soc工藝課件-ch7化學(xué)氣相淀積

微電子制造工藝概論第7章化學(xué)氣相淀積7.1CVD概述7.2CVD工藝原理7.3CVD工藝方法7.4二氧化硅薄膜的淀積7.5氮化硅薄膜淀積7.6多晶硅薄膜的淀積7.7CVD金屬及金屬化合物薄膜本章主要內(nèi)容7.1CVD概述

化學(xué)氣相淀積(ChemicalVaporDeposition,CVD)是將構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反響劑或液態(tài)反響劑的蒸氣以合理的流速通入反響室，通過化學(xué)反響在襯底上進行薄膜淀積的工藝方法。淀積的薄膜是非晶或多晶態(tài)，襯底不要求是單晶材料，只要是具有一定平整度，能夠經(jīng)受淀積溫度即可。特點：附著性好；薄膜保形覆蓋能力強；應(yīng)用：絕緣介質(zhì)薄膜，多晶硅半導(dǎo)體薄膜等薄膜制備方面；金屬化系統(tǒng)中的鎢、硅化物等金屬、金屬硅化物；深亞微米中的微小接觸孔或高深寬比結(jié)構(gòu)的襯底外表能夠很好的覆蓋薄膜。氣壓分類常壓化學(xué)氣相淀積〔APCVD,Atmosphericpressurechemicalvapordeposition〕低壓化學(xué)氣相淀積〔LPCVD,Lowpressurechemicalvapordeposition〕反響激活能分類等離子增強化學(xué)氣相淀積〔PECVD,Plasmaenhancedchemicalvapordeposition〕金屬有機物化學(xué)氣相淀積〔MOCVD,Metal-Organicchemicalvapordeposition〕激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相淀積〔LCVD,Laserchemicalvapordeposition〕微波等離子體化學(xué)氣相淀積〔MWCVD,Microwaveassistedchemicalvapordeposition〕溫度分類低溫CVD中溫CVD高溫CVD7.1CVD概述7.2CVD工藝原理(1)反響劑引入，在襯底外表附近形成“滯留層”(2)反響劑被吸附在硅片外表，并進行化學(xué)反響(3)在硅片外表成核、生長成薄膜(4)反響后的氣相副產(chǎn)物排出反響室薄膜淀積過程多晶硅薄膜淀積為例，反響劑為用氫氣稀釋的硅烷，反響為SiH4→Si+2H2淀積過程分為5個根本步驟：氫氣和硅烷混合物進入反響室；硅烷從主氣流區(qū)以擴散方式穿過邊界層到達襯底硅片外表；硅烷以及在氣態(tài)分解的含硅原子團吸附在硅片外表，成為吸附原子；吸附的硅和含硅原子團發(fā)生外表化學(xué)反響，生成硅在襯底上聚集，連接成片、被后續(xù)硅原子覆蓋成為淀積薄膜；反響副產(chǎn)物氫氣和未反響的反響劑從襯底外表解析，擴散穿過邊界層進入主氣流區(qū)，被排出系統(tǒng)。與外延相似，由氣相質(zhì)量輸運和外表化學(xué)反響兩個過程完成。CVD反響室內(nèi)的流體動力學(xué)反響室工作氣體是常壓或初真空度，分子平均自由程遠小于反響室尺寸，主氣流區(qū)是層流狀態(tài)，氣體有穩(wěn)定流速。邊界層：主氣流區(qū)與硅片之間流速受到擾動的氣體薄層。邊界層厚度δ薄膜淀積過程立式反響器中浮力驅(qū)動的再循環(huán)流薄膜淀積過程CVD的設(shè)備立式反響器中浮力驅(qū)動的再循環(huán)流，邊界層等同于氣體流速趨于零的黏滯層〔或稱為附面層〕，而源和氣態(tài)副產(chǎn)物仍以擴散方式穿越黏滯層。CVD的化學(xué)反響條件CVD的外表淀積過程與氣相外延不同，淀積工藝沒有外延工藝要求嚴格，CVD淀積使硅生長為多晶硅的原因：襯底溫度較外延低，硅原子在外表的遷移慢，未能全部遷移到結(jié)點位置上；淀積速率過快，未等硅原子全部遷移到結(jié)點位置就被其它硅原子所覆蓋，成為薄膜中的硅原子；襯底外表可以不是單晶，如襯底硅片整個外表或局部外表已有氧化層；1969年建立的Grove模型認為控制薄膜淀積的兩個步驟：一是氣相質(zhì)量輸運過程，二是外表化學(xué)反響過程。