第六章化学气相淀积CVD

1、第六章第六章 化学气相淀积化学气相淀积CVDn化学气相淀积化学气相淀积CVD chemical vapor deposition： 通过气态混合物在衬底表面发生化通过气态混合物在衬底表面发生化学反应并在衬底表面淀积薄膜。学反应并在衬底表面淀积薄膜。n 集成电路微芯片加工是一个平面的加工集成电路微芯片加工是一个平面的加工过程，它包含在硅片表面生长不同膜层。通过程，它包含在硅片表面生长不同膜层。通过淀积工艺可以完成在硅片表面生长各种薄过淀积工艺可以完成在硅片表面生长各种薄膜。膜。在微芯片加工中，淀积的薄膜必须在微芯片加工中，淀积的薄膜必须具备如下特性：具备如下特性：n厚度的均匀性厚度的均匀性 薄膜

2、厚度要求均匀性，材料的电阻会随膜厚度的薄膜厚度要求均匀性，材料的电阻会随膜厚度的变化而变化，同时膜层越薄，就会有更多的缺陷，如变化而变化，同时膜层越薄，就会有更多的缺陷，如针孔，这会导致膜本身的机械强度降低，因此我们希针孔，这会导致膜本身的机械强度降低，因此我们希望薄膜有好的表面平坦度来尽可能减小台阶和缝隙。望薄膜有好的表面平坦度来尽可能减小台阶和缝隙。n高纯度和高密度高纯度和高密度 高纯度的膜意味着膜中没有那些会影响膜质量的高纯度的膜意味着膜中没有那些会影响膜质量的化学元素或者原子。要避免沾污物和颗粒。化学元素或者原子。要避免沾污物和颗粒。 膜的密度也是膜质量的重要指标，它显示了膜层中针膜的

3、密度也是膜质量的重要指标，它显示了膜层中针孔和空洞的多少。孔和空洞的多少。在微芯片加工中，淀积的薄膜必须在微芯片加工中，淀积的薄膜必须具备如下特性：具备如下特性：n受控制的化学剂量受控制的化学剂量 理想的膜要有均匀的组成成分，在化学反应中随着化学物质理想的膜要有均匀的组成成分，在化学反应中随着化学物质的变化，化学剂量比可以描述反应停止或平衡后反应物和生成的变化，化学剂量比可以描述反应停止或平衡后反应物和生成物的变化。物的变化。化学剂量比化学剂量比是指在化合物或分子中一种组分的量与是指在化合物或分子中一种组分的量与另一组分量的比值（如水的剂量比另一组分量的比值（如水的剂量比2:12:1）, ,通

4、过化学剂量比能够知通过化学剂量比能够知道所需反应物的组成，通过控制化学剂量比，来控制淀积薄膜道所需反应物的组成，通过控制化学剂量比，来控制淀积薄膜的组分的组分. .n膜的结构完整性膜的结构完整性 和低的膜应力和低的膜应力 薄膜淀积工艺中，淀积物趋向聚集并生成晶粒。如果膜层薄膜淀积工艺中，淀积物趋向聚集并生成晶粒。如果膜层中晶粒大小变化，影响膜的电学和机械特性变化，这将影响膜中晶粒大小变化，影响膜的电学和机械特性变化，这将影响膜的长期可靠性。同时膜生长中不希望产生使的长期可靠性。同时膜生长中不希望产生使Si Si衬底变形，导致衬底变形，导致膜开裂、分层或者空洞形成膜开裂、分层或者空洞形成.在微芯

5、片加工中，淀积的薄膜必须在微芯片加工中，淀积的薄膜必须具备如下特性：具备如下特性：n好的电学特性好的电学特性 作为导电层电阻率要小，作为介质层，介电作为导电层电阻率要小，作为介质层，介电常数要大常数要大n好的粘附性好的粘附性 为了避免薄膜分层和开裂，薄膜对衬底材料为了避免薄膜分层和开裂，薄膜对衬底材料的要有好的粘附性。开裂的膜会导致膜表面粗的要有好的粘附性。开裂的膜会导致膜表面粗糙，杂质也可以通过膜。对起隔离作用的膜，糙，杂质也可以通过膜。对起隔离作用的膜，开裂会导致电短路或者漏电流。开裂会导致电短路或者漏电流。在微芯片加工中，淀积的薄膜必须在微芯片加工中，淀积的薄膜必须具备如下特性：具备如下

