集成电路工艺基础——_06_化学气相淀积

1、电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院Chap 6 CVDv Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院MSI时代nMOS晶体管的各层膜p+ silicon substratep- epi layer场氧化层n+n+p+p+n-wellILD氧化硅垫氧化层氧化硅氮化硅顶层栅氧化层侧

2、墙氧化层金属前氧化层Poly金属多晶金属电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院 从从MSI到到LSI时代，芯片的设计和加工相对较为直接，上图时代，芯片的设计和加工相对较为直接，上图给出了制作一个早期给出了制作一个早期nMOS所需的淀积层。图中器件的特征所需的淀积层。图中器件的特征尺寸远大于尺寸远大于1m。如图所示，硅片上各层并不平坦，这将成。如图所示，硅片上各层并不平坦，这将成为为VLSI时代所需的多层金属高密度芯片制造的限制因素。时代所需的多层金属高密度芯片制造的限制因素。 随着特征尺寸越来越小，在当今的高级微芯片加工过程中，随着特征尺寸越来越小，在当今的高级微芯片加工过程中，需要需要6层

3、甚至更多的金属来做连接，各金属之间的绝缘就显层甚至更多的金属来做连接，各金属之间的绝缘就显得非常重要，所以，在芯片制造过程中，淀积可靠的薄膜材得非常重要，所以，在芯片制造过程中，淀积可靠的薄膜材料至关重要。薄膜制备是硅片加工中的一个重要工艺步骤。料至关重要。薄膜制备是硅片加工中的一个重要工艺步骤。 电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院ULSI硅片上的多层金属化钝化层压点金属p+ Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p- Epitaxial layerp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1P

4、oly gaten+p+p+n+n+LI metal电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院芯片中的金属层电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院薄膜特性v好的台阶覆盖能力好的台阶覆盖能力v填充高的深宽比间隙的能力填充高的深宽比间隙的能力v好的厚度均匀性好的厚度均匀性v高纯度和高密度高纯度和高密度v受控制的化学剂量受控制的化学剂量v高度的结构完整性和低的膜应力高度的结构完整性和低的膜应力v好的电学特性好的电学特性v对衬底材料或下层膜好的黏附性对衬底材料或下层膜好的黏附性电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院化学气相淀积 (Chemical Vapor Deposition) v CVD定义：

5、通过气态物质的化学反应在衬底上淀定义：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程积一层薄膜材料的过程v *它是半导体生产中它是半导体生产中最重要的薄膜淀积方法最重要的薄膜淀积方法，除，除了某些金属材料之外，基本都用了某些金属材料之外，基本都用CVD进行淀积。进行淀积。Silicon substrateOxide宽长厚与衬底相比薄膜非常薄电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院化学气相淀积 (Chemical Vapor Deposition) v CVD技术特点：技术特点： 具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆

6、盖优良、适用范围广、设备简单和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点等一系列优点 CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属硅、氮化硅、金属(钨、钼钨、钼)等等电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院CVD相对于相对于PVD,有什么优点？有什么优点？v跟材料特性相关的性质跟材料特性相关的性质结晶性和理想配比都结晶性和理想配比都比较好比较好v薄膜成分和膜厚容易控制薄膜成分和膜厚容易控制v*淀积温度低淀积温度低v*台阶覆盖性好（台阶覆

7、盖性好（step coverage) 电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院CVDoutlinev Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院 CVD的薄膜生长原理v 薄膜生长的过程薄膜生长的过程v 生长模型生长模型电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院薄膜生长过程v 1、反应剂

8、气体混合物以合理的流速被输运到沉积区、反应剂气体混合物以合理的流速被输运到沉积区v 2、反应剂气体由主气流通过边界层扩散到衬底表面、反应剂气体由主气流通过边界层扩散到衬底表面v 3、反应剂气体吸附在衬底表面上、反应剂气体吸附在衬底表面上v 4、吸附原子（分子）发生化学反应，生成薄膜基本元素、吸附原子（分子）发生化学反应，生成薄膜基本元素v 5、副产物分子离开衬底表面，由衬底外扩散到主气流，排出、副产物分子离开衬底表面，由衬底外扩散到主气流，排出电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院边界层理论边界层理论v 气体速度受到扰动并按抛物线型变化、同时还存在反应

