硅集成電路工藝基礎(chǔ)6

1、第六章第六章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 化學(xué)氣相淀積化學(xué)氣相淀積(Chemical Vapor Deposition)，簡，簡稱稱CVD，是把含有構(gòu)成薄膜元素的，是把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑氣態(tài)反應(yīng)劑或者或者液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣，以，以合理的流速合理的流速引入反應(yīng)室，引入反應(yīng)室，在在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在襯底上淀積薄膜襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在襯底上淀積薄膜。是制。是制備薄膜的一種重要方法。備薄膜的一種重要方法。CVD的應(yīng)用的應(yīng)用6.1、CVD模型模型6.2、化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)、化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)6.3、CVD多晶硅的特性和沉積方法多晶硅的特性和沉積方法6.4、CVD二氧化硅的特性

2、和沉積方法二氧化硅的特性和沉積方法6.5、CVD氮化硅的特性和沉積方法氮化硅的特性和沉積方法6.6、金屬的化學(xué)氣相沉積、金屬的化學(xué)氣相沉積主要內(nèi)容主要內(nèi)容6.1 CVD模型模型化學(xué)氣相沉積的主要步驟：化學(xué)氣相沉積的主要步驟： (1)反應(yīng)劑氣體反應(yīng)劑氣體(或被惰性氣體稀釋的反應(yīng)劑或被惰性氣體稀釋的反應(yīng)劑) 以以合理的流速合理的流速被輸送到反應(yīng)被輸送到反應(yīng)室內(nèi)，氣流從入口進(jìn)入反應(yīng)室并以平流形式向出口流動，室內(nèi)，氣流從入口進(jìn)入反應(yīng)室并以平流形式向出口流動，平流區(qū)平流區(qū)也稱為主也稱為主氣流區(qū)，其氣流區(qū)，其氣體流速氣體流速是是不變不變的。的。 (2)反應(yīng)劑從主氣流區(qū)反應(yīng)劑從主氣流區(qū)以擴(kuò)散方式通過邊界層到

3、達(dá)襯底表面以擴(kuò)散方式通過邊界層到達(dá)襯底表面，邊界層邊界層是主是主氣流區(qū)與硅片表面之間氣流區(qū)與硅片表面之間氣流速度受到擾動的氣體薄層氣流速度受到擾動的氣體薄層。 (3)反應(yīng)劑被吸附反應(yīng)劑被吸附在硅片的表面，成為吸附原子在硅片的表面，成為吸附原子(分子分子)。 (4)吸附原子吸附原子(分子分子)在在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成薄膜的基本元素并，生成薄膜的基本元素并淀淀積成薄膜積成薄膜。 (5)化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)的氣態(tài)副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)劑離開襯底表面氣態(tài)副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)劑離開襯底表面，進(jìn)入主氣流，進(jìn)入主氣流區(qū)區(qū)被排出系統(tǒng)被排出系統(tǒng)。6.1.1 CVD的基本過程的基本過程(1)

4、 在淀積溫度下，在淀積溫度下，反應(yīng)劑必須具備足夠高的蒸氣壓反應(yīng)劑必須具備足夠高的蒸氣壓。(2) 淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓，這樣才能保證在整個(gè)淀積，這樣才能保證在整個(gè)淀積過程中，薄膜能夠始終留在襯底表面上。過程中，薄膜能夠始終留在襯底表面上。(3) 除淀積物外，反應(yīng)的除淀積物外，反應(yīng)的其他產(chǎn)物必須是揮發(fā)性其他產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的?；瘜W(xué)反應(yīng)的氣態(tài)的?；瘜W(xué)反應(yīng)的氣態(tài)副產(chǎn)物不能進(jìn)入薄膜副產(chǎn)物不能進(jìn)入薄膜中。（盡管在一些情況下是不可避免的）中。（盡管在一些情況下是不可避免的）(4) 淀積溫度必須足夠低淀積溫度必須足夠低以避免對先前工藝產(chǎn)生影響。以避免對先前工藝產(chǎn)生影

5、響。(5) 化學(xué)反應(yīng)應(yīng)該化學(xué)反應(yīng)應(yīng)該發(fā)生在被加熱的襯底表面發(fā)生在被加熱的襯底表面，如果在氣相中發(fā)生化學(xué)，如果在氣相中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將導(dǎo)致過早核化，降低薄膜的附著性和密度、增加薄膜的反應(yīng)，將導(dǎo)致過早核化，降低薄膜的附著性和密度、增加薄膜的缺陷、降低沉積速率、浪費(fèi)反應(yīng)氣體等。缺陷、降低沉積速率、浪費(fèi)反應(yīng)氣體等。CVD的化學(xué)反應(yīng)必須滿足的條件的化學(xué)反應(yīng)必須滿足的條件上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)真空蒸發(fā)和濺射真空蒸發(fā)和濺射是物理氣相淀積技術(shù)中最基本的兩種方法。是物理氣相淀積技術(shù)中最基本的兩種方法。蒸發(fā)法的特點(diǎn)蒸發(fā)法的特點(diǎn)：沉積速率較高，真空度高，薄膜質(zhì)量較高。：沉積速率較高，真空度高，薄膜質(zhì)量較高。臺

6、階覆蓋能力差；沉積多元合金薄膜時(shí)，組分難以控制。臺階覆蓋能力差；沉積多元合金薄膜時(shí)，組分難以控制。濺射法特點(diǎn)濺射法特點(diǎn)：在沉積多元合金薄膜時(shí)，化學(xué)成份容易控制；：在沉積多元合金薄膜時(shí)，化學(xué)成份容易控制；沉積的薄膜與襯底附著性好。沉積的薄膜與襯底附著性好。上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)飽和蒸氣壓：飽和蒸氣壓：真空室中，在一定環(huán)境溫度真空室中，在一定環(huán)境溫度T下，固體（或液體）下，固體（或液體）與其蒸氣達(dá)到相平衡時(shí)氣體的壓力。與其蒸氣達(dá)到相平衡時(shí)氣體的壓力。 同一物質(zhì)，溫度升高，飽和蒸氣壓增大同一物質(zhì)，溫度升高，飽和蒸氣壓增大 ； 不同物質(zhì)同一溫度下，飽和蒸氣壓大，說明該物質(zhì)容易蒸發(fā)。不同物質(zhì)同一溫

7、度下，飽和蒸氣壓大，說明該物質(zhì)容易蒸發(fā)。點(diǎn)源，膜厚分布為：點(diǎn)源，膜厚分布為： 2/320)(1 1hldd薄膜厚度的均勻性：薄膜厚度的均勻性：同蒸發(fā)源的形狀有很大的關(guān)系。同蒸發(fā)源的形狀有很大的關(guān)系。對于微小平面蒸發(fā)源，有：對于微小平面蒸發(fā)源，有： 220)(1 1hldd上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié) 電阻加熱蒸發(fā)：歐姆熱，最簡單、常用電阻加熱蒸發(fā)：歐姆熱，最簡單、常用蒸發(fā)源加熱方式蒸發(fā)源加熱方式 電子束蒸發(fā)源：高能聚集電子束，微區(qū)，虛坩堝避免交叉污染電子束蒸發(fā)源：高能聚集電子束，微區(qū)，虛坩堝避免交叉污染 脈沖激光源蒸發(fā)：高能聚集激光束，高熔點(diǎn)材料，局部區(qū)域，脈沖激光源蒸發(fā)：高能聚集激光束，高熔

8、點(diǎn)材料，局部區(qū)域， 入射深度小，蒸發(fā)只發(fā)生在靶材表面入射深度小，蒸發(fā)只發(fā)生在靶材表面 高頻感應(yīng)源蒸發(fā)：蒸發(fā)速率大，溫度均勻，價(jià)格貴，需屏蔽高頻感應(yīng)源蒸發(fā)：蒸發(fā)速率大，溫度均勻，價(jià)格貴，需屏蔽取決于入射離子的能量。取決于入射離子的能量。濺射：濺射：上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)濺射率：濺射率：入射離子能量：濺射閾值，入射離子能量：濺射閾值，E ，S ，逐漸平緩，離子注入，逐漸平緩，離子注入 入射離子種類：原子量增加，入射離子種類：原子量增加，S呈周期性波動增加，呈周期性波動增加， 惰性氣體惰性氣體S大大輝光放電：輝光放電：濺射過程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)上，即射向固體表面的濺射過程都是建立在輝光放

