化學(xué)氣相沉積

第六章化學(xué)(huàxué)氣相沉積6.1CVD概述6.2CVD工藝原理6.3CVD工藝方法6.4二氧化硅(èryǎnghuàguī)薄膜的淀積6.5氮化硅薄膜淀積6.6多晶硅薄膜淀積6.7金屬及金屬化合物薄膜1精品資料MSI時(shí)代(shídài)nMOS晶體管的各層膜p+siliconsubstratep-epilayer場(chǎng)氧化層n+n+p+p+n-wellILD氧化硅墊氧化(yǎnghuà)層氧化硅氮化硅頂層?xùn)叛趸瘜觽?cè)墻氧化層金屬前氧化層Poly金屬多晶金屬精品資料ULSI硅片上的多層金屬化鈍化層壓點(diǎn)金屬p+SiliconsubstrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3M-4p-Epitaxiallayerp+ILD-6LIoxideSTIn-wellp-wellILD-1Polygaten+p+p+n+n+LImetal精品資料芯片(xīnpiàn)中的金屬層精品資料6.1CVD概述(ɡàishù)對(duì)薄膜的要求(yāoqiú)好的臺(tái)階覆蓋能力填充高的深寬比間隙的能力好的厚度均勻性高純度和高密度受控制的化學(xué)劑量高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應(yīng)力好的電學(xué)特性對(duì)襯底材料或下層膜好的黏附性精品資料6.1CVD概述(ɡàishù)1）物理氣相淀積—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某種物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即將原子或分子轉(zhuǎn)移到襯底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術(shù)。例如：蒸發(fā)(zhēngfā)evaporation，濺射sputtering2）化學(xué)氣相淀積—ChemicalVaporDeposition(CVD)通過(guò)氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積一層薄膜材料的過(guò)程。例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD兩類(lèi)主要的淀積方式精品資料6.1CVD概述(ɡàishù)除了(chúle)CVD和PVD外，制備薄膜的方法還有:銅互連是由電鍍工藝制作旋涂Spin-on鍍/電鍍electrolessplating/electroplating精品資料6.1CVD概述(ɡàishù)化學(xué)(huàxué)氣相淀積（CVD）CVD技術(shù)特點(diǎn)：具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復(fù)性好、臺(tái)階覆蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設(shè)備簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)CVD方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬)等精品資料6.1CVD概述(ɡàishù)CVD相對(duì)于PVD,有什么(shénme)優(yōu)點(diǎn)？跟材料特性相關(guān)的性質(zhì)——結(jié)晶性和理想配比都比較好薄膜成分和膜厚容易控制*淀積溫度低*臺(tái)階覆蓋性好（stepcoverage)

精品資料6.1CVD概述(ɡàishù)單晶(外延）、多晶、非晶（無(wú)定型）薄膜半導(dǎo)體、介質(zhì)、金屬薄膜常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD），低壓CVD(LPCVD)，等離子體(děnglízǐtǐ)增強(qiáng)淀積（PECVD）等CVD反應(yīng)必須滿足三個(gè)揮發(fā)性標(biāo)準(zhǔn)在淀積溫度下,反應(yīng)劑必須具備足夠高的蒸汽壓除淀積物質(zhì)外,反應(yīng)產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓化學(xué)氣相淀積（CVD）精品資料6.2CVD工藝(gōngyì)原理化學(xué)(huàxué)氣相淀積的基本過(guò)程1、反應(yīng)劑氣體混合物以合理的流速被輸運(yùn)到沉積區(qū)2、反應(yīng)劑氣體由主氣流通過(guò)邊界層擴(kuò)散到襯底表面3、反應(yīng)劑氣體吸附在襯底表面上4、吸附原子（分子）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成薄膜基本元素5、副產(chǎn)物分子離開(kāi)襯底表面，由襯底外擴(kuò)散到主氣流，排出精品資料邊界層理論(lǐlùn)氣體速度受到擾動(dòng)并按拋物線型變化(biànhuà)、同時(shí)還存在反應(yīng)劑濃度梯度的薄層稱(chēng)為邊界層（附面層、滯留層）氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)小于反應(yīng)室的幾何尺寸，可以認(rèn)為氣體為黏滯性流動(dòng)由于氣體的黏滯性，氣體與硅片表面或側(cè)壁存在摩擦力，該摩擦力使緊貼硅片表面或者側(cè)壁的氣體流速為零在離硅片表面或者側(cè)壁一定距離處，氣體流速過(guò)渡到最大氣流Um6.2CVD工藝原理精品資料6.2CVD工藝(gōngyì)原理Grove模型從簡(jiǎn)單的生長(zhǎng)模型出發(fā)，用動(dòng)力學(xué)方法(fāngfǎ)研究化學(xué)氣相淀積推導(dǎo)出生長(zhǎng)速率的表達(dá)式及其兩種極限情況。與熱氧化生長(zhǎng)稍有不同的是，沒(méi)有了在SiO2中的擴(kuò)散流F1：主氣流到襯底表面的反應(yīng)劑流密度F2：反應(yīng)劑在表面反應(yīng)后淀積成固態(tài)薄膜的流密度Cg：反應(yīng)劑在主氣流中的濃度Cs：反應(yīng)劑在硅表面處的濃度精品資料6.2CVD工藝(gōngyì)原理其中：hG是質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)，ks是表面(biǎomiàn)化學(xué)反應(yīng)系數(shù)在穩(wěn)態(tài)，兩類(lèi)粒子流密度應(yīng)相等，這樣得到可得：（1）hg>>ks時(shí)，Cs趨向Cg，淀積速率受表面化學(xué)反應(yīng)控制（2）ks>>hg時(shí)，Cs趨向0，淀積速率受質(zhì)量輸運(yùn)速率控制Grove模型精品資料結(jié)論(jiélùn)：（1）淀積速率與Cg（反應(yīng)劑的濃度）或者Y（反應(yīng)劑的摩爾百分比）成正比；（2）在Cg或者Y為常數(shù)時(shí)，薄膜淀積速率將由Ks和hg中較小的一個(gè)決定。薄膜淀積速率(sùlǜ)（其中N1表示形成一個(gè)單位體積薄膜所需要的原子數(shù)量）：Grove模型6.2CVD工藝原理精品資料升高溫度可以提高淀積速率(sùlǜ)但隨著溫度的上升，淀積速率(sùlǜ)對(duì)溫度的敏感度不斷下降；當(dāng)溫度高過(guò)某個(gè)值后，淀積速率(sùlǜ)受質(zhì)量輸運(yùn)速率(sùlǜ)控制薄膜淀積速率(sùlǜ)圖6.8硅膜淀積速率與溫度倒數(shù)的關(guān)系表面化學(xué)反應(yīng)控制：溫度質(zhì)量輸運(yùn)速率控制：位置6.2CVD工藝原理斜率與激活能Ea成正比精品資料以硅外延(wàiyán)為例（1atm，APCVD）hG常數(shù)(chángshù)Ea

值相同外延硅淀積往往是在高溫下進(jìn)行，以確保所有硅原子淀積時(shí)排列整齊，形成單晶層。為質(zhì)量輸運(yùn)控制過(guò)程。此時(shí)對(duì)溫度控制要求不是很高，但是對(duì)氣流要求高。多晶硅生長(zhǎng)是在低溫進(jìn)行，是表面反應(yīng)控制，對(duì)溫度要求控制精度高。6.2CVD工藝原理精品資料當(dāng)工作在高溫區(qū),質(zhì)量(zhìliàng)控制為主導(dǎo)，hG是常數(shù)，此時(shí)反應(yīng)氣體通過(guò)邊界層的擴(kuò)散很重要，即反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)和晶片如何放置顯得很重要。關(guān)鍵兩點(diǎn)：ks控制的淀積主要和溫度有關(guān)hG控制的淀積主要和反應(yīng)腔體幾何(jǐhé)形狀有關(guān)6.2CVD工藝原理精品資料6.3CVD工藝(gōngyì)方法化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)氣態(tài)源或液態(tài)(yètài)源氣體輸入管道氣體流量控制系統(tǒng)反應(yīng)室基座加熱及控制系統(tǒng)溫度控制及測(cè)量系統(tǒng)減壓系統(tǒng)（LPCVD和PECVD)精品資料6.3CVD工藝(gōngyì)方法氣體源趨向液態(tài)氣態(tài)源不安全(ānquán)淀積的薄膜特性不好液態(tài)源的輸送保存在室溫下的液態(tài)源，使用時(shí)先注入到氣化室中，氣化后直接輸送到反應(yīng)室中精品資料質(zhì)量(zhìliàng)流量控制系統(tǒng)進(jìn)入反應(yīng)室的氣體流量精確可控控制反應(yīng)室的氣壓(qìyā)直接控制氣體流量，質(zhì)量流量控制系統(tǒng)質(zhì)量流量計(jì)閥門(mén)氣體流量單位:體積/單位時(shí)間溫度為273K，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(qìyā)下，每分鐘通過(guò)的氣體體積6.3CVD工藝方法精品資料CVD反應(yīng)(fǎnyìng)室的熱源薄膜是在高于室溫的溫度下淀積的。