9、气体速度受到扰动并按抛物线型变化、同时还存在反应剂浓度梯度的薄层称为边界层（附面层、滞留层）剂浓度梯度的薄层称为边界层（附面层、滞留层） 气体分子的平均自由程远小于反应室的几何尺寸，可以认为气体分子的平均自由程远小于反应室的几何尺寸，可以认为气体为黏滞性流动气体为黏滞性流动 由于气体的黏滞性，气体与硅片表面或侧壁存在摩擦力，该由于气体的黏滞性，气体与硅片表面或侧壁存在摩擦力，该摩擦力使紧贴硅片表面或者侧壁的气体流速为零摩擦力使紧贴硅片表面或者侧壁的气体流速为零 在离硅片表面或者侧壁一定距离处，气体流速过渡到最大气在离硅片表面或者侧壁一定距离处，气体流速过渡到最大气流流Um电子科技大学中山学院电

10、子科技大学中山学院Grove模型（1）F F1 1：主气流到衬底表面的反应剂流密度：主气流到衬底表面的反应剂流密度F F2 2：反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜的流密度：反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜的流密度C Cg g：反应剂在主气流中的浓度：反应剂在主气流中的浓度C Cs s：反应剂在硅表面处的浓度：反应剂在硅表面处的浓度电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院Grove模型（2） Grove模型能够准确预测薄膜淀积速率，认为控制薄膜沉淀模型能够准确预测薄膜淀积速率，认为控制薄膜沉淀速率的两个因素为：速率的两个因素为： 1 气相输运过程气相输运过程 2 表面化学反应过程表面化学反应过程电

11、子科技大学中山学院电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v（1）F1=hg(Cg Cs) v（2）F2=ksCs其中：其中：hg为气相质量输运系数，为气相质量输运系数，ks为表面化学反应速率常数为表面化学反应速率常数v 稳定状态：稳定状态： F1=F2=F Cs=Cg/(1+ks/hg) （1）hg ks时，时，Cs趋向趋向Cg，淀积速率受表面化学反应控制，淀积速率受表面化学反应控制（2）ks hg时，时，Cs趋向趋向0，淀积速率受质量输运速率控制，淀积速率受质量输运速率控制Grove模型（3）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院 结论结论： （1 1）淀积速率与）淀

12、积速率与C Cg g（反应剂的浓度）或者（反应剂的浓度）或者Y Y（反应剂的摩尔百（反应剂的摩尔百分比）成正比；分比）成正比；（2 2）在）在C Cg g或者或者Y Y为常数时，薄膜淀积速率将由为常数时，薄膜淀积速率将由KsKs和和hghg中较小中较小的一个决定。的一个决定。Grove模型（4）v 薄膜淀积速率薄膜淀积速率（其中（其中N1表示表示形成形成一个单位体积薄膜所需一个单位体积薄膜所需要的原子数量）：要的原子数量）：YNChkhkNChkhkNFGTgsgsggsgs111电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院Diffusion and Surface control regions

13、v 对于一个确定的表面反应，当温度升高到一定程度时，由对于一个确定的表面反应，当温度升高到一定程度时，由于反应速度的加快，于反应速度的加快，输运到表面的反应剂数量输运到表面的反应剂数量低于该温度下低于该温度下表面化学反应所需要的数量表面化学反应所需要的数量，这时的淀积速率将转为由质量，这时的淀积速率将转为由质量输运控制，反应速度不再随温度变化而变化。输运控制，反应速度不再随温度变化而变化。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 增加气流速率可以提高淀积速率增加气流速率可以提高淀积速率v 当气流速率大到一定程度的时候，淀积速率受当气流速率大到一定程度的时候，淀积速率受表面化学反表面化学反应速

