第六章化学气相淀积

1、集成电路制造技术集成电路制造技术 第六章第六章 化学气相淀积化学气相淀积 西安电子科技大学西安电子科技大学 微电子学院微电子学院 戴显英戴显英 2012013 3年年9 9月月 本章主要内容本章主要内容 nCVDCVD介质薄膜的应用介质薄膜的应用 nCVDCVD氧化硅与热生长氧化硅氧化硅与热生长氧化硅 nCVDCVD模型：淀积速率模型：淀积速率 nCVDCVD系统：系统：APCVDAPCVD、LPCVDLPCVD、PECVDPECVD nCVDCVD多晶硅多晶硅 nCVDCVD二氧化硅二氧化硅 nCVDCVD氮化硅氮化硅 nCVDCVD金属金属 nCVDCVD与与PVDPVD 第六章第六章 化

2、学气相淀积化学气相淀积 n化学气相淀积：化学气相淀积：CVDCVD，Chemical Vapour DepositionChemical 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。艺过程。 nCVDCVD薄膜：薄膜：集成电路工艺所需的几乎所有薄膜，如集成电路工艺所需的几乎所有薄膜，如SiOSiO2 2、 SiSi3 3N N4 4、PSGPSG、BSGBSG（绝缘介质）多晶硅、金属（互连线（绝缘介质）多晶硅、金属（互连线/ /接接 触孔触孔/ /电极）、单晶硅（外延）等。电极）、单晶硅（外延）

3、等。 nCVDCVD特点：特点：淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀淀积温度低、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、设备简单等性和重复性好、台阶覆盖好、适用范围广、设备简单等 nCVDCVD系统：系统：常压常压CVDCVD（APCVDAPCVD）、低压）、低压CVDCVD（LPCVDLPCVD）和等离）和等离 子增强子增强CVDCVD（PECVDPECVD） CVDCVD氧化层与热生长氧化层的比较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 CVDCVD氧化硅氧化硅vs.vs.热生长氧化硅热生长氧化硅 n热生长氧化硅热生长氧

4、化硅 O O来源于气源，来源于气源，SiSi来源于衬底来源于衬底 氧化物生长消耗硅衬底氧化物生长消耗硅衬底 l氧化温度高、氧化速率慢氧化温度高、氧化速率慢 高质量高质量 nCVD CVD 氧化硅氧化硅 O O和和SiSi都来自气态源都来自气态源 淀积在衬底表面淀积在衬底表面 生长温度低（如生长温度低（如PECVDPECVD）、生长速率高）、生长速率高 CVDCVD介质薄膜的应用介质薄膜的应用 n浅槽隔离浅槽隔离 (STI, USG)(STI, USG) n侧墙隔离侧墙隔离 ( (Sidewall spacer,Sidewall spacer,USG)USG) n金属前介质金属前介质 (PMD,

5、 PSG or BPSG)(PMD, PSG or BPSG) n金属间介质金属间介质 (IMD, USG or FSG)(IMD, USG or FSG) n钝化介质钝化介质 (PD, Oxide/Nitride)(PD, Oxide/Nitride) 浅槽隔离浅槽隔离 (STI)(STI) CVDCVD介质薄膜的应用介质薄膜的应用 侧墙隔离（侧墙隔离（Sidewall spacerSidewall spacer） CVDCVD介质薄膜的应用介质薄膜的应用 思考题思考题:小尺寸器为什么要小尺寸器为什么要LDD（轻掺杂源漏）？（轻掺杂源漏）？ CVDCVD介质层的应用实例介质层的应用实例 基本

6、应用基本应用 6.1 CVD6.1 CVD模型模型 6.1.1 CVD6.1.1 CVD的基本过程的基本过程 传输：传输：反应剂从气相经附面层反应剂从气相经附面层 （边界层）扩散到（边界层）扩散到（SiSi）表面；）表面； 吸附：反应剂吸附在表面；吸附：反应剂吸附在表面； 化学反应化学反应：在表面进行化学反：在表面进行化学反 应，生成薄膜分子及副产物；应，生成薄膜分子及副产物； 淀积：薄膜分子在表面淀积成淀积：薄膜分子在表面淀积成 薄膜；薄膜； 脱吸：副产物脱离吸附；脱吸：副产物脱离吸附； 逸出：脱吸的副产物从表面扩逸出：脱吸的副产物从表面扩 散到气相，逸出反应室。散到气相，逸出反应室。CVD

