《化学气相淀积》PPT课件.ppt

集成电路制造技术 第六章 化学气相淀积,西安电子科技大学 微电子学院 戴显英 2010年3月,第六章 化学气相淀积,化学气相淀积：CVD，Chemical Vapour Deposition。 通过气态物质的化学反应，在衬底上 淀积一层薄膜的工艺过程。 CVD薄膜：集成电路工艺所需的几乎所有薄膜，如 SiO2、Si3N4、PSG、BSG（绝缘介质） 多晶硅、金属（互连线/接触孔/电极） 单晶硅（外延）等。 CVD特点：淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和 重复性好、台阶覆盖好、适用范围广、设备简单等 CVD系统：常压CVD（APCVD）、低压CVD（LPCVD）和 等离子增强CVD（PECVD）,PVD 与 CVD,CVD：衬底表面发生化学反应 PVD：衬底表面不发生化学反应 CVD: 更好的台阶覆盖性 (50% to 100%) 和空隙填充能力 PVD: 台阶覆盖性差 ( 15%) 和空隙填充能力差 PVD 源: 固态材料 CVD 源: 气体或蒸汽,CVD氧化层与热生长氧化层的比较,热生长氧化层,裸硅片,CVD氧化层,热氧化处理,CVD,CVD氧化硅 vs. 热生长氧化硅,热生长氧化硅 O来源于气源，Si来源于衬底 氧化物生长消耗硅衬底 高质量 CVD 氧化硅 O和Si都来自气态源 淀积在衬底表面 生长温度低（如PECVD） 生长速率高,介质薄膜的应用,浅槽隔离 (STI, USG) 侧墙隔离 (USG) 金属前介质 (PMD, PSG or BPSG) 金属间介质 (IMD, USG or FSG) 钝化介质 (PD, Oxide/Nitride),浅槽隔离 (STI),侧墙隔离,介质层的应用实例,基本应用,6.1 CVD模型,6.1.1 CVD的基本过程 传输：反应剂从气相经附面层（边界层）扩散到（Si）表面； 吸附：反应剂吸附在表面； 化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产物； 淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜； 脱吸：副产物脱离吸附； 逸出：脱吸的副产物从表面扩散到气相，逸出反应室。,CVD图示,Wafer 衬底基片,底座,边界层,强制对流区,气体喷头,源气体,副产品,反应物,6.1 CVD模型,6.1.2 边界层理论 CVD气体的特性：平均自由程远小于反应室尺寸，具有黏滞性； 平流层：主气流层，流速Um 均一； 边界层（附面层、滞留层）：流速受到扰动的气流层； 泊松流（Poisseulle Flow）：沿主气流方向（平行Si表面）没有速度梯度，沿垂直Si表面存在速度梯度的流体；,6.1 CVD模型,6.1.2 边界层理论 边界层厚度（x）：流速小于0.99 Um 的区域； （x）=（x/U)1/2 -黏滞系数，x-与基座的距离，-密度，U-边界层流速； 平均厚度 或 Re= UL /，雷诺数（无量纲） 雷诺数取值：200，湍流型（要避免）。,6.1.3 Grove模型,6.1 CVD模型,6.1.3 Grove模型 假定边界层中反应剂的浓度梯度为线形近似，则 流密度为 F1=hg(Cg-Cs) hg - 气相质量转移系数， Cg- 主气流中反应剂浓度， Cs - 表面处反应剂浓度； 表面的化学反应速率正比于Cs，则流密度为 F2=ksCs 平衡状态下，F=F1=F2，则 Cs = Cg/(1+ks/hg),6.1.3 Grove模型,平衡下，Cs = Cg/(1+ks/hg) 两种极限： a. hg ks时， Cs Cg ， 反应控制； b. hg ks时， Cs 0， 扩散控制；,6.1 CVD模型,薄膜淀积速率G 设形成一个单位体积薄膜所需的原子数为N1， （Si：N1=5x1022cm-3；），则 G=F/N1=G=F2/N1=kshg/(ks+hg)(Cg/N1) m/min 其中，Cg=YCT,(若反应剂被稀释) Y-反应剂的摩尔百分比，CT-分子总数/cm3； 一般表达式：G=kshg/(ks+hg)(CT/N1)Y 两种极限情况 反应控制：hg ks，则 G=（CTksY)/N1 ； 扩散控制：hg ks，则 G=（CThgY)/N1 ；,6.1 CVD模型,影响淀积速率的因素 主气体流速Um F1=hg(Cg-Cs)= Dg(Cg-Cs)/s， hg=Dg/s= ，以及 Re=UL/，U0.99Um，则 对扩散控制：G=（CThgY)/N1，故 结论：扩散控制的G与Um1/2与成正比 提高G的措施： a.