14、率控制应速率控制薄膜淀积速率薄膜淀积速率(1)电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 升高温度可以提高淀积速率升高温度可以提高淀积速率v 但随着温度的上升，淀积速率对温度的敏感度不断下降；但随着温度的上升，淀积速率对温度的敏感度不断下降；当温度高过某个值后，淀积速率受当温度高过某个值后，淀积速率受质量输运速率质量输运速率控制控制薄膜淀积速率薄膜淀积速率(2)图图6.8 6.8 硅膜淀积速率与温度倒数的关系硅膜淀积速率与温度倒数的关系表面化学反应控制：温度表面化学反应控制：温度质量输运速率控制：位置质量输运速率控制：位置电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院CVDoutlinev Intr

15、oductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院CVD Equipment化学气相淀积系统化学气相淀积系统n气态源或液态源气态源或液态源 气体输入管道气体输入管道 气体流量控制系统气体流量控制系统 反应室反应室 基座加热及控制系统基座加热及控制系统 温度控制及测量系统温度控制及测量系统 减压系统（

16、减压系统（LPCVD和和PECVD)电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院6.2.1 CVD的气体源v 气体源趋向液态气体源趋向液态 气态源不安全气态源不安全 淀积的薄膜特性不好淀积的薄膜特性不好v液态源的输送液态源的输送 保存在室温下的保存在室温下的液态源，使用时液态源，使用时先注入到气化室先注入到气化室中，气化后直接中，气化后直接输送到反应室中输送到反应室中电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 冒泡法中反应剂浓度控制：冒泡法中反应剂浓度控制： 携带气体的流速携带气体的流速 源瓶的温度源瓶的温度v 气体的流速由气体流量控制系统控制气体的流速由气体流量控制系统控制电子科技大学中山学院电

17、子科技大学中山学院6.2.2 质量流量控制系统质量流量控制系统v 进入反应室的气体流量精确可控进入反应室的气体流量精确可控 控制反应室的气压控制反应室的气压 直接控制气体流量，质量流量控制系统直接控制气体流量，质量流量控制系统 质量流量计质量流量计 阀门阀门v 气体流量单位气体流量单位:体积体积/单位时间单位时间 温度为温度为273K，一个标准大气压下，每分钟通过，一个标准大气压下，每分钟通过的气体体积的气体体积电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院6.2.3 CVD反应室的热源反应室的热源Kamins 2000v 薄膜是在高于室温的温度薄膜是在高于室温的温度下淀积的。下淀积的。 热壁系统：

18、热壁系统：Tw=Ts 冷壁系统：冷壁系统：Tw1000A/min）。）。 易气相成核，均匀性不好，材料利用率低。易气相成核，均匀性不好，材料利用率低。 质量输运控制淀积速率。质量输运控制淀积速率。 均匀性好，台阶覆盖性好，污染少。对反应室结构要求均匀性好，台阶覆盖性好，污染少。对反应室结构要求低。装片量大。低。装片量大。 淀积速度低，工作温度高。淀积速度低，工作温度高。 表面反应控制淀积速率。表面反应控制淀积速率。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院 反应温度低，附着性好，良好的阶梯覆盖，良好的反应温度低，附着性好，良好的阶梯覆盖，良好的电学特性可以与精细图形转移工艺兼容，薄膜应力电学特性

19、可以与精细图形转移工艺兼容，薄膜应力低，主流工艺。低，主流工艺。 具备具备LPCVD的优点的优点 high deposition rate at relatively low temperature Improve film quality and stress control through ion bombardment（炮击，轰击）（炮击，轰击） 表面反应控制淀积速率表面反应控制淀积速率电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院CVDoutlinev Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Po