7、CVD过程图示过程图示 CVDCVD过程示意过程示意 CVDCVD气体的流动气体的流动 6.1.2 6.1.2 边界层理论边界层理论 nCVDCVD气体的特性：平均自由程远小于反应室尺寸，具有黏滞性；气体的特性：平均自由程远小于反应室尺寸，具有黏滞性； n平流层：主气流层，流速平流层：主气流层，流速U Um m 均一； 均一； n边界层（附面层、滞留层）：流速受到扰动的气流层；边界层（附面层、滞留层）：流速受到扰动的气流层； n泊松流（泊松流（Poisseulle FlowPoisseulle Flow）：沿主气流方向（平行）：沿主气流方向（平行SiSi表面）没表面）没 有速度梯度，沿垂直有速

8、度梯度，沿垂直SiSi表面存在速度梯度的流体；表面存在速度梯度的流体； 6.1 CVD6.1 CVD模型模型 CVDCVD边界层模型边界层模型 6.1.2 6.1.2 边界层理论边界层理论 n边界层厚度边界层厚度（x x）：流速小于）：流速小于0.99 0.99 U Um m 的区域； 的区域； （x x）= =（xx/ /UU) )1/2 1/2 - -黏滞系数，黏滞系数，x x- -与基座的距离，与基座的距离，- -密度，密度，U U- -边界层流速；边界层流速； n平均厚度平均厚度 或或 nRe= Re= UL UL / /，雷诺数（无量纲），雷诺数（无量纲） n雷诺数取值：雷诺数取值：

9、2002100 2100，湍流型（要避免）。，湍流型（要避免）。 2/1 0 3 2 )( 1 L UL Ldxx L Re3 2L 6.1 CVD6.1 CVD模型模型 n6.1.3 Grove6.1.3 Grove模型模型 假定边界层中反应剂的浓度梯度为线性近似，则扩散流密度假定边界层中反应剂的浓度梯度为线性近似，则扩散流密度 F F1 1=h=hg g(C(Cg g-C-Cs s) ) h hg g - - 气相质量转移系数，气相质量转移系数， C Cg g- - 主气流中反应剂浓度，主气流中反应剂浓度， C Cs s - - 表面处反应剂浓度；表面处反应剂浓度； 表面的化学反应速率正比

10、于表面的化学反应速率正比于C Cs s，则反应流密度，则反应流密度 F F2 2=k=ks sC Cs s 平衡状态下，平衡状态下，F=FF=F1 1=F=F2 2，则，则 C Cs s = C = Cg g/(1+k/(1+ks s/h/hg g) ) 6.1 CVD6.1 CVD模型模型 平衡下，平衡下，C Cs s = C = Cg g/(1+k/(1+ks s/h/hg g) ) 两种极限：两种极限： a. ha. hg g k ks s时，时， C Cs s C Cg g ， n反应控制；反应控制； b. hb. hg g k ks s，则，则 G= G=（C CT Tk ks sY

11、)/NY)/N1 1 ； ； 扩散控制：扩散控制：h hg g k ks s，转为反应控制，转为反应控制， G G饱和饱和 Re 2 3 L DD gg 6.1 CVD6.1 CVD模型模型 淀积速率与气流速率关系淀积速率与气流速率关系 淀积速率与温度关系淀积速率与温度关系 淀积速率与温度的关系淀积速率与温度的关系 n低温下，低温下，h hg g k ks s， 反应控制过程，故反应控制过程，故 G G与与T T呈指数关系；呈指数关系； n高温下，高温下，h hg g k ks s， 质量输运控制过程，质量输运控制过程， h hg g对对T T不敏感，故不敏感，故 G G趋于平稳。趋于平稳。