6、特性：n好的台阶覆盖能力好的台阶覆盖能力 如果淀积的薄膜在台阶如果淀积的薄膜在台阶上过度的变薄，就容易导致高的膜应力、电短路或上过度的变薄，就容易导致高的膜应力、电短路或者在器件中产生不希望的诱生电荷者在器件中产生不希望的诱生电荷.n低缺陷密度低缺陷密度n低缺陷密度低缺陷密度工艺工艺生长过程：生长过程：n反应物气体混合向反应区输运反应物气体混合向反应区输运n反应物以扩散的方式穿过边界层到达衬底表面反应物以扩散的方式穿过边界层到达衬底表面n反应物分子被吸附在高温衬底表面上反应物分子被吸附在高温衬底表面上n在衬底表面发生化学反应，生成生长晶体原子和在衬底表面发生化学反应，生成生长晶体原子和气体副产

7、物，原子在晶面移动进入晶格格点，实气体副产物，原子在晶面移动进入晶格格点，实现晶体生长现晶体生长n副产物气体从表面脱附并窜越边界层向主气流中副产物气体从表面脱附并窜越边界层向主气流中扩散扩散n副产物和未反应物离开反应系统副产物和未反应物离开反应系统n 上述反应是依次进行的，而总的生长速率将上述反应是依次进行的，而总的生长速率将由最慢的一步决定由最慢的一步决定 CVD的化学反应的条件：的化学反应的条件：n在淀积温度下，反应剂须具有足够高的蒸气压在淀积温度下，反应剂须具有足够高的蒸气压n除淀积物外，反应的其他产物必须是挥发性的除淀积物外，反应的其他产物必须是挥发性的n淀积本身必须具有足够低的蒸气压

8、淀积本身必须具有足够低的蒸气压n薄膜淀积所用时间应该尽量以满足高效率和低薄膜淀积所用时间应该尽量以满足高效率和低成本的要求成本的要求n薄膜淀积温度必须足够低，以避免对先前工艺薄膜淀积温度必须足够低，以避免对先前工艺产生影响产生影响nCVDCVD不允许化学反应的气态副产物进入薄膜不允许化学反应的气态副产物进入薄膜n化学反应应该发生在被加热的衬底表面化学反应应该发生在被加热的衬底表面6.2 CVD系统n常压化学气相淀积常压化学气相淀积APCVDn低压化学气相淀积低压化学气相淀积LPCVDn等离子体辅助化学气相淀积等离子体辅助化学气相淀积常压化学气相淀积常压化学气相淀积APCVDn最早使用的最早使用

9、的CVD系统，早期是用来淀积氧化系统，早期是用来淀积氧化层和生长硅外延层，现今仍在使用。层和生长硅外延层，现今仍在使用。nAPCVD是在大气压下进行的淀积系统，操作是在大气压下进行的淀积系统，操作简单，并且能够以比较高的淀积速率进行淀简单，并且能够以比较高的淀积速率进行淀积，特别适合介质薄膜的淀积。积，特别适合介质薄膜的淀积。n采用一条带或传输装置来传送硅片，通过流采用一条带或传输装置来传送硅片，通过流动在反应器中部的反应气体。动在反应器中部的反应气体。应用应用:用于用于SiO2的淀积和掺杂的氧化的淀积和掺杂的氧化硅硅(PSG、BSG等等)SiH4+O2=SiO2 +H2O 100mm：10片

10、，片， 125mm:8片片Time:15minTemp:380450 6厚度均匀：厚度均匀： 5APCVD缺点缺点nAPCVD易发生气相反应易发生气相反应n产生微粒污染产生微粒污染n其台阶覆盖性和均匀性比较差。其台阶覆盖性和均匀性比较差。 影响薄膜淀积的均匀性和阶梯覆盖性的因素之影响薄膜淀积的均匀性和阶梯覆盖性的因素之一是反映室内分子的平均自由程。自由程越长一是反映室内分子的平均自由程。自由程越长 ，薄，薄膜淀积的均匀性越高。膜淀积的均匀性越高。 因此，目前已经被更好的因此，目前已经被更好的LPCVD所所取代。取代。低压化学气相淀积低压化学气相淀积LPCVDn与与APCVD 相比相比LPCVD

11、有更低的成本、更高的有更低的成本、更高的产量及更好的膜性能，因此广泛应用。产量及更好的膜性能，因此广泛应用。 LPCVD通常在中等真空度下，反应温度一般通常在中等真空度下，反应温度一般为为300-900，常规的氧化炉立式或卧式都可，常规的氧化炉立式或卧式都可以应用于以应用于LPCVD。n低压化学气相淀积的均匀性和台阶覆盖性比低压化学气相淀积的均匀性和台阶覆盖性比APCVD好，而且污染少。好，而且污染少。缺点：缺点：n淀积速度较低淀积速度较低n工作温度较高工作温度较高LPCVD淀积系统淀积系统n 应用情况应用情况n多晶硅多晶硅：SiH4/Ar(He) 620 MOS的栅电极的栅电极nSi3N4:

12、 SiH2Cl2 (二氯氢硅二氯氢硅)+NH3 750800nPSG: SiH4 +PH3 +O2 450 nBSG: SiH4 + B2H6 +O2 450 nSiO2: SiH2Cl2 +NO2 910等离子体辅助化学气相淀积等离子体辅助化学气相淀积n等离子体增强化学气相淀积等离子体增强化学气相淀积PECVDn高密度等离子体化学气相淀积高密度等离子体化学气相淀积HDPCVD等离子体增强化学气相淀积等离子体增强化学气相淀积PECVDnPECVD是目前主要的化学气相淀积系统，是目前主要的化学气相淀积系统，APCVD 和和LPCVD是根据气压分类的，而是根据气压分类的，而PECVD 是按反应激活

13、能分类的是按反应激活能分类的.n在化学气相淀积中，不仅可以利用热能来激在化学气相淀积中，不仅可以利用热能来激活和维持化学反应，也可以通过非热能源的活和维持化学反应，也可以通过非热能源的射频射频(RF)等离子体来激活和维持化学反应，等离子体来激活和维持化学反应，而且受激发的分子可在低温下发生化学反应，而且受激发的分子可在低温下发生化学反应，所以淀积温度不仅比所以淀积温度不仅比APCVD或或LPCVD低，同低，同时又有更高的淀积速率。时又有更高的淀积速率。例：在例：在Al上淀积上淀积Si3N4 n LPCVD 淀积淀积Si3N4的温度的温度800-900，铝，铝的熔点的熔点660 不能采用不能采用

14、 LPCVDnPECVD淀积淀积Si3N4的温度的温度350 合适合适n等离子体中的电子从电场中获得足够高的等离子体中的电子从电场中获得足够高的能量，当与反应气体的分子碰撞时，这些能量，当与反应气体的分子碰撞时，这些分子将分解成多种成分：离子、原子、以分子将分解成多种成分：离子、原子、以及活性基团（激发态），这些的活性基团及活性基团（激发态），这些的活性基团不断吸附在基片表面上，吸附在表面上的不断吸附在基片表面上，吸附在表面上的活性基团之间的化学反应生成薄膜基元，活性基团之间的化学反应生成薄膜基元，并在基片表面上形成薄膜层。并在基片表面上形成薄膜层。PECVD优点优点n低的工艺温度（低的工艺温

15、度（250-450）n淀积的膜对衬底有优良的粘附能力淀积的膜对衬底有优良的粘附能力n高的淀积速率高的淀积速率n少的针孔和空洞，高的膜密度少的针孔和空洞，高的膜密度n适用于布线隔离适用于布线隔离 Si3N4: SiH2Cl2 +NH3 PSG: SiH4 +PH3 +O2 高密度等离子体化学气相淀积高密度等离子体化学气相淀积HDPCVDn这种方法在这种方法在20世纪世纪90年代中期被广泛采用年代中期被广泛采用的，其等离子体在低压下以高密度混合气的，其等离子体在低压下以高密度混合气体的形式直接接触到反应腔中硅片的表面体的形式直接接触到反应腔中硅片的表面n优点优点是可以在是可以在300-400较低的

16、淀积温度下，较低的淀积温度下，制备出能够填充高深宽比间隙膜。制备出能够填充高深宽比间隙膜。6.3 多晶硅的特性和薄膜淀积多晶硅的特性和薄膜淀积 多晶硅淀积，在多晶硅淀积，在MOS器件中，用掺杂器件中，用掺杂的多晶硅作为栅电极，其原因：的多晶硅作为栅电极，其原因：n通过掺杂可以得到特定的电阻通过掺杂可以得到特定的电阻n和二氧化硅有优良的界面特性和二氧化硅有优良的界面特性n比金属电极（比金属电极（AlAl）有更高的可靠性）有更高的可靠性n在陡峭结构上的淀积有好的均匀性和保形在陡峭结构上的淀积有好的均匀性和保形性性6.3 .1多晶硅的性质多晶硅的性质 n 多晶硅是由小单晶的晶粒组成，因此多晶硅是由小

