soc工藝課件ch7化學(xué)氣相淀積

1、P1微電子制造工藝概論第7章 化學(xué)氣相淀積P27.1 CVD概述7.2 CVD工藝原理7.3 CVD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7.7 CVD金屬及金屬化合物薄膜本章主要內(nèi)容P37.1CVD概述 化學(xué)氣相淀積(Chemical Vapor Deposition, CVD)是將構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣以合理的流速通入反應(yīng)室，通過化學(xué)反應(yīng)在襯底上進(jìn)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(diǎn)：附著性好；薄膜保形覆蓋能力強(qiáng)； 應(yīng)用：絕緣介質(zhì)薄膜，多晶硅半

2、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)的襯底表面能夠很好的覆蓋薄膜。P4氣壓分類氣壓分類 常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD, Atmospheric pressure chemical vapor deposition ） 低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD, Low pressure chemical vapor deposition ）反應(yīng)激活能分類反應(yīng)激活能分類 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD, Plasma enhanced chemical vapor deposition ） 金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積（MOCVD, Meta

3、l-Organic chemical vapor deposition ） 激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相淀積（LCVD , Laser chemical vapor deposition ） 微波等離子體化學(xué)氣相淀積（MWCVD, Microwave assisted chemical vapor deposition ） 溫度分類溫度分類 低溫CVD 中溫CVD 高溫CVD7.1CVD概述 P57.2CVD工藝原理 (1)反應(yīng)劑引入，在襯底表面附近形成“滯留層” (2)反應(yīng)劑被吸附在硅片表面，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng) (3) 在硅片表面成核、生長(zhǎng)成薄膜 (4)反應(yīng)后的氣相副產(chǎn)物排出反應(yīng)室P67.2.1薄膜淀積過程

4、多晶硅薄膜淀積為例，反應(yīng)劑為用氫氣稀釋的硅烷，反應(yīng)為 SiH4Si+2H2淀積過程分為5個(gè)基本步驟： 氫氣和硅烷混合物進(jìn)入反應(yīng)室； 硅烷從主氣流區(qū)以擴(kuò)散方式穿過邊界層到達(dá)襯底硅片表面； 硅烷以及在氣態(tài)分解的含硅原子團(tuán)吸附在硅片表面，成為吸附原子； 吸附的硅和含硅原子團(tuán)發(fā)生表面化學(xué)反應(yīng)，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； 反應(yīng)副產(chǎn)物氫氣和未反應(yīng)的反應(yīng)劑從襯底表面解析，擴(kuò)散穿過邊界層進(jìn)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(yùn)和表面化學(xué)反應(yīng)兩個(gè)過程完成。P7CVD反應(yīng)室內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué) 反應(yīng)室工作氣體是常壓或初真空度，分子平均自由程遠(yuǎn)小于反應(yīng)室尺寸，主氣流區(qū)是層流狀

5、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(dòng)的氣體薄層。 邊界層厚度7.2.1薄膜淀積過程P8立式反應(yīng)器中浮力驅(qū)動(dòng)的再循環(huán)流7.2.1薄膜淀積過程CVD的設(shè)備 立式反應(yīng)器中浮力驅(qū)動(dòng)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(kuò)散方式穿越黏滯層。P9CVD的化學(xué)反應(yīng)條件CVD的表面淀積過程與氣相外延不同，淀積工藝沒有外延工藝要求嚴(yán)格，CVD淀積使硅生長(zhǎng)為多晶硅的原因： 襯底溫度較外延低，硅原子在表面的遷移慢，未能全部遷移到結(jié)點(diǎn)位置上； 淀積速率過快，未等硅原子全部遷移到結(jié)點(diǎn)位置就被其它硅原子所覆蓋，成為薄膜中的硅原子； 襯底表面可以不是單晶