9、電的基礎(chǔ)上，即射向固體表面的離子是來源于氣體放電離子是來源于氣體放電，不同的濺射技術(shù)采用的，不同的濺射技術(shù)采用的輝光放電方式輝光放電方式不同。不同。上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)濺射方法濺射方法直流濺射：直流濺射： 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料 工作氣壓：工作氣壓：影響濺射率和薄膜質(zhì)量，影響濺射率和薄膜質(zhì)量， 隨著氣壓的變化，濺射淀積的速率隨著氣壓的變化，濺射淀積的速率會出現(xiàn)一個(gè)極值。（氣壓低，會出現(xiàn)一個(gè)極值。（氣壓低，S低，氣壓高，散射增加，沉積減少）低，氣壓高，散射增加，沉積減少） 射頻濺射：射頻濺射：導(dǎo)體，絕緣體導(dǎo)體，絕緣體 自偏壓效應(yīng)自偏壓效應(yīng)，靶材會自動地處于一個(gè)負(fù)電位，這將導(dǎo)致氣體離子對其產(chǎn)生，

10、靶材會自動地處于一個(gè)負(fù)電位，這將導(dǎo)致氣體離子對其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射。自發(fā)的轟擊和濺射。 較低的電場就可以維持放電較低的電場就可以維持放電直流濺射與射頻濺射淀積方法具有兩個(gè)缺點(diǎn)：直流濺射與射頻濺射淀積方法具有兩個(gè)缺點(diǎn)： 淀積速率較低淀積速率較低； 濺射所需的濺射所需的工作氣壓較高工作氣壓較高，造成氣體分子對薄膜產(chǎn)生污染。，造成氣體分子對薄膜產(chǎn)生污染。上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)磁控濺射磁控濺射磁控濺射：磁控濺射：磁場將電子軌跡限制到靶面附近，提高電子碰撞和電離磁場將電子軌跡限制到靶面附近，提高電子碰撞和電離 的效率。的效率。淀積速率淀積速率可以比其他濺射方法可以比其他濺射方法高高一個(gè)數(shù)量級。一

11、個(gè)數(shù)量級。工作氣壓工作氣壓可以明顯降可以明顯降低低，一方面降低了薄膜污染的傾向，另一方面也，一方面降低了薄膜污染的傾向，另一方面也將提高入射到襯底表面原子的能量，改善薄膜的質(zhì)量。將提高入射到襯底表面原子的能量，改善薄膜的質(zhì)量。反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射化合物的濺射沉積，金屬靶材，通入活性氣體化合物的濺射沉積，金屬靶材，通入活性氣體化學(xué)氣相淀積：化學(xué)氣相淀積：把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或者液把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或者液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣，以合理的流速引入反應(yīng)室，在襯底表面態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣，以合理的流速引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在襯底上淀積薄膜。發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在襯底上淀積薄膜。上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)

12、上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)6.1.2 邊界層理論邊界層理論泊松流：泊松流：如果假設(shè)如果假設(shè)沿主氣流方向沒有速度梯沿主氣流方向沒有速度梯度度，而沿，而沿垂直氣流方向的流速為拋物線型變垂直氣流方向的流速為拋物線型變化化，這就是著名的泊松流，這就是著名的泊松流(Poisseulle Flow)。 氣體從反應(yīng)室左端以均勻柱形流進(jìn)，并以氣體從反應(yīng)室左端以均勻柱形流進(jìn)，并以完全展開的拋物線型流出。完全展開的拋物線型流出。 由于由于CVD反應(yīng)室的氣壓很高，可以認(rèn)為反應(yīng)室的氣壓很高，可以認(rèn)為氣體是黏滯性氣體是黏滯性的，氣體分子的平的，氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)小于反應(yīng)室的幾何尺寸。均自由程遠(yuǎn)小于反應(yīng)室的幾何尺寸。 黏滯性氣體

13、流過靜止的硅片表面或者反應(yīng)室的側(cè)壁時(shí)，由于黏滯性氣體流過靜止的硅片表面或者反應(yīng)室的側(cè)壁時(shí)，由于摩擦力摩擦力的存在，的存在，使使緊貼硅片表面或者側(cè)壁的氣流速度為零緊貼硅片表面或者側(cè)壁的氣流速度為零，在離表面或側(cè)壁一，在離表面或側(cè)壁一 定距離處，定距離處，氣流速度氣流速度平滑地過渡到平滑地過渡到最大氣流速度最大氣流速度Um，即主氣流速度，在主氣流區(qū)域內(nèi)，即主氣流速度，在主氣流區(qū)域內(nèi)的氣體流速是均一的。的氣體流速是均一的。 在靠近在靠近硅片表面附近，硅片表面附近，存在一個(gè)氣流速度受到擾動的薄層，存在一個(gè)氣流速度受到擾動的薄層，在垂直氣流在垂直氣流方向存在很大的速度梯度方向存在很大的速度梯度。 因發(fā)生

14、化學(xué)反應(yīng)，緊靠硅片表面的反應(yīng)劑濃度降低，沿垂直氣流方向還因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，緊靠硅片表面的反應(yīng)劑濃度降低，沿垂直氣流方向還存在反應(yīng)劑的濃度梯度，存在反應(yīng)劑的濃度梯度，反應(yīng)劑將以擴(kuò)散形式從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)運(yùn)動反應(yīng)劑將以擴(kuò)散形式從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)運(yùn)動。邊界層邊界層邊界層：邊界層：氣流速度受到擾動并按拋物線型氣流速度受到擾動并按拋物線型變化，同時(shí)還存在反應(yīng)劑濃度梯度的薄層，變化，同時(shí)還存在反應(yīng)劑濃度梯度的薄層，稱為邊界層、附面層、滯流層。稱為邊界層、附面層、滯流層。邊界層厚度邊界層厚度(x)：定義為從速度為零的硅片表定義為從速度為零的硅片表面到氣流速度為面到氣流速度為0.99 Um的區(qū)域厚度。的區(qū)域

15、厚度。(x)與距離與距離x之間的關(guān)系可以表示為之間的關(guān)系可以表示為 其中，其中，是氣體的黏滯系數(shù)，是氣體的黏滯系數(shù)，為氣體的密度，為氣體的密度，圖中的虛線是氣流速度圖中的虛線是氣流速度U達(dá)到主氣流速度達(dá)到主氣流速度Um的的99的連線，也就是邊界層的邊界位置。的連線，也就是邊界層的邊界位置。21)(Uxx 設(shè)設(shè)L為基片的長度，邊界層的平均厚度可以表示為為基片的長度，邊界層的平均厚度可以表示為 或者或者 其中其中Re為氣體的雷諾數(shù)為氣體的雷諾數(shù)，無量綱，它，無量綱，它表示流體運(yùn)動中慣性效應(yīng)與黏滯效應(yīng)的比表示流體運(yùn)動中慣性效應(yīng)與黏滯效應(yīng)的比。對于較低的對于較低的Re值值(如小于如小于2000)，氣流

16、為平流型，即在反應(yīng)室中沿各表面附近，氣流為平流型，即在反應(yīng)室中沿各表面附近的氣體流速足夠慢。的氣體流速足夠慢。對于較大的對于較大的Re值，氣流的形式為湍流，應(yīng)當(dāng)加以防止。值，氣流的形式為湍流，應(yīng)當(dāng)加以防止。在商用的在商用的CVD反應(yīng)器中，雷諾數(shù)很低反應(yīng)器中，雷諾數(shù)很低(低于低于100)，氣流幾乎始終是平流。，氣流幾乎始終是平流。210)(32)(1ULLdxxLLRe32LULRe6.1.3 Grove模型模型流密度：流密度：單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的原子或分子數(shù)單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的原子或分子數(shù)F1：反應(yīng)劑反應(yīng)劑從主氣流到襯底表面的流密度從主氣流到襯底表面的流密度F2 ：反應(yīng)劑反應(yīng)劑在表面反

17、應(yīng)后淀積成固態(tài)薄膜的流密度在表面反應(yīng)后淀積成固態(tài)薄膜的流密度 假定假定流密度流密度F1正比于正比于反應(yīng)劑在主氣流中的濃度反應(yīng)劑在主氣流中的濃度Cg與與在硅表面處的濃度在硅表面處的濃度Cs之差之差，則流密度，則流密度F1可表示為可表示為 比例系數(shù)比例系數(shù)hg被稱為氣相質(zhì)量輸運(yùn)被稱為氣相質(zhì)量輸運(yùn)(轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移)系數(shù)。系數(shù)。)(1sggCChF Grove模型：模型：1966年，Grove建立。認(rèn)為控制薄膜淀積速率的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)是：認(rèn)為控制薄膜淀積速率的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)是： 一是反應(yīng)劑在邊界層中的輸運(yùn)過程；一是反應(yīng)劑在邊界層中的輸運(yùn)過程； 二是反應(yīng)劑在襯底表面上的化學(xué)反應(yīng)過程。二是反應(yīng)劑在襯底表面上的化學(xué)反

