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(tái)階覆蓋好、適用范圍廣、設(shè)備簡(jiǎn)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(tái)階覆蓋性更好的臺(tái)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(tái)階覆蓋性差臺(tái)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(zhǎng)氧化層的比較熱生長(zhǎng)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(zhǎng)氧化硅n熱生長(zhǎng)氧化硅熱生長(zhǎng)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(zhǎng)消耗硅襯底氧化物生長(zhǎng)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(zhǎng)溫度低如生長(zhǎng)溫度低如PECVD）n 生長(zhǎng)速率高生長(zhǎng)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(duì)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(dòng)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(shí)， 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(duì)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(cè)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(shì)： 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：?jiǎn)纹瑱C(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(gè)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(jiǎn)便；缺陷：均勻性差；臺(tái)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(tái)階覆蓋好；效率高、成本低。缺陷：相對(duì)淀積速率低；相對(duì)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(tái)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(zhǎng)方向各不相同的小晶粒(100nm量級(jí)組成；主要生長(zhǎng)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(tái)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(jiǎn)單。 缺陷：臺(tái)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(tái)階覆蓋好。缺陷:SiO2膜質(zhì)量較熱生長(zhǎng)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(tái)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(dòng)，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(duì)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(duì)鈉、水汽、氧；n 對(duì)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(duì)速率、折射率、腐蝕速率的影響：圖6.21PNH3/Ptot對(duì)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(shí)，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(gè)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(chǔ)器