6、，如襯底硅片整個(gè)表面或部分表面已有氧化層；P10 1969年建立的Grove模型認(rèn)為控制薄膜淀積的兩個(gè)步驟：一是氣相質(zhì)量輸運(yùn)過程，二是表面化學(xué)反應(yīng)過程。 反應(yīng)劑到達(dá)襯底表面的擴(kuò)散流密度Jg為： Dg為反應(yīng)劑氣相擴(kuò)散系數(shù)；Cg、Cs為主氣流區(qū)和襯底表面的反應(yīng)劑濃度；為邊界層厚度；hg為氣相質(zhì)量傳輸系數(shù)，hg=Dg/ 。 反應(yīng)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的薄膜物質(zhì)的原子流密度Js為： ks為化學(xué)反應(yīng)速率常熟；k0為與溫度無(wú)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。氣體氣體薄膜薄膜襯底襯底CgCsJgJsGrove模型模型7.2.2薄膜淀積速率及影響因素()sgggggsCCJDh CC ss

7、sJk C/0aEkTskk eP11在穩(wěn)態(tài)，兩個(gè)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為反應(yīng)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 。 淀積速率與反應(yīng)劑的濃度成正比。反應(yīng)劑稀釋時(shí)，淀積速率與反應(yīng)劑的摩爾百分比成正比。11ssggkCCh7.2.2薄膜淀積速率及影響因素sggsgTsgsgk hCk hCJGYNkhNkhNgTCC YP12 硅烷的氣流速率較低時(shí)，多晶硅淀積速率和硅烷氣流速率呈線性關(guān)系，而反應(yīng)劑的濃度與氣流速率成正比。濃度低時(shí)，薄膜淀積速率的表達(dá)式與試驗(yàn)相

8、吻合。SiH4poly-Si+2H27.2.2薄膜淀積速率及影響因素P13Y一定時(shí)， G 由hg和ks中較小者決定如果hgks，則CsCg表面化學(xué)反應(yīng)速率控制過程，有如果hghgG=CThgY/N1kshgG=CTksY/N18 . 1A1ggg/kTE0sT,DDhekk7.2.2薄膜淀積速率及影響因素P15表面反應(yīng)控制表面反應(yīng)控制， ks hg Gksexp(-EA/kT)7.2.2薄膜淀積速率及影響因素溫度較低時(shí)，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?yàn)闇囟容^低時(shí)，ks hg Ghg1/P16Grove模型的指導(dǎo)作用和局限 質(zhì)量輸運(yùn)控制CVD中，反應(yīng)劑濃度的均勻性很重要；對(duì)

9、溫度的控制不必很嚴(yán)格。 表面化學(xué)反應(yīng)控制CVD中，溫度均勻性很重要；對(duì)反應(yīng)劑濃度控制不必很嚴(yán)格。 在反應(yīng)劑濃度較低時(shí)Grove模型和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合得較好，濃度較高則不然。 忽略了反應(yīng)產(chǎn)物的解吸、流速影響；因?yàn)闈舛雀邥r(shí)，副產(chǎn)物數(shù)量增多，阻擋了反應(yīng)及進(jìn)入邊界層和在基片表面的吸附； 忽略了垂直于邊界層方向存在的溫度梯度對(duì)氣相物質(zhì)輸運(yùn)的影響；7.2.2薄膜淀積速率及影響因素P177.2.3薄膜質(zhì)量控制臺(tái)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P18薄膜臺(tái)階的覆蓋方式：薄膜臺(tái)階的覆蓋方式：保形覆蓋：無(wú)論襯底表面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

10、表面淀積的薄膜厚度不均勻。薄膜淀積速率由襯底溫度和表面反應(yīng)劑濃度決定。同一襯底不同位置的溫度相同。反應(yīng)劑是通過氣相擴(kuò)散穿過邊界層到達(dá)襯底表面，所以表面反應(yīng)劑的濃度與同一襯底不同位置的到達(dá)角和邊界層厚度有關(guān)。7.2.3薄膜質(zhì)量控制臺(tái)階覆蓋特性一般到達(dá)角一般到達(dá)角越大淀積越大淀積速率越快速率越快P19 到達(dá)角（arrival angle）指反應(yīng)劑能夠從各方向到達(dá)表面的某一點(diǎn)，這全部方向就是該點(diǎn)的到達(dá)角。到達(dá)角越大，能夠到達(dá)該點(diǎn)的反應(yīng)劑分子數(shù)量就越多，該點(diǎn)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(shí)，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，表面反應(yīng)劑氣