反響劑到達襯底外表的擴散流密度Jg為：Dg為反響劑氣相擴散系數(shù)；Cg、Cs為主氣流區(qū)和襯底外表的反響劑濃度；δ為邊界層厚度；hg為氣相質(zhì)量傳輸系數(shù)，hg=Dg/δ。反響劑發(fā)生化學(xué)反響生成的薄膜物質(zhì)的原子流密度Js為：ks為化學(xué)反響速率常熟；k0為與溫度無關(guān)的常數(shù)；Ea為激活能；k為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。氣體薄膜襯底CgCsJgJsGrove模型薄膜淀積速率及影響因素在穩(wěn)態(tài)，兩個流密度應(yīng)相等，由Jg=Js=J，因此：薄膜淀積的速度G表示為：其中，CT為主氣流區(qū)單位體積中的分子數(shù)；Y為反響劑的摩爾百分比，N表示單位體積薄膜中的原子數(shù)，多晶硅薄膜的N=5x1022atoms/cm3。淀積速率與反響劑的濃度成正比。反響劑稀釋時，淀積速率與反響劑的摩爾百分比成正比。薄膜淀積速率及影響因素硅烷的氣流速率較低時，多晶硅淀積速率和硅烷氣流速率呈線性關(guān)系，而反響劑的濃度與氣流速率成正比。濃度低時，薄膜淀積速率的表達式與試驗相吻合。SiH4→poly-Si+2H2↑薄膜淀積速率及影響因素Y一定時，G由hg和ks中較小者決定如果hg>>ks，那么Cs≈Cg——外表化學(xué)反響速率控制過程，有如果hg<<ks，那么CS≈0——質(zhì)量傳輸速率控制過程，有外表〔反響〕控制，對溫度特別敏感。薄膜淀積速率及影響因素質(zhì)量輸運控制，對溫度不敏感。溫度的影響——兩種極限情況ks>>hgG=CThgY/N1ks<<hgG=CTksY/N1薄膜淀積速率及影響因素外表反響控制，ks<<hgG∝ks∝exp(-EA/kT)薄膜淀積速率及影響因素溫度較低時，淀積速率與溫度是指數(shù)關(guān)系，溫度升高，淀積速率加快。因為溫度較低時，ks<<hg，淀積速率受ks限制，而ks隨著溫度的升高而變大。隨著溫度升高，淀積速率對溫度的敏感程度不斷下降。當溫度高過某個值之后，淀積速率就由外表反響控制轉(zhuǎn)為氣相質(zhì)量輸運控制，也就是外表反響所需的反響劑數(shù)量高于到達外表的反響劑數(shù)量，外表反響不再限制淀積速率，這時淀積速率由反響及通過邊界層輸運到外表的速率所決定，而ks值對溫度不敏感。質(zhì)量傳輸控制，

ks>>hgG∝hg∝1/δGrove模型的指導(dǎo)作用和局限質(zhì)量輸運控制CVD中，反響劑濃度的均勻性很重要；對溫度的控制不必很嚴格。外表化學(xué)反響控制CVD中，溫度均勻性很重要；對反響劑濃度控制不必很嚴格。在反響劑濃度較低時Grove模型和實測結(jié)果吻合得較好，濃度較高那么不然。忽略了反響產(chǎn)物的解吸、流速影響；因為濃度高時，副產(chǎn)物數(shù)量增多，阻擋了反響及進入邊界層和在基片外表的吸附；忽略了垂直于邊界層方向存在的溫度梯度對氣相物質(zhì)輸運的影響；薄膜淀積速率及影響因素薄膜質(zhì)量控制臺階覆蓋特性薄膜中的應(yīng)力薄膜的致密性薄膜厚度均勻性薄膜的附著性薄膜臺階的覆蓋方式：保形覆蓋：無論襯底外表有什么樣的傾斜圖形，在所有圖形上面都能淀積有相同厚度的薄膜。非保形覆蓋：襯底外表淀積的薄膜厚度不均勻。薄膜淀積速率由襯底溫度和外表反響劑濃度決定。同一襯底不同位置的溫度相同。反響劑是通過氣相擴散穿過邊界層到達襯底外表，所以外表反響劑的濃度與同一襯底不同位置的到達角和邊界層厚度有關(guān)。薄膜質(zhì)量控制——臺階覆蓋特性一般到達角越大淀積速率越快到達角〔arrivalangle〕指反響劑能夠從各方向到達外表的某一點，這全部方向就是該點的到達角。