第六章化学气相淀积.ppt

第六章化学气相淀积 化学气相淀积 CVD ChemicalVapourDeposition 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 PSGorBPSG 金属间介质 IMD USGorFSG 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 1CVD模型 6 1 1CVD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 1CVD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 PoisseulleFlow 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 1CVD模型 6 1 2边界层理论边界层厚度 x 流速小于0 99Um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 3Grove模型 6 1CVD模型 6 1 3Grove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 3Grove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 1CVD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 1CVD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 U 0 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 1CVD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 2CVD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 2CVD系统 6 2CVD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 4CVD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 4CVD技术 2 LPCVD定义 在27 270Pa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 3 5 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 4CVD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 200 350 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 3CVD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 2CVD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 3CVD多晶硅 6 3CVD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 4CVD二氧化硅 6 4 1CVDSiO2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 N2O200 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 4CVD二氧化硅 液态TEOS源 PECVD淀积机理 Si OC2H5 4 O2250 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 4CVD二氧化硅 2 中温LPCVDSiO2温度 680 730 化学反应 Si OC2H5 4 SiO2 2H2O 4C2H4优点 较好的保形覆盖 6 4CVD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 4CVD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 4CVD二氧化硅 6 4 3CVD掺杂SiO21 PSG工艺 原位掺杂PH3 组分 P2O5和SiO2 磷硅玻璃回流 P glassflow 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 5CVDSi3N4 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 5CVDSi3N4 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 5CVDSi3N4 CVDSi3N4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 5CVDSi3N4 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 21PNH3 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 Cu6 6 1钨的CVDW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1 m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 6H22 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栅 IC存储器中的字线与位线