降低s：减小基座的长度L； b.增加Um：Um增大到一定值后，hg ks，转为反应 控制，G饱和。,6.1 CVD模型,淀积速率与温度的关系 低温下，hg ks， 反应控制过程，故 G与T呈指数关系； 高温下，hg ks， 质量输运控制过程， hg对T不敏感，故 G趋于平稳。,6.2 CVD系统,CVD系统的组成 气体源：气态源和液态源； 气路系统:气体输入管道、阀门等； 流量控制系统：质量流量计； 反应室：圆形、矩形； 基座加热系统：电阻丝、石墨； 温度控制及测量系统 常用CVD技术 常压CVD（APCVD）低压CVD（LPCVD） 等离子体CVD（PECVD）,6.2 CVD系统,6.2.1 气体源 例如CVD二氧化硅：气态源SiH4； 液态源TEOS（正硅酸四乙酯）. 液态源的优势： 安全：气压小，不易泄露； 淀积的薄膜特性好 液态源的输运（传输）： 冒泡法：由N2、H2、Ar2气体携带； 加热法：直接加热气化液态源； 直接注入法：液态源先注入到气化室，气化后 直接送入反应室。,6.2 CVD系统,6.2.2 质量流量控制系统 1.质量流量计 作用：精确控制气体流量（ml/s)； 操作：单片机程序控制； 2.阀门 作用：控制气体输运；,6.2.4 CVD技术,1. APCVD 定义：气相淀积在1个大气压下进行； 淀积机理：气相传输控制过程。 优点：淀积速率高（100nm/min）；操作简便； 缺点：均匀性差；台阶覆盖差；易发生气相反应， 产生微粒污染。 淀积薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄膜。,6.2.4 CVD技术,2. LPCVD 定义：在27270Pa压力下进行化学气相淀积。 淀积机理：表面反应控制过程。 优点：均匀性好（35，常压： 10） ；台阶覆盖好；效率高、成本低。 缺点：相对淀积速率低；相对温度高。 淀积薄膜： poly-Si、 Si3N4 、 SiO2、PSG、 BPSG、W等。,6.2.4 CVD技术,3. PECVD（等离子体增强化学气相淀积） 淀积原理: RF激活气体分子（等离子体），使其在低温 （室温）下发生化学反应，淀积成膜。 淀积机理：表面反应控制过程。 优点：温度低（200350）；更高的淀积速率； 附着性好；台阶覆盖好；电学特性好； 缺点：产量低； 淀积薄膜：金属化后的钝化膜（ Si3N4 ）；多层布 线的介质膜（ Si3N4 、SiO2）。,二、各种CVD方法,6.3 CVD多晶硅,6.3.1 多晶硅薄膜的特性 1. 结构特性 由无数生长方向各不相同的小晶粒(100nm量级）组成；主要生长方向（优选方向）。 晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键。 2. 物理特性：扩散系数明显高于单晶硅； 3. 电学特性 电阻率远高于单晶硅；WHY? 晶粒尺寸大的薄膜电阻率小。,6.3.2 CVD多晶硅 工艺：LPCVD； 气体源：气态SiH4； 淀积过程： 吸附：SiH4（g) SiH4（吸附) 热分解： SiH4（吸附) = SiH2（吸附)+H2(g) SiH2（吸附) = Si（吸附)+H2（g) 淀积： Si（吸附)= Si（固) 脱吸、逸出： SiH2、H2脱离表面，逸出反应室。 总反应式： SiH4（吸附) = Si（固体)+2H2(g),6.3 CVD多晶硅,6.3 CVD多晶硅,特点： 与Si及SiO2的接触性能更好； 台阶覆盖性好。 缺点： SiH4易气相分解。 用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。 多晶硅掺杂 扩散：电阻率低；温度高； 离子注入:电阻率是扩散的10倍； 原位掺杂：淀积过程（模型）复杂；,实际应用,6.4 CVD二氧化硅,6.4.1 CVD SiO2的方法 1. 低温CVD 气态硅烷源 硅烷和氧气： APCVD、LPCVD、PECVD 淀积机理: SiH4+O2 400 SiO2 （固）+H2 硅烷和N2O（NO） ：PECVD 淀积机理: SiH4+N2O 200-400 SiO2+N2+H2O 原位掺P：形成PSG 淀积机理: PH3(g)+5O2=2P2O5(固)+6H2 优点：温度低；反应机理简单。 