11、體濃度較低，該點(diǎn)淀積較薄，如圖中C點(diǎn)。 低壓淀積時(shí)，反應(yīng)劑氣體分子自由程較長(zhǎng)，分子碰撞概率降低，表面反應(yīng)劑濃度與到達(dá)角有關(guān)外，還與遮蔽效應(yīng)有關(guān)。 遮蔽（Shadowing）效應(yīng)襯底表面上的圖形對(duì)反應(yīng)劑氣體分子直線運(yùn)動(dòng)的阻擋作用。直接入射到D點(diǎn)的入射角遠(yuǎn)小于平面部位。深寬比越大，孔洞或溝槽內(nèi)部D點(diǎn)的入射角越小，遮蔽效應(yīng)就越嚴(yán)重。7.2.3薄膜質(zhì)量控制臺(tái)階覆蓋特性P207.2.3薄膜質(zhì)量控制臺(tái)階覆蓋特性 三種機(jī)制影響反應(yīng)氣體分子到襯底表面的特殊位置：入射；再發(fā)射；表面遷移。 反應(yīng)劑到達(dá)襯底表面可能未被吸附，存在再發(fā)射或表面遷移現(xiàn)象； 再發(fā)射機(jī)制是決定保形覆蓋的關(guān)鍵因素。 如果反應(yīng)劑表面黏滯力低，反

12、應(yīng)劑通過再發(fā)射或表面遷移進(jìn)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(qiáng)了臺(tái)階覆蓋的效果。P21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)致薄膜從襯底表面脫落，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 (tensile stress) 和壓應(yīng)力 (compressive stress)。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(shí)間遷移到結(jié)點(diǎn)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）。7.2.3薄膜質(zhì)量控制薄膜內(nèi)應(yīng)力P227.3 CVD工藝方法7.3.1常壓化學(xué)汽相淀積 7.3.

13、2低壓化學(xué)氣相淀積7.3.3等離子體的產(chǎn)生7.3.4等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積7.3.5淀積工藝方法的進(jìn)展P237.3.1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(jìn)行。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，淀積速率較高，超過0.1um/min，適于介質(zhì)薄膜的淀積。缺點(diǎn)：易于發(fā)生氣相反應(yīng)、產(chǎn)生微粒污染，造成表面形態(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(yùn)限制區(qū)，可精確控制在單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)每個(gè)硅片表面及同一表面不同位置的反應(yīng)劑數(shù)量薄膜均勻性。P24CVD反應(yīng)室熱源CVD過程是在高于室溫條件淀積的。反應(yīng)室側(cè)壁溫度保持在Tw，放置硅片的基座溫度恒定Ts。當(dāng)TwTs

14、，稱熱壁式CVD系統(tǒng)；電阻加熱法；TwTs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。7.3.1常壓化學(xué)氣相淀積P25三種APCVD系統(tǒng)原理圖，采用射頻線圈直接對(duì)基座加熱，是冷壁式反應(yīng)器。 水平反應(yīng)器：應(yīng)用最早，用途最廣的反應(yīng)器。硅片平放在固定的基座上，氣體平行于襯底表面流動(dòng)，基座沿氣流方向有一定的傾斜角度； 垂直反應(yīng)器（立式反應(yīng)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(duì)薄膜厚度控制效果好； 桶形反應(yīng)器：基座由旋轉(zhuǎn)平板排成一個(gè)桶形的多面體，硅片放在基座上，氣流方向平行于襯底表面自上向下流動(dòng)。裝載硅片多，薄膜厚度易于控