到達角越大，能夠到達該點的反響劑分子數(shù)量就越多，該點淀積的薄膜就越厚。邊界層厚度受氣體壓力和氣流狀態(tài)等因素影響。常壓淀積時，孔洞或溝槽內(nèi)部氣體邊界層比平坦部位厚，分子平均值自由程很小，外表反響劑氣體濃度較低，該點淀積較薄，如圖中C點。低壓淀積時，反響劑氣體分子自由程較長，分子碰撞概率降低，外表反響劑濃度與到達角有關(guān)外，還與遮蔽效應(yīng)有關(guān)。遮蔽〔Shadowing〕效應(yīng)——襯底外表上的圖形對反響劑氣體分子直線運動的阻擋作用。直接入射到D點的入射角θ遠小于平面部位。深寬比越大，孔洞或溝槽內(nèi)部D點的入射角θ越小，遮蔽效應(yīng)就越嚴重。薄膜質(zhì)量控制——臺階覆蓋特性薄膜質(zhì)量控制——臺階覆蓋特性三種機制影響反響氣體分子到襯底外表的特殊位置：入射；再發(fā)射；外表遷移。反響劑到達襯底外表可能未被吸附，存在再發(fā)射或外表遷移現(xiàn)象；再發(fā)射機制是決定保形覆蓋的關(guān)鍵因素。如果反響劑外表黏滯力低，反響劑通過再發(fā)射或外表遷移進入孔洞或溝槽的底部角落位置，使得薄膜淀積厚度趨于均勻，增強了臺階覆蓋的效果。薄膜沉積在襯底上，通常有應(yīng)力存在，如果應(yīng)力過大可能導(dǎo)致薄膜從襯底外表脫落，導(dǎo)致襯底彎曲，影響后面的光刻工藝。根據(jù)造成襯底彎曲形變方向區(qū)分，可分為拉應(yīng)力(tensilestress)和壓應(yīng)力(compressivestress)。根據(jù)應(yīng)力的成因分為：本征應(yīng)力〔如工藝本身造成薄膜分子沒有足夠時間遷移到結(jié)點位置，通過高溫退火釋放〕和非本征應(yīng)力〔如高溫薄膜淀積，薄膜與襯底的熱膨脹系數(shù)不同〕。薄膜質(zhì)量控制——薄膜內(nèi)應(yīng)力7.3CVD工藝方法常壓化學(xué)汽相淀積低壓化學(xué)氣相淀積等離子體的產(chǎn)生等離子增強化學(xué)氣相淀積淀積工藝方法的進展常壓化學(xué)氣相淀積常壓化學(xué)氣相淀積(APCVD)是最早出現(xiàn)的CVD，淀積過程在大氣壓下進行。優(yōu)點：操作簡單，淀積速率較高，超過0.1um/min，適于介質(zhì)薄膜的淀積。缺點：易于發(fā)生氣相反響、產(chǎn)生微粒污染，造成外表形態(tài)差、密度低等一系列問題。APCVD工藝溫度控制在氣相質(zhì)量輸運限制區(qū)，可精確控制在單位時間內(nèi)到達每個硅片外表及同一外表不同位置的反響劑數(shù)量——薄膜均勻性。CVD反響室熱源CVD過程是在高于室溫條件淀積的。反響室側(cè)壁溫度保持在Tw，放置硅片的基座溫度恒定Ts。當Tw＝Ts，稱熱壁式CVD系統(tǒng)；——電阻加熱法；Tw＜Ts稱冷壁式CVD系統(tǒng)——電感或高頻輻射燈加熱；即使在冷壁系統(tǒng)中，其側(cè)壁溫度也高于室溫。常壓化學(xué)氣相淀積三種APCVD系統(tǒng)原理圖，采用射頻線圈直接對基座加熱，是冷壁式反響器。水平反響器：應(yīng)用最早，用途最廣的反響器。硅片平放在固定的基座上，氣體平行于襯底外表流動，基座沿氣流方向有一定的傾斜角度；垂直反響器〔立式反響器〕：硅片平放在旋轉(zhuǎn)基座上，氣體通過中央的管道流入石英鐘罩，廢氣沿基座邊緣流出，對薄膜厚度控制效果好；桶形反響器：基座由旋轉(zhuǎn)平板排成一個桶形的多面體，硅片放在基座上，氣流方向平行于襯底外表自上向下流動。裝載硅片多，薄膜厚度易于控制。常壓化學(xué)氣相淀積APCVD工藝主要用于二氧化硅薄膜的制備。襯底硅片從硅片盒到傳送帶，連續(xù)的通過非淀積區(qū)和淀積區(qū)，再傳送到另一個硅片盒。淀積區(qū)和非淀積區(qū)是通過流動的惰性氣體隔離。反響劑為硅烷和氧氣，襯底溫度在240~250oC。氧氣和硅烷氣體比例為3:1以上，氮氣為稀釋氣體。連續(xù)式供片APCVD設(shè)備SiH4+O2=SiO2+2H2↑

