化學(xué)氣相沉積(中文版)2016年

化學(xué)氣相沉積(中文版)2016年第一頁(yè)，共61頁(yè)?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)HongXiao,Ph.D.2第二頁(yè)，共61頁(yè)?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)概念化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition)氣體或蒸氣在晶圓表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并形成固態(tài)薄膜的沉積方法.HongXiao,Ph.D.3第三頁(yè)，共61頁(yè)。沉積制程氣源分子到達(dá)晶圓表面氣源分子在表面移動(dòng)氣源分子在表面反應(yīng)成核作用：島狀物形成HongXiao,Ph.D.4第四頁(yè)，共61頁(yè)。沉積制程島狀物成長(zhǎng)島狀物成長(zhǎng)，橫截面圖島狀物合并連續(xù)薄膜HongXiao,Ph.D.5第五頁(yè)，共61頁(yè)。CVD制程APCVD：常壓化學(xué)氣相沉積法LPCVD：低壓化學(xué)氣相沉積法PECVD：等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積法HongXiao,Ph.D.6第六頁(yè)，共61頁(yè)。加熱器晶圓N2N2制程氣體排氣晶圓輸送帶輸送帶清潔裝置APCVD反應(yīng)器示意圖HongXiao,Ph.D.7第七頁(yè)，共61頁(yè)。常壓化學(xué)氣相沉積法(APCVD)APCVD制程發(fā)生在大氣壓力常壓下,適合在開放環(huán)境下進(jìn)行自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn).APCVD易于發(fā)生氣相反應(yīng),沉積速率較快,可超過(guò)1000?/min,適合沉積厚介質(zhì)層.但由于反應(yīng)速度較快,兩種反應(yīng)氣體在還未到達(dá)硅片表面就已經(jīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生生成物顆粒,這些生成物顆粒落在硅片表面,影響硅片表面的薄膜生長(zhǎng)過(guò)程,比較容易形成粗糙的多孔薄膜,使得薄膜的形貌變差.HongXiao,Ph.D.8第八頁(yè)，共61頁(yè)。低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)低氣壓(133.3Pa)下的CVD較長(zhǎng)的平均自由路徑可減少氣相成核幾率,減少顆粒,不需氣體隔離,孔洞少，成膜質(zhì)量好但是反應(yīng)速率較低,需要較高的襯底溫度HongXiao,Ph.D.9第九頁(yè)，共61頁(yè)。低壓化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)加熱線圈石英管至真空幫浦壓力計(jì)制程氣體入口晶圓裝載門晶圓中心區(qū)均溫區(qū)距離溫度晶舟HongXiao,Ph.D.10第十頁(yè)，共61頁(yè)。等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)射頻在沉積氣體中感應(yīng)等離子體場(chǎng)以提高反應(yīng)效率，因此，低溫低壓下有高的沉積速率.表面所吸附的原子不斷受到離子與電子的轟擊,容易遷移,使成膜均勻性好,臺(tái)階覆蓋性好HongXiao,Ph.D.11第十一頁(yè)，共61頁(yè)。制程反應(yīng)室制程反應(yīng)室副產(chǎn)品被泵浦抽走加熱板晶圓等離子體RF功率產(chǎn)生器等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)HongXiao,Ph.D.12第十二頁(yè)，共61頁(yè)。保形覆蓋是指無(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沉積有相同厚度的薄膜保形覆蓋HongXiao,Ph.D.13第十三頁(yè)，共61頁(yè)。到達(dá)角度ABC270°90°180°薄膜的厚度正比于到達(dá)角的取值范圍HongXiao,Ph.D.14第十四頁(yè)，共61頁(yè)。