18、應(yīng)過程。 假定在表面經(jīng)化學(xué)反應(yīng)淀積成薄膜的速率正比于反應(yīng)劑在表面的濃度假定在表面經(jīng)化學(xué)反應(yīng)淀積成薄膜的速率正比于反應(yīng)劑在表面的濃度Cs，則流密度則流密度F2可表示為：可表示為： ks為表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)。為表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，兩個(gè)流密度應(yīng)當(dāng)相等，即在穩(wěn)定狀態(tài)下，兩個(gè)流密度應(yīng)當(dāng)相等，即Fl=F2=F?？傻玫健？傻玫絻煞N極限情況：兩種極限情況：當(dāng)當(dāng)hgks時(shí)，時(shí)，Cs趨向于趨向于Cg，從主氣流輸運(yùn)到硅片表面的反應(yīng)劑數(shù)量大于在從主氣流輸運(yùn)到硅片表面的反應(yīng)劑數(shù)量大于在該溫度下表面化學(xué)反應(yīng)需要的數(shù)量，該溫度下表面化學(xué)反應(yīng)需要的數(shù)量，淀積速率受表面化學(xué)反應(yīng)速率控制。淀積速率受表面化學(xué)反應(yīng)

19、速率控制。當(dāng)當(dāng)hgks，淀積速率由，淀積速率由ks限限制，制，薄膜淀積速率與溫度之間遵循著指數(shù)薄膜淀積速率與溫度之間遵循著指數(shù)關(guān)系。隨著溫度的上升，關(guān)系。隨著溫度的上升，ks隨著溫度的升隨著溫度的升高而變大，高而變大，淀積速率也隨之加快淀積速率也隨之加快。 當(dāng)溫度繼續(xù)升高，淀積速率趨向于穩(wěn)定當(dāng)溫度繼續(xù)升高，淀積速率趨向于穩(wěn)定，這是因?yàn)榉磻?yīng)加快，淀積速率轉(zhuǎn)由輸運(yùn)控這是因?yàn)榉磻?yīng)加快，淀積速率轉(zhuǎn)由輸運(yùn)控制，而制，而hg值對溫度不太敏感。值對溫度不太敏感。每條曲線的每條曲線的hg不同，由反應(yīng)控制轉(zhuǎn)化為輸不同，由反應(yīng)控制轉(zhuǎn)化為輸運(yùn)控制的拐點(diǎn)不同。運(yùn)控制的拐點(diǎn)不同。 統(tǒng)一的淀積速率需要有一個(gè)恒定的反應(yīng)速率

20、，在受表面化統(tǒng)一的淀積速率需要有一個(gè)恒定的反應(yīng)速率，在受表面化學(xué)反應(yīng)速度控制的學(xué)反應(yīng)速度控制的CVD工藝中，溫度是一個(gè)重要的參數(shù)，溫工藝中，溫度是一個(gè)重要的參數(shù)，溫度控制就成為一個(gè)重要指標(biāo)。度控制就成為一個(gè)重要指標(biāo)。 例如在例如在LPCVD反應(yīng)系統(tǒng)中，硅片可以緊密地排列，因?yàn)榉磻?yīng)系統(tǒng)中，硅片可以緊密地排列，因?yàn)榇讼到y(tǒng)淀積速率是由表面化學(xué)反應(yīng)速度控制。此系統(tǒng)淀積速率是由表面化學(xué)反應(yīng)速度控制。 質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)hg依賴于氣相參數(shù)，如氣體流速和氣體成份等。依賴于氣相參數(shù)，如氣體流速和氣體成份等。 CVD工藝中，反應(yīng)劑氣體分子是以工藝中，反應(yīng)劑氣體分子是以氣相擴(kuò)散氣相擴(kuò)散的方式，從主氣流中穿過

21、的方式，從主氣流中穿過邊界層到達(dá)襯底表面的，擴(kuò)散速度正比于反應(yīng)劑的擴(kuò)散系數(shù)邊界層到達(dá)襯底表面的，擴(kuò)散速度正比于反應(yīng)劑的擴(kuò)散系數(shù)Dg以及邊界以及邊界層內(nèi)的濃度梯度。物質(zhì)輸運(yùn)速度受溫度的影響比較小。層內(nèi)的濃度梯度。物質(zhì)輸運(yùn)速度受溫度的影響比較小。 根據(jù)菲克第一定律，流密度根據(jù)菲克第一定律，流密度F1可用下式表示可用下式表示 其中其中Dg是氣態(tài)反應(yīng)劑的擴(kuò)散系數(shù)，是氣態(tài)反應(yīng)劑的擴(kuò)散系數(shù)，(Cg-Cs)/ s是氣態(tài)反應(yīng)劑在邊界層內(nèi)是氣態(tài)反應(yīng)劑在邊界層內(nèi)的濃度梯度。的濃度梯度。ssggCCDF)(1質(zhì)量輸運(yùn)控制過程質(zhì)量輸運(yùn)控制過程 用平均邊界層厚度用平均邊界層厚度 來代替來代替 s ，質(zhì)量，質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)輸

22、運(yùn)系數(shù)hg可以表示為：可以表示為： Re23)(1LDDCCFhggsgg 因此，因此，增加氣流速率可以提高淀積速率。增加氣流速率可以提高淀積速率。但如果氣流速率持續(xù)上升，薄但如果氣流速率持續(xù)上升，薄膜淀積速率膜淀積速率最終會達(dá)到一個(gè)極大值，之后與氣流速率無關(guān)最終會達(dá)到一個(gè)極大值，之后與氣流速率無關(guān)。這是因?yàn)闅饬鳌＿@是因?yàn)闅饬魉俾蚀蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)，速率大到一定程度時(shí)，淀積速率轉(zhuǎn)受表面化學(xué)反應(yīng)速率控制淀積速率轉(zhuǎn)受表面化學(xué)反應(yīng)速率控制。 另外，隨著氣流速率的增加，氣體的雷諾數(shù)也隨之增大，當(dāng)氣流速率大另外，隨著氣流速率的增加，氣體的雷諾數(shù)也隨之增大，當(dāng)氣流速率大到一定程度時(shí)，將會導(dǎo)致湍流的發(fā)生。到一定

23、程度時(shí)，將會導(dǎo)致湍流的發(fā)生。ULRe由質(zhì)量輸運(yùn)速率控制的薄膜淀積速率與主氣流速度由質(zhì)量輸運(yùn)速率控制的薄膜淀積速率與主氣流速度Um的平方根成正比。的平方根成正比。 在由質(zhì)量輸運(yùn)速度控制的淀積過程中，對溫度的控在由質(zhì)量輸運(yùn)速度控制的淀積過程中，對溫度的控制不必很嚴(yán)格，制不必很嚴(yán)格，因?yàn)榭刂票∧さ矸e速率的是質(zhì)量輸運(yùn)過因?yàn)榭刂票∧さ矸e速率的是質(zhì)量輸運(yùn)過程，質(zhì)量輸運(yùn)過程對溫度的依賴性非常小。程，質(zhì)量輸運(yùn)過程對溫度的依賴性非常小。 襯底各處的反應(yīng)劑濃度應(yīng)當(dāng)相等，這一點(diǎn)非常重要，襯底各處的反應(yīng)劑濃度應(yīng)當(dāng)相等，這一點(diǎn)非常重要，應(yīng)嚴(yán)格控制應(yīng)嚴(yán)格控制。6.2、化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)、化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)CVD系統(tǒng)通常包含如