常壓化學(xué)氣相淀積傳統(tǒng)的反響器中，硅烷和氧氣的反響可能在氣相發(fā)生，形成硅的氧化顆粒物，早晨淀積薄膜質(zhì)量下降，如外表形態(tài)差、密度低等一系列問題。新型的可連續(xù)淀積CVD系統(tǒng)，反響劑和屏蔽氣體N2同時從冷卻噴嘴中注入，反響空間只有幾毫米，可減少氣相反響；噴嘴、傳送帶以及基座需要經(jīng)常清理。常壓化學(xué)氣相淀積水平式反響器立式反響器通常LPCVD的反響室氣壓在在1~100Pa之間，主要用于淀積介質(zhì)薄膜。與APCVD相比增加了真空系統(tǒng)，還使用了電阻加熱方式。LPCVD水平反響器的襯底硅片放置在熱壁式反響器內(nèi)。優(yōu)點：襯底的裝載量可以大大增加，可到達幾百片，適合大批量生產(chǎn)；氣體用量減小，節(jié)約了材料；使用電阻加熱器，降低了本錢。LPCVD的立式反響器的反響劑氣體由噴頭進入反響室，直接擴散到硅片外表。優(yōu)點：硅片水平擺放有利于批量生產(chǎn)中機械手裝卸硅片；有利于氣體的均勻流動，淀積薄膜的均勻性好。淀積速率受外表反響控制，對溫度非常敏感，對反響劑濃度的均勻性要求不高。電阻加熱器的控制精度一般在±0.5oC，高精度的可達±0.1oC，完全滿足對LPCVD對溫度的精確控制。低壓化學(xué)氣相淀積氣缺現(xiàn)象：氣體從反響器的一端進入另一端排除，沿氣流方向反響劑不斷消耗．濃度降低，因此，襯底硅片上薄膜厚度也沿著氣流方向變薄，這種現(xiàn)象稱為氣缺現(xiàn)象。氣缺現(xiàn)象解決方法：在水平方向上逐漸提高溫度來加快反響速度，從而提高淀積速率，補償氣缺效應(yīng)的影響，減小各處淀積厚度差異。采用分布式的氣體入口，就是反響劑氣體通過一系列氣體口注入列反響室中。需要特殊設(shè)計的淀積室來限制注入氣體所產(chǎn)生的氣流交叉效應(yīng)。增加反響室中的氣流速度，使更多的反響劑氣體能夠輸運到下游。低壓化學(xué)氣相淀積等離子體的產(chǎn)生——直流氣體輝光放電曲線a-b段是暗流區(qū)：極少量原子受到高能宇宙射線激發(fā)而電離；電流微弱，且不穩(wěn)定；曲線b-c段是湯生放電區(qū)：隨著電壓升高，電子、離子的能量逐漸升高，氣體分子和中性氣體碰撞產(chǎn)生正離子和電子；曲線c-d-e-f段是輝光放電：氣體放電擊穿；負阻現(xiàn)象；陰極電流密度一定，有效放電面積隨電流增加而增大；曲線e-f段是反常輝光放電：陰極全部成為有效放電區(qū)域，只有增加功率才可增加陰極電流密度；曲線f-g段是電弧放電：隨電流增加，放電電壓再次大幅下降；輝光放時，整個放電管將呈明暗相見的輝光強度暗區(qū)：相當于離子和電子從電場獲取能量的加速區(qū)；輝光區(qū)：相當于不同離子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的區(qū)域，這些區(qū)域有光子產(chǎn)生。負輝區(qū)：陰極附近，是最亮區(qū)域。是被加速的電子與氣體分子發(fā)生碰撞使分子電離的區(qū)域。圖7-15直流輝光放電各參量分布等離子體的產(chǎn)生——直流氣體輝光放電等離子體〔Plasma〕是指具有一定導(dǎo)電能力的氣體，它由正離子、電子、光子、原子、原子團、分子及它們的激發(fā)態(tài)所組成的混合氣體，宏觀上呈現(xiàn)電中性。輝光放電構(gòu)成的等離子體中粒子能量、密度較低，放電電壓較高。其特點是質(zhì)量較大的重粒子，包括離子、中性原子和原子團的能量遠遠低于電子的能量，是一種非熱平衡狀態(tài)的等離子體。等離子體的產(chǎn)生——等離子體及其特點直流輝光放電等離子體：真空度為1Pa的氣體，反常放電時等離子體中電子平均動能E為2eV，電子溫度T=E/k約為23000K，電子的平均運動速度v=9.5*105m/s離子及中性原子處于低能狀態(tài)，對應(yīng)溫度在T=300-500K；平均速度vAr=5*102m/s等離子鞘層：電子與離子具有不同速度，結(jié)果使形成所謂的等離子鞘層，即任何處于等離子中的物體相對于等離子體來講都呈現(xiàn)出負電位，且在物體外表附近出現(xiàn)正電荷積累。