化學(xué)氣相沉積課件市公開課一等獎(jiǎng)省賽課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

第六章化學(xué)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(xué)氣相沉積課件第1頁(yè)1/51MSI時(shí)代nMOS晶體管各層膜p+siliconsubstratep-epilayer場(chǎng)氧化層n+n+p+p+n-wellILD氧化硅墊氧化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金屬多晶金屬化學(xué)氣相沉積課件第2頁(yè)2/51ULSI硅片上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化學(xué)氣相沉積課件第3頁(yè)3/51芯片中金屬層化學(xué)氣相沉積課件第4頁(yè)4/516.1CVD概述對(duì)薄膜要求好臺(tái)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(xué)劑量高度結(jié)構(gòu)完整性和低膜應(yīng)力好電學(xué)特征對(duì)襯底材料或下層膜好黏附性化學(xué)氣相沉積課件第5頁(yè)5/516.1CVD概述1）物理氣相淀積—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某種物理過程實(shí)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(xué)氣相淀積—ChemicalVaporDeposition(CVD)經(jīng)過氣態(tài)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)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(xué)氣相沉積課件第6頁(yè)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(xué)氣相沉積課件第7頁(yè)7/516.1CVD概述化學(xué)氣相淀積（CVD）CVD技術(shù)特點(diǎn)：含有淀積溫度低、薄膜成份和厚度易于控制、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(xué)氣相沉積課件第8頁(yè)8/516.1CVD概述CVD相對(duì)于PVD,有什么優(yōu)點(diǎn)？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(tái)階覆蓋性好（stepcoverage)

化學(xué)氣相沉積課件第9頁(yè)9/516.1CVD概述單晶(外延）、多晶、非晶（無定型）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)劑必須具備足夠高蒸汽壓除淀積物質(zhì)外,反應(yīng)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(xué)氣相淀積（CVD）化學(xué)氣相沉積課件第10頁(yè)10/516.2CVD工藝原理化學(xué)氣相淀積基本過程1、反應(yīng)劑氣體混合物以合理流速被輸運(yùn)到沉積區(qū)2、反應(yīng)劑氣體由主氣流經(jīng)過邊界層擴(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)物分子離開襯底表面，由襯底外擴(kuò)散到主氣流，排出化學(xué)氣相沉積課件第11頁(yè)11/51邊界層理論

氣體速度受到擾動(dòng)并按拋物線型改變、同時(shí)還存在反應(yīng)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(yuǎn)小于反應(yīng)室?guī)缀纬叽纾軌蛘J(rèn)為氣體為黏滯性流動(dòng)因?yàn)闅怏w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(xué)氣相沉積課件第12頁(yè)12/516.2CVD工藝原理Grove模型從簡(jiǎn)單生長(zhǎng)模型出發(fā)，用動(dòng)力學(xué)方法研究化學(xué)氣相淀積推導(dǎo)出生長(zhǎng)速率表示式及其兩種極限情況。與熱氧化生長(zhǎng)稍有不一樣是，沒有了在SiO2中擴(kuò)散流F1：主氣流到襯底表面反應(yīng)劑流密度F2：反應(yīng)劑在表面反應(yīng)后淀積成固態(tài)薄膜流密度Cg：反應(yīng)劑在主氣流中濃度Cs：反應(yīng)劑在硅表面處濃度化學(xué)氣相沉積課件第13頁(yè)13/516.2CVD工藝原理其中：hG

是質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)，

ks

是表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù)在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應(yīng)相等，這么得到可得：（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模型化學(xué)氣相沉積課件第14頁(yè)14/51

結(jié)論：（1）淀積速率與Cg（反應(yīng)劑濃度）或者Y（反應(yīng)劑摩爾百分比）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中較小一個(gè)決定。

薄膜淀積速率（其中N1表示形成一個(gè)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(xué)氣相沉積課件第15頁(yè)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(duì)溫度敏感度不停下降；當(dāng)溫度高過某個(gè)值后，淀積速率受質(zhì)量輸運(yùn)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(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成正比化學(xué)氣相沉積課件第16頁(yè)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(jìn)行，以確保全部硅原子淀積時(shí)排列整齊，形成單晶層。為質(zhì)量輸運(yùn)控制過程。此時(shí)對(duì)溫度控制要求不是很高，不過對(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工藝原理化學(xué)氣相沉積課件第17頁(yè)17/51當(dāng)工作在高溫區(qū),質(zhì)量控制為主導(dǎo)，hG是常數(shù)，此時(shí)反應(yīng)氣體經(jīng)過邊界層擴(kuò)散很主要，即反應(yīng)腔設(shè)計(jì)和晶片怎樣放置顯得很主要。關(guān)鍵兩點(diǎn)：ks

控制淀積主要和溫度相關(guān)hG

控制淀積主要和反應(yīng)腔體幾何形狀相關(guān)6.2CVD工藝原理化學(xué)氣相沉積課件第18頁(yè)18/516.3CVD工藝方法化學(xué)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(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)化學(xué)氣相沉積課件第19頁(yè)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(shí)先注入到氣化室中，氣化后直接輸送到反應(yīng)室中化學(xué)氣相沉積課件第20頁(yè)20/51質(zhì)量流量控制系統(tǒng)

進(jìn)入反應(yīng)室氣體流量準(zhǔn)確可控控制反應(yīng)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(jì)閥門氣體流量單位:體積/單位時(shí)間溫度為273K，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，每分鐘經(jīng)過氣體體積6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第21頁(yè)21/51CVD反應(yīng)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(yīng)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(diǎn)，依據(jù)需要進(jìn)行選擇。6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第22頁(yè)22/516.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第23頁(yè)23/51