20、ly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v多晶硅的优点（多晶硅的优点（ Al的熔点为的熔点为659 ）：）： 多晶硅与随后的高温热处理工艺有很好的兼容性多晶硅与随后的高温热处理工艺有很好的兼容性 与与Al栅相比，多晶硅与热生长二氧化硅的接触性能更好栅相比，多晶硅与热生长二氧化硅的接触性能更好 在陡峭的台阶上淀积多晶硅时能够获得很好的保形性在陡峭的台阶上淀积多晶硅时能够获得很好的保形性v应用：应用： 栅电极栅电极 互联引

21、线互联引线 导体和电阻（高电阻值）导体和电阻（高电阻值） 填充介质隔离技术中的深槽填充介质隔离技术中的深槽6.3 CVD多晶硅的特性和淀积方法多晶硅的特性和淀积方法电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院6.3.1 多晶硅薄膜的性质（物理）多晶硅薄膜的性质（物理）v 物理结构物理结构 由小单晶组成，多晶界由小单晶组成，多晶界 淀积薄膜为非晶或多晶（取决于工艺），非晶经热处理淀积薄膜为非晶或多晶（取决于工艺），非晶经热处理可转为多晶。可转为多晶。 晶粒表面原子周期性排列受到破坏，所以晶粒间界具有晶粒表面原子周期性排列受到破坏，所以晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键高密度缺陷和悬挂键 晶界处的扩散系数

22、明显高于晶粒内部的扩散系数晶界处的扩散系数明显高于晶粒内部的扩散系数 高温时存在于晶粒内的杂质在低温时由于分凝作用会运动高温时存在于晶粒内的杂质在低温时由于分凝作用会运动到晶界到晶界电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v电学特性电学特性 多晶硅的电阻率高于单晶硅的电阻率多晶硅的电阻率高于单晶硅的电阻率 掺杂原子在热处理过程中易到晶粒间界处，不能有掺杂原子在热处理过程中易到晶粒间界处，不能有效的贡献自由载流子效的贡献自由载流子 例如：例如：As和和P；B不会发生这种现象；不会发生这种现象； 晶粒间界处的悬挂键俘获自由载流子晶粒间界处的悬挂键俘获自由载流子,由此降低载流由此降低载流子的浓度子的

23、浓度 晶粒尺寸大的多晶硅的电阻率低，因为晶粒间晶粒尺寸大的多晶硅的电阻率低，因为晶粒间界密度小界密度小多晶硅薄膜的性质（电学）多晶硅薄膜的性质（电学）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院6.3.2 CVD多晶硅多晶硅v 一般是用一般是用LPCVD，在，在580650下热分解硅下热分解硅烷实现烷实现 SiH4发发生气相反应，生成粗糙多孔硅层，不适合生气相反应，生成粗糙多孔硅层，不适合IC的要求。的要求。 当气体中的当气体中的Si的浓度较大，容易发生气相反应的浓度较大，容易发生气相反应 气体稀释硅烷，用气体稀释硅烷，用H2可以抑制气相反应可以抑制气相反应 LPCVD时的气缺现象时的气缺现象 分

24、布式入口的分布式入口的LPCVD反应室反应室242HSiSiH电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院 温度温度 580 , 多晶多晶 625 晶向的晶粒占主导晶向的晶粒占主导 675 晶向的晶粒占主导晶向的晶粒占主导 更高温度更高温度 晶向的晶粒占主导晶向的晶粒占主导 压力、温度压力、温度(P156 图图6.14） 温度一定，压力增大，淀积速率增大温度一定，压力增大，淀积速率增大 压力一定，温度增大，淀积速率增大压力一定，温度增大，淀积速率增大6.3.3 淀积条件对多晶硅结构及淀积速率的影响淀积条件对多晶硅结构及淀积速率的影响电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v多晶硅的掺杂技术多晶硅的