等離子體的產(chǎn)生——等離子體及其特點在輝光放電等離子體中，電子的能量、速率遠高于離子能量和速率。電子是等離體導(dǎo)電過程的主要載流子，而且與其它粒子的碰撞是維持氣體放電的主要微觀機制。如果氣體室友原子A、B組成的分子，在氣體反常輝光放電中出現(xiàn)的過程有如下幾種〔*表示離子具有較高的能量?！常悍肿恿呀猓篹*+AB?A+B+e原子電離：e*+A(B)?A-(B-)+e+e分子電離：e*+AB?AB-+e+e原子激發(fā)：e*+A(B)?A*(B*)+e分子激發(fā)：e*+AB?AB*+e等離子體的產(chǎn)生——等離子體及其特點射頻氣體輝光放電頻率較低時，氣體輝光放電類似于直流的情況，放電外貌上是兩個不同極性下放電外貌的疊加，發(fā)光強度是一個周期內(nèi)的平均值。國際上采用的射頻頻率多為美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)建議的13.56MHz。在一定氣壓條件下，在陰陽電極之間加交變電壓頻率在射頻范圍時，會產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放電。等離子體的產(chǎn)生——射頻氣體輝光放電射頻放電的激發(fā)源E型放電：高頻電場直接激發(fā)；H型放電：高頻磁場感應(yīng)激發(fā)；射頻輝光放電與直流放電很不相同：電場周期性改變方向，帶電粒子不容易到達電極和器壁，減少了帶電粒子的損失。在兩極之間不斷振蕩運動的電子可從高頻電場中獲得足夠能量，使氣體分子電離，電場較低就可維持放電。陰極產(chǎn)生的二次電子發(fā)射不再是氣體擊穿必要條件。射頻電場可由容抗或感抗耦合進淀積室。電極可以是導(dǎo)體，也可是絕緣體。等離子體的產(chǎn)生——射頻氣體輝光放電高密度等離子體〔highdensityPlasma,HDP〕技術(shù)是在上世紀80年代末90年代初開展起來的新一代等離子體技術(shù)。高密度等離子體是指其離子濃度超過1011ions/cm3。HDP系統(tǒng)一般都是在簡單等離子體發(fā)生器上增設(shè)電場和磁場，用橫向電場和磁場來增加電子在等離子體中的行程，從而使電子和原子〔或分子〕之間碰撞更加頻繁，以增加等離子體中的離子和活性基團。分類：電感耦合HDP；磁控HDP；電子盤旋共振〔ECR〕HDP技術(shù)等離子體的產(chǎn)生——高密度等離子體等離子體增強化學(xué)相淀積〔PlasmaEnhancedCVD,PECVD〕是采用等離子體技術(shù)把電能耦合到氣體中，激活并維持化學(xué)反響進行薄膜淀積的一種工藝。在較低溫度下進行。原理：將淀積室抽真空。射頻功率使反響器中低壓氣體非平衡輝光放電。襯底吸附等離子體內(nèi)活潑的中性原子團與游離基，在外表發(fā)生化學(xué)反響生成薄膜物質(zhì)，并不斷受到離子和電子轟擊，容易遷移、重排，使得淀積薄膜均勻性好，填充小尺寸結(jié)構(gòu)能力強。淀積速率是外表反響控制，需要精確控制襯底溫度，溫度變化對薄膜厚度均勻性影響很大。等離子增強化學(xué)氣相淀積等離子增強化學(xué)氣相淀積電容耦合射頻PECVD設(shè)備：反響氣體從底部中央進入室內(nèi)，相襯底流動。射頻功率通過平板電極與氣體耦合，產(chǎn)生等離子體。襯底放在可旋轉(zhuǎn)、控溫的下電極。影響PECVD薄膜淀積速率因素反響器的結(jié)構(gòu)；射頻功率的強度和頻率；反響劑與稀釋劑氣體量；抽氣速率；襯底溫度。