24、下子系統(tǒng)：系統(tǒng)通常包含如下子系統(tǒng)： 氣態(tài)源或液態(tài)源；氣態(tài)源或液態(tài)源； 氣體輸運(yùn)管道；氣體輸運(yùn)管道； 氣體流量控制系統(tǒng)；氣體流量控制系統(tǒng)； 反應(yīng)室；反應(yīng)室； 基座加熱及控制系統(tǒng)基座加熱及控制系統(tǒng)(有些系統(tǒng)的反應(yīng)激活能通過其他有些系統(tǒng)的反應(yīng)激活能通過其他方法引入方法引入)； 溫度控制及測量系統(tǒng)等。溫度控制及測量系統(tǒng)等。LPCVD和和PECVD系統(tǒng)還包含減壓系統(tǒng)。系統(tǒng)還包含減壓系統(tǒng)。6.2.1 CVD的氣體源的氣體源在在CVD過程中，可以用氣態(tài)源也可以用液態(tài)源。過程中，可以用氣態(tài)源也可以用液態(tài)源。目前氣態(tài)源正在被液態(tài)源所取代：目前氣態(tài)源正在被液態(tài)源所取代：相對于有毒、易燃、腐蝕性強(qiáng)的氣體，液態(tài)源會更

25、安全一些；液相對于有毒、易燃、腐蝕性強(qiáng)的氣體，液態(tài)源會更安全一些；液體的氣壓比氣體的氣壓要小的多，因此在泄漏事故當(dāng)中，液體產(chǎn)體的氣壓比氣體的氣壓要小的多，因此在泄漏事故當(dāng)中，液體產(chǎn)生致命的危險(xiǎn)比較小；生致命的危險(xiǎn)比較??；除了安全考慮之外，許多薄膜采用液體源淀積時(shí)有較好的特性。除了安全考慮之外，許多薄膜采用液體源淀積時(shí)有較好的特性。液態(tài)源的輸送，一般是通過下面幾種方式實(shí)現(xiàn)的：液態(tài)源的輸送，一般是通過下面幾種方式實(shí)現(xiàn)的：冒泡法；冒泡法；加熱液態(tài)源；加熱液態(tài)源；液態(tài)源直接注入法。液態(tài)源直接注入法。 液態(tài)源的普遍輸送方式是冒泡法。攜帶氣體液態(tài)源的普遍輸送方式是冒泡法。攜帶氣體(氮?dú)?、氮?dú)狻錃?、氬氣?/p>

26、氣、氬氣)通過準(zhǔn)確控制溫度的液態(tài)源，冒泡后將通過準(zhǔn)確控制溫度的液態(tài)源，冒泡后將反應(yīng)劑攜帶到反應(yīng)室中。反應(yīng)劑攜帶到反應(yīng)室中。 攜帶反應(yīng)劑的氣體流量是由流量計(jì)精確控制，所攜攜帶反應(yīng)劑的氣體流量是由流量計(jì)精確控制，所攜帶帶反應(yīng)劑的數(shù)量是由液態(tài)源的溫度及攜帶氣體的流速反應(yīng)劑的數(shù)量是由液態(tài)源的溫度及攜帶氣體的流速等因素決定等因素決定。 冒泡法冒泡法冒泡法的缺點(diǎn)：冒泡法的缺點(diǎn)： 如果反應(yīng)劑的飽和蒸汽壓對溫度的變化比較敏感，就會給控制反應(yīng)劑的如果反應(yīng)劑的飽和蒸汽壓對溫度的變化比較敏感，就會給控制反應(yīng)劑的濃度帶來困難；濃度帶來困難； 如果在很低氣壓下輸送反應(yīng)劑，在液態(tài)源和反應(yīng)室之間，反應(yīng)劑容易凝如果在很低氣壓

27、下輸送反應(yīng)劑，在液態(tài)源和反應(yīng)室之間，反應(yīng)劑容易凝聚，所以運(yùn)輸管道必須加熱。聚，所以運(yùn)輸管道必須加熱。當(dāng)前已有幾種改進(jìn)方法：當(dāng)前已有幾種改進(jìn)方法：直接氣化系統(tǒng)：直接氣化系統(tǒng)：加熱反應(yīng)源，將因受熱而氣化的反應(yīng)劑，加熱反應(yīng)源，將因受熱而氣化的反應(yīng)劑，由質(zhì)量流量控制系統(tǒng)控制，通過被加熱的氣體管道直接輸由質(zhì)量流量控制系統(tǒng)控制，通過被加熱的氣體管道直接輸送到反應(yīng)室。送到反應(yīng)室。液態(tài)源直接注入法：液態(tài)源直接注入法：保存在室溫下的液態(tài)源，使用時(shí)先注保存在室溫下的液態(tài)源，使用時(shí)先注入到氣化室中，在氣化室中氣化后直接輸送到反應(yīng)室中。入到氣化室中，在氣化室中氣化后直接輸送到反應(yīng)室中。6.2.2 質(zhì)量流量控制系統(tǒng)質(zhì)量

28、流量控制系統(tǒng) CVD系統(tǒng)要求進(jìn)入反應(yīng)室的氣流速度是精確可控的。系統(tǒng)要求進(jìn)入反應(yīng)室的氣流速度是精確可控的。 氣體流量控制方法：氣體流量控制方法：通過通過控制反應(yīng)室的氣壓控制反應(yīng)室的氣壓來控制氣體流量；來控制氣體流量；由由質(zhì)量流量控制系統(tǒng)質(zhì)量流量控制系統(tǒng)直接控制氣體流量。直接控制氣體流量。 質(zhì)量流量控制系統(tǒng)主要包括質(zhì)量流量計(jì)和閥門。它們位于氣體源質(zhì)量流量控制系統(tǒng)主要包括質(zhì)量流量計(jì)和閥門。它們位于氣體源和反應(yīng)室之間，而質(zhì)量流量計(jì)是質(zhì)量控制系統(tǒng)中最核心的部件。和反應(yīng)室之間，而質(zhì)量流量計(jì)是質(zhì)量控制系統(tǒng)中最核心的部件。 氣體流量的單位是：體積氣體流量的單位是：體積/時(shí)間，這里的體積是在標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，

29、這里的體積是在標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)氣壓下的體積，氣壓下的體積，1cm3/min的氣體流量就是指在溫度為的氣體流量就是指在溫度為273K、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下、每分鐘通過大氣壓下、每分鐘通過lcm3體積的氣體。體積的氣體。6.2.3 反應(yīng)室的熱源反應(yīng)室的熱源反應(yīng)室的側(cè)壁溫度為反應(yīng)室的側(cè)壁溫度為Tw，放置硅片的基座溫度為，放置硅片的基座溫度為Ts熱壁式熱壁式CVD系統(tǒng)：系統(tǒng)：Tw等于等于Ts冷壁式冷壁式CVD系統(tǒng)：系統(tǒng)： Tw小于小于Ts 冷壁系統(tǒng)能夠冷壁系統(tǒng)能夠降低在側(cè)壁上的淀積降低在側(cè)壁上的淀積，減小了反應(yīng)劑的損，減小了反應(yīng)劑的損耗，也耗，也減小壁上顆粒剝離對淀積薄膜質(zhì)量的影響減小壁上顆粒剝離對淀

30、積薄膜質(zhì)量的影響。u 第一類是第一類是電阻加熱法電阻加熱法：利用纏繞在反應(yīng)管外側(cè)的電阻絲加熱，：利用纏繞在反應(yīng)管外側(cè)的電阻絲加熱，反應(yīng)室側(cè)壁與硅片溫度相等，形成一個(gè)反應(yīng)室側(cè)壁與硅片溫度相等，形成一個(gè)熱壁系統(tǒng)熱壁系統(tǒng)； 電阻加熱法也可以只對放置硅片的基座進(jìn)行加熱，硅片的溫度電阻加熱法也可以只對放置硅片的基座進(jìn)行加熱，硅片的溫度 高于反應(yīng)室側(cè)壁的溫度，形成高于反應(yīng)室側(cè)壁的溫度，形成冷壁系統(tǒng)冷壁系統(tǒng)。u 第二類是采用第二類是采用電感加熱或者高能輻射燈加熱電感加熱或者高能輻射燈加熱。 在電感加熱方式中，纏繞在反應(yīng)管外圍的射頻線圈，在淀積室內(nèi)在電感加熱方式中，纏繞在反應(yīng)管外圍的射頻線圈，在淀積室內(nèi) 的基