12、6.2 CVD6.2 CVD系统系统 nCVDCVD系统的组成系统的组成 气体源：气态源和液态源；气体源：气态源和液态源； 气路系统气路系统: :气体输入管道、阀门等；气体输入管道、阀门等； 流量控制系统：质量流量计；流量控制系统：质量流量计； 反应室：圆形、矩形；反应室：圆形、矩形； 基座加热系统：电阻丝、石墨；基座加热系统：电阻丝、石墨； 温度控制及测量系统温度控制及测量系统 n常用常用CVDCVD技术技术 常压常压CVDCVD（APCVDAPCVD）低压）低压CVDCVD（LPCVDLPCVD） 等离子体等离子体CVDCVD（PECVDPECVD） CVDCVD系统系统 6.2 CVD6

13、.2 CVD系统系统 6.2.1 6.2.1 气体源气体源 n例如例如CVDCVD二氧化硅：气态源二氧化硅：气态源SiHSiH4 4；液态源；液态源TEOSTEOS（正硅酸四（正硅酸四 乙酯）。乙酯）。 n液态源的优势：液态源的优势： 安全：气压小，不易泄露；安全：气压小，不易泄露； 淀积的薄膜特性好淀积的薄膜特性好 n液态源的输运（传输）：液态源的输运（传输）： 冒泡法：由冒泡法：由N N2 2、H H2 2、ArAr2 2气体携带；气体携带； 加热法：直接加热气化液态源；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，气化后直接送入直接注入法：液态源先注入到气化室，气化后直

14、接送入 反应室。反应室。 6.2 CVD6.2 CVD系统系统 6.2.2 6.2.2 质量流量控制系统质量流量控制系统 1.1.质量流量计质量流量计 n作用：精确控制气体流量（作用：精确控制气体流量（ml/s)ml/s)； n操作：单片机程序控制；操作：单片机程序控制； 2.2.阀门阀门 n作用：控制气体输运；作用：控制气体输运； 6.2.3 CVD6.2.3 CVD技术技术 1. APCVD1. APCVD n定义：气相淀积在定义：气相淀积在1 1个大气压下进行；个大气压下进行； n淀积机理：气相传输控制过程。淀积机理：气相传输控制过程。 n优点：淀积速率高（优点：淀积速率高（100nm/

15、min100nm/min）；操作简便；）；操作简便； n缺点：缺点：高温高温；均匀性差；均匀性差；台阶覆盖差台阶覆盖差；易发生；易发生气相反应气相反应， 产生微粒污染。产生微粒污染。 n淀积薄膜：淀积薄膜：SiSi外延薄膜；外延薄膜；SiOSiO2 2、poly-Sipoly-Si、SiSi3 3N N4 4薄膜。薄膜。 APCVDAPCVD系统系统 6.2.3 CVD6.2.3 CVD技术技术 2. LPCVD2. LPCVD n定义：在定义：在2727270Pa270Pa压力下进行化学气相淀积。压力下进行化学气相淀积。 n淀积机理：表面反应控制过程。淀积机理：表面反应控制过程。 n优点：温

16、度相对低；均匀性好（优点：温度相对低；均匀性好（3 35 5，常压：，常压：1010） ；台阶覆盖好；效率高、成本低。；台阶覆盖好；效率高、成本低。 n缺点：缺点：相对淀积速率低相对淀积速率低。 n淀积薄膜：淀积薄膜： poly-Sipoly-Si、 SiSi3 3N N4 4 、 SiOSiO2 2、PSGPSG、 BPSG BPSG、W W等。等。 LPCVDLPCVD系统系统 6.2.3 CVD6.2.3 CVD技术技术 3. PECVD3. PECVD（等离子体增强化学气相淀积）（等离子体增强化学气相淀积） n淀积原理淀积原理: RF: RF激活气体分子（等离子体），使其在低温激活气体