等離子增強化學(xué)氣相淀積7.3.5CVD工藝方法的進展高密度等離子體化學(xué)氣相淀積〔HDPCVD〕熱絲化學(xué)氣相淀積〔HWCVD〕激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相淀積〔LCVD〕金屬有機物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)金屬有機物氣相淀積〔MOCVD〕MOCVD法是采用相當?shù)偷臏囟认履芊纸獾慕饘儆袡C化合物作初始反響物進行氣相淀積。即把欲淀積膜層的一種或幾種組分以金屬烷基化合物的形式輸送到反響區(qū)，而其它的組分可以氫化物的形式輸送，金屬烷基化合物與氫化物在氣相或襯底基片上發(fā)生化學(xué)反響，生成淀積薄膜。特點：溫度低，易控制薄膜成分；薄膜厚度均勻、結(jié)構(gòu)致密、附著力良好。7.3.5CVD工藝方法的進展激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相淀積〔LCVD〕LCVD法是將激光應(yīng)用與常規(guī)CVD的一種新技術(shù)，通過激光活化，使化學(xué)反響在較低溫度進行，激光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。在這個意義上LCVD類似與PECVD。LCVD法是用激光束照射封閉于氣室內(nèi)的反響氣體，誘發(fā)化學(xué)反響，生成物淀積襯底基片上。LCVD的最大優(yōu)點在于淀積過程中，不直接加熱襯底，可按需要進行淀積，空間選擇性好，甚至可使薄膜生長限制在襯底的任意微區(qū)內(nèi)；淀積速率快。7.3.5CVD工藝方法的進展7.4二氧化硅薄膜的淀積主要有CVDSiO2,PSG,BPSG薄膜，主要用于襯底無法采用熱氧化方法生長，或襯底無法承受高溫的二氧化硅薄膜工藝。主要用途：多層布線中多晶硅與金屬，或金屬層之間的絕緣層；MOS晶體管的柵極介質(zhì)層；擴散和離子注入工藝中的掩膜；防止雜質(zhì)外擴的覆蓋層以及鈍化層。CVD二氧化硅與熱氧化的結(jié)構(gòu)相同，但密度略低，硅氧的數(shù)量不是嚴格的化學(xué)計量比。高溫淀積或高溫退火后，可以使CVD的特性接近于熱氧化。摻雜類型分類：未摻雜二氧化硅〔USG〕摻磷二氧化硅〔PSG〕摻硼和磷二氧化硅〔BPSG〕淀積的溫度分類：高溫CVD二氧化硅〔900oC〕中溫CVD二氧化硅〔650~750oC〕低溫CVD二氧化硅〔250~450oC〕CVD的方法分類：APCVD-SiO2LPCVD-SiO2PECVD-SiO22特性與用途在淀積SiO2時，摻入含磷的雜質(zhì)如磷烷〔PH3〕,生成含有P2O5的SiO2稱為磷硅玻璃〔PSG〕；4PH3(g)+5O2(g)→P2O5(s)+6H2(g)PSG的特點：應(yīng)力小，階梯覆蓋較好；可吸收堿性離子；P2O5遇水汽會水解為磷酸，因此對水汽阻擋能力差；軟化溫度低于未摻雜CVD-SiO2；襯底淀積PSG之后，通過軟化溫度的退火使PSG回流，使襯底外表趨于平坦；PSG濃度高時，有很強的吸潮性，磷控制在6~8wt%；CVD-PSG之后再高溫退火回流，是超大規(guī)模集成電路工藝中一種重要的平坦化工藝技術(shù)；2特性與用途2特性與用途2特性與用途在淀積磷硅玻璃反響氣中摻入硼源〔B2H6〕形成B2O3-P2O5-SiO2三元氧化物薄膜，即CVD-BPSG；BPSG回流平坦化溫度為850℃，最低達750℃；硼的濃度每增加1%，回流溫度降低約40℃。當濃度大于5wt%時，將發(fā)生結(jié)晶。BPSG中硼的濃度不超過5%。BPSG流動性取決于薄膜的組分、工藝溫度、時間與環(huán)境氣氛；可用作絕緣層、鈍化層，外表平坦化；CVD-SiO2不同應(yīng)用的特性要求：介質(zhì)薄膜，介電特性很重要；摻雜掩蔽，抗腐蝕性很重要；保護膜，薄膜成分和穩(wěn)定性很重要；低溫淀積SiO2薄膜的密度低于熱生長SiO2，其折射系數(shù)n約為1.44〔熱氧化n=1.46〕。當n>1.46,薄膜富硅；當n<1.46,為低密度多孔薄膜。