17、单晶的晶粒组成，因此内部的性质与单晶相类似，存在大量的晶内部的性质与单晶相类似，存在大量的晶粒间界，是具有高密度缺陷和悬挂键的区粒间界，是具有高密度缺陷和悬挂键的区域域 ，在晶界处的扩散系数明显高于晶粒内，在晶界处的扩散系数明显高于晶粒内部的扩散系数部的扩散系数n一般掺杂浓度下，多晶硅的电阻率比单晶的电一般掺杂浓度下，多晶硅的电阻率比单晶的电阻率高得多阻率高得多n高浓度掺杂，多晶硅的电阻率与单晶的电阻率高浓度掺杂，多晶硅的电阻率与单晶的电阻率相差不大相差不大n多晶硅电阻的变化与掺杂浓度和晶粒尺寸之间多晶硅电阻的变化与掺杂浓度和晶粒尺寸之间的关系的关系晶粒尺寸大的薄膜有较低的电阻率晶粒尺寸大的薄

18、膜有较低的电阻率晶粒小、掺杂浓度低晶粒小、掺杂浓度低高阻区高阻区晶粒大、掺杂浓度高晶粒大、掺杂浓度高低阻区低阻区表表5. 淀积温度对平均晶粒直径的影响淀积温度对平均晶粒直径的影响淀积温度淀积温度600635650675700725平均晶粒直径平均晶粒直径(nm)5562727478866.3 .2多晶硅的化学气相淀积多晶硅的化学气相淀积n多晶硅的化学气相淀积采用多晶硅的化学气相淀积采用LPCVD，因为，因为LPCVD淀积的薄膜均匀性好、高纯度等优点。淀积的薄膜均匀性好、高纯度等优点。n 反应方程式：反应方程式：SiH4 Si+2H2 550650 由由N2或或Ar携带携带SiH4 20 N2

19、80n淀积速率：淀积速率：100200/minn扩散掺杂扩散掺杂n离子注入掺杂离子注入掺杂n原位掺杂原位掺杂6.3 .4多晶硅的掺杂多晶硅的掺杂扩散掺杂扩散掺杂n在淀积完成后，在较高温度（在淀积完成后，在较高温度（900-1000）下）下进行进行n优点：优点：获得较低的电阻率获得较低的电阻率因扩散的温度高可以一步完成掺杂和退火两个工艺因扩散的温度高可以一步完成掺杂和退火两个工艺过程过程n缺点：工艺温度高薄膜表面粗糙程度增加缺点：工艺温度高薄膜表面粗糙程度增加离子注入掺杂离子注入掺杂n优点：精确控制掺入杂质的数量，适合不优点：精确控制掺入杂质的数量，适合不需要太高掺杂的多晶硅薄膜（电阻率是扩需要

20、太高掺杂的多晶硅薄膜（电阻率是扩散掺杂的散掺杂的10倍）倍）原位掺杂原位掺杂n杂质原子在薄膜淀积的同时被结合到薄膜杂质原子在薄膜淀积的同时被结合到薄膜中，一步完成薄膜淀积和掺杂中，一步完成薄膜淀积和掺杂n薄膜厚度、掺杂的均匀性淀积速度的控制薄膜厚度、掺杂的均匀性淀积速度的控制复杂复杂n1.SiO1.SiO2 2的的用途用途淀积淀积淀积淀积6.4 CVD SiO2非掺杂非掺杂SiO2: 用于离子注入或扩散的掩蔽膜，用于离子注入或扩散的掩蔽膜，多层金属化层之间的绝缘，增加场区氧化层之多层金属化层之间的绝缘，增加场区氧化层之间的厚度。间的厚度。掺杂掺杂SiO2: 用于器件钝化，磷硅玻璃回流，掺用于器

21、件钝化，磷硅玻璃回流，掺杂扩散源杂扩散源,与非掺杂与非掺杂SiO2结合作为多层金属化层结合作为多层金属化层之间的绝缘层。之间的绝缘层。 6.4.1 低温低温 CVD SiO2淀积淀积SiOSiO2 2的的A.A.低温气相化学淀积低温气相化学淀积500500: :1). 1). 硅烷为源的低温硅烷为源的低温CVD SiOCVD SiO2 2: :LPCVDLPCVD ：250450 SiH4(气气)O2 (气气) SiO2(固固)2H2 (气气)PECVD： 200400 SiH42N2OSiO2(固固)2H22N2 温度、压力、反应剂浓度、掺杂及反应腔温度、压力、反应剂浓度、掺杂及反应腔形状形

