化學氣相沉積課件市公開課一等獎省賽課微課金獎?wù)n件

第六章化學氣相沉積6.1CVD概述6.2CVD工藝原理6.3CVD工藝方法6.4二氧化硅薄膜淀積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化學氣相沉積課件第1頁1/51MSI時代nMOS晶體管各層膜p+siliconsubstratep-epilayer場氧化層n+n+p+p+n-wellILD氧化硅墊氧化層氧化硅氮化硅頂層柵氧化層側(cè)墻氧化層金屬前氧化層Poly金屬多晶金屬化學氣相沉積課件第2頁2/51ULSI硅片上多層金屬化鈍化層壓點金屬p+SiliconsubstrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3M-4p-Epitaxiallayerp+ILD-6LIoxideSTIn-wellp-wellILD-1Polygaten+p+p+n+n+LImetal化學氣相沉積課件第3頁3/51芯片中金屬層化學氣相沉積課件第4頁4/516.1CVD概述對薄膜要求好臺階覆蓋能力填充高深寬比間隙能力好厚度均勻性高純度和高密度受控制化學劑量高度結(jié)構(gòu)完整性和低膜應力好電學特征對襯底材料或下層膜好黏附性化學氣相沉積課件第5頁5/516.1CVD概述1）物理氣相淀積—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某種物理過程實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，即將原子或分子轉(zhuǎn)移到襯底（硅）表面上，并淀積成薄膜技術(shù)。比如：蒸發(fā)evaporation，濺射sputtering2）化學氣相淀積—ChemicalVaporDeposition(CVD)經(jīng)過氣態(tài)物質(zhì)化學反應在襯底上淀積一層薄膜材料過程。

比如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD兩類主要淀積方式化學氣相沉積課件第6頁6/516.1CVD概述除了CVD和PVD外，制備薄膜方法還有:銅互連是由電鍍工藝制作旋涂Spin-on鍍/電鍍electrolessplating/electroplating化學氣相沉積課件第7頁7/516.1CVD概述化學氣相淀積（CVD）CVD技術(shù)特點：含有淀積溫度低、薄膜成份和厚度易于控制、均勻性和重復性好、臺階覆蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設(shè)備簡單等一系列優(yōu)點CVD方法幾乎能夠淀積集成電路工藝中所需要各種薄膜，比如摻雜或不摻雜SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬)等化學氣相沉積課件第8頁8/516.1CVD概述CVD相對于PVD,有什么優(yōu)點？跟材料特征相關(guān)性質(zhì)——結(jié)晶性和理想配比都比很好薄膜成份和膜厚輕易控制*淀積溫度低*臺階覆蓋性好（stepcoverage)

化學氣相沉積課件第9頁9/516.1CVD概述單晶(外延）、多晶、非晶（無定型）薄膜半導體、介質(zhì)、金屬薄膜常壓化學氣相淀積（APCVD），低壓CVD(LPCVD)，等離子體增強淀積（PECVD）等CVD反應必須滿足三個揮發(fā)性標準在淀積溫度下,反應劑必須具備足夠高蒸汽壓除淀積物質(zhì)外,反應產(chǎn)物必須是揮發(fā)性淀積物本身必須含有足夠低蒸氣壓化學氣相淀積（CVD）化學氣相沉積課件第10頁10/516.2CVD工藝原理化學氣相淀積基本過程1、反應劑氣體混合物以合理流速被輸運到沉積區(qū)2、反應劑氣體由主氣流經(jīng)過邊界層擴散到襯底表面3、反應劑氣體吸附在襯底表面上4、吸附原子（分子）發(fā)生化學反應，生成薄膜基本元素5、副產(chǎn)物分子離開襯底表面，由襯底外擴散到主氣流，排出化學氣相沉積課件第11頁11/51邊界層理論

氣體速度受到擾動并按拋物線型改變、同時還存在反應劑濃度梯度薄層稱為邊界層（附面層、滯留層）氣體分子平均自由程遠小于反應室?guī)缀纬叽?，能夠認為氣體為黏滯性流動因為氣體黏滯性，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，氣體流速過渡到最大氣流Um6.2CVD工藝原理化學氣相沉積課件第12頁12/516.2CVD工藝原理Grove模型從簡單生長模型出發(fā)，用動力學方法研究化學氣相淀積推導出生長速率表示式及其兩種極限情況。與熱氧化生長稍有不一樣是，沒有了在SiO2中擴散流F1：主氣流到襯底表面反應劑流密度F2：反應劑在表面反應后淀積成固態(tài)薄膜流密度Cg：反應劑在主氣流中濃度Cs：反應劑在硅表面處濃度化學氣相沉積課件第13頁13/516.2CVD工藝原理其中：hG

是質(zhì)量輸運系數(shù)，

ks

是表面化學反應系數(shù)在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應相等，這么得到可得：（1）hg>>ks時，Cs趨向Cg，淀積速率受表面化學反應控制（2）ks>>hg時，Cs趨向0，淀積速率受質(zhì)量輸運速率控制Grove模型化學氣相沉積課件第14頁14/51