15、制。7.3.1常壓化學(xué)氣相淀積P26APCVD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(gè)硅片盒。淀積區(qū)和非淀積區(qū)是通過流動(dòng)的惰性氣體隔離。 反應(yīng)劑為硅烷和氧氣，襯底溫度在240250C。 氧氣和硅烷氣體比例為3:1以上，氮?dú)鉃橄♂寶怏w。連續(xù)式供片APCVD設(shè)備SiH4 + O2 = SiO2 + 2H2 7.3.1常壓化學(xué)氣相淀積P27 傳統(tǒng)的反應(yīng)器中，硅烷和氧氣的反應(yīng)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，如表面形態(tài)差、密度低等一系列問題。 新型的可連續(xù)淀積CVD系統(tǒng)，反應(yīng)劑和屏蔽氣體N2同時(shí)從冷卻噴嘴中注入，反應(yīng)

16、空間只有幾毫米，可減少氣相反應(yīng)； 噴嘴、傳送帶以及基座需要經(jīng)常清理。7.3.1常壓化學(xué)氣相淀積P28水平式反應(yīng)器立式反應(yīng)器 通常LPCVD的反應(yīng)室氣壓在在1100Pa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水平反應(yīng)器的襯底硅片放置在熱壁式反應(yīng)器內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)：襯底的裝載量可以大大增加，可達(dá)到幾百片，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，降低了成本。 LPCVD的立式反應(yīng)器的反應(yīng)劑氣體由噴頭進(jìn)入反應(yīng)室，直接擴(kuò)散到硅片表面。優(yōu)點(diǎn)：硅片水平擺放有利于批量生產(chǎn)中機(jī)械手裝卸硅片；有利于氣體的均勻流動(dòng)，淀積薄膜的均勻性好。 淀積速率受表面

17、反應(yīng)控制，對(duì)溫度非常敏感，對(duì)反應(yīng)劑濃度的均勻性要求不高。電阻加熱器的控制精度一般在0.5C，高精度的可達(dá)0.1C，完全滿足對(duì)LPCVD對(duì)溫度的精確控制。7.3.2低壓化學(xué)氣相淀積P29 氣缺現(xiàn)象氣缺現(xiàn)象：氣體從反應(yīng)器的一端進(jìn)入另一端排除，沿氣流方向反應(yīng)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，減小各處淀積厚度差別。 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列反應(yīng)室中。需要特殊設(shè)計(jì)的淀積室來限制注入氣體所產(chǎn)生的氣流交叉效應(yīng)

18、。 增加反應(yīng)室中的氣流速度，使更多的反應(yīng)劑氣體能夠輸運(yùn)到下游。7.3.2低壓化學(xué)氣相淀積P307.3.3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(fù)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；P31輝光放時(shí)，整個(gè)

19、放電管將呈明暗相見的輝光強(qiáng)度 暗區(qū)：相當(dāng)于離子和電子從電場(chǎng)獲取能量的加速區(qū)； 輝光區(qū)：相當(dāng)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(fù)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7.3.3等離子體的產(chǎn)生直流氣體輝光放電P32 等離子體（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(tuán)、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(diǎn)是質(zhì)量較大的重粒子，包括離子、中性原子和原子團(tuán)

20、的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電子的能量，是一種非熱平衡狀態(tài)的等離子體。7.3.3等離子體的產(chǎn)生等離子體及其特點(diǎn)P33直流輝光放電等離子體： 真空度為1Pa的氣體，反常放電時(shí)等離子體中電子平均動(dòng)能E為2eV，電子溫度T=E/k約為23000K，電子的平均運(yùn)動(dòng)速度 v=9.5*105 m/s 離子及中性原子處于低能狀態(tài)，對(duì)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(duì)于等離子體來講都呈現(xiàn)出負(fù)電位，且在物體表面附近出現(xiàn)正電荷積累。7.3.3等離子體的產(chǎn)生等離子體及其特點(diǎn)P34 在輝光放電等離子體中，電子的