17、分子（等离子体），使其在低温 （室温）下发生化学反应，淀积成膜。（室温）下发生化学反应，淀积成膜。 n淀积机理：表面反应控制过程。淀积机理：表面反应控制过程。 n优点：优点：温度低温度低（200200350350）；）；更高的淀积速率更高的淀积速率； 附着性好；附着性好；台阶覆盖好台阶覆盖好；电学特性好；电学特性好； n缺点：产量低；缺点：产量低； n淀积薄膜：金属化后的钝化膜（淀积薄膜：金属化后的钝化膜（ SiSi3 3N N4 4 ）；多层布）；多层布 线的介质膜（线的介质膜（ SiSi3 3N N4 4 、SiOSiO2 2）。）。 PECVDPECVD系统系统 PECVD PECVD

18、系统（电容耦合）系统（电容耦合） 6.3 CVD6.3 CVD多晶硅多晶硅 6.3.1 6.3.1 多晶硅薄膜的特性多晶硅薄膜的特性 1. 1. 结构特性结构特性 由无数生长方向各不相同的小晶粒由无数生长方向各不相同的小晶粒(100nm(100nm量级）组成；主量级）组成；主 要生长方向（优选方向）要生长方向（优选方向）。 晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键。晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键。 2. 2. 物理特性：扩散系数明显高于单晶硅；物理特性：扩散系数明显高于单晶硅； 3. 3. 电学特性电学特性 n电阻率远高于单晶硅；电阻率远高于单晶硅；WHY?WHY? n晶粒尺寸大的薄膜电阻率小。晶粒尺寸

19、大的薄膜电阻率小。 6.3.2 CVD6.3.2 CVD多晶硅多晶硅 n工艺：工艺：LPCVDLPCVD； n气体源：气态气体源：气态SiHSiH4 4； n淀积过程：淀积过程： 吸附：吸附：SiHSiH4 4（g) SiHg) SiH4 4（吸附（吸附) ) 热分解：热分解： SiHSiH4 4（吸附（吸附) = SiH) = SiH2 2（吸附（吸附)+H)+H2 2(g) (g) SiH SiH2 2（吸附（吸附) = Si) = Si（吸附（吸附)+H)+H2 2（g)g) 淀积：淀积： SiSi（吸附（吸附)= Si)= Si（固（固) ) 脱吸、逸出：脱吸、逸出： SiHSiH2

20、2、H H2 2脱离表面，逸出反应室。脱离表面，逸出反应室。 n总反应式：总反应式： SiHSiH4 4（吸附（吸附) = Si) = Si（固体（固体)+2H)+2H2 2(g) (g) 6.3 CVD6.3 CVD多晶硅多晶硅 n特点：特点： 与与SiSi及及SiOSiO2 2的接触性能更好的接触性能更好； 台阶覆盖性好。台阶覆盖性好。 n缺点：缺点： SiH SiH4 4易气相分解。易气相分解。 n用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。 n多晶硅掺杂多晶硅掺杂 扩散：电阻率低；温度高；扩散：电阻率低；温度高； 离子注入离子注入: :电阻率是扩散的电阻率是

21、扩散的1010倍；倍； 原位掺杂：淀积过程（模型）复杂；原位掺杂：淀积过程（模型）复杂； n实际应用实际应用 6.3 CVD6.3 CVD多晶硅多晶硅 6.4 CVD6.4 CVD二氧化硅二氧化硅 6.4.1 CVD SiO6.4.1 CVD SiO2 2的方法的方法 1. 1. 低温低温CVDCVD 气态硅烷源气态硅烷源 n硅烷和氧气：硅烷和氧气： APCVDAPCVD、LPCVDLPCVD、PECVD PECVD 淀积机理淀积机理: SiH: SiH4 4+O+O2 2 400 400 SiO SiO2 2 + H + H2 2 n硅烷和硅烷和N N2 2O O（NONO） ：PECVDP

