《化学气相沉积》PPT课件

1、第六章 化学气相沉积,6.1 CVD概述 6.2 CVD工艺原理 6.3 CVD工艺方法 6.4 二氧化硅薄膜的淀积 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,MSI时代nMOS晶体管的各层膜,p+ silicon substrate,p- epi layer,场氧化层,n+,n+,p+,p+,n-well,ILD,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硅片上的多层金属化,芯片中的金属层,6.1 CVD概述,对薄膜的要求,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

2、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,6.1 CVD概述,1）物理气相淀积 Physical Vapor Deposition (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 evaporation，溅射sputtering 2）化学气相淀积 Chemical Vapor Deposition (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,6.1 CVD概

3、述,除了CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有:,6.1 CVD概述,化学气相淀积（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,6.1 CVD概述,CVD相对于PVD,有什么优点？,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（step coverage),6.1 CVD概述,单晶 (外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜 半导体、介质、

4、金属薄膜 常压化学气相淀积（APCVD），低压CVD (LPCVD)，等离子体增强淀积（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）,6.2 CVD工艺原理,化学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,边界层理论,气体速度受到扰动并按抛物线

5、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） 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Um,6.2 CVD工艺原理,6.2 CVD工艺原理,Grove模型 从简单的生长模型出发，用动力学方法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：

6、反应剂在主气流中的浓度 Cs：反应剂在硅表面处的浓度,6.2 CVD工艺原理,其中：hG 是质量输运系数， ks 是表面化学反应系数,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,结论： （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（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,6.2 CVD工艺原理,升高温度可以提高

7、淀积速率 但随着温度的上升，淀积速率对温度的敏感度不断下降；当温度高过某个值后，淀积速率受质量输运速率控制,薄膜淀积速率,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,6.2 CVD工艺原理,斜率与激活能Ea成正比,以硅外延为例（1 atm，APCVD）,hG 常数,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。,6.2 CVD工艺原理,当工作在高温区,质量控制为主导，hG是常数，此

8、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形状有关,6.2 CVD工艺原理,6.3 CVD工艺方法,化学气相淀积系统 气态源或液态源 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),6.3 CVD工艺方法,气体源趋向液态 气态源不安全 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,质量流量控制系统,进入反应室的气体流量精确可控 控制反应室的气压 直接控制

9、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，一个标准大气压下，每分钟通过的气体体积,6.3 CVD工艺方法,CVD反应室的热源,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：TwTs Tw：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，根据需要进行选择。,6.3 CVD工艺方法,6.3 CVD工艺方法,常压化学气相淀积(APCVD) 低压化学气相淀积(LPCVD) 等离子增强化学气相淀积(PECVD),6.3 CVD工艺方法,6.3 CVD工艺方法,APCVD反应器的结构示意图,6.3 CVD工艺方法

10、,6.3 CVD工艺方法,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提出高的要求,APCVD,斜率与激活能Ea成正比,APCVD的主要问题：低产率（throughput） 高温淀积：硅片需水平放置 低温淀积：反应速率低,6.3 CVD工艺方法,单晶硅外延要采用图中的卧式反应设备，放置硅片的石墨舟为什么要有倾斜?,6.3 CVD工艺方法,界面层厚度s是x方向平板长度的函数。,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,

11、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；,6.3 CVD工艺方法,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。,6.3 CVD工艺方法,低压化学气相淀积 （LPCVD）,因此低压可以大大提高hG的值。 例如在压力为1 torr时，DG可以提高760倍，而ds只提高约7倍，所以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

12、运控制区域：,6.3 CVD工艺方法,33/40,分子自由程变长，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, 反比于气体压强,r为气体分子的半径,平均自由程,6.3 CVD工艺方法,LPCVD反应器的结构示意图,低压化学气相淀积 （LPCVD）,6.3 CVD工艺方法,低压化学气相淀积 （LPCVD）,6.3 CVD工艺方法,表面反应速率控制

13、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,低压化学气相淀积 （LPCVD）,6.3 CVD工艺方法,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： 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,6.3 CV

14、D工艺方法,Batch processing：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 低温淀积过程 淀积速率快 生产效率高 生产成本低,LPCVD法的主要特点,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 PECVD,6.3 CVD工艺方法,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。 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。,等离子体增强化学气相淀积 （PECVD）

15、,6.3 CVD工艺方法,等离子体中的电子与反应气体分子碰撞 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。,等离子体增强化学气相淀积 （PECVD）,6.3 CVD工艺方法,APCVD 设备简单，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

16、反应控制淀积速率。,CVD的三种方法比较,6.3 CVD工艺方法,CVD的三种方法比较,6.3 CVD工艺方法,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 high deposition rate at relatively low temperature Improve film quality and stress control through ion bombardment（炮击，轰击） 表面反应控制淀积速率,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。 保形覆盖：无论衬

17、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）,6.3 CVD工艺方法,台阶覆盖（保角性 conformality）,1、淀积速率正比于气体分子到达角度,6.3 CVD工艺方法,台阶覆盖（保角性 conformality）,6.3 CVD工艺方法,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，APCVD SiO2时，薄膜在台阶顶部处最厚，在拐

18、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）,6.3 CVD工艺方法,台阶覆盖（保角性 conformality）,6.3 CVD工艺方法,遮蔽效应 LPCVD工艺、PVD中的蒸发和溅射 反应剂分子的平均自由程很长，且在衬底表面上的迁移能力又很低的情况下，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的点处的膜厚,台阶覆盖（保角性 conformality）,6.3 CVD工艺方法,磷硅玻璃 在淀积SiO2的气体中同时掺入PH3 ，就可形成磷硅玻璃（PSG) PSG对水汽的阻挡能力不强，故在高磷情况下有很强的吸潮性； PSG可以吸收碱性离子、吸收杂质； PSG在高温下（10001100）可以流动，使随后淀积的薄膜有更好的台阶覆盖。,台阶覆盖