21、能量、速率遠(yuǎn)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(jī)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。）： 分子裂解：e* + 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* + e7.3.3等離子體的產(chǎn)生等離子體及其特點(diǎn)P35 射頻氣體輝光放電射頻氣體輝光放電 頻率較低時(shí)，氣體輝光放電類似于直流的情況，放電

22、外貌上是兩個(gè)不同極性下放電外貌的疊加，發(fā)光強(qiáng)度是一個(gè)周期內(nèi)的平均值。 國(guó)際上采用的射頻頻率多為美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)建議的13.56MHz。 在一定氣壓條件下，在陰陽(yáng)電極之間加交變電壓頻率在射頻范圍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放電。7.3.3等離子體的產(chǎn)生射頻氣體輝光放電P36射頻放電的激發(fā)源E型放電：高頻電場(chǎng)直接激發(fā)；H型放電：高頻磁場(chǎng)感應(yīng)激發(fā)；射頻輝光放電與直流放電很不相同：電場(chǎng)周期性改變方向，帶電粒子不容易到達(dá)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(yùn)動(dòng)的電子可從高頻電場(chǎng)中獲得足夠能量，使氣體分子電離，電場(chǎng)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

23、電場(chǎng)可由容抗或感抗耦合進(jìn)淀積室。電極可以是導(dǎo)體，也可是絕緣體。7.3.3等離子體的產(chǎn)生射頻氣體輝光放電P37高密度等離子體（高密度等離子體（high density Plasma, HDP）技術(shù)是在上世紀(jì)80年代末90年代初發(fā)展起來的新一代等離子體技術(shù)。 高密度等離子體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(jiǎn)單等離子體發(fā)生器上增設(shè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，用橫向電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(tuán)。分類：電感耦合HDP；磁控HDP；電子回旋共振（ECR）HDP技術(shù)7.3.3等離子體的產(chǎn)生高

24、密度等離子體P38 等離子體增強(qiáng)化學(xué)相淀積（Plasma Enhanced CVD, 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)反應(yīng)進(jìn)行薄膜淀積的一種工藝。在較低溫度下進(jìn)行。 原理：將淀積室抽真空。射頻功率使反應(yīng)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(tuán)與游離基，在表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(qiáng)。 淀積速率是表面反應(yīng)控制，需要精確控制襯底溫度，溫度變化對(duì)薄膜厚度均勻性影響很大。7.3.4等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積P397.3.4等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積電容耦合射頻電容耦合射頻

25、PECVD設(shè)備：設(shè)備：反應(yīng)氣體從底部中央進(jìn)入室內(nèi)，相襯底流動(dòng)。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。P40影響PECVD薄膜淀積速率因素反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；射頻功率的強(qiáng)度和頻率；反應(yīng)劑與稀釋劑氣體量；抽氣速率；襯底溫度。 7.3.4等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積P417.3.5 CVD工藝方法的進(jìn)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(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)P42金屬有機(jī)物氣相淀積（MOCVD）MOCVD法是采用相當(dāng)?shù)偷臏囟认履芊纸獾慕饘儆袡C(jī)化合物作初始反應(yīng)物進(jìn)行氣相淀積。即把欲淀積膜層的

26、一種或幾種組分以金屬烷基化合物的形式輸送到反應(yīng)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)反應(yīng)，生成淀積薄膜。特點(diǎn)：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。7.3.5 CVD工藝方法的進(jìn)展P43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)反應(yīng)在較低溫度進(jìn)行，激光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。在這個(gè)意義上LCVD類似與PECVD。LCVD法是用激光束照射封閉于氣室內(nèi)的反應(yīng)氣體，誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)，生成物淀積襯底基片上。LCVD的最大優(yōu)點(diǎn)在于淀積過程中，不直接加熱襯底，可按需要進(jìn)行淀積，空間選擇性好，

