《化學氣相沉積》PPT課件

1、第六章 化學氣相沉積,6.1 CVD概述 6.2 CVD工藝原理 6.3 CVD工藝方法 6.4 二氧化硅薄膜的淀積 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,MSI時代nMOS晶體管的各層膜,p+ silicon substrate,p- epi layer,場氧化層,n+,n+,p+,p+,n-well,ILD,氧化硅,墊氧化層,氧化硅,氮化硅,頂層,柵氧化層,側墻氧化層,金屬前氧化層,Poly,金屬,多晶,金屬,ULSI硅片上的多層金屬化,芯片中的金屬層,6.1 CVD概述,對薄膜的要求,好的臺階覆蓋能力 填充高的深寬比間隙的能力 好的厚度均勻性

2、高純度和高密度 受控制的化學劑量 高度的結構完整性和低的膜應力 好的電學特性 對襯底材料或下層膜好的黏附性,6.1 CVD概述,1）物理氣相淀積 Physical Vapor Deposition (PVD) 利用某種物理過程實現(xiàn)物質的轉移，即將原子或分子轉移到襯底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術。 例如：蒸發(fā) evaporation，濺射sputtering 2）化學氣相淀積 Chemical Vapor Deposition (CVD) 通過氣態(tài)物質的化學反應在襯底上淀積一層薄膜材料的過程。 例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD,兩類主要的淀積方式,6.1 CVD概

3、述,除了CVD和PVD外，制備薄膜的方法還有:,6.1 CVD概述,化學氣相淀積（CVD）,CVD技術特點： 具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復性好、臺階覆蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設備簡單等一系列優(yōu)點 CVD方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬)等,6.1 CVD概述,CVD相對于PVD,有什么優(yōu)點？,跟材料特性相關的性質結晶性和理想配比都比較好 薄膜成分和膜厚容易控制 *淀積溫度低 *臺階覆蓋性好（step coverage),6.1 CVD概述,單晶 (外延）、多晶、非晶（無定型）薄膜 半導體、介質、

4、金屬薄膜 常壓化學氣相淀積（APCVD），低壓CVD (LPCVD)，等離子體增強淀積（PECVD）等,CVD反應必須滿足三個揮發(fā)性標準,在淀積溫度下,反應劑必須具備足夠高的蒸汽壓 除淀積物質外,反應產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的 淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓,化學氣相淀積（CVD）,6.2 CVD工藝原理,化學氣相淀積的基本過程,1、反應劑氣體混合物以合理的流速被輸運到沉積區(qū) 2、反應劑氣體由主氣流通過邊界層擴散到襯底表面 3、反應劑氣體吸附在襯底表面上 4、吸附原子（分子）發(fā)生化學反應，生成薄膜基本元素 5、副產(chǎn)物分子離開襯底表面，由襯底外擴散到主氣流，排出,邊界層理論,氣體速度受到擾動并按拋物線

5、型變化、同時還存在反應劑濃度梯度的薄層稱為邊界層（附面層、滯留層） 氣體分子的平均自由程遠小于反應室的幾何尺寸，可以認為氣體為黏滯性流動 由于氣體的黏滯性，氣體與硅片表面或側壁存在摩擦力，該摩擦力使緊貼硅片表面或者側壁的氣體流速為零 在離硅片表面或者側壁一定距離處，氣體流速過渡到最大氣流Um,6.2 CVD工藝原理,6.2 CVD工藝原理,Grove模型 從簡單的生長模型出發(fā)，用動力學方法研究化學氣相淀積推導出生長速率的表達式及其兩種極限情況。,與熱氧化生長稍有 不同的是，沒有了 在SiO2中的擴散流,F1：主氣流到襯底表面的反應劑流密度 F2：反應劑在表面反應后淀積成固態(tài)薄膜的流密度 Cg：

6、反應劑在主氣流中的濃度 Cs：反應劑在硅表面處的濃度,6.2 CVD工藝原理,其中：hG 是質量輸運系數(shù)， ks 是表面化學反應系數(shù),在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應相等，這樣得到,可得：,（1）hg ks時，Cs趨向Cg，淀積速率受表面化學反應控制 （2）ks hg時，Cs趨向0，淀積速率受質量輸運速率控制,Grove模型,結論： （1）淀積速率與Cg（反應劑的濃度）或者Y（反應劑的摩爾百分比）成正比； （2）在Cg或者Y為常數(shù)時，薄膜淀積速率將由Ks和hg中較小的一個決定。,薄膜淀積速率（其中N1表示形成一個單位體積薄膜所需要的原子數(shù)量）：,Grove模型,6.2 CVD工藝原理,升高溫度可以提高