熱壁系統(tǒng)：Tw=Ts冷壁系統(tǒng)：Tw<TsTw：反應(yīng)室的側(cè)壁溫度Ts：放置硅片的基座溫度熱壁和冷壁淀積室各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)(gēnjù)需要進(jìn)行選擇。6.3CVD工藝方法精品資料6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料常壓化學(xué)(huàxué)氣相淀積(APCVD)低壓化學(xué)(huàxué)氣相淀積(LPCVD)等離子增強(qiáng)化學(xué)(huàxué)氣相淀積(PECVD)6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料6.3CVD工藝(gōngyì)方法APCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)示意圖精品資料6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料6.3CVD工藝(gōngyì)方法操作簡(jiǎn)單，淀積速率高，適合介質(zhì)薄膜的淀積。易發(fā)生氣相反應(yīng)，產(chǎn)生污染臺(tái)階覆蓋性和均勻性比較差質(zhì)量輸運(yùn)控制淀積速率，對(duì)反應(yīng)室結(jié)構(gòu)和氣流模式(móshì)提出高的要求APCVD精品資料斜率(xiélǜ)與激活能Ea成正比APCVD的主要問(wèn)題：低產(chǎn)(dīchǎn)率（throughput）高溫淀積：硅片需水平放置低溫淀積：反應(yīng)速率低6.3CVD工藝方法精品資料單晶硅外延要采用(cǎiyòng)圖中的臥式反應(yīng)設(shè)備，放置硅片的石墨舟為什么要有傾斜?6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料界面層厚度s是x方向(fāngxiàng)平板長(zhǎng)度的函數(shù)。a.隨著x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀積受質(zhì)量傳輸(chuánshū)控制，則淀積速度會(huì)下降；b.沿支座方向反應(yīng)氣體濃度的減少,同樣導(dǎo)致淀積速度會(huì)下降。為氣體粘度；為氣體密度；U為氣體速度；6.3CVD工藝方法精品資料支座傾斜可以促使s(x)沿x變化減小。原理：由于支座傾斜后，氣流的流過(guò)的截面積下降，導(dǎo)致氣流速度(sùdù)的增加，進(jìn)而導(dǎo)致s(x)沿x減小和hG的增加。從而用加大hG的方法來(lái)補(bǔ)償沿支座長(zhǎng)度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速率的下降。尤其對(duì)質(zhì)量傳輸控制的淀積至關(guān)重要，如APCVD法外延硅。6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料低壓(dīyā)化學(xué)氣相淀積（LPCVD）因此低壓可以大大提高h(yuǎn)G的值。例如在壓力為1torr時(shí)，DG可以提高760倍，而ds只提高約7倍，所以(suǒyǐ)hG可以提高100倍。氣體在界面不再受到傳輸速率限制。在質(zhì)量輸運(yùn)控制區(qū)域：6.3CVD工藝方法精品資料33/40分子自由(zìyóu)程變長(zhǎng)，反應(yīng)氣體質(zhì)量遷移速率相對(duì)于表面反應(yīng)速率大大增加，這就克服了質(zhì)量傳輸限制，使淀積薄膜的厚度均勻性提高，也便于采用直插密集裝片降低氣體壓力，氣體分子的自由(zìyóu)程加長(zhǎng)，氣相反應(yīng)中容易生成亞穩(wěn)態(tài)的中間產(chǎn)物，從而降低了反應(yīng)激活能，因此，在不改變淀積速率的情況下，淀積溫度就可以低于APCVD的淀積溫度反比(fǎnbǐ)于氣體壓強(qiáng)r為氣體分子的半徑平均自由程6.3CVD工藝方法精品資料LPCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)示意圖低壓(dīyā)化學(xué)氣相淀積（LPCVD）6.3CVD工藝方法精品資料低壓(dīyā)化學(xué)氣相淀積（LPCVD）6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料表面反應(yīng)速率控制淀積速率原因：在較低的氣壓下，氣體的擴(kuò)散速率比在一個(gè)大氣壓下高出很多倍。結(jié)果：對(duì)溫度比較敏感，溫度相對(duì)來(lái)說(shuō)較易控制，對(duì)反應(yīng)室結(jié)構(gòu)要求不高，可放置較多的硅片。