27、甚至可使薄膜生長(zhǎng)限制在襯底的任意微區(qū)內(nèi)；淀積速率快。7.3.5 CVD工藝方法的進(jìn)展P447.4二氧化硅薄膜的淀積主要有CVDSiO2, PSG, BPSG薄膜，主要用于襯底無(wú)法采用熱氧化方法生長(zhǎng)，或襯底無(wú)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(kuò)散和離子注入工藝中的掩膜；防止雜質(zhì)外擴(kuò)的覆蓋層以及鈍化層。P45 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(yán)格的化學(xué)計(jì)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

28、硅（BPSG） 淀積的溫度分類： 高溫CVD二氧化硅（900C） 中溫CVD二氧化硅（650750C） 低溫CVD二氧化硅（250450C） CVD的方法分類： APCVD-SiO2 LPCVD-SiO2 PECVD-SiO27.4.1CVD-SiO2特性與用途P46在淀積SiO2時(shí)，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(diǎn)：應(yīng)力小，階梯覆蓋較好；可吸收堿性離子；P2O5遇水汽會(huì)水解為磷酸，因此對(duì)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

29、的退火使PSG回流，使襯底表面趨于平坦；PSG濃度高時(shí)，有很強(qiáng)的吸潮性，磷控制在68wt%；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)；7.4.1CVD-SiO2特性與用途P477.4.1CVD-SiO2特性與用途P487.4.1CVD-SiO2特性與用途在淀積磷硅玻璃反應(yīng)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(dá)750；硼的濃度每增加1%，回流溫度降低約40 。當(dāng)濃度大于5wt%時(shí)，將發(fā)生結(jié)晶。BPSG中硼的濃度不超過5%。BPSG流動(dòng)性取決于薄膜的組分、工藝溫度

30、、時(shí)間與環(huán)境氣氛；可用作絕緣層、鈍化層，表面平坦化；P49CVD-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(hù)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(zhǎng)SiO2，其折射系數(shù)n約為1.44（熱氧化n=1.46）。當(dāng) n1.46,薄膜富硅；當(dāng) n1.46, 為低密度多孔薄膜。7.4.1CVD-SiO2特性與用途P507.4.2APCVD-SiO21. SiH4/O2淀積SiO2采用硅烷/O2系統(tǒng)低溫淀積SiO2，一般反應(yīng)溫度在450500 。通入N2或Ar2將SiH4稀釋很低的濃度，一般2%10%，反應(yīng)為： SH4(g)+O2(g) S

31、iO2(s)+2H2(g)溫度在310 450 時(shí)，淀積速率隨著溫度的升高而緩慢增加；溫度升高到450 時(shí)，襯底表面吸附或者氣相擴(kuò)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(huì)降低?？勺鳛槎鄬咏饘黉X布線之間的絕緣層；P51PSG在APCVD中的淀積速率7.4.2APCVD-SiO2恒定溫度時(shí)，增加O2對(duì)SH4的比率可提高淀積速率，增加到一定比例時(shí)，淀積速率開始下降。過量的O2阻止了SiH4的吸附和分解。對(duì)高濃度的氧氣氛，O2:SiH4=30:1，淀積速率隨溫度升高急劇增加，表面反應(yīng)速率限制

32、；對(duì)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。P522. TEOS(正硅酸四乙酯)/O3 采用TEOS/O3為反應(yīng)劑的APCVD是低溫工藝，溫度約為400 ，反應(yīng)式為：Si(C2H5O)4+8O3 SiO2+10H2O+8CO2 優(yōu)點(diǎn)： TEOS與二氧化硅的黏滯系數(shù)低，表面再發(fā)射能力強(qiáng)，對(duì)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）； 避免PECVD工藝對(duì)硅片表面的損傷； SiH4/O2和TEOS/O3方法結(jié)合： TEOS/O3能夠改善薄膜的臺(tái)階覆蓋特性；

33、 SiH4/O2減小在淀積厚膜是帶來的張應(yīng)力和減弱TEOS/O3對(duì)下面膜層的敏感度。7.4.2APCVD-SiO2P537.4.2LPCVD-SiO2TEOS、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，反應(yīng)式為： Si(OC2H5)4SiO2+4C2H4+2H2O 加入足夠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； 加入PH3增加淀積速率，對(duì)薄膜均勻性無(wú)影響；以硅烷類為硅源淀積