22、ECVD 淀积机理淀积机理: SiH: SiH4 4+N+N2 2O O 200-400 200-400 SiO SiO2 2 + N + N2 2 + H + H2 2O O n原位掺原位掺P P：形成：形成PSGPSG 淀积机理淀积机理: PH: PH3 3(g)+5O(g)+5O2 2=2P=2P2 2O O5 5( (固固)+6H)+6H2 2 n优点：温度低；反应机理简单。优点：温度低；反应机理简单。 n缺点：台阶覆盖差。缺点：台阶覆盖差。 6.4 CVD6.4 CVD二氧化硅二氧化硅 液态液态TEOSTEOS源：源：PECVDPECVD n淀积机理：淀积机理： Si(OCSi(OC

23、2 2H H5 5) )4 4+O+O2 2 250-425 250-425 SiO SiO2 2+H+H2 2O+CO+CX XH HY Y n优点：优点：安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。 n缺点缺点: SiO: SiO2 2膜质量较热生长法差；膜质量较热生长法差； SiO SiO2 2膜含膜含C C、有机原子团。、有机原子团。 2. 2. 中温中温LPCVD SiOLPCVD SiO2 2 n温度：温度：680-730680-730 n化学反应：化学反应：Si(OCSi(OC2 2H H5 5) )4 4 SiO SiO2 2+2H+2H2 2O+4CO+

24、4C2 2H H4 4 n优点：较好的保形覆盖。优点：较好的保形覆盖。 6.4 CVD6.4 CVD二氧化硅二氧化硅 6.4.2 6.4.2 台阶覆盖台阶覆盖 n保形覆盖：所有图形上淀积保形覆盖：所有图形上淀积 的薄膜厚度相同，也称共性的薄膜厚度相同，也称共性 （conformalconformal）覆盖。）覆盖。 n覆盖模型：覆盖模型： 淀积速率正比于气体分子到达淀积速率正比于气体分子到达 表面的角度；表面的角度； 特殊位置的淀积机理：特殊位置的淀积机理： a) a)直接入射直接入射b)b)再发射再发射c)c)表面迁移表面迁移 6.4 CVD6.4 CVD二氧化硅二氧化硅 n保形覆盖的关键：

25、保形覆盖的关键： 表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比；表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比； 再发射再发射 6.4 CVD6.4 CVD二氧化硅二氧化硅 6.4.3 CVD6.4.3 CVD掺杂掺杂SiOSiO2 2 1. PSG1. PSG n工艺：原位掺杂工艺：原位掺杂PHPH3 3； n组分：组分：P P2 2O O5 5 和 和 SiOSiO2 2； n磷硅玻璃回流（磷硅玻璃回流（ P-glass flow P-glass flow ）工艺：）工艺：PSGPSG受热变软易流动，受热变软易流动， 可提供一平滑的表面；也称高温平坦化（可提供一平滑的表面；也称高温平坦化（1000-110010

26、00-1100） 2. BPSG2. BPSG n工艺：原位掺杂工艺：原位掺杂PHPH3 3 、B B2 2H H6 6； n组分：组分：B B2 2O O3 3-P-P2 2O O5 5-SiO-SiO2 2； n回流温度：回流温度：850 850 ； PSGPSG回流回流 6.5 CVD Si6.5 CVD Si3 3N N4 4 nSiSi3 3N N4 4薄膜的用途：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 离子及离子及B B、P P、AsAs、等各种杂质的扩散；有很强的抗划伤能力；、等各种杂质的扩散；有很强

27、的抗划伤能力； 选择性氧化的掩蔽膜：选择性氧化的掩蔽膜：SiSi3 3N N4 4很难氧化；很难氧化； MOSFETsMOSFETs中的侧墙：中的侧墙：LDDLDD （轻掺杂源漏）结构的侧墙；（轻掺杂源漏）结构的侧墙； 自对准硅化物的钝化层侧墙；自对准硅化物的钝化层侧墙； 浅槽隔离的浅槽隔离的CMPCMP停止层。停止层。 6.5 CVD Si6.5 CVD Si3 3N N4 4 nSiSi3 3N N4 4薄膜的特性：薄膜的特性： 扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧；扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧； 对底层金属可保形覆盖；对底层金属可保形覆盖； 钝化层钝化层 针孔少；针孔少； 介电常数较

