第六章化學(xué)氣相淀積ppt課件

1、集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)第六章第六章 化學(xué)氣相化學(xué)氣相淀積淀積 西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院戴顯英2019年3月第六章 化學(xué)氣相淀積 n化學(xué)氣相淀積：CVD，Chemical Vapour Deposition。n 通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，在襯底上 n 淀積一層薄膜的工藝過程。nCVD薄膜：集成電路工藝所需的幾乎所有薄膜，如n SiO2、Si3N4、PSG、BSG絕緣介質(zhì)）n 多晶硅、金屬互連線/接觸孔/電極）n 單晶硅外延等。nCVD特點(diǎn)：淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和n 重復(fù)性好、臺階覆蓋好、適用范圍廣、設(shè)備簡單等nCVD系統(tǒng)：常壓CVDAPCVD）、低壓CVDLPCV

2、D和n 等離子增強(qiáng)CVDPECVD）PVD 與 CVDnCVDCVD：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)nPVDPVD：襯底表面不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：襯底表面不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)nCVD: CVD: 更好的臺階覆蓋性更好的臺階覆蓋性 (50% to 100%) (50% to 100%) 和空隙填充能力和空隙填充能力 nPVD: PVD: 臺階覆蓋性差臺階覆蓋性差 ( 15%) ( 15%) 和空隙填充能力差和空隙填充能力差nPVD PVD 源源: : 固態(tài)材料固態(tài)材料nCVD CVD 源源: : 氣體或蒸汽氣體或蒸汽CVD氧化層與熱生長氧化層的比較熱生長氧化層裸硅片CVD氧化層熱氧化處理CVDC

3、VD氧化硅 vs. 熱生長氧化硅n熱生長氧化硅熱生長氧化硅n O來源于氣源，來源于氣源，Si來源于襯底來源于襯底n 氧化物生長消耗硅襯底氧化物生長消耗硅襯底n 高質(zhì)量高質(zhì)量nCVD 氧化硅氧化硅n O和和Si都來自氣態(tài)源都來自氣態(tài)源n 淀積在襯底表面淀積在襯底表面n 生長溫度低如生長溫度低如PECVD）n 生長速率高生長速率高介質(zhì)薄膜的應(yīng)用n淺槽隔離淺槽隔離 (STI, USG)(STI, USG)n側(cè)墻隔離側(cè)墻隔離 (USG)(USG)n金屬前介質(zhì)金屬前介質(zhì) (PMD, PSG or BPSG)(PMD, PSG or BPSG)n金屬間介質(zhì)金屬間介質(zhì) (IMD, USG or FSG)(I

4、MD, USG or FSG)n鈍化介質(zhì)鈍化介質(zhì) (PD, Oxide/Nitride)(PD, Oxide/Nitride)淺槽隔離 (STI)側(cè)墻隔離介質(zhì)層的應(yīng)用實(shí)例基本應(yīng)用基本應(yīng)用6.1 CVD模型6.1.1 CVD的基本過程傳輸：反應(yīng)劑從氣相經(jīng)附面層邊界層擴(kuò)散到Si外表；吸附：反應(yīng)劑吸附在表面；化學(xué)反應(yīng)：在表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成薄膜分子及副產(chǎn)物；淀積：薄膜分子在表面淀積成薄膜；脫吸：副產(chǎn)物脫離吸附；逸出：脫吸的副產(chǎn)物從表面擴(kuò)散到氣相，逸出反應(yīng)室。CVD圖示W(wǎng)afer 襯底基片底座邊界層強(qiáng)制對流區(qū)氣體噴頭源氣體副產(chǎn)品反應(yīng)物6.1 CVD模型6.1.2 邊界層理論CVD氣體的特性：平均自由