階梯覆蓋性與保形性abcd基片結(jié)構(gòu)CVD薄膜hwHongXiao,Ph.D.15第十五頁(yè)，共61頁(yè)。嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成空洞金屬介電質(zhì)介電質(zhì)介電質(zhì)空洞金屬金屬HongXiao,Ph.D.16第十六頁(yè)，共61頁(yè)。金屬3金屬4金屬層間介電質(zhì)3金屬層間介電質(zhì)2HongXiao,Ph.D.17第十七頁(yè)，共61頁(yè)。影響階梯覆蓋的因素源材料的到達(dá)角度源材料的再發(fā)射源材料的表面遷移率黏附系數(shù)HongXiao,Ph.D.18第十八頁(yè)，共61頁(yè)。黏附系數(shù)源材料原子和基片表面產(chǎn)生一次碰撞的過(guò)程中，能與基片表面形成一個(gè)化學(xué)鍵并被表面吸附的機(jī)率HongXiao,Ph.D.19第十九頁(yè)，共61頁(yè)。黏附系數(shù)源材料黏附系數(shù)SiH43x10-4至3x10-5SiH30.04至0.08SiH20.15SiH0.94TEOS10-3WF610-4HongXiao,Ph.D.20第二十頁(yè)，共61頁(yè)。CVD源材料硅烷(SiH4)四乙氧基硅烷(tetra-ethyl-oxy-silane,TEOS,Si(OC2H5)4)HongXiao,Ph.D.21第二十一頁(yè)，共61頁(yè)。CVD源材料:硅烷自燃性的(自己會(huì)燃燒),易爆的,以及有毒的打開沒有徹底吹除凈化的硅烷氣體管路，可能引起火災(zāi)或是小爆炸，并形成微細(xì)的二氧化硅粒子使氣體管路布滿灰塵HongXiao,Ph.D.22第二十二頁(yè)，共61頁(yè)。HSiHHHSiHHHH硅烷分子結(jié)構(gòu)HongXiao,Ph.D.23第二十三頁(yè)，共61頁(yè)。CVD源材料吸附:硅烷硅烷分子完全對(duì)稱的四面體不會(huì)形成化學(xué)吸附或物理吸附但硅烷高溫分解或等離子體分解的分子碎片,SiH3,SiH2,orSiH,很容易與基片表面形成化學(xué)鍵，黏附系數(shù)大表面遷移率低,通常會(huì)產(chǎn)生懸突和很差的階梯覆蓋HongXiao,Ph.D.24第二十四頁(yè)，共61頁(yè)。四乙氧基硅烷(TEOS)室溫下為液態(tài)化學(xué)性能不活潑安全HongXiao,Ph.D.25第二十五頁(yè)，共61頁(yè)。CVD源材料吸附:四乙氧基硅烷(TEOS)四乙氧基硅烷(tetra-ethyl-oxy-silane,TEOS,Si(OC2H5)4)，也稱正硅酸四乙酯大型有機(jī)分子TEOS分子不是完整對(duì)稱的可以與表面形成氫鍵并物理吸附在基片表面表面遷移率高好的階梯覆蓋、保形性與間隙填充廣泛使用在氧化物的沉積上HongXiao,Ph.D.26第二十六頁(yè)，共61頁(yè)。因?yàn)門EOS比硅烷熱分解產(chǎn)物的黏附系數(shù)小一個(gè)數(shù)量級(jí),所以TEOS在表面的遷移能力與再發(fā)射能力都很強(qiáng),臺(tái)階覆蓋性較好.硅烷成本低，沉積速率較快兩種主要CVD源材料的主要特點(diǎn)HongXiao,Ph.D.27第二十七頁(yè)，共61頁(yè)。CVD工藝應(yīng)用多晶硅SiO2Si3N4W硅化鎢TiNHongXiao,Ph.D.28第二十八頁(yè)，共61頁(yè)。多晶硅的特性與沉積方法多晶硅薄膜是由小單晶(大約是100nm量級(jí))的晶粒組成,因此存在大量的晶粒間界多晶硅薄膜的沉積,通常主要是采用LPCVD工藝,在580~650下熱分解硅烷實(shí)現(xiàn)的SiH4(吸附)=Si(固)+2H2(氣)HongXiao,Ph.D.29第二十九頁(yè)，共61頁(yè)。在一般的摻雜濃度下,同樣的摻雜濃度下,多晶硅的電阻率比單晶硅的電阻率高得多,主要是由于晶粒間界含有大量的懸掛鍵,可以俘獲自由載流子,但在高摻雜情況下,多晶硅的電阻率比單晶硅的電阻相差不大.高摻雜多晶硅作為柵電極和短程互聯(lián)線在MOS集成電路得到廣泛應(yīng)用。常常將鎢、鈦、鈷(考慮到離子注入后的退火,這里只能用難熔金屬)等硅化物做在多晶硅薄膜上,形成具有較低的方塊電阻（相對(duì)于單獨(dú)的多晶硅而言）。HongXiao,Ph.D.30第三十頁(yè)，共61頁(yè)。