34、SiO2 與APCVD方法類似，采用SH4/O2； 缺點(diǎn)：LPCVD是熱壁反應(yīng)器，而SiH4低溫分解，在進(jìn)入反應(yīng)室之前SiH4發(fā)生氣相反應(yīng)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。P547.4.4 PECVD-SiO2 特點(diǎn)：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(dāng)N2O:SiH4的比例比較低時(shí)，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(duì)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

35、氣體，溫度：氣為稀釋氣體，溫度：200-400P557.5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(chǎng)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(huì)引起p型硅的反型、溝道漏電等現(xiàn)象；抗輻射能力差。P567.5.1氮化硅薄膜性質(zhì)與用途氮化硅的特點(diǎn)氮化硅的特點(diǎn)： 抗鈉能力強(qiáng)，耐水汽能力強(qiáng)。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(hù)膜有優(yōu)勢(shì)； 化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、耐堿性強(qiáng)。室溫下不與氫氟酸或氫氧化鉀反應(yīng)。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(qiáng)。SiO2對(duì)B、P、As、Sb有掩蔽作用，Si3N4還

36、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(chǎng)區(qū)氧化(LOCOS)；抗氧化能力強(qiáng)，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。P577.5.2 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：10-100 Pa 3SiH2Cl2(H2或N2 ) +4NH3 Si3N4+ 6HCl+6H2 最終鈍化層 低溫PECVD， 2

37、00-400 P：10-100 Pa SiH4 (H2或N2) + NH3 (或N2 ) SixNyHz+H2P587.5.2LPCVD氮化硅工藝LPCVD氮化硅薄膜密度高（2.93.1g/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(tái)階覆蓋性較好；較少的粒子污染；缺點(diǎn)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?P597.5.3PECVD氮化硅薄膜PECVD氮化硅：氮化硅： 采用SiH4/NH3作為反應(yīng)劑來淀積氮化硅，一般NH3與SiH4的比例控制在5:120:

38、1，淀積速率為2050nm/min。襯底溫度在300 以下時(shí)，淀積的氮化硅中氫的含量可以達(dá)到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作為反應(yīng)劑，N2和SiH4的比例高達(dá)100:11000:1，因?yàn)镹2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(tái)階覆蓋差，擊穿電壓低; H含量較少，形成薄膜致密。 SiH4 + N2 SixNyHz+H2P60NH3含量和淀積溫度對(duì)PECVD氮化硅的影響 7.5.2LPCVD氮化硅工藝P617.6多晶硅薄膜淀積多晶硅的結(jié)構(gòu)與特性 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：多晶硅

39、薄膜是由無(wú)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(wú)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表面原子周期性排列受到破壞所引起。 造成多晶硅的兩個(gè)重要特性： （1）擴(kuò)散系數(shù)晶界處明顯大于晶粒內(nèi)部。 （2）雜質(zhì)分凝高溫時(shí)位于晶粒內(nèi)部的雜質(zhì)在低溫時(shí)運(yùn)動(dòng)到晶界處，而高溫時(shí)又返回晶粒內(nèi)。 多晶硅內(nèi)每個(gè)單晶晶粒內(nèi)的電學(xué)行為和單晶硅的電學(xué)行為相似P627.6.1 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

40、阻率； 熱處理過程中摻雜原子運(yùn)動(dòng)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(gè)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(duì)準(zhǔn)工藝中利用多晶硅的耐高溫特性作為擴(kuò)散掩膜； 低摻雜的多晶硅在SRAM中制作高值負(fù)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；P637.6.2CVD多晶硅薄膜工藝 LPCVD，580-650，熱分解硅烷實(shí)現(xiàn)淀積； T 580時(shí)，淀積薄膜基本為非晶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)象從反應(yīng)室的入口到出口的30溫度梯度；分布式入口LPCVD反應(yīng)室 在淀積Poly-Si的同時(shí)可直接摻