5、程遠(yuǎn)小于反應(yīng)室尺寸，具有黏滯性；平流層：主氣流層，流速Um 均一；邊界層附面層、滯留層）：流速受到擾動的氣流層；泊松流Poisseulle Flow）：沿主氣流方向平行Si表面沒有速度梯度，沿垂直Si表面存在速度梯度的流體；6.1 CVD模型6.1.2 邊界層理論邊界層厚度x）：流速小于0.99 Um 的區(qū)域； x）=（x/U)1/2-黏滯系數(shù)，x-與基座的距離，-密度，U-邊界層流速；平均厚度或 Re= UL /，雷諾數(shù)無量綱）雷諾數(shù)取值：200，湍流型要避免）。2/1032)(1LULLdxxLRe32L6.1.3 Grove模型6.1 CVD模型n6.1.3 Grove模型n假定邊界層中

6、反應(yīng)劑的濃度梯度為線形近似，那么n 流密度為 F1=hg(Cg-Cs)n hg - 氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)， Cg- 主氣流中反應(yīng)劑濃度，n Cs - 表面處反應(yīng)劑濃度；n表面的化學(xué)反應(yīng)速率正比于Cs，則流密度為n F2=ksCsn平衡狀態(tài)下，F(xiàn)=F1=F2，那么n Cs = Cg/(1+ks/hg)6.1.3 Grove模型 平衡下，Cs = Cg/(1+ks/hg)兩種極限：a. hg ks時， Cs Cg ，反應(yīng)控制；b. hg ks，那么 G=（CTksY)/N1 ； 擴(kuò)散控制：hg ks，轉(zhuǎn)為反應(yīng)，轉(zhuǎn)為反應(yīng)n 控制，控制，G飽和。飽和。Re23LDDgg6.1 CVD模型淀積速率與溫度的關(guān)

7、系低溫下，hg ks， 反應(yīng)控制過程，故 G與T呈指數(shù)關(guān)系；高溫下，hg ks， 質(zhì)量輸運(yùn)控制過程， hg對T不敏感，故 G趨于平穩(wěn)。6.2 CVD系統(tǒng)nCVD系統(tǒng)的組成n 氣體源：氣態(tài)源和液態(tài)源；n 氣路系統(tǒng):氣體輸入管道、閥門等；n 流量控制系統(tǒng)：質(zhì)量流量計(jì)；n 反應(yīng)室：圓形、矩形；n 基座加熱系統(tǒng)：電阻絲、石墨；n 溫度控制及測量系統(tǒng)n常用CVD技術(shù)n 常壓CVDAPCVD）低壓CVDLPCVD）n 等離子體CVDPECVD）6.2 CVD系統(tǒng)6.2.1 氣體源例如CVD二氧化硅：氣態(tài)源SiH4； 液態(tài)源TEOS正硅酸四乙酯）.液態(tài)源的優(yōu)勢： 平安：氣壓小，不易泄露； 淀積的薄膜特性好液

8、態(tài)源的輸運(yùn)傳輸）： 冒泡法：由N2、H2、Ar2氣體攜帶； 加熱法：直接加熱氣化液態(tài)源； 直接注入法：液態(tài)源先注入到氣化室，氣化后 直接送入反應(yīng)室。6.2 CVD系統(tǒng)6.2.2 質(zhì)量流量控制系統(tǒng)1.質(zhì)量流量計(jì)作用：精確控制氣體流量ml/s)；操作：單片機(jī)程序控制；2.閥門作用：控制氣體輸運(yùn)；6.2.4 CVD技術(shù)1. APCVD定義：氣相淀積在1個大氣壓下進(jìn)行；淀積機(jī)理：氣相傳輸控制過程。優(yōu)點(diǎn)：淀積速率高100nm/min）；操作簡便；缺陷：均勻性差；臺階覆蓋差；易發(fā)生氣相反應(yīng)， 產(chǎn)生微粒污染。淀積薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄膜。6.2.4 CVD技術(shù)2. LPC