31、座上產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致基座和硅片的溫度升高。的基座上產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致基座和硅片的溫度升高。 絕緣的淀積室側(cè)壁不能被射頻場加熱，是一種冷壁式系統(tǒng)絕緣的淀積室側(cè)壁不能被射頻場加熱，是一種冷壁式系統(tǒng)。 對于由高能輻射燈加熱的系統(tǒng)，對于由高能輻射燈加熱的系統(tǒng)，淀積室側(cè)壁淀積室側(cè)壁是由是由可以透過輻射可以透過輻射 射線射線的材料制成，所受加熱程度遠(yuǎn)低于硅片和基座，是一種的材料制成，所受加熱程度遠(yuǎn)低于硅片和基座，是一種冷壁冷壁系統(tǒng)系統(tǒng)。基座加熱方法基座加熱方法6.2.4 CVD系統(tǒng)的分類系統(tǒng)的分類 目前常用的目前常用的CVD系統(tǒng)有：常壓化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)有：常壓化學(xué)氣相淀積 APCVD、低壓化學(xué)氣相淀、低壓化學(xué)氣

32、相淀積積 LPCVD、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積 PECVD等。等。 1. APCVD系統(tǒng)系統(tǒng) 最早使用的最早使用的CVD系統(tǒng)，用來淀積氧化層和生長硅外延層。系統(tǒng)，用來淀積氧化層和生長硅外延層。 APCVD是在是在大氣壓下大氣壓下進(jìn)行淀積的系統(tǒng)，操作簡單，進(jìn)行淀積的系統(tǒng)，操作簡單，淀積速率高，適于淀積速率高，適于較厚的介質(zhì)薄膜的淀積較厚的介質(zhì)薄膜的淀積。但。但APCVD易于發(fā)生氣相反應(yīng)，產(chǎn)生微粒污染，易于發(fā)生氣相反應(yīng)，產(chǎn)生微粒污染，臺階覆蓋性和均勻性比較差。臺階覆蓋性和均勻性比較差。 APCVD一般是由質(zhì)量輸運(yùn)控制淀積速率。一般是由質(zhì)量輸運(yùn)控制淀積速率。精確控制單位時(shí)間內(nèi)到

33、達(dá)每精確控制單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)每個(gè)硅片及同一硅片不同位置的反應(yīng)劑數(shù)量，對所淀積薄膜的均勻性起著重個(gè)硅片及同一硅片不同位置的反應(yīng)劑數(shù)量，對所淀積薄膜的均勻性起著重要的作用，要的作用，這就給反應(yīng)室結(jié)構(gòu)和氣流模式提出更高的要求。這就給反應(yīng)室結(jié)構(gòu)和氣流模式提出更高的要求。 反應(yīng)管是水平的石英管，硅片平放在一個(gè)固定的傾斜基座反應(yīng)管是水平的石英管，硅片平放在一個(gè)固定的傾斜基座上。上。反應(yīng)激活能反應(yīng)激活能是由纏繞在反應(yīng)管外側(cè)的熱電阻絲提供的輻是由纏繞在反應(yīng)管外側(cè)的熱電阻絲提供的輻射熱能、或者是射頻電源通過繞在反應(yīng)管外面的射頻線圈加射熱能、或者是射頻電源通過繞在反應(yīng)管外面的射頻線圈加熱基座供給的熱能，這樣系統(tǒng)可以

34、淀積不同的薄膜。熱基座供給的熱能，這樣系統(tǒng)可以淀積不同的薄膜。水平式反應(yīng)系統(tǒng)水平式反應(yīng)系統(tǒng) 放在受熱移動盤上或者傳輸帶上的硅片連續(xù)通過非淀積區(qū)和淀積區(qū)，淀放在受熱移動盤上或者傳輸帶上的硅片連續(xù)通過非淀積區(qū)和淀積區(qū)，淀積區(qū)和外圍的非淀積區(qū)是通過流動的惰性氣體實(shí)現(xiàn)隔離的。積區(qū)和外圍的非淀積區(qū)是通過流動的惰性氣體實(shí)現(xiàn)隔離的。 連續(xù)工作的淀積區(qū)始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)，連續(xù)工作的淀積區(qū)始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)，反應(yīng)氣體從硅片上方的噴頭持反應(yīng)氣體從硅片上方的噴頭持續(xù)穩(wěn)定地噴入到淀積區(qū)，同時(shí)續(xù)穩(wěn)定地噴入到淀積區(qū)，同時(shí)硅片不斷地被送入、導(dǎo)出淀積區(qū)硅片不斷地被送入、導(dǎo)出淀積區(qū)。 這是目前用來淀積低溫二氧化硅薄膜的最常用的

35、這是目前用來淀積低溫二氧化硅薄膜的最常用的CVD系統(tǒng)。系統(tǒng)。連續(xù)淀積的連續(xù)淀積的APCVD系統(tǒng)系統(tǒng)新型可連續(xù)淀積新型可連續(xù)淀積CVD系統(tǒng)系統(tǒng) 作為屏蔽氣體的氮?dú)夂头磻?yīng)劑同時(shí)從冷卻的噴嘴中注入到反應(yīng)室，作為屏蔽氣體的氮?dú)夂头磻?yīng)劑同時(shí)從冷卻的噴嘴中注入到反應(yīng)室，反應(yīng)氣反應(yīng)氣體的混合發(fā)生在離硅片表面幾毫米的空間內(nèi)，因而減少了氣相反應(yīng)。體的混合發(fā)生在離硅片表面幾毫米的空間內(nèi)，因而減少了氣相反應(yīng)。氮?dú)鈿獾獨(dú)鈿饬魇菑姆磻?yīng)氣體的四周注入，因此流是從反應(yīng)氣體的四周注入，因此氮?dú)鈿饬髌鸬礁綦x作用氮?dú)鈿饬髌鸬礁綦x作用，并伴隨著反應(yīng)后，并伴隨著反應(yīng)后的氣體由出口流出。的氣體由出口流出。 廣泛應(yīng)用于二氧化硅和摻雜氧化

36、物的淀積。廣泛應(yīng)用于二氧化硅和摻雜氧化物的淀積。 2. LPCVD系統(tǒng)系統(tǒng) 低壓化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)淀積的某些薄膜，低壓化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)淀積的某些薄膜，在均勻性和臺階覆蓋等方面在均勻性和臺階覆蓋等方面比比APCVD系統(tǒng)的要好系統(tǒng)的要好，而且污染也少。另外，在不使用稀釋氣體的情，而且污染也少。另外，在不使用稀釋氣體的情況下，況下，通過降低壓強(qiáng)就可以降低氣相成核通過降低壓強(qiáng)就可以降低氣相成核。LPCVD的淀積速率是受表面反應(yīng)控制的淀積速率是受表面反應(yīng)控制：因?yàn)樵谳^低的氣壓下：因?yàn)樵谳^低的氣壓下(大約大約133.3 Pa)，氣體的擴(kuò)散速率比在一個(gè)大氣壓下的擴(kuò)散速率高出很多倍。盡管邊，氣體的擴(kuò)散速率比在一

37、個(gè)大氣壓下的擴(kuò)散速率高出很多倍。盡管邊界層的厚度隨壓力降低而增厚，兩者相比還是擴(kuò)散速度增大占優(yōu)勢，因界層的厚度隨壓力降低而增厚，兩者相比還是擴(kuò)散速度增大占優(yōu)勢，因此此LPCVD系統(tǒng)中反應(yīng)劑的質(zhì)量輸運(yùn)不再是限制淀積速率的主要因素，淀系統(tǒng)中反應(yīng)劑的質(zhì)量輸運(yùn)不再是限制淀積速率的主要因素，淀積速率受表面反應(yīng)控制。積速率受表面反應(yīng)控制。 由于由于LPCVD淀積速率不再受質(zhì)量輸運(yùn)控制，這就降低了對反應(yīng)室結(jié)淀積速率不再受質(zhì)量輸運(yùn)控制，這就降低了對反應(yīng)室結(jié)構(gòu)的要求。雖然表面反應(yīng)速度對溫度非常敏感，但是構(gòu)的要求。雖然表面反應(yīng)速度對溫度非常敏感，但是精確控制溫度相對精確控制溫度相對比較容易比較容易。 LPCVD可

38、以用來淀積多種薄膜，包括多晶硅、氮化硅、二氧化硅等?？梢杂脕淼矸e多種薄膜，包括多晶硅、氮化硅、二氧化硅等。 在在LPCVD系統(tǒng)中，系統(tǒng)中，因?yàn)楸砻娣磻?yīng)速度控制淀積速率，而表因?yàn)楸砻娣磻?yīng)速度控制淀積速率，而表面反應(yīng)速度又正比于表面上的面反應(yīng)速度又正比于表面上的反應(yīng)劑濃度反應(yīng)劑濃度，要想在各個(gè)硅片要想在各個(gè)硅片表面上淀積厚度相同的薄膜，就表面上淀積厚度相同的薄膜，就應(yīng)該保證各個(gè)硅片表面上的應(yīng)該保證各個(gè)硅片表面上的反應(yīng)劑濃度是相同反應(yīng)劑濃度是相同的。的。 然而對于只有然而對于只有一個(gè)入氣口一個(gè)入氣口的反應(yīng)室來說，的反應(yīng)室來說，沿氣流方向因反沿氣流方向因反應(yīng)劑不斷消耗，靠近入氣口處淀積的膜較厚，遠(yuǎn)離入