結(jié)論：（1）淀積速率與Cg（反應劑濃度）或者Y（反應劑摩爾百分比）成正比；（2）在Cg或者Y為常數(shù)時，薄膜淀積速率將由Ks和hg中較小一個決定。

薄膜淀積速率（其中N1表示形成一個單位體積薄膜所需要原子數(shù)量）：Grove模型6.2CVD工藝原理化學氣相沉積課件第15頁15/51

升高溫度能夠提升淀積速率但伴隨溫度上升，淀積速率對溫度敏感度不停下降；當溫度高過某個值后，淀積速率受質(zhì)量輸運速率控制薄膜淀積速率圖6.8硅膜淀積速率與溫度倒數(shù)關(guān)系表面化學反應控制：溫度質(zhì)量輸運速率控制：位置6.2CVD工藝原理斜率與激活能Ea成正比化學氣相沉積課件第16頁16/51以硅外延為例（1atm，APCVD）hG

常數(shù)Ea

值相同外延硅淀積往往是在高溫下進行，以確保全部硅原子淀積時排列整齊，形成單晶層。為質(zhì)量輸運控制過程。此時對溫度控制要求不是很高，不過對氣流要求高。多晶硅生長是在低溫進行，是表面反應控制，對溫度要求控制精度高。6.2CVD工藝原理化學氣相沉積課件第17頁17/51當工作在高溫區(qū),質(zhì)量控制為主導，hG是常數(shù)，此時反應氣體經(jīng)過邊界層擴散很主要，即反應腔設(shè)計和晶片怎樣放置顯得很主要。關(guān)鍵兩點：ks

控制淀積主要和溫度相關(guān)hG

控制淀積主要和反應腔體幾何形狀相關(guān)6.2CVD工藝原理化學氣相沉積課件第18頁18/516.3CVD工藝方法化學氣相淀積系統(tǒng)氣態(tài)源或液態(tài)源氣體輸入管道氣體流量控制系統(tǒng)反應室基座加熱及控制系統(tǒng)溫度控制及測量系統(tǒng)減壓系統(tǒng)（LPCVD和PECVD)化學氣相沉積課件第19頁19/516.3CVD工藝方法

氣體源趨向液態(tài)氣態(tài)源不安全淀積薄膜特征不好液態(tài)源輸送保留在室溫下液態(tài)源，使用時先注入到氣化室中，氣化后直接輸送到反應室中化學氣相沉積課件第20頁20/51質(zhì)量流量控制系統(tǒng)

進入反應室氣體流量準確可控控制反應室氣壓直接控制氣體流量，質(zhì)量流量控制系統(tǒng)質(zhì)量流量計閥門氣體流量單位:體積/單位時間溫度為273K，一個標準大氣壓下，每分鐘經(jīng)過氣體體積6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第21頁21/51CVD反應室熱源

薄膜是在高于室溫溫度下淀積。熱壁系統(tǒng)：Tw=Ts冷壁系統(tǒng)：Tw<TsTw：反應室側(cè)壁溫度Ts：放置硅片基座溫度熱壁和冷壁淀積室各有優(yōu)缺點，依據(jù)需要進行選擇。6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第22頁22/516.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第23頁23/51

常壓化學氣相淀積(APCVD)

低壓化學氣相淀積(LPCVD)

等離子增強化學氣相淀積(PECVD)6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第24頁24/516.3CVD工藝方法APCVD反應器結(jié)構(gòu)示意圖化學氣相沉積課件第25頁25/516.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第26頁26/516.3CVD工藝方法操作簡單，淀積速率高，適合介質(zhì)薄膜淀積。易發(fā)生氣相反應，產(chǎn)生污染臺階覆蓋性和均勻性比較差質(zhì)量輸運控制淀積速率，對反應室結(jié)構(gòu)和氣流模式提出高要求APCVD化學氣相沉積課件第27頁27/51斜率與激活能Ea成正比APCVD主要問題：低產(chǎn)率（throughput）高溫淀積：硅片需水平放置低溫淀積：反應速率低6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第28頁28/51單晶硅外延要采取圖中臥式反應設(shè)備，放置硅片石墨舟為何要有傾斜?6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第29頁29/51界面層厚度

s是x方向平板長度函數(shù)。a.伴隨x增加，

s(x)增加，hG下降。假如淀積受質(zhì)量傳輸控制，則淀積速度會下降；b.沿支座方向反應氣體濃度降低,一樣造成淀積速度會下降。

為氣體粘度；

為氣體密度；U為氣體速度；6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第30頁30/51

支座傾斜能夠促使

s(x)沿x改變減小。原理：因為支座傾斜后，氣流流過截面積下降，造成氣流速度增加，進而造成

s(x)沿x減小和hG增加。從而用加大hG方法來賠償沿支座長度方向氣源耗盡而產(chǎn)生淀積速率下降。尤其對質(zhì)量傳輸控制淀積至關(guān)主要，如APCVD法外延硅。6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第31頁31/51低壓化學氣相淀積（LPCVD）所以低壓能夠大大提升hG值。比如在壓力為1torr時，DG能夠提升760倍，而ds只提升約7倍，所以hG能夠提升100倍。氣體在界面不再受到傳輸速率限制。在質(zhì)量輸運控制區(qū)域：6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第32頁32/5133/40分子自由程變長，反應氣體質(zhì)量遷移速率相對于表面反應速率大大增加，這就克服了質(zhì)量傳輸限制，使淀積薄膜厚度均勻性提升，也便于采取直插密集裝片降低氣體壓力，氣體分子自由程加長，氣相反應中輕易生成亞穩(wěn)態(tài)中間產(chǎn)物，從而降低了反應激活能，所以，在不改變淀積速率情況下，淀積溫度就能夠低于APCVD淀積溫度