缺点：台阶覆盖差。,6.4 CVD二氧化硅,液态TEOS源：PECVD 淀积机理： Si(OC2H5)4+O2 250-425 SiO2+H2O+CXHY 优点：安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。 缺点:SiO2膜质量较热生长法差； SiO2膜含C、有机原子团。,6.4 CVD二氧化硅,2. 中温LPCVD SiO2 温度：680-730 化学反应：Si(OC2H5)4 SiO2+2H2O+4C2H4 优点：较好的保形覆盖。,6.4 CVD二氧化硅,6.4.2 台阶覆盖 保形覆盖：所有图形上淀积 的薄膜厚度相同，也称共性 （conformal）覆盖。 覆盖模型： 淀积速率正比于气体 分子到达表面的角度； 特殊位置的淀积机理： a直接入射b再发射c表面迁移,6.4 CVD二氧化硅,保形覆盖的关键： 表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比； 再发射,6.4 CVD二氧化硅,6.4.3 CVD掺杂SiO2 1. PSG 工艺：原位掺杂PH3； 组分：P2O5 和 SiO2； 磷硅玻璃回流（ P-glass flow ）工艺：PSG受热变软易流动，可提供一平滑的表面； 也称高温平坦化（1000-1100） 2. BPSG 工艺：原位掺杂PH3 、B2H6； 组分：B2O3-P2O5-SiO2； 回流温度：850 ；,6.5 CVD Si3N4,Si3N4薄膜的用途： 最终钝化膜和机械保护膜：淀积温度低；能有效阻挡水、钠 离子及B、P、As、等各种杂质的扩散；有很强的抗划伤能力； 选择性氧化的掩蔽膜：Si3N4很难氧化； MOSFETs中的侧墙： LDD（轻掺杂源漏）结构的侧墙； 自对准硅化物的钝化层侧墙； 浅槽隔离的CMP停止层。,6.5 CVD Si3N4,Si3N4薄膜的特性： 扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧； 对底层金属可保形覆盖； 钝化层 针孔少； 介电常数较大：(Si3N4=6-9,SiO2=4.2) 不能作层间的绝缘层。 淀积方法：根据用途选择； DRAM的电容介质：LPCVD； 最终钝化膜：PECVD（200-400）,6.5 CVD Si3N4,CVD Si3N4薄膜工艺 1. LPCVD 反应剂： SiH2Cl2 + NH3 Si3N4+H2+HCl 温度：700-900 ； 速率：与总压力（或pSiH2Cl2)成正比； 特点：密度高；不易被稀HF腐蚀； 化学配比好；保形覆盖； 缺点：应力大；,6.5 CVD Si3N4,2. PECVD 反应： SiH4 + NH3 （N2） SixNyHz + H2 SiN薄膜中H的危害：阈值漂移 H危害的解决：N2代替NH3 （SiH4-NH3体系：H的含量18%-22%at； SiH4-N2体系：H的含量7%-15%at） 温度：200-400； 温度对速率、折射率、腐蚀速率的影响：图6.21 PNH3/Ptot对G、NA(原子组分）的影响：图6.22,6.6 金属的CVD,常用的CVD金属薄膜： Al、W、Ti、Cu 6.6.1 钨的CVD W的特性： 热稳定性高：熔点3410；应力低：保形覆盖好；抗电迁移强；耐腐蚀；电阻率低：5.65 cm，比Al的高，比金属硅化物低；在氧化物和氮化物上的附着性差：选择性淀积； W的用途： 特征尺寸小于1m的接触孔和通孔填充：钨插塞（plug）； 局部互连；,6.6.1 钨的CVD,1. CVDW的化学反应 W源：WF6（沸点17,易输送、控制流量） WF6与Si： 2WF6 + 3Si 2W(s) + 3SiF4(g) 特性：W膜厚度达10-15nm时，反应自停止； WF6与H2： WF6 + H2 W（s) + 6HF(g) WF6与SiH4： 2WF6 + 3SiH4 2W + 3SiF4 + 6H2 2. 覆盖式CVD-W与回刻 覆盖式淀积：在整个Si片上淀积（需先在SiO上先淀积附着层）； 回刻（反刻）：去除多余的W；,6.6.2 硅化钨的CVD,CVD-WSi2薄膜的应用： 形成金属多晶硅化物的多层