39、氣口處應(yīng)劑不斷消耗，靠近入氣口處淀積的膜較厚，遠(yuǎn)離入氣口處淀積的膜較薄淀積的膜較薄 ，稱這種現(xiàn)象為，稱這種現(xiàn)象為氣缺現(xiàn)象氣缺現(xiàn)象。氣缺現(xiàn)象氣缺現(xiàn)象(1)由于反應(yīng)速度隨著溫度的升高而加快，可通過由于反應(yīng)速度隨著溫度的升高而加快，可通過在水平方向上逐漸提高在水平方向上逐漸提高溫度溫度來加快反應(yīng)速度，從而提高淀積速率，補(bǔ)償氣缺效應(yīng)的影響，減小來加快反應(yīng)速度，從而提高淀積速率，補(bǔ)償氣缺效應(yīng)的影響，減小各處淀積厚度的差別。各處淀積厚度的差別。 (2)采用分布式的氣體入口采用分布式的氣體入口，就是反應(yīng)劑氣體通過一系列氣體口注入到反，就是反應(yīng)劑氣體通過一系列氣體口注入到反應(yīng)室中。需要特殊設(shè)計(jì)的淀積室來限制氣

40、流交叉效應(yīng)。應(yīng)室中。需要特殊設(shè)計(jì)的淀積室來限制氣流交叉效應(yīng)。(3)增加反應(yīng)室中的氣流速度。增加反應(yīng)室中的氣流速度。當(dāng)氣流速度增加的時(shí)候，在單位時(shí)間內(nèi)，當(dāng)氣流速度增加的時(shí)候，在單位時(shí)間內(nèi)，靠近氣體入口處的淀積速率不變，薄膜淀積所消耗的反應(yīng)劑絕對數(shù)量也靠近氣體入口處的淀積速率不變，薄膜淀積所消耗的反應(yīng)劑絕對數(shù)量也就沒有改變，但所消耗的比例降低，更多的反應(yīng)劑氣體能夠輸運(yùn)到下游，就沒有改變，但所消耗的比例降低，更多的反應(yīng)劑氣體能夠輸運(yùn)到下游，在各個(gè)硅片上所淀積的薄膜厚度也變得更均勻一些。在各個(gè)硅片上所淀積的薄膜厚度也變得更均勻一些。 LPCVD系統(tǒng)的兩個(gè)主要系統(tǒng)的兩個(gè)主要缺點(diǎn)是相對低的淀積速率和相對高

41、的工作溫度缺點(diǎn)是相對低的淀積速率和相對高的工作溫度。增加反應(yīng)劑分壓來提高淀積速率則容易產(chǎn)生氣相反應(yīng)；降低淀積溫度則增加反應(yīng)劑分壓來提高淀積速率則容易產(chǎn)生氣相反應(yīng)；降低淀積溫度則將導(dǎo)致不可接受的淀積速率。將導(dǎo)致不可接受的淀積速率。減輕氣缺現(xiàn)象影響的方法減輕氣缺現(xiàn)象影響的方法3. PECVD系統(tǒng)系統(tǒng) 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)是目前最主要的化學(xué)是目前最主要的化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)氣相淀積系統(tǒng)。APCVD和和LPCVD都是利用熱能來激活和維持都是利用熱能來激活和維持化學(xué)反應(yīng)，而化學(xué)反應(yīng)，而PECVD是通過射頻是通過射頻等離子體來激活和維持化學(xué)等離子體來激活和維持化學(xué)反應(yīng)

42、反應(yīng)，受激發(fā)的分子可以在低溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以淀積，受激發(fā)的分子可以在低溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以淀積溫度比溫度比APCVD和和LPCVD低，淀積速率也更高。低，淀積速率也更高。 低溫淀積是低溫淀積是PECVD的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，因此，可以在鋁上淀，因此，可以在鋁上淀積二氧化硅或者氮化硅。淀積的薄膜具有良好的附著性、低積二氧化硅或者氮化硅。淀積的薄膜具有良好的附著性、低針孔密度、良好的階梯覆蓋及電學(xué)特性。針孔密度、良好的階梯覆蓋及電學(xué)特性。 等離子體中的電子與反應(yīng)氣體的分子等離子體中的電子與反應(yīng)氣體的分子碰撞碰撞，使氣體分子，使氣體分子分分解解成：離子、原子及活性基團(tuán)成：離子、原子及活

43、性基團(tuán)(激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)) 這些活性基團(tuán)這些活性基團(tuán)吸附吸附在襯底表面上，發(fā)生在襯底表面上，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)生成薄膜生成薄膜元素，并在襯底表面上元素，并在襯底表面上形成薄膜形成薄膜。 活性基團(tuán)吸附在襯底表面時(shí)，不斷受到離子和電子轟擊，活性基團(tuán)吸附在襯底表面時(shí)，不斷受到離子和電子轟擊，很容易遷移，重新排列，保證了淀積的薄膜具有很容易遷移，重新排列，保證了淀積的薄膜具有良好的均良好的均勻性及填充小尺寸結(jié)構(gòu)的能力勻性及填充小尺寸結(jié)構(gòu)的能力。 PECVD沉積薄膜的特點(diǎn)沉積薄膜的特點(diǎn) 與與APCVD和和LPCVD不同，在不同，在PECVD的操作過程中，還的操作過程中，還需要對另外一些淀積參數(shù)進(jìn)行控制和優(yōu)

44、化，除了需要對另外一些淀積參數(shù)進(jìn)行控制和優(yōu)化，除了氣流速度、氣流速度、溫度和氣壓溫度和氣壓等參數(shù)之外，淀積過程還依賴于等參數(shù)之外，淀積過程還依賴于射頻功率密度、射頻功率密度、頻率頻率等參數(shù)。等參數(shù)。 PECVD是典型的是典型的表面反應(yīng)速率控制型表面反應(yīng)速率控制型，要想保證薄膜的，要想保證薄膜的均勻性，就均勻性，就需要準(zhǔn)確控制襯底溫度需要準(zhǔn)確控制襯底溫度。6.3 CVD多晶硅的特性和沉積方法多晶硅的特性和沉積方法多晶硅薄膜在集成電路制造中有許多重要的應(yīng)用。多晶硅薄膜在集成電路制造中有許多重要的應(yīng)用。多晶硅與隨后的高溫?zé)崽幚砉に囉泻芎玫募嫒菪远嗑Ч枧c隨后的高溫?zé)崽幚砉に囉泻芎玫募嫒菪耘c與Al柵相比

45、，柵相比，多晶硅與熱生長二氧化硅的接觸性能更好多晶硅與熱生長二氧化硅的接觸性能更好在陡峭的臺階上淀積多晶硅時(shí)能夠獲得在陡峭的臺階上淀積多晶硅時(shí)能夠獲得很好的保形性很好的保形性 因而高摻雜的多晶硅薄膜作為因而高摻雜的多晶硅薄膜作為柵電極和互聯(lián)引線柵電極和互聯(lián)引線在在MOS集集成電路中得到廣泛地應(yīng)用。成電路中得到廣泛地應(yīng)用。6.3.1 多晶硅薄膜的特性多晶硅薄膜的特性 多晶硅薄膜是由小的單晶晶粒組成，存在大量的晶粒間多晶硅薄膜是由小的單晶晶粒組成，存在大量的晶粒間界，晶粒內(nèi)部的性質(zhì)非常相似于單晶硅，界，晶粒內(nèi)部的性質(zhì)非常相似于單晶硅，晶粒間界是一個(gè)具晶粒間界是一個(gè)具有高密度缺陷和懸掛鍵的區(qū)域有高密