22、状都影响淀积速度。都影响淀积速度。 (200(200500nm/min) )2).正硅酸乙脂（正硅酸乙脂（TEOSTEOS）分解）分解n以以TEOS为源的低温为源的低温PECVD SiH4接触空气会燃烧，因此存在安全隐患，工接触空气会燃烧，因此存在安全隐患，工业中一般采用业中一般采用正硅酸四乙酯（正硅酸四乙酯（Si(OC2H5)4）也称也称TEOS，在常温下是液态，通过，在常温下是液态，通过N2携带携带TEOS的蒸的蒸气进入反应室在一定温度下分解形成气进入反应室在一定温度下分解形成SiO2，反应如，反应如下：下： Si(OC2H5)4O2 SiO2副产物副产物 250425B.B.中温中温LP

23、CVD LPCVD SiO2 : :nTEOS代替代替SiH4除安全以外，在中等温度下，除安全以外，在中等温度下，使用使用TEOS淀积的淀积的SiO2更具有保形性，淀积更具有保形性，淀积温度温度650800。 Si(OC2H5)4 SiO2副产物副产物淀积速率：淀积速率：25nm/min ,随温度的增加而增加随温度的增加而增加C.TEOSC.TEOS与臭氧混合源的与臭氧混合源的SiO2淀积淀积 nAPCVD 500 Si(OC2H5)4+8O3 SiO2+10H2O+8CO2优点：优点：n对于高的深宽比的槽有优良的覆盖填充能对于高的深宽比的槽有优良的覆盖填充能力。力。n淀积速率有显著提高淀积速

24、率有显著提高3. SiO2薄膜薄膜性质性质6.4.2 CVD SiO2 薄膜的台阶覆盖薄膜的台阶覆盖n保形覆盖：指无论衬底表面有什么样的倾保形覆盖：指无论衬底表面有什么样的倾斜图形，在所有图形的上面都能淀积有相斜图形，在所有图形的上面都能淀积有相同厚度的薄膜同厚度的薄膜n衬底表面上任何一点所淀积的薄膜厚度取衬底表面上任何一点所淀积的薄膜厚度取决于到达该点反应剂的数量。决于到达该点反应剂的数量。n如果衬底表面吸附的反应剂能够很快的在如果衬底表面吸附的反应剂能够很快的在衬底表面迁移，不管表面形状如何，反应衬底表面迁移，不管表面形状如何，反应剂到达表面上任何一点的几率都是相同的剂到达表面上任何一点的

25、几率都是相同的 ，实现保形率实现保形率6.4.3 CVD 6.4.3 CVD 掺杂掺杂SiOSiO2 2n加入磷烷加入磷烷PH3，生长磷硅玻璃，生长磷硅玻璃PSGn加入乙硼烷加入乙硼烷B2H6，生长硼硅玻璃，生长硼硅玻璃BSGn掺杂掺杂P含量：含量：515（或三氯氧磷）（或三氯氧磷）n回流回流P含量：含量：28钝化膜钝化膜磷含量过高：腐蚀铝，吸附水汽磷含量过高：腐蚀铝，吸附水汽磷含量过低：太硬，台阶覆盖不好，磷含量过低：太硬，台阶覆盖不好，6.5 CVD氮化硅薄膜氮化硅薄膜1.氮化硅薄膜是无定形的绝缘材料，在集成氮化硅薄膜是无定形的绝缘材料，在集成电路中的主要应用电路中的主要应用:(1) (1

26、) 用作为硅选择氧化和等平面氧化的氧化掩膜用作为硅选择氧化和等平面氧化的氧化掩膜(2) (2) 集成电路最终的钝化膜和机械保护层集成电路最终的钝化膜和机械保护层( (塑料封装塑料封装芯片芯片) )(3) (3) 电容层介质电容层介质; ;(4) (4) 栅绝缘栅绝缘(5)(5)浅沟隔离的浅沟隔离的CMPCMP停止层停止层2. LPCVD氮化硅薄膜氮化硅薄膜(中温中温) 氮化硅的低压化学气相淀积主要通过硅烷、氮化硅的低压化学气相淀积主要通过硅烷、二氯二氢硅、四氯化硅与氨在二氯二氢硅、四氯化硅与氨在700-8000C温度范温度范围内反应生成。主要反应式如下：围内反应生成。主要反应式如下：n3Si+4NH3 Si3N4+12H2 （1）n3SiH2Cl2+4NH3Si3N4+6HCl+6H2 (2)6.27n3SiCl4+4NH3 Si3N4+12HCl （3） 其中以（其中以（2）、（）、（3）最为常用。）最为常用。3.等离子体增强化学气相淀积等离子体增强化学气相淀积PECVD氮化硅薄膜氮化硅薄膜(低温低温)A、等离子淀积、等离子淀积优点及方程式：优点及方程式：