25、掺杂技术v扩散掺杂扩散掺杂 在淀积完成之后在在淀积完成之后在较高的温度下较高的温度下进行掺杂进行掺杂 优点：能够在多晶硅薄膜中优点：能够在多晶硅薄膜中掺入浓度很高的杂质掺入浓度很高的杂质。同时完成掺杂和退火工艺同时完成掺杂和退火工艺 缺点：温度较高、薄膜表面粗糙程度增加缺点：温度较高、薄膜表面粗糙程度增加6.3.4 多晶硅的掺杂技术（多晶硅的掺杂技术（1）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v多晶硅的掺杂技术多晶硅的掺杂技术v 离子注入（最常用）离子注入（最常用） 淀积后的离子注入和退火淀积后的离子注入和退火 优点：可精确控制掺入杂质的数量，优点：可精确控制掺入杂质的数量，适合于不需要太适

26、合于不需要太高掺杂浓度的多晶硅薄膜高掺杂浓度的多晶硅薄膜 特点：形成的高掺杂多晶硅电阻率约为扩散形成的电特点：形成的高掺杂多晶硅电阻率约为扩散形成的电阻率的阻率的10倍倍6.3.4 多晶硅的掺杂技术（多晶硅的掺杂技术（2）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v多晶硅的掺杂技术多晶硅的掺杂技术v 原位掺杂（原位掺杂（in-situ) 边淀积边掺杂边淀积边掺杂 简单，但薄膜厚度、掺杂均匀性及淀积速率会随着掺简单，但薄膜厚度、掺杂均匀性及淀积速率会随着掺杂气体的加入变得复杂杂气体的加入变得复杂 较少采用较少采用6.3.4 多晶硅的掺杂技术（多晶硅的掺杂技术（3）电子科技大学中山学院电子科技大学中

27、山学院CVDoutlinev Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院二氧化硅的用途二氧化硅的用途电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院6.4 CVD二氧化硅的特性和淀积方法二氧化硅的特性和淀积方法v要求要求 厚度均匀、结构性能好，离子和化学玷污要低，与衬底厚度均匀、结构性能好，

28、离子和化学玷污要低，与衬底之间有良好的黏附性，具有较小的应力以防止碎裂，完之间有良好的黏附性，具有较小的应力以防止碎裂，完整性要好以获得较高的介质击穿电压，较好的台阶覆盖整性要好以获得较高的介质击穿电压，较好的台阶覆盖以满足多层互联的要求，针孔密度要低，以满足多层互联的要求，针孔密度要低，较低的较低的K值值以以获得高性能器件和较高的产率获得高性能器件和较高的产率。v衡量二氧化硅薄膜质量指标衡量二氧化硅薄膜质量指标 折射系数与热氧化的折射系数折射系数与热氧化的折射系数1.46相比相比 大于大于1.46，富硅，富硅 小于小于1.46，低密度多孔薄膜，低密度多孔薄膜电子科技大学中山学院电子科技大学中

29、山学院6.4.1 CVD SiO2的方法的方法v CVD SiO2的方法的方法 低温低温CVD SiO2 ：低于：低于500 中温中温LPCVD SiO2：500800 TEOS与臭氧混合源的与臭氧混合源的SiO2淀积：低于淀积：低于500 高温高温LPCVD淀积淀积电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v Silane Based LPCVD or APCVD (250 450 ) 低温淀积生成的低温淀积生成的SiO2薄膜的密度低于热生长二氧化薄膜的密度低于热生长二氧化硅，折射系数为硅，折射系数为1.44，较易腐蚀。可在，较易腐蚀。可在7001000 温度范围内进行热处理，以实现致密化。温

30、度范围内进行热处理，以实现致密化。 致密化致密化是一个减少是一个减少SiO2玻璃体中玻璃体中H2O的成分，增加的成分，增加桥键氧数目的过程。桥键氧数目的过程。22242HSiOOSiH低温低温CVD氧化层（氧化层（1）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院低温低温CVD氧化层（氧化层（2）v Silane Based PECVD （200 400 ） 可用可用N2O： SiH4 的比值来控制生成物的成分的比值来控制生成物的成分 稀释的稀释的HF溶液对溶液对SiO2薄膜的腐蚀速率可以非常精薄膜的腐蚀速率可以非常精确的反应薄膜的配比和密度。确的反应薄膜的配比和密度。 高密度等离子体（高密度等离子