28、大：介电常数较大：( (Si3N4 Si3N4=6-9, =6-9,SiO2 SiO2=4.2) =4.2) 不能作层间的绝缘层。不能作层间的绝缘层。 n淀积方法：淀积方法：根据用途选择；根据用途选择； DRAMDRAM的电容介质：的电容介质：LPCVDLPCVD； 最终钝化膜：最终钝化膜：PECVDPECVD（200200-400-400） 6.5 CVD Si6.5 CVD Si3 3N N4 4 CVD SiCVD Si3 3N N4 4薄膜工艺薄膜工艺 1. LPCVD1. LPCVD 反应剂：反应剂： SiHSiH2 2ClCl2 2 + NH + NH3 3 Si Si3 3N N

29、4 4+H+H2 2+HCl+HCl 温度：温度：700-900 700-900 ； 速率：与总压力（或速率：与总压力（或p pSiH2Cl2 SiH2Cl2) )成正比； 成正比； 特点：密度高；不易被稀特点：密度高；不易被稀HFHF腐蚀；腐蚀； 化学配比好；保形覆盖；化学配比好；保形覆盖； 缺点：应力大；缺点：应力大； 6.5 CVD Si6.5 CVD Si3 3N N4 4 2. PECVD2. PECVD 反应：反应： SiH SiH4 4 + NH + NH3 3 （ （N N2 2） Si Six xN Ny yH Hz z + H + H2 2 SiNSiN薄膜中薄膜中H H的

30、危害：阈值漂移的危害：阈值漂移 nH H危害的解决：危害的解决：N N2 2代替代替NHNH3 3 （SiHSiH4 4-NH-NH3 3体系：体系：H H的含量的含量18%-22%at18%-22%at； SiH SiH4 4-N-N2 2体系：体系：H H的含量的含量7%-15%at7%-15%at） 温度：温度：200-400200-400； n温度对速率、折射率、腐蚀速率的影响：图温度对速率、折射率、腐蚀速率的影响：图6.216.21 nP PNH3 NH3/P /Ptot tot对 对G G、N NA A( (原子组分）的影响：图原子组分）的影响：图6.226.22 CVDCVD淀积

31、反应总结淀积反应总结 6.6 6.6 金属的金属的CVDCVD n常用的常用的CVDCVD金属薄膜：金属薄膜：AlAl、W W、TiTi、CuCu 6.6.1 6.6.1 钨的钨的CVDCVD nW W的特性：热稳定性高：熔点的特性：热稳定性高：熔点34103410；应力低：保形覆；应力低：保形覆 盖好；抗电迁移强；耐腐蚀；电阻率低：盖好；抗电迁移强；耐腐蚀；电阻率低：5.655.65cmcm ，比，比AlAl的高，比金属硅化物低；在氧化物和氮化物上的附的高，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；着性差：选择性淀积； nW W的用途：的用途： 特征尺寸小于特征尺寸小于1

32、1mm的接触孔的接触孔 和通孔填充：和通孔填充：钨插塞（钨插塞（plugplug）； 局部互连；局部互连； 接触工艺的演变接触工艺的演变 6.6.1 6.6.1 钨的钨的CVDCVD 1. CVDW1. CVDW的化学反应的化学反应 nW W源：源：WFWF6 6（沸点（沸点17,17,易输送、控制流量）易输送、控制流量） nWFWF6 6与与SiSi： 2WF 2WF6 6 + 3Si 2W(s) + 3SiF + 3Si 2W(s) + 3SiF4 4(g)(g) 特性：特性：W W膜厚度达膜厚度达10-15nm10-15nm时，反应自停止；时，反应自停止； nWFWF6 6与与H H2 2： WF WF6 6 + H + H2 2 W W（s) + 6HF(g)s) + 6HF(g) nWFWF6 6与与SiHSiH4 4： 2WF 2WF6 6 + 3SiH + 3SiH4 4 2W + 3SiF 2W + 3SiF4 4 + 6H + 6H2 2 2. 2. 覆盖式覆盖式CVD-WCVD-W与回刻与回刻 n覆盖式淀积