46、度缺陷和懸掛鍵的區(qū)域，這是因?yàn)榫Яｉg界的不完整，這是因?yàn)榫Яｉg界的不完整性和晶粒表面原子周期性排列受到破壞所引起的。性和晶粒表面原子周期性排列受到破壞所引起的。 1. 物理結(jié)構(gòu)特性物理結(jié)構(gòu)特性晶粒間界的高密度缺陷和懸掛鍵使多晶硅具有兩個(gè)重要特性：晶粒間界的高密度缺陷和懸掛鍵使多晶硅具有兩個(gè)重要特性： 在晶粒間界處的擴(kuò)散系數(shù)明顯高于晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散系數(shù)，雜質(zhì)在晶粒間界處的擴(kuò)散系數(shù)明顯高于晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散系數(shù)，雜質(zhì)沿晶粒間界的擴(kuò)散速度比在晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度要快得多。沿晶粒間界的擴(kuò)散速度比在晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度要快得多。即即使晶粒間界只占多晶硅空間的一小部分，但沿著這些途徑的擴(kuò)使晶粒間界只占多晶硅空間的一

47、小部分，但沿著這些途徑的擴(kuò)散也會使得整個(gè)多晶硅的雜質(zhì)擴(kuò)散速度明顯增加。散也會使得整個(gè)多晶硅的雜質(zhì)擴(kuò)散速度明顯增加。 雜質(zhì)的分布也受到晶粒間界的影響，雜質(zhì)的分布也受到晶粒間界的影響，高溫時(shí)存在于晶粒內(nèi)的雜高溫時(shí)存在于晶粒內(nèi)的雜質(zhì)，在低溫時(shí)由于分凝作用，一些雜質(zhì)會從晶粒內(nèi)部運(yùn)動到晶質(zhì)，在低溫時(shí)由于分凝作用，一些雜質(zhì)會從晶粒內(nèi)部運(yùn)動到晶粒間界，而在高溫下又會返回到晶粒內(nèi)部。粒間界，而在高溫下又會返回到晶粒內(nèi)部。這這兩個(gè)特性對多晶硅中的雜質(zhì)擴(kuò)散及雜質(zhì)分布產(chǎn)生重要影響兩個(gè)特性對多晶硅中的雜質(zhì)擴(kuò)散及雜質(zhì)分布產(chǎn)生重要影響。2. 多晶硅的電學(xué)特性多晶硅的電學(xué)特性 在一般的摻雜濃度下，在一般的摻雜濃度下，同樣的

48、摻雜濃度，多晶硅的電阻率比單晶硅的同樣的摻雜濃度，多晶硅的電阻率比單晶硅的電阻率高得多電阻率高得多。這主要是由于：。這主要是由于：在熱處理過程中、一些在熱處理過程中、一些雜質(zhì)原子跑到晶粒間界雜質(zhì)原子跑到晶粒間界處，這些晶界處的雜質(zhì)原處，這些晶界處的雜質(zhì)原子子不能有效地貢獻(xiàn)自由載流子不能有效地貢獻(xiàn)自由載流子，而使晶粒內(nèi)摻雜濃度降低，因此同單晶硅，而使晶粒內(nèi)摻雜濃度降低，因此同單晶硅相比，摻雜濃度雖然相同，多晶硅電阻率比單晶硅電阻率高得多；相比，摻雜濃度雖然相同，多晶硅電阻率比單晶硅電阻率高得多；晶粒間界處含有晶粒間界處含有大量的懸掛鍵，可以俘獲自由載流子，降低了自由載流大量的懸掛鍵，可以俘獲自由

49、載流子，降低了自由載流子的濃度子的濃度。晶粒間界俘獲電荷使得鄰近的晶粒耗盡晶粒間界俘獲電荷使得鄰近的晶粒耗盡，引起多晶硅內(nèi)部電勢的變化，引起多晶硅內(nèi)部電勢的變化，對載流子遷移非常不利，對載流子遷移非常不利，晶粒間界的晶粒間界的缺陷也使得載流子的遷移率降低缺陷也使得載流子的遷移率降低，從，從而導(dǎo)致電阻率增大。而導(dǎo)致電阻率增大。 但在但在重?fù)诫s的倩況下，多晶硅的電阻率與單晶硅的電阻率相差不大重?fù)诫s的倩況下，多晶硅的電阻率與單晶硅的電阻率相差不大。 實(shí)際上，對于實(shí)際上，對于400nm的多晶硅薄膜，可以得到的多晶硅薄膜，可以得到10-30/的低薄層電阻。的低薄層電阻。6.3.2 CVD沉積多晶硅薄膜沉

50、積多晶硅薄膜 多晶硅薄膜的沉積，通常主要是采用多晶硅薄膜的沉積，通常主要是采用LPCVD工藝，在工藝，在580-650下熱分下熱分解硅烷實(shí)現(xiàn)的。解硅烷實(shí)現(xiàn)的。 LPCVD技術(shù)淀積的薄膜具有均勻性好、純度高等優(yōu)點(diǎn)，大多數(shù)多晶硅技術(shù)淀積的薄膜具有均勻性好、純度高等優(yōu)點(diǎn)，大多數(shù)多晶硅淀積是在低壓、熱壁式反應(yīng)室中完成的。淀積是在低壓、熱壁式反應(yīng)室中完成的。 在淀積的過程中，硅烷首先被吸附在襯底的表面上，緊接著就是硅烷的在淀積的過程中，硅烷首先被吸附在襯底的表面上，緊接著就是硅烷的熱分解，中間產(chǎn)物是熱分解，中間產(chǎn)物是SiH2和和H2。 總的反應(yīng)式如下：總的反應(yīng)式如下： （氣）固吸附（氣）吸附吸附2222

51、4)()()()(HSiSiHHSiHSiH（氣）固吸附242)()(HSiSiH 要形成致密的、沒有缺陷的多晶硅薄膜，分解反應(yīng)應(yīng)該在要形成致密的、沒有缺陷的多晶硅薄膜，分解反應(yīng)應(yīng)該在襯底表面進(jìn)行。襯底表面進(jìn)行。如果硅烷在氣相中發(fā)生分解反應(yīng)，則將在氣如果硅烷在氣相中發(fā)生分解反應(yīng)，則將在氣相中凝聚成核，當(dāng)這些顆粒到達(dá)襯底表面時(shí)，比較容易生成相中凝聚成核，當(dāng)這些顆粒到達(dá)襯底表面時(shí)，比較容易生成粗糙的多孔硅層。粗糙的多孔硅層。 當(dāng)氣體中硅烷的濃度很大時(shí)，硅烷容易發(fā)生氣相分解反應(yīng)，當(dāng)氣體中硅烷的濃度很大時(shí)，硅烷容易發(fā)生氣相分解反應(yīng)，為了避免出現(xiàn)這種情況，就需要使用稀釋氣體。因?yàn)闅錃馐菫榱吮苊獬霈F(xiàn)這種情

52、況，就需要使用稀釋氣體。因?yàn)闅錃馐欠磻?yīng)生成物中的一種，所以反應(yīng)生成物中的一種，所以用氫氣稀釋能抑制分解反應(yīng)的進(jìn)用氫氣稀釋能抑制分解反應(yīng)的進(jìn)行行。1.采用氫氣作為稀釋氣體采用氫氣作為稀釋氣體 在傳統(tǒng)的在傳統(tǒng)的LPCVD系統(tǒng)中，在反應(yīng)室的入口到出口之間設(shè)系統(tǒng)中，在反應(yīng)室的入口到出口之間設(shè)定定一個(gè)一個(gè)30的溫度梯度的溫度梯度，以解決在反應(yīng)室中沿氣流方向因反，以解決在反應(yīng)室中沿氣流方向因反應(yīng)消耗、反應(yīng)劑濃度不斷下降，即應(yīng)消耗、反應(yīng)劑濃度不斷下降，即氣缺現(xiàn)象氣缺現(xiàn)象而引起的淀積速而引起的淀積速率降低。率降低。 這種方法的一個(gè)問題是：這種方法的一個(gè)問題是：多晶硅的摻雜和微觀結(jié)構(gòu)極大程多晶硅的摻雜和微觀結(jié)構(gòu)

53、極大程度的依賴于淀積溫度，所以沿著氣流方向，不同晶片上所淀度的依賴于淀積溫度，所以沿著氣流方向，不同晶片上所淀積的薄膜屬性有所變化積的薄膜屬性有所變化。 分布式入口的分布式入口的LPCVD反應(yīng)室反應(yīng)室能較好的解決上述問題，因能較好的解決上述問題，因而成為淀積多晶硅更常用的系統(tǒng)。而成為淀積多晶硅更常用的系統(tǒng)。2.采用分布式氣體入口采用分布式氣體入口6.3.3 沉積條件對多晶硅結(jié)構(gòu)及沉積速率的影響沉積條件對多晶硅結(jié)構(gòu)及沉積速率的影響 在溫度低于在溫度低于580時(shí)淀積的薄膜基本是非晶態(tài)。在高于時(shí)淀積的薄膜基本是非晶態(tài)。在高于580時(shí)，時(shí)，淀積的薄膜基本是多晶的。淀積的薄膜基本是多晶的。 右圖是在一定