常壓化學(xué)氣相淀積(APCVD)

低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)

等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第24頁(yè)24/516.3CVD工藝方法APCVD反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖化學(xué)氣相沉積課件第25頁(yè)25/516.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第26頁(yè)26/516.3CVD工藝方法操作簡(jiǎn)單，淀積速率高，適合介質(zhì)薄膜淀積。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)和氣流模式提出高要求APCVD化學(xué)氣相沉積課件第27頁(yè)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(yīng)速率低6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第28頁(yè)28/51單晶硅外延要采取圖中臥式反應(yīng)設(shè)備，放置硅片石墨舟為何要有傾斜?6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第29頁(yè)29/51界面層厚度

s是x方向平板長(zhǎng)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(huì)下降；b.沿支座方向反應(yīng)氣體濃度降低,一樣造成淀積速度會(huì)下降。

為氣體粘度；

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

支座傾斜能夠促使

s(x)沿x改變減小。原理：因?yàn)橹ё鶅A斜后，氣流流過截面積下降，造成氣流速度增加，進(jìn)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(zhǎng)度方向氣源耗盡而產(chǎn)生淀積速率下降。尤其對(duì)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(xué)氣相沉積課件第31頁(yè)31/51低壓化學(xué)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(shí)，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(yùn)控制區(qū)域：6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第32頁(yè)32/5133/40分子自由程變長(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(zhǎng)，氣相反應(yīng)中輕易生成亞穩(wěn)態(tài)中間產(chǎn)物，從而降低了反應(yīng)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(qiáng)r為氣體分子半徑平均自由程6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第33頁(yè)33/51LPCVD反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第34頁(yè)34/51低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第35頁(yè)35/51表面反應(yīng)速率控制淀積速率原因：在較低氣壓下，氣體擴(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)來說較易控制，對(duì)反應(yīng)室結(jié)構(gòu)要求不高，可放置較多硅片。優(yōu)點(diǎn)增加產(chǎn)率—晶片可直插放置許多片（100-200）污染少，均勻性和臺(tái)階覆蓋性較APCVD好缺點(diǎn)：相對(duì)低淀積速率，相對(duì)高工作溫度低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第36頁(yè)36/51LPCVD氣缺現(xiàn)象：當(dāng)氣體反應(yīng)劑被消耗而出現(xiàn)反應(yīng)劑濃度改變現(xiàn)象對(duì)于只有一個(gè)入氣口反應(yīng)室，情況比較嚴(yán)重。方法：在水平方向上逐步提升溫度來加緊反應(yīng)速度，從而提升淀積速率采取分布式氣體入口增加反應(yīng)室中氣流速度6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第37頁(yè)37/51Batchprocessing：同時(shí)100-200片薄膜厚度均勻性好能夠準(zhǔn)確控制薄膜成份和結(jié)構(gòu)臺(tái)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(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Al層上面淀積介質(zhì)等。處理方法：等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第38頁(yè)38/51最慣用反應(yīng)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(xué)反應(yīng)。低溫淀積應(yīng)用：在Al上淀積二氧化硅或氮化硅較高淀積速率表面反應(yīng)速率控制淀積速率，準(zhǔn)確控制襯底溫度，可得到均勻薄膜。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第39頁(yè)39/51等離子體中電子與反應(yīng)氣體分子碰撞反應(yīng)氣體分子分解成各種成份：離子、原子及活性基團(tuán)活性基團(tuán)不停吸附在基片表面上吸附在表面上活性基團(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(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第40頁(yè)40/51APCVD設(shè)備簡(jiǎn)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(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三種方法比較6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第41頁(yè)41/51CVD三種方法比較6.3CVD工藝方法PECVD反應(yīng)溫度低，附著性好，良好階梯覆蓋，良好電學(xué)特征能夠與精細(xì)圖形轉(zhuǎn)移工藝兼容，薄膜應(yīng)力低，主流工藝。具備LPCVD優(yōu)點(diǎn)highdepositionrateatrelativelylowtemperatureImprovefilmqualityandstresscontrolthroughionbombardment（炮擊，轟擊）表面反應(yīng)控制淀積速率化學(xué)氣相沉積課件第42頁(yè)42/51共形臺(tái)階覆蓋非共形臺(tái)階覆蓋均勻厚度

臺(tái)階覆蓋：淀積薄膜表面幾何形貌與半導(dǎo)體表面各種臺(tái)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(yīng)物在吸附、反應(yīng)時(shí)有顯著表面遷移臺(tái)階覆蓋（保角性conformality）6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第43頁(yè)43/51臺(tái)階覆蓋（保角性conformality）1、淀積速率正比于氣體分子抵達(dá)角度6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第44頁(yè)44/51臺(tái)階覆蓋（保角性conformality）6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相沉積課件第45頁(yè)45/51

舉例在APCVD中，以SiH4和氧氣為反應(yīng)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(dá)表面時(shí)角度范圍抵達(dá)角反應(yīng)物抵達(dá)半導(dǎo)體表面時(shí)有不一樣角度在一個(gè)陡峭臺(tái)階處，APCVDSiO2時(shí)，薄膜在臺(tái)階頂部處最厚，在拐角處最薄。SiO2薄膜在拐角處斜率大于90o，使得隨即薄膜淀積和各項(xiàng)異性刻蝕變得非常困難。臺(tái)階覆蓋（保角性conformality）6.3CVD工藝方法化學(xué)氣相