31、体（HDP）CVD可在可在120 的低温的低温下淀积质量很好的下淀积质量很好的SiO2薄膜。薄膜。22224222NHSiOONSiH电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v TEOS（正硅酸四乙酯（正硅酸四乙酯Si(OC2H5)4 based PECVD （250-425 ） TEOS + O2 SiO2 + Products 淀积的薄膜具有更好的台阶覆盖和间隙填充特淀积的薄膜具有更好的台阶覆盖和间隙填充特性，淀积温度低，可用来性，淀积温度低，可用来形成多层布线中金属形成多层布线中金属层之间的绝缘层淀积。层之间的绝缘层淀积。 可在淀积源中加入掺杂源进行掺杂可在淀积源中加入掺杂源进行掺杂 加

32、硼酸三甲酯（加硼酸三甲酯（TMB)可掺硼可掺硼 加磷酸三甲酯（加磷酸三甲酯（TMP)可掺磷可掺磷低温低温CVD氧化层（氧化层（3）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院中温中温LPCVD淀积淀积SiO2v LPCVD TEOS (675 695 ) TEOS SiO2 + Productsv TEOS代替代替SiH4 安全安全 淀积的薄膜具有更好的保形性淀积的薄膜具有更好的保形性 原因：反应物淀积后在台阶表面快速迁移原因：反应物淀积后在台阶表面快速迁移 应用：作为金属淀积之前的绝缘层（多晶硅和金属应用：作为金属淀积之前的绝缘层（多晶硅和金属层之间的绝缘层）；形成隔离层（层之间的绝缘层）；形成

33、隔离层（MOSFETs的的LDD）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院TEOS与臭氧混合源的与臭氧混合源的SiO2淀积淀积v特点特点(APCVD或或LPCVD) ： 高的淀积速率高的淀积速率 很好的保形性，很好的保形性，Good gapfill properties the process is very sensitive to surface composition,淀积淀积前先用前先用PECVD法淀积薄层法淀积薄层SiO2，保证相同的淀积速度，保证相同的淀积速度 Film is porous and contains lots of OH，易于与空气中易于与空气中的水汽反应，故最上层

34、用的水汽反应，故最上层用PECVD法淀积法淀积SiO2层作为保层作为保护护 故故TEOS/O3淀积的氧化层就像淀积的氧化层就像三明治三明治一样夹在由两层一样夹在由两层PECVD的氧化层结构。形成三层绝缘结构。的氧化层结构。形成三层绝缘结构。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院高温高温LPCVD淀积淀积电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院6.4.2 CVD SiO2薄膜的台阶覆盖薄膜的台阶覆盖共形台阶覆盖共形台阶覆盖非共形台阶覆盖非共形台阶覆盖均匀厚度均匀厚度v 台阶覆盖：淀积薄膜的表面几何形貌与半导体表台阶覆盖：淀积薄膜的表面几何形貌与半导体表面

35、的各种台阶形状的关系。面的各种台阶形状的关系。 保形覆盖：无论衬底表面有什么样的倾斜图形，在所保形覆盖：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相同厚度的薄膜有图形的上面都能淀积相同厚度的薄膜 原因：反应物在吸附、反应时有显著的表面迁移原因：反应物在吸附、反应时有显著的表面迁移电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 决定吸附原子迁移率的因素决定吸附原子迁移率的因素 吸附原子的种类、能量吸附原子的种类、能量 衬底温度衬底温度 离子对吸附原子的轰击离子对吸附原子的轰击 高温高温 LPCVD的的Poly Si和和Si3N4 中温中温LPCVD TEOS淀积的淀积的SiO2薄膜薄膜