54、的溫度范圍內(nèi)，右圖是在一定的溫度范圍內(nèi)，多晶硅淀積速率與氣體壓力之間多晶硅淀積速率與氣體壓力之間的關(guān)系。的關(guān)系。 由圖可以看到淀積速率隨壓力由圖可以看到淀積速率隨壓力上升而加快，圖中的混合形態(tài)是上升而加快，圖中的混合形態(tài)是指多晶與非晶的混合。指多晶與非晶的混合。 其晶向擇優(yōu)方向是：在其晶向擇優(yōu)方向是：在625左右的溫度范圍內(nèi)，左右的溫度范圍內(nèi)，晶向的晶粒晶向的晶粒占主導(dǎo)；在占主導(dǎo)；在675左右的溫度范圍內(nèi)，左右的溫度范圍內(nèi)， 晶向的晶粒占主導(dǎo)。晶向的晶粒占主導(dǎo)。擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向 低溫下淀積的非晶態(tài)薄膜在低溫下淀積的非晶態(tài)薄膜在900-1000重新晶化時(shí)，晶粒更傾向于重新晶化時(shí)，晶粒更傾向于的晶

55、向結(jié)構(gòu)，而且再結(jié)晶時(shí)，晶粒的結(jié)構(gòu)與尺寸重復(fù)性非常好。的晶向結(jié)構(gòu)，而且再結(jié)晶時(shí)，晶粒的結(jié)構(gòu)與尺寸重復(fù)性非常好。 此外，在此外，在580的溫度下、以較慢的淀積速率直接淀積非晶薄膜的的溫度下、以較慢的淀積速率直接淀積非晶薄膜的表面更為平滑，而且這個(gè)平滑表面在經(jīng)歷表面更為平滑，而且這個(gè)平滑表面在經(jīng)歷900-1000的退火后仍然保的退火后仍然保持平整。持平整。低溫沉積再退火低溫沉積再退火6.3.4 多晶硅的摻雜技術(shù)多晶硅的摻雜技術(shù) 實(shí)現(xiàn)對多晶硅的摻雜主要有三種工藝：實(shí)現(xiàn)對多晶硅的摻雜主要有三種工藝： 擴(kuò)散；擴(kuò)散； 離子注入；離子注入； 原位摻雜。原位摻雜。在大多數(shù)應(yīng)用中，是通過擴(kuò)散或者離子注入實(shí)現(xiàn)摻雜。

56、在大多數(shù)應(yīng)用中，是通過擴(kuò)散或者離子注入實(shí)現(xiàn)摻雜。1 多晶硅的擴(kuò)散摻雜多晶硅的擴(kuò)散摻雜 擴(kuò)散摻雜是在淀積完成之后進(jìn)行，在一個(gè)較高擴(kuò)散摻雜是在淀積完成之后進(jìn)行，在一個(gè)較高的溫度的溫度(900-1000)過程中實(shí)現(xiàn)的。對于過程中實(shí)現(xiàn)的。對于n型摻雜，型摻雜，摻雜劑是摻雜劑是POCl3，PH3等含磷氣體。等含磷氣體。u擴(kuò)散摻雜的好處在于能夠在多晶硅薄膜中擴(kuò)散摻雜的好處在于能夠在多晶硅薄膜中摻入濃摻入濃度很高的雜質(zhì)，從而可獲得較低的電阻率。度很高的雜質(zhì)，從而可獲得較低的電阻率。u擴(kuò)散摻雜的溫度較高，可以完成摻雜和退火兩個(gè)擴(kuò)散摻雜的溫度較高，可以完成摻雜和退火兩個(gè)工藝過程。工藝過程。u擴(kuò)散摻雜的缺點(diǎn)是擴(kuò)散

57、摻雜的缺點(diǎn)是工藝溫度較高、薄膜表面粗糙工藝溫度較高、薄膜表面粗糙程度增加。程度增加。 摻磷多晶硅電阻率與擴(kuò)散溫度的關(guān)系如右圖。摻磷多晶硅電阻率與擴(kuò)散溫度的關(guān)系如右圖。2 多晶硅的離子注入摻雜多晶硅的離子注入摻雜 第二種摻雜技術(shù)是離子注入，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是第二種摻雜技術(shù)是離子注入，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以精確控制摻入雜質(zhì)的數(shù)量。離子注入形成的可以精確控制摻入雜質(zhì)的數(shù)量。離子注入形成的高高摻雜多晶硅電阻率大約是擴(kuò)散摻雜形成的多晶硅電摻雜多晶硅電阻率大約是擴(kuò)散摻雜形成的多晶硅電阻率的阻率的10倍，倍，適合于不需要太高摻雜的多晶硅薄膜。適合于不需要太高摻雜的多晶硅薄膜。 目前主要選用目前主要選用快速熱退火

58、快速熱退火(RTP)工藝進(jìn)行工藝進(jìn)行退火和退火和雜質(zhì)激活，在雜質(zhì)激活，在1150下不到下不到30秒秒的時(shí)間內(nèi)，通過的時(shí)間內(nèi)，通過RTP工藝就可以實(shí)現(xiàn)多晶硅的退火和雜質(zhì)激活。工藝就可以實(shí)現(xiàn)多晶硅的退火和雜質(zhì)激活。 RTP的優(yōu)點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間短，避免了單晶硅襯底中的優(yōu)點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間短，避免了單晶硅襯底中的雜質(zhì)重新分布。的雜質(zhì)重新分布。3 原位摻雜原位摻雜 原位摻雜指的是雜質(zhì)原子在薄膜淀積的同時(shí)被結(jié)合到薄膜中，原位摻雜指的是雜質(zhì)原子在薄膜淀積的同時(shí)被結(jié)合到薄膜中，也就是說一步完成薄膜淀積和對薄膜的摻雜。也就是說一步完成薄膜淀積和對薄膜的摻雜。 要實(shí)現(xiàn)原位摻雜，在向反應(yīng)室輸入淀積薄膜所需要的反應(yīng)氣體要實(shí)現(xiàn)原

59、位摻雜，在向反應(yīng)室輸入淀積薄膜所需要的反應(yīng)氣體的同時(shí)，還要輸入摻雜劑氣體。的同時(shí)，還要輸入摻雜劑氣體。 原位摻雜雖然比較簡單，但原位摻雜雖然比較簡單，但薄膜厚度的控制、摻雜的均勻性以薄膜厚度的控制、摻雜的均勻性以及淀積速率都隨著摻雜氣體的加入變得相當(dāng)復(fù)雜。及淀積速率都隨著摻雜氣體的加入變得相當(dāng)復(fù)雜。 對多晶硅進(jìn)行原位摻砷或磷時(shí)，對多晶硅進(jìn)行原位摻砷或磷時(shí)，在退火之前，必須先淀積或者在退火之前，必須先淀積或者熱生長一層氧化物覆蓋層，以避免在退火過程中雜質(zhì)通過表面逸熱生長一層氧化物覆蓋層，以避免在退火過程中雜質(zhì)通過表面逸散。散。6.4 CVD二氧化硅的特性和沉積方法二氧化硅的特性和沉積方法 CVD

60、的二氧化硅也是由的二氧化硅也是由Si-O四面體四面體組成的組成的無定型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無定型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，CVD淀積的二氧化硅同熱生長二氧化硅相比，淀積的二氧化硅同熱生長二氧化硅相比，密度較低密度較低，硅與氧，硅與氧數(shù)量之比與熱生長數(shù)量之比與熱生長SiO2也存在輕微的差別，因而薄膜的力學(xué)和電也存在輕微的差別，因而薄膜的力學(xué)和電學(xué)特性也有所不同。學(xué)特性也有所不同。 高溫淀積或者在淀積之后進(jìn)行高溫退火，都可以使高溫淀積或者在淀積之后進(jìn)行高溫退火，都可以使CVD二氧化二氧化硅薄膜的特性接近于熱生長硅薄膜的特性接近于熱生長SiO2的持性。的持性。 通常把通常把CVD二氧化硅薄膜的折射率二氧化硅薄膜的折射率n與熱生