金屬硅化物多晶硅氮化硅阻擋層O3

-TEOSBPSGHongXiao,Ph.D.31第三十一頁(yè)，共61頁(yè)。TEOS為源的低溫PECVD二氧化硅Si(OC2H5)4+O2→SiO2+副產(chǎn)物比用氣體硅烷源更安全,因?yàn)門EOS室溫下為液體,而且化學(xué)性能不活潑,所沉積薄膜保形性好。二氧化硅的CVD沉積方法HongXiao,Ph.D.32第三十二頁(yè)，共61頁(yè)。中溫(650~750℃)LPCVD二氧化硅Si(OC2H5)4+O2→SiO2+4C2H4+2H2O成膜質(zhì)量好,但如果鋁層已沉積,這個(gè)溫度是不允許的HongXiao,Ph.D.33第三十三頁(yè)，共61頁(yè)。PE-TEOS對(duì)O3-TEOS等離子體增強(qiáng)-TEOS臭氧-TEOS階梯覆蓋率:50%階梯覆蓋率:90%保形性:87.5%保形性:100%HongXiao,Ph.D.34第三十四頁(yè)，共61頁(yè)。CVD氧化層vs.加熱成長(zhǎng)的氧化層熱成長(zhǎng)薄膜CVD沉積薄膜硅裸片晶圓SiO2SiO2SiSiSiHongXiao,Ph.D.35第三十五頁(yè)，共61頁(yè)。CVD二氧化硅應(yīng)用鈍化層淺溝槽絕緣(STI)側(cè)壁空間層金屬沉積前的介電質(zhì)層(PMD)金屬層間介電質(zhì)層(IMD)HongXiao,Ph.D.36第三十六頁(yè)，共61頁(yè)。淺溝槽絕緣(STI)成長(zhǎng)襯墊氧化層沉積氮化硅蝕刻氮化硅，氧化硅與硅基片成長(zhǎng)阻擋氧化層CVDUSG溝槽填充CMPUSGUSG退火SiSiSiSiSi剝除氮化硅與氧化硅USGUSGUSGHongXiao,Ph.D.37第三十七頁(yè)，共61頁(yè)。淺溝槽絕緣(STI)HongXiao,Ph.D.38第三十八頁(yè)，共61頁(yè)。側(cè)壁空間層形成基片多晶硅柵極二氧化硅基片多晶硅柵極二氧化硅側(cè)壁空間層HongXiao,Ph.D.39第三十九頁(yè)，共61頁(yè)。金屬沉積前的介電質(zhì)層(PMD)PMD:金屬沉積前的流平層為降低流平溫度，PMD一般為摻雜的氧化物PSG或BPSGPSG(摻磷SiO2,即磷硅玻璃)：可減少硅玻璃的加熱回流溫度,可以形成更為平坦的表面.BPSG(在PSG基礎(chǔ)上摻硼形成的硼磷硅玻璃)

：可以進(jìn)一步減低回流的圓滑溫度而磷的濃度不會(huì)過(guò)量HongXiao,Ph.D.40第四十頁(yè)，共61頁(yè)。PSG在攝氏1100°C,N2氣氛中退火20分鐘回流圓滑情形0wt%4.6wt%2.2wt%7.2wt%資料來(lái)源:VLSITechnology,byS.M.Sze磷越高,回流的溫度越低HongXiao,Ph.D.41第四十一頁(yè)，共61頁(yè)。BPSG在攝氏850°C和N2氣氛中回流圓滑30分鐘HongXiao,Ph.D.42第四十二頁(yè)，共61頁(yè)。PMD制程的發(fā)展尺寸

PMD

平坦化

再流動(dòng)溫度

>2mm

PSG

回流圓滑

1100。C

2-0.35

mm

BPSG

回流圓滑

850-900。C

0.25mm

BPSG

回流圓滑+CMP

750。C

0.18

mm

PSG

CMP

-

CMP:化學(xué)機(jī)械拋光HongXiao,Ph.D.43第四十三頁(yè)，共61頁(yè)?；瘜W(xué)機(jī)械拋光CMPHongXiao,Ph.D.44第四十四頁(yè)，共61頁(yè)。金屬金屬金屬

CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)平坦化制程HongXiao,Ph.D.45第四十五頁(yè)，共61頁(yè)。金屬層間介電質(zhì)層(IMD)金屬層間介電質(zhì)層(IMD)主要起絕緣作用一般為未摻雜的硅玻璃(USG)或FSG溫度受限于鋁金屬熔化通常是400°C等離子體增強(qiáng)-四乙氧基硅烷,臭氧-四乙氧基硅烷和高密度等離子體HongXiao,Ph.D.46第四十六頁(yè)，共61頁(yè)。HongXiao,Ph.D.47第四十七頁(yè)，共61頁(yè)。CVD氮化硅的特性與沉積方法很適合于作鈍化層,因?yàn)樗蟹浅?qiáng)的抗擴(kuò)散能力,尤其是鈉和水汽在氮化硅中的擴(kuò)散系數(shù)很小;另外，還可以作PSG或BPSG的擴(kuò)散阻擋層HongXiao,Ph.D.48第四十八頁(yè)，共61頁(yè)。CVD氧化硅與CVD氮化硅的特性氧化硅(SiO2)氮化硅(Si3N4)高介電強(qiáng)度,>1x107V/cm高介電強(qiáng)度,>1x107V/cm低介電常數(shù),k=3.9高介電常數(shù),k=7.0紫外線可穿透氮化物紫外線無(wú)法穿透可以被P或B摻雜對(duì)水氣與可移動(dòng)離子的阻擋性不佳(Na+)對(duì)水氣與可移動(dòng)離子的阻擋性佳(Na+)HongXiao,Ph.D.49第四十九頁(yè)，共61頁(yè)。具有深寬比4:1的0.25mm間隙

金屬硅化物多晶硅氮化硅阻擋層O3

-TEOSBPSGO3-TEOSBPSG間隙填充HongXiao,Ph.D.50第五十頁(yè)，共61頁(yè)。SiCl2H2(氣)+4NH3(氣)

→Si3N4(固)+

6HCl(氣)+6H2(氣)LPCVD氮化硅薄膜需要較高的沉積溫度(700~800℃),可用作電容的介質(zhì)層,不適合作鈍化層PECVD氮化硅薄膜SiH4(氣)+NH3(或N2氣)

→SixNyHx+H2(氣)沉積溫度低(200~400℃),適合作鈍化層HongXiao,Ph.D.51第五十一頁(yè)，共61頁(yè)。金屬的化學(xué)氣相沉積鎢的電阻率比鋁合金要大，但是比相應(yīng)的難熔金屬硅化物及氮化物的電阻率要低，其主要作用為：鎢塞（鎢栓）：當(dāng)接觸孔和通孔的最小尺寸大于1μm時(shí)，用Al膜可以實(shí)現(xiàn)很好的填充，但是對(duì)于特征尺寸小于1μm的工藝，Al無(wú)法完全填充接觸孔和通孔，但CVD鎢則能完全填充。鎢的另一用途為局部短程互聯(lián)線HongXiao,Ph.D.52第五十二頁(yè)，共61頁(yè)。HongXiao,Ph.D.53第五十三頁(yè)，共61頁(yè)。用鎢填充接觸孔和通孔的主要工藝：(1)沉積接觸層：通常是用Ti作接觸層，因?yàn)門i與硅有更小的接觸電阻；(2)沉積附著/阻擋層：通常是TiN，因?yàn)殒u對(duì)TiN有較好的附著性HongXiao,Ph.D.54第五十四頁(yè)，共61頁(yè)。(3)覆蓋式化學(xué)氣相沉積鎢：典型工藝是兩步沉積，首先使用硅烷還原反應(yīng)形成一薄層鎢，大約幾十個(gè)納米左右，然后用氫氣還原反應(yīng)沉積剩余的鎢膜；(4)鎢膜的回刻；(5)附著層與接觸層的回刻。2WF6(氣)+SiH4(氣)

→W(固)+3SiF4(氣)+6H2(氣)2WF6(氣)+3H2(氣)

→W(固)+6HF(氣)因?yàn)橹苯佑脷錃膺€原反應(yīng)沉積的鎢膜，在TiN表面不能很好附著.HongXiao,Ph.D.55第五十五頁(yè)，共61頁(yè)。硅化鎢的化學(xué)氣相沉積常常將鎢、鈦、鈷等硅化物做在多晶硅薄膜上,形成多層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)，以具有較低的方塊電阻（相對(duì)于單獨(dú)的多晶硅而言）。WF6(氣)+2SiH4(氣)

→WSi2(固)+6HF(氣)+H2(氣)HongXiao,Ph.D.56第五十六頁(yè)，共61頁(yè)。具有深寬比4:1的0.25mm