反比于氣體壓強r為氣體分子半徑平均自由程6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第33頁33/51LPCVD反應器結(jié)構(gòu)示意圖低壓化學氣相淀積（LPCVD）6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第34頁34/51低壓化學氣相淀積（LPCVD）6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第35頁35/51表面反應速率控制淀積速率原因：在較低氣壓下，氣體擴散速率比在一個大氣壓下高出很多倍。結(jié)果：對溫度比較敏感，溫度相對來說較易控制，對反應室結(jié)構(gòu)要求不高，可放置較多硅片。優(yōu)點增加產(chǎn)率—晶片可直插放置許多片（100-200）污染少，均勻性和臺階覆蓋性較APCVD好缺點：相對低淀積速率，相對高工作溫度低壓化學氣相淀積（LPCVD）6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第36頁36/51LPCVD氣缺現(xiàn)象：當氣體反應劑被消耗而出現(xiàn)反應劑濃度改變現(xiàn)象對于只有一個入氣口反應室，情況比較嚴重。方法：在水平方向上逐步提升溫度來加緊反應速度，從而提升淀積速率采取分布式氣體入口增加反應室中氣流速度6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第37頁37/51Batchprocessing：同時100-200片薄膜厚度均勻性好能夠準確控制薄膜成份和結(jié)構(gòu)臺階覆蓋性很好低溫淀積過程淀積速率快生產(chǎn)效率高生產(chǎn)成本低LPCVD法主要特點有時，淀積溫度需很低，薄膜質(zhì)量要求又很高。如：在形成Al層上面淀積介質(zhì)等。處理方法：等離子增強化學氣相淀積PECVD6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第38頁38/51最慣用反應激活能：經(jīng)過非熱能源射頻（RF）等離子體來激活和維持化學反應。低溫淀積應用：在Al上淀積二氧化硅或氮化硅較高淀積速率表面反應速率控制淀積速率，準確控制襯底溫度，可得到均勻薄膜。等離子體增強化學氣相淀積（PECVD）6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第39頁39/51等離子體中電子與反應氣體分子碰撞反應氣體分子分解成各種成份：離子、原子及活性基團活性基團不停吸附在基片表面上吸附在表面上活性基團之間發(fā)生化學反應生成薄膜層表面吸附離子受到離子和電子轟擊，易遷移，發(fā)生重新排列。淀積薄膜均勻性良好，含有填充小尺寸結(jié)構(gòu)能力。等離子體增強化學氣相淀積（PECVD）6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第40頁40/51APCVD設(shè)備簡單，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)量輸運控制淀積速率。LPCVD均勻性好，臺階覆蓋性好，污染少。對反應室結(jié)構(gòu)要求低。裝片量大。淀積速度低，工作溫度高。表面反應控制淀積速率。CVD三種方法比較6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第41頁41/51CVD三種方法比較6.3CVD工藝方法PECVD反應溫度低，附著性好，良好階梯覆蓋，良好電學特征能夠與精細圖形轉(zhuǎn)移工藝兼容，薄膜應力低，主流工藝。具備LPCVD優(yōu)點highdepositionrateatrelativelylowtemperatureImprovefilmqualityandstresscontrolthroughionbombardment（炮擊，轟擊）表面反應控制淀積速率化學氣相沉積課件第42頁42/51共形臺階覆蓋非共形臺階覆蓋均勻厚度

臺階覆蓋：淀積薄膜表面幾何形貌與半導體表面各種臺階形狀關(guān)系。保形覆蓋：不論襯底表面有什么樣傾斜圖形，在全部圖形上面都能淀積相同厚度薄膜原因：反應物在吸附、反應時有顯著表面遷移臺階覆蓋（保角性conformality）6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第43頁43/51臺階覆蓋（保角性conformality）1、淀積速率正比于氣體分子抵達角度6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第44頁44/51臺階覆蓋（保角性conformality）6.3CVD工藝方法化學氣相沉積課件第45頁45/51

舉例在APCVD中，以SiH4和氧氣為反應劑沉淀SiO2因SiH4黏滯系數(shù)很大，淀積速率正比于氣體分子抵達表面時角度范圍抵達角反應物抵達半導體表面時有不一樣角度在一個陡峭臺階處，APCVDSiO2時，薄膜在臺階頂部處最厚，在拐角處最薄。SiO2薄膜在拐角處斜率大于90o，使得隨即薄膜淀積和各項異性刻蝕變得非常困難。臺階覆蓋（保角性conformality）6.3CVD工藝方法化學氣相