優(yōu)點(diǎn)增加產(chǎn)率—晶片可直插放置許多片（100-200）污染少，均勻(jūnyún)性和臺(tái)階覆蓋性較APCVD好缺點(diǎn)：相對(duì)低的淀積速率，相對(duì)高的工作溫度低壓(dīyā)化學(xué)氣相淀積（LPCVD）6.3CVD工藝方法精品資料LPCVD氣缺現(xiàn)象：當(dāng)氣體反應(yīng)劑被消耗而出現(xiàn)的反應(yīng)劑濃度改變的現(xiàn)象對(duì)于只有一個(gè)入氣口的反應(yīng)室，情況比較嚴(yán)重。措施(cuòshī)：在水平方向上逐漸提高溫度來(lái)加快反應(yīng)速度，從而提高淀積速率采用分布式的氣體入口增加反應(yīng)室中的氣流速度6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料Batchprocessing：同時(shí)100-200片薄膜厚度均勻性好可以精確控制薄膜的成份和結(jié)構(gòu)臺(tái)階覆蓋性較好低溫(dīwēn)淀積過(guò)程淀積速率快生產(chǎn)效率高生產(chǎn)成本低LPCVD法的主要(zhǔyào)特點(diǎn)有時(shí)，淀積溫度需很低，薄膜質(zhì)量要求又很高。如：在形成的Al層上面淀積介質(zhì)等。解決辦法：等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD6.3CVD工藝方法精品資料最常用反應(yīng)激活能：通過(guò)非熱能源的射頻（RF）等離子體來(lái)激活和維持化學(xué)反應(yīng)(huàxuéfǎnyìng)。低溫淀積應(yīng)用：在Al上淀積二氧化硅或氮化硅較高的淀積速率表面反應(yīng)速率控制淀積速率，精確控制襯底的溫度，可得到均勻的薄膜。等離子體增強(qiáng)(zēngqiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）6.3CVD工藝方法精品資料等離子體中的電子與反應(yīng)氣體分子碰撞(pènɡzhuànɡ)反應(yīng)氣體分子分解成多種成份：離子、原子及活性基團(tuán)活性基團(tuán)不斷吸附在基片表面上吸附在表面上的活性基團(tuán)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜層表面吸附的離子受到離子和電子的轟擊，易遷移，發(fā)生重新排列。淀積的薄膜均勻性良好，具有填充小尺寸結(jié)構(gòu)的能力。等離子體增強(qiáng)(zēngqiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）6.3CVD工藝方法精品資料APCVD設(shè)備簡(jiǎn)單(jiǎndān)，淀積速率大（>1000A/min）。易氣相成核，均勻性不好，材料利用率低。質(zhì)量輸運(yùn)控制淀積速率。LPCVD均勻性好，臺(tái)階覆蓋性好，污染少。對(duì)反應(yīng)室結(jié)構(gòu)要求低。裝片量大。淀積速度低，工作溫度高。表面反應(yīng)控制淀積速率。CVD的三種(sānzhǒnɡ)方法比較6.3CVD工藝方法精品資料CVD的三種方法(fāngfǎ)比較6.3CVD工藝(gōngyì)方法PECVD反應(yīng)溫度低，附著性好，良好的階梯覆蓋，良好的電學(xué)特性可以與精細(xì)圖形轉(zhuǎn)移工藝兼容，薄膜應(yīng)力低，主流工藝。具備LPCVD的優(yōu)點(diǎn)highdepositionrateatrelativelylowtemperatureImprovefilmqualityandstresscontrolthroughionbombardment（炮擊，轟擊）表面反應(yīng)控制淀積速率精品資料共形臺(tái)階覆蓋非共形臺(tái)階覆蓋均勻厚度臺(tái)階覆蓋：淀積薄膜的表面幾何形貌(xínɡm(xù)ào)與半導(dǎo)體表面的各種臺(tái)階形狀的關(guān)系。保形覆蓋：無(wú)論襯底表面有什么樣的傾斜圖形，在所有圖形的上面都能淀積相同厚度的薄膜原因：反應(yīng)物在吸附、反應(yīng)時(shí)有顯著的表面遷移臺(tái)階覆蓋（保角性conformality）6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料臺(tái)階覆蓋（保角性conformality）1、淀積速率正比(zhèngbǐ)于氣體分子到達(dá)角度6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料臺(tái)階覆蓋（保角性conformality）6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料舉例在APCVD中，以SiH4和氧氣為反應(yīng)劑沉淀SiO2因SiH4的黏滯系數(shù)很大，淀積速率(sùlǜ)正比于氣體分子到達(dá)表面時(shí)的角度范圍到達(dá)角反應(yīng)物到達(dá)半導(dǎo)體表面時(shí)有不同的角度在一個(gè)陡峭的臺(tái)階處，APCVDSiO2時(shí)，薄膜在臺(tái)階頂部處最厚，在拐角處最薄。SiO2薄膜在拐角處的斜率大于90o，使得隨后的薄膜淀積和各項(xiàng)異性刻蝕變得非常困難。臺(tái)階覆蓋（保角性conformality