200-400℃；温度对速率、折射率、腐蚀速率的影响：图6.21④⑤6.6金属的CVD常用的CVD金属薄膜：

Al、W、Ti、Cu6.6.1钨的CVDW的特性：①热稳定性高：熔点3410℃；②比Ti,Ta电阻率小，~Mo,7-12μΩcm③应力低(<5×104N/cm2)：④保形覆盖好；⑤抗电迁移强；⑥耐腐蚀。6.6.1钨的CVDW的缺点：①ρ高：是Al的一倍；

②在氧化物和氮化物上的附着性差：选择性淀积；W的用途：①特征尺寸小于1µm的接触孔和通孔填充；②局部(短程)互连(ρ高)；

LPCVD具有诸多优点，为金属淀积提供选择。金属CVD是全新气相淀积的方法，利用CVD台阶覆盖能力好的优点，实现高密度互联制作。用LPCVD淀积钨填充通孔。温度约300℃。和淀积铝膜工艺适应。金属进入接触孔时台阶覆盖是最关心的问题，尤其对深亚微米器件，溅射淀积金属薄膜对不断增加的高纵横比结构的台阶覆盖变得困难。旧工艺，为了保证金属覆盖在接触孔上，刻蚀期间必须小心地将侧壁刻成斜坡，金属布线时出现“钉头”(见图)。“钉头”显著降低布线密度。用金属CVD，避免“钉头”出现，布线密度提高。钨是当前最流行的金属CVD材料。

钨作为阻挡层金属，淀积可通过硅与六氟化钨WF6气体反应。