36、 低温低温 PECVD 淀积薄膜淀积薄膜x 低温低温 APCVD SiH4和和O2生成生成SiO2x 大部分经蒸发和溅射方法得到的材料大部分经蒸发和溅射方法得到的材料台阶覆盖性台阶覆盖性电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院Basic Film Properties: Step Coveragev Step Coverage Properties determines gapfill capabilities电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院台阶覆盖性台阶覆盖性v 举例举例 在在APCVD中，以中，以SiH4和氧气为反应剂沉淀和氧气为反应剂沉淀SiO2 因因SiH4的黏滞系数很大，淀积

37、速率正比于气体分子到达的黏滞系数很大，淀积速率正比于气体分子到达表面时的角度范围表面时的角度范围v 到达角到达角 反应物到达半导体表面时有不同的角度反应物到达半导体表面时有不同的角度 在一个陡峭的台阶处，在一个陡峭的台阶处，APCVD SiO2时，薄膜在台阶顶时，薄膜在台阶顶部处最厚，在拐角处最薄部处最厚，在拐角处最薄。 SiO2薄膜在拐角处的斜率大于薄膜在拐角处的斜率大于90o，使得，使得随后的薄膜淀积随后的薄膜淀积和各项异性刻蚀变得非常困难和各项异性刻蚀变得非常困难。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院台阶覆盖性台阶覆盖性电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v遮蔽效应遮蔽效应 LP

38、CVD工艺、工艺、PVD中的蒸发和溅射中的蒸发和溅射 反应剂分子的反应剂分子的平均自由程平均自由程很长，且在衬底表面很长，且在衬底表面上的上的迁移能力又很低迁移能力又很低的情况下，则会发生掩蔽的情况下，则会发生掩蔽效应，受到掩蔽的点处的膜厚小于没受到掩蔽效应，受到掩蔽的点处的膜厚小于没受到掩蔽的点处的膜厚的点处的膜厚台阶覆盖性台阶覆盖性电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 磷硅玻璃磷硅玻璃 在淀积在淀积SiO2的气体中同时掺入的气体中同时掺入PH3 ，就可形成就可形成磷硅玻璃（磷硅玻璃（PSG) PSG对水汽的阻挡能力不强，故在高磷情况下有很对水汽的阻挡能力不强，故在高磷情况下有很强的吸

39、潮性；强的吸潮性； PSG可以吸收碱性离子、吸收杂质；可以吸收碱性离子、吸收杂质； PSG在高温下（在高温下（10001100）可以流动，使随后可以流动，使随后淀积的薄膜有更好的台阶覆盖。淀积的薄膜有更好的台阶覆盖。CVD掺杂掺杂SiO2（1）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院磷硅玻璃回流（磷硅玻璃回流（P-glass flow）v 在金属层间，一般需淀积在金属层间，一般需淀积表面平滑的二氧化硅表面平滑的二氧化硅作作为绝缘层。若为绝缘层。若氧化膜有凹陷氧化膜有凹陷，容易使得上层金属，容易使得上层金属膜淀积时有缺口产生而导致膜淀积时有缺口产生而导致电路断路电路断路。v 低温淀积的磷硅玻璃受

40、热后变得较软易流动，可低温淀积的磷硅玻璃受热后变得较软易流动，可提供一平滑的表面，所以常作为邻近两金属层间提供一平滑的表面，所以常作为邻近两金属层间的绝缘层，此工艺称为的绝缘层，此工艺称为磷硅玻璃回流磷硅玻璃回流。v下页图显示在多晶硅栅极上淀积四种不同磷硅玻下页图显示在多晶硅栅极上淀积四种不同磷硅玻璃的扫描电子显微镜横截面照片。璃的扫描电子显微镜横截面照片。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 硼磷硅玻璃硼磷硅玻璃 在淀积在淀积SiO2的反应气体中掺入的反应气体中掺入PH3、B2H6 BPSG玻璃回流平坦化，可实现对衬底上陡峭台阶的玻璃回流平坦化，可实现对衬底上陡峭台阶的良好覆盖良好覆盖