9、VD定義：在27270Pa壓力下進(jìn)行化學(xué)氣相淀積。淀積機(jī)理：表面反應(yīng)控制過程。優(yōu)點(diǎn)：均勻性好（35，常壓： 10） ；臺階覆蓋好；效率高、成本低。缺陷：相對淀積速率低；相對溫度高。淀積薄膜： poly-Si、 Si3N4 、 SiO2、PSG、 BPSG、W等。6.2.4 CVD技術(shù)3. PECVD等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積）淀積原理: RF激活氣體分子等離子體），使其在低溫 （室溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，淀積成膜。淀積機(jī)理：表面反應(yīng)控制過程。優(yōu)點(diǎn)：溫度低200350）；更高的淀積速率； 附著性好；臺階覆蓋好；電學(xué)特性好；缺陷：產(chǎn)量低；淀積薄膜：金屬化后的鈍化膜（ Si3N4 ）；多層布 線的介質(zhì)膜（

10、Si3N4 、SiO2）。二、各種CVD方法6.3 CVD多晶硅6.3.1 多晶硅薄膜的特性 1. 結(jié)構(gòu)特性 由無數(shù)生長方向各不相同的小晶粒(100nm量級組成；主要生長方向優(yōu)選方向）。 晶粒間界具有高密度缺陷和懸掛鍵。 2. 物理特性：擴(kuò)散系數(shù)明顯高于單晶硅； 3. 電學(xué)特性電阻率遠(yuǎn)高于單晶硅；WHY?晶粒尺寸大的薄膜電阻率小。6.3.2 CVD多晶硅工藝：LPCVD；氣體源：氣態(tài)SiH4；淀積過程： 吸附：SiH4g) SiH4吸附) 熱分解： SiH4吸附) = SiH2吸附)+H2(g) SiH2吸附) = Si吸附)+H2g) 淀積： Si吸附)= Si固) 脫吸、逸出： SiH2、

11、H2脫離表面，逸出反應(yīng)室?？偡磻?yīng)式： SiH4吸附) = Si固體)+2H2(g) 6.3 CVD多晶硅6.3 CVD多晶硅n特點(diǎn)：n 與Si及SiO2的接觸性能更好；n 臺階覆蓋性好。n缺陷： SiH4易氣相分解。n用途：歐姆接觸、柵極、互連線等材料。n多晶硅摻雜n 分散：電阻率低；溫度高；n 離子注入:電阻率是擴(kuò)散的10倍； n 原位摻雜：淀積過程模型復(fù)雜；n實(shí)際應(yīng)用6.4 CVD二氧化硅6.4.1 CVD SiO2的方法1. 低溫CVD 氣態(tài)硅烷源 硅烷和氧氣： APCVD、LPCVD、PECVD 淀積機(jī)理: SiH4+O2 400 SiO2 （固）+H2硅烷和N2ONO） ：PECVD

12、 淀積機(jī)理: SiH4+N2O 200-400 SiO2+N2+H2O原位摻P：形成PSG 淀積機(jī)理: PH3(g)+5O2=2P2O5(固)+6H2 優(yōu)點(diǎn)：溫度低；反應(yīng)機(jī)理簡單。 缺陷：臺階覆蓋差。 6.4 CVD二氧化硅 液態(tài)TEOS源：PECVD淀積機(jī)理： Si(OC2H5)4+O2 250-425 SiO2+H2O+CXHY優(yōu)點(diǎn)：平安、方便；厚度均勻；臺階覆蓋好。缺陷:SiO2膜質(zhì)量較熱生長法差； SiO2膜含C、有機(jī)原子團(tuán)。 6.4 CVD二氧化硅2. 中溫LPCVD SiO2溫度：680-730化學(xué)反應(yīng)：Si(OC2H5)4 SiO2+2H2O+4C2H4優(yōu)點(diǎn)：較好的保形覆蓋。6.