2特性與用途21.SiH4/O2淀積SiO2采用硅烷/O2系統(tǒng)低溫淀積SiO2，一般反響溫度在450~500℃。通入N2或Ar2將SiH4稀釋很低的濃度，一般2%~10%，反響為：SH4(g)+O2(g)→SiO2(s)+2H2(g)溫度在310~450℃時，淀積速率隨著溫度的升高而緩慢增加；溫度升高到450℃時，襯底外表吸附或者氣相擴散將限制淀積速率；低溫淀積SiO2膜可在700-1000℃退火致密化，使SiO2膜的密度從2.1g/cm3增至2.2g/cm3，在HF溶液中的腐蝕速率也會降低?？勺鳛槎鄬咏饘黉X布線之間的絕緣層；PSG在APCVD中的淀積速率2恒定溫度時，增加O2對SH4的比率可提高淀積速率，增加到一定比例時，淀積速率開始下降。過量的O2阻止了SiH4的吸附和分解。對高濃度的氧氣氛，O2:SiH4=30:1，淀積速率隨溫度升高急劇增加，外表反響速率限制；對低濃度的氧氣氛，O2:SiH4=2.5:1，淀積速率隨溫度升高略有下降。2.TEOS(正硅酸四乙酯)/O3采用TEOS/O3為反響劑的APCVD是低溫工藝，溫度約為400℃，反響式為：Si(C2H5O)4+8O3→SiO2+10H2O+8CO2優(yōu)點：TEOS與二氧化硅的黏滯系數(shù)低，外表再發(fā)射能力強，對高深寬比孔洞和溝槽等襯底的覆蓋能力、填充能力優(yōu)良，薄膜均勻性好；電學(xué)特性好，作為絕緣介質(zhì)的薄膜，用來形成多層布線金屬層之間絕緣層淀積〔PSG和BPSG〕；防止PECVD工藝對硅片外表的損傷；SiH4/O2和TEOS/O3方法結(jié)合：TEOS/O3能夠改善薄膜的臺階覆蓋特性；SiH4/O2減小在淀積厚膜是帶來的張應(yīng)力和減弱TEOS/O3對下面膜層的敏感度。22TEOS、TEOS/O2淀積SiO2中等溫度工藝溫度650-750℃，TEOS淀積的SiO2薄膜有更好的保形性；淀積溫度:680-730℃,速率約25nm/min，反響式為：Si(OC2H5)4SiO2+4C2H4+2H2O參加足夠O2能夠改變淀積SiO2薄膜的內(nèi)部應(yīng)力；Si(OC2H5)4+12O2SiO2+8C2O2+10H2O比低溫工藝淀積的SiO2薄膜致密度高；參加PH3增加淀積速率，對薄膜均勻性無影響；以硅烷類為硅源淀積SiO2與APCVD方法類似，采用SH4/O2；缺點：LPCVD是熱壁反響器，而SiH4低溫分解，在進入反響室之前SiH4發(fā)生氣相反響產(chǎn)生顆粒，被消耗掉。LPCVD采用SiH4/O2淀積SiO2以及更很少使用了。7.4.4PECVD-SiO2特點：PECVD-SiO2薄膜應(yīng)力小，不易開裂；保形性好，更均勻，真空也少：含有氫。2.當N2O:SiH4的比例比較低時，形成富硅薄膜;3.富硅薄膜的折射系數(shù)增加,n值接近1.46;4.稀釋的HF溶液對SiO2的腐度速率可以非常精確的反映薄膜的配比和密度。SH4(g)+2N2O(g)→SiO2(s)+2N2(g)+2H2(g)Ar氣為稀釋氣體，溫度：200-400℃7.5氮化硅薄膜淀積氮化硅薄膜是非晶介質(zhì)薄膜，Si3N4薄膜一般是采用CVD法制備，在二氧化硅不適合的場合作為介質(zhì)薄膜使用。二氧化硅的抗鈉性能差，薄膜內(nèi)的正電荷會引起p型硅的反型、溝道漏電等現(xiàn)象；抗輻射能力差。氮化硅薄膜性質(zhì)與用途氮化硅的特點：抗鈉能力強，耐水汽能力強。薄膜硬度大，耐磨耐劃，致密性好，針孔少。因此，作為鈍化膜、保護膜有優(yōu)勢；化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、耐堿性強。室溫下不與氫氟酸或氫氧化鉀反響。作為集成電路淺溝隔離工藝技術(shù)的CMP的停止層；掩蔽能力強。SiO2對B、P、As、Sb有掩蔽作用，Si3N4還可以掩蔽Ga、In、ZnO。能作為多種雜質(zhì)的掩蔽膜；介電常數(shù)大，為6-9。二氧化硅只有約4.2，可做電容的介質(zhì)層；選擇性氧化的掩膜。MOS器件的場區(qū)氧化(LOCOS)；抗氧化能力強，可作為選擇性熱氧化掩膜。晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)與硅失配率大，因此在Si3N4/Si界面硅缺陷大，成為載流子陷阱，或者復(fù)合中心，影響硅的載流子遷移率。7.5.2氮化硅工藝根據(jù)應(yīng)用選擇淀積Si3N4工藝條件：選擇性氧化的掩膜或電容介質(zhì)層