7、淀積速率 但隨著溫度的上升，淀積速率對溫度的敏感度不斷下降；當溫度高過某個值后，淀積速率受質量輸運速率控制,薄膜淀積速率,圖6.8 硅膜淀積速率與溫度倒數(shù)的關系,表面化學反應控制：溫度,質量輸運速率控制：位置,6.2 CVD工藝原理,斜率與激活能Ea成正比,以硅外延為例（1 atm，APCVD）,hG 常數(shù),Ea 值相同,外延硅淀積往往是在高溫下進行，以確保所有硅原子淀積時排列整齊，形成單晶層。為質量輸運控制過程。此時對溫度控制要求不是很高，但是對氣流要求高。 多晶硅生長是在低溫進行，是表面反應控制，對溫度要求控制精度高。,6.2 CVD工藝原理,當工作在高溫區(qū),質量控制為主導，hG是常數(shù)，此

8、時反應氣體通過邊界層的擴散很重要，即反應腔的設計和晶片如何放置顯得很重要。,關鍵兩點： ks 控制的淀積 主要和溫度有關 hG 控制的淀積 主要和反應腔體幾何形狀有關,6.2 CVD工藝原理,6.3 CVD工藝方法,化學氣相淀積系統(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) 反應室 基座加熱及控制系統(tǒng) 溫度控制及測量系統(tǒng) 減壓系統(tǒng)（LPCVD和PECVD),6.3 CVD工藝方法,氣體源趨向液態(tài) 氣態(tài)源不安全 淀積的薄膜特性不好 液態(tài)源的輸送,保存在室溫下的液態(tài)源，使用時先注入到氣化室中，氣化后直接輸送到反應室中,質量流量控制系統(tǒng),進入反應室的氣體流量精確可控 控制反應室的氣壓 直接控制

9、氣體流量，質量流量控制系統(tǒng) 質量流量計 閥門 氣體流量單位:體積/單位時間 溫度為273K，一個標準大氣壓下，每分鐘通過的氣體體積,6.3 CVD工藝方法,CVD反應室的熱源,薄膜是在高于室溫的溫度下淀積的。 熱壁系統(tǒng)：Tw=Ts 冷壁系統(tǒng)：TwTs Tw：反應室的側壁溫度 Ts：放置硅片的基座溫度 熱壁和冷壁淀積室各有優(yōu)缺點，根據(jù)需要進行選擇。,6.3 CVD工藝方法,6.3 CVD工藝方法,常壓化學氣相淀積(APCVD) 低壓化學氣相淀積(LPCVD) 等離子增強化學氣相淀積(PECVD),6.3 CVD工藝方法,6.3 CVD工藝方法,APCVD反應器的結構示意圖,6.3 CVD工藝方法

10、,6.3 CVD工藝方法,操作簡單，淀積速率高，適合介質薄膜的淀積。 易發(fā)生氣相反應，產(chǎn)生污染 臺階覆蓋性和均勻性比較差 質量輸運控制淀積速率，對反應室結構和氣流模式提出高的要求,APCVD,斜率與激活能Ea成正比,APCVD的主要問題：低產(chǎn)率（throughput） 高溫淀積：硅片需水平放置 低溫淀積：反應速率低,6.3 CVD工藝方法,單晶硅外延要采用圖中的臥式反應設備，放置硅片的石墨舟為什么要有傾斜?,6.3 CVD工藝方法,界面層厚度s是x方向平板長度的函數(shù)。,a. 隨著x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀積受質量傳輸控制，則淀積速度會下降； b. 沿支座方向反應氣體濃度的減少,

11、同樣導致淀積速度會下降。,為氣體粘度； 為氣體密度； U為氣體速度；,6.3 CVD工藝方法,支座傾斜可以促使s(x)沿x變化減小。 原理：由于支座傾斜后，氣流的流過的截面積下降，導致氣流速度的增加，進而導致s(x)沿x減小和hG的增加。從而用加大hG的方法來補償沿支座長度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速率的下降。尤其對質量傳輸控制的淀積至關重要，如APCVD法外延硅。,6.3 CVD工藝方法,低壓化學氣相淀積 （LPCVD）,因此低壓可以大大提高hG的值。 例如在壓力為1 torr時，DG可以提高760倍，而ds只提高約7倍，所以hG可以提高100倍。氣體在界面不再受到傳輸速率限制。,在質量輸

12、運控制區(qū)域：,6.3 CVD工藝方法,33/40,分子自由程變長，反應氣體質量遷移速率相對于表面反應速率 大大增加，這就克服了質量傳輸限制，使淀積薄膜的厚度均勻性 提高，也便于采用直插密集裝片 降低氣體壓力，氣體分子的自由程加長，氣相反應中容易生成 亞穩(wěn)態(tài)的中間產(chǎn)物，從而降低了反應激活能，因此，在不改變淀積 速率的情況下，淀積溫度就可以低于APCVD的淀積溫度, 反比于氣體壓強,r為氣體分子的半徑,平均自由程,6.3 CVD工藝方法,LPCVD反應器的結構示意圖,低壓化學氣相淀積 （LPCVD）,6.3 CVD工藝方法,低壓化學氣相淀積 （LPCVD）,6.3 CVD工藝方法,表面反應速率控制

13、淀積速率 原因：在較低的氣壓下，氣體的擴散速率比在一個大氣壓下高出很多倍。 結果：對溫度比較敏感，溫度相對來說較易控制，對反應室結構要求不高，可放置較多的硅片。 優(yōu)點 增加產(chǎn)率 晶片可直插放置許多片（100-200） 污染少，均勻性和臺階覆蓋性較APCVD好 缺點： 相對低的淀積速率，相對高的工作溫度,低壓化學氣相淀積 （LPCVD）,6.3 CVD工藝方法,LPCVD,氣缺現(xiàn)象：當氣體反應劑被消耗而出現(xiàn)的反應劑濃度改變的現(xiàn)象 對于只有一個入氣口的反應室，情況比較嚴重。 措施： 在水平方向上逐漸提高溫度來加快反應速度，從而提高淀積速率 采用分布式的氣體入口 增加反應室中的氣流速度,6.3 CV

14、D工藝方法,Batch processing：同時100-200片 薄膜厚度均勻性好 可以精確控制薄膜的成份和結構 臺階覆蓋性較好 低溫淀積過程 淀積速率快 生產(chǎn)效率高 生產(chǎn)成本低,LPCVD法的主要特點,有時，淀積溫度需很低，薄膜質量要求又很高。如：在形成的Al層上面淀積介質等。 解決辦法：等離子增強化學氣相淀積 PECVD,6.3 CVD工藝方法,最常用 反應激活能：通過非熱能源的射頻（RF）等離子體來激活和維持化學反應。 低溫淀積 應用：在Al上淀積二氧化硅或氮化硅 較高的淀積速率 表面反應速率控制淀積速率，精確控制襯底的溫度，可得到均勻的薄膜。,等離子體增強化學氣相淀積 （PECVD）

15、,6.3 CVD工藝方法,等離子體中的電子與反應氣體分子碰撞 反應氣體分子分解成多種成份：離子、原子及活性基團 活性基團不斷吸附在基片表面上 吸附在表面上的活性基團之間發(fā)生化學反應生成薄膜層 表面吸附的離子受到離子和電子的轟擊，易遷移，發(fā)生重新排列。 淀積的薄膜均勻性良好，具有填充小尺寸結構的 能力。,等離子體增強化學氣相淀積 （PECVD）,6.3 CVD工藝方法,APCVD 設備簡單，淀積速率大（ 1000A/min）。 易氣相成核，均勻性不好，材料利用率低。 質量輸運控制淀積速率。 LPCVD 均勻性好，臺階覆蓋性好，污染少。對反應室結構要求低。裝片量大。 淀積速度低，工作溫度高。 表面

16、反應控制淀積速率。,CVD的三種方法比較,6.3 CVD工藝方法,CVD的三種方法比較,6.3 CVD工藝方法,PECVD 反應溫度低，附著性好，良好的階梯覆蓋，良好的電學特性可以與精細圖形轉移工藝兼容，薄膜應力低，主流工藝。 具備LPCVD的優(yōu)點 high deposition rate at relatively low temperature Improve film quality and stress control through ion bombardment（炮擊，轟擊） 表面反應控制淀積速率,臺階覆蓋：淀積薄膜的表面幾何形貌與半導體表面的各種臺階形狀的關系。 保形覆蓋：無論襯

17、底表面有什么樣的傾斜圖形，在所有圖形的上面都能淀積相同厚度的薄膜 原因：反應物在吸附、反應時有顯著的表面遷移,臺階覆蓋（保角性 conformality）,6.3 CVD工藝方法,臺階覆蓋（保角性 conformality）,1、淀積速率正比于氣體分子到達角度,6.3 CVD工藝方法,臺階覆蓋（保角性 conformality）,6.3 CVD工藝方法,舉例 在APCVD中，以SiH4和氧氣為反應劑沉淀SiO2 因SiH4的黏滯系數(shù)很大，淀積速率正比于氣體分子到達表面時的角度范圍 到達角 反應物到達半導體表面時有不同的角度 在一個陡峭的臺階處，APCVD SiO2時，薄膜在臺階頂部處最厚，在拐

18、角處最薄。 SiO2薄膜在拐角處的斜率大于90o，使得隨后的薄膜淀積和各項異性刻蝕變得非常困難。,臺階覆蓋（保角性 conformality）,6.3 CVD工藝方法,臺階覆蓋（保角性 conformality）,6.3 CVD工藝方法,遮蔽效應 LPCVD工藝、PVD中的蒸發(fā)和濺射 反應劑分子的平均自由程很長，且在襯底表面上的遷移能力又很低的情況下，則會發(fā)生掩蔽效應，受到掩蔽的點處的膜厚小于沒受到掩蔽的點處的膜厚,臺階覆蓋（保角性 conformality）,6.3 CVD工藝方法,磷硅玻璃 在淀積SiO2的氣體中同時摻入PH3 ，就可形成磷硅玻璃（PSG) PSG對水汽的阻擋能力不強，故在高磷情況下有很強的吸潮性； PSG可以吸收堿性離子、吸收雜質； PSG在高溫下（10001100）可以流動，使隨后淀積的薄膜有更好的臺階覆蓋。,臺階覆蓋