13、4 CVD二氧化硅6.4.2 臺階覆蓋保形覆蓋：所有圖形上淀積 的薄膜厚度相同，也稱共性 （conformal覆蓋。覆蓋模型： 淀積速率正比于氣體 分子到達(dá)表面的角度； 特殊位置的淀積機(jī)理： a直接入射b再發(fā)射c表面遷移6.4 CVD二氧化硅n保形覆蓋的關(guān)鍵：n 表面遷移：與氣體分子黏滯系數(shù)成反比；n 再發(fā)射6.4 CVD二氧化硅6.4.3 CVD摻雜SiO21. PSG工藝：原位摻雜PH3；組分：P2O5 和 SiO2；磷硅玻璃回流（ P-glass flow ）工藝：PSG受熱變軟易流動，可提供一平滑的表面； 也稱高溫平坦化1000-1100）2. BPSG工藝：原位摻雜PH3 、B2H6

14、；組分：B2O3-P2O5-SiO2；回流溫度：850 ；6.5 CVD Si3N4nSi3N4薄膜的用途：n 最終鈍化膜和機(jī)械保護(hù)膜：淀積溫度低；能有效阻擋水、鈉 n 離子及B、P、As、等各種雜質(zhì)的擴(kuò)散；有很強(qiáng)的抗劃傷能力；n 選擇性氧化的掩蔽膜：Si3N4很難氧化；n MOSFETs中的側(cè)墻：n LDD輕摻雜源漏結(jié)構(gòu)的側(cè)墻；n 自對準(zhǔn)硅化物的鈍化層側(cè)墻；n 淺槽隔離的CMP停止層。 6.5 CVD Si3N4nSi3N4薄膜的特性：n 擴(kuò)散掩蔽能力強(qiáng)，尤其對鈉、水汽、氧；n 對底層金屬可保形覆蓋； 鈍化層n 針孔少；n 介電常數(shù)較大：(Si3N4=6-9,SiO2=4.2)n 不能作層間

15、的絕緣層。n淀積方法：根據(jù)用途選擇；n DRAM的電容介質(zhì)：LPCVD；n 最終鈍化膜：PECVD200-400）6.5 CVD Si3N4CVD Si3N4薄膜工藝1. LPCVD 反應(yīng)劑： SiH2Cl2 + NH3 Si3N4+H2+HCl 溫度：700-900 ； 速率：與總壓力或pSiH2Cl2)成正比； 特點(diǎn)：密度高；不易被稀HF腐蝕； 化學(xué)配比好；保形覆蓋； 缺陷：應(yīng)力大；6.5 CVD Si3N42. PECVD 反響： SiH4 + NH3 （N2） SixNyHz + H2 SiN薄膜中H的危害：閾值漂移H危害的解決：N2代替NH3（SiH4-NH3體系：H的含量18%-2

16、2%at； SiH4-N2體系：H的含量7%-15%at） 溫度：200-400；溫度對速率、折射率、腐蝕速率的影響：圖6.21PNH3/Ptot對G、NA(原子組分的影響：圖6.226.6 金屬的CVDn常用的CVD金屬薄膜：n Al、W、Ti、Cun6.6.1 鎢的CVDnW的特性：n 熱穩(wěn)定性高：熔點(diǎn)3410；應(yīng)力低：保形覆蓋好；抗電遷移強(qiáng)；耐腐蝕；電阻率低：5.65n cm，比Al的高，比金屬硅化物低；在氧化物和氮化物上的附著性差：選擇性淀積；nW的用途：n 特征尺寸小于1m的接觸孔和通孔填充：鎢插塞plug）； 局部互連；6.6.1 鎢的CVD1. CVDW的化學(xué)反應(yīng)W源：WF6沸點(diǎn)17,易輸送、控制流量）WF6與Si： 2WF6 + 3Si 2W(s) + 3SiF4(g) 特性：W膜厚度達(dá)10-15nm時，反應(yīng)自停止；WF6與H2： WF6 + H2 Ws) + 6HF(g)WF6與SiH4： 2WF6 + 3SiH4 2W + 3SiF4 + 6H22. 覆蓋式CVD-W與回刻覆蓋式淀積：在整個Si片上淀積需先在SiO上先淀積附著層）；回刻反刻）：去除多余的W；6.6.2 硅化鎢的CVDnCVD-WSi2薄膜的應(yīng)用：n 形成金屬多晶硅化物的多層?xùn)?；n IC存儲器