中溫LPCVD,700-800℃,P：10-100Pa3SiH2Cl2(H2或N2)+4NH3→Si3N4+6HCl+6H2最終鈍化層

低溫PECVD，

200-400℃P：10-100Pa

SiH4(H2或N2)

+NH3(或N2)→SixNyHz+H2氮化硅工藝LPCVD氮化硅薄膜密度高〔2.9~3.1g/cm3〕；介電常數(shù)6；化學(xué)配比較好；耐HF腐蝕；H含量較PECVD氮化硅低；臺階覆蓋性較好；較少的粒子污染；缺點是薄膜應(yīng)力較大，易破裂；LPCVD以SiH2Cl2或SiCl4為硅源淀積Si3N4；注意：工藝過程中NH3〔氨氣〕要充足，防止薄膜變?yōu)楦还栊汀?/p>

氮化硅薄膜PECVD氮化硅：采用SiH4/NH3作為反響劑來淀積氮化硅，一般NH3與SiH4的比例控制在5:1~20:1，淀積速率為20~50nm/min。襯底溫度在300℃以下時，淀積的氮化硅中氫的含量可以到達18at%~22at%，造成MOS器件閾值電壓漂移，腐蝕速率加快等現(xiàn)象。SiH4+NH3→SixNyHz+H2采用N2和SiH4作為反響劑，N2和SiH4的比例高達100:1~1000:1，因為N2的等離子化速率比SiH4慢的多；N2難以分解，薄膜淀積速率也比較慢；臺階覆蓋差，擊穿電壓低;H含量較少，形成薄膜致密。SiH4+N2→SixNyHz+H2NH3含量和淀積溫度對PECVD氮化硅的影響

氮化硅工藝7.6多晶硅薄膜淀積多晶硅的結(jié)構(gòu)與特性結(jié)構(gòu)特點：多晶硅薄膜是由無數(shù)微小單晶粒(約100nm)組成的薄膜，晶粒大小與制備工藝有關(guān)，在晶粒與晶粒之間是晶粒間界(稱晶界，0.5-1nm寬)，晶界原子排列無序，多晶硅薄膜呈各向同性。晶界含大量懸掛鍵及高密度缺陷——晶粒間界不完整性及晶粒外表原子周期性排列受到破壞所引起。造成多晶硅的兩個重要特性：〔1〕擴散系數(shù)——晶界處明顯大于晶粒內(nèi)部?！?〕雜質(zhì)分凝——高溫時位于晶粒內(nèi)部的雜質(zhì)在低溫時運動到晶界處，而高溫時又返回晶粒內(nèi)。多晶硅內(nèi)每個單晶晶粒內(nèi)的電學(xué)行為和單晶硅的電學(xué)行為相似7.6.1多晶硅薄膜的性質(zhì)與用途Poly-Si電阻變化與摻雜濃度、晶粒尺寸之間關(guān)系：在同樣摻雜濃度下晶粒尺寸大的薄膜有較低的電阻率；熱處理過程中摻雜原子運動到晶界處，不能有效供給自由載流子；晶界處的懸掛鍵可俘獲自由載流子；晶界內(nèi)缺陷使載流子遷移率下降；晶粒尺寸的大小和摻雜濃度相互作用，決定著每一個晶粒的耗盡的程度；多晶硅的用途：高摻雜的多晶硅在MOS器件中作為柵電極；超大規(guī)模集成電路中電極的多層布線；在自對準工藝中利用多晶硅的耐高溫特性作為擴散掩膜；低摻雜的多晶硅在SRAM中制作高值負載電阻；在雙極工藝中，高摻雜的多晶硅薄膜也用來制作發(fā)射極；MEMS器件，如壓力傳感器的應(yīng)變電阻；多晶硅薄膜工藝LPCVD，580-650℃，熱分解硅烷實現(xiàn)淀積；T<580℃時，淀積薄膜根本為非晶Si硅烷熱分解SiH4〔吸附〕SiH2〔吸附〕+H2(g)SiH2〔吸附〕Si〔s〕+H2(g)↑注意：〔1〕防止SiH4氣相分解——應(yīng)用稀釋氣體H2；〔2〕氣缺現(xiàn)象——從反響室的入口到出口的30℃溫度梯度；分布式入口LPCVD反響室在淀積Pol