41、 BPSG (850 ) 可以在可以在较低的温度下实现回流平坦化较低的温度下实现回流平坦化，从而降低浅结中的杂质扩散，取代从而降低浅结中的杂质扩散，取代PSG。 应用：金属淀积之前的绝缘、金属层间的绝缘、应用：金属淀积之前的绝缘、金属层间的绝缘、DRAM中电容的介质中电容的介质CVD掺杂掺杂SiO2（2）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院CVDoutlinev Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and

42、Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院氮化硅的化学气相淀积（氮化硅的化学气相淀积（1）v 应用：应用： 钝化层和机械保护层钝化层和机械保护层 钠和水汽在氮化硅中的扩散速度非常慢，即拥有很钠和水汽在氮化硅中的扩散速度非常慢，即拥有很强的掩蔽能力强的掩蔽能力 硅选择性氧化的掩蔽膜硅选择性氧化的掩蔽膜 氮化硅氧化速度非常慢（氮化硅氧化速度非常慢（LOCOS工艺基于此）工艺基于此） 二氧化硅缓冲层二氧化硅缓冲层电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院氮化硅的化学气相淀积（氮化硅的化学气相淀积（2）v 应用：应用：

43、 电容中的绝缘材料电容中的绝缘材料（高（高K介质，介质，79） 作为作为MOSFETs的侧墙的侧墙 用于用于LDD结构的侧墙结构的侧墙 不能用于导体之间的绝缘层不能用于导体之间的绝缘层 高的介电常数，会形成较大的寄生电容高的介电常数，会形成较大的寄生电容电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 中等温度中等温度(700800)的的LPCVD 作为选择氧化的掩蔽膜作为选择氧化的掩蔽膜 DRAM中电容的介质层中电容的介质层 优点：薄膜密度比较高，比优点：薄膜密度比较高，比PECVD Si3N4有更好的化有更好的化学配比，氢的含量比学配比，氢的含量比PECVD Si3N4低，台阶覆盖性好低，台阶覆

44、盖性好 缺点：温度高、速率低（缺点：温度高、速率低（700时时10nm/min）；气缺）；气缺现象现象2433223643HHClNSiNHHSiCl氮化硅的化学气相淀积（氮化硅的化学气相淀积（3）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院氮化硅的化学气相淀积（氮化硅的化学气相淀积（3）v 低温低温(300) PECVD方法淀积方法淀积 钝化层，因钝化层，因Al的存在的存在 SiH4-NH3 淀积速率高，薄膜击穿电压高，台阶覆盖性好淀积速率高，薄膜击穿电压高，台阶覆盖性好 氢的含量高（无正确的化学组成比）氢的含量高（无正确的化学组成比） SiH4-N2 淀积速率低，薄膜击穿电压低，台阶覆盖性差淀

45、积速率低，薄膜击穿电压低，台阶覆盖性差 氢的含量低，薄膜致密氢的含量低，薄膜致密2234)HHNSiNNHSiHzyx（或电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院CVDoutlinev Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院W的的CVD（1）v 钨的用途钨的用途 钨栓塞（钨栓塞（

46、plug）:CVD钨比钨比PVD铝有更好的通孔铝有更好的通孔填充能力填充能力 Contact Via 局部互连材料局部互连材料 短程互联（电导率较低）短程互联（电导率较低） 全局互联（全局互联（Al、Cu）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院W的的CVD（2）v 钨广泛用于互连的原因钨广泛用于互连的原因 体电阻率小（体电阻率小（712uQ.cm) 热稳定性好（熔点最高）热稳定性好（熔点最高） 应力低，保形性好；应力低，保形性好； 抗电迁移能力和抗腐蚀性强抗电迁移能力和抗腐蚀性强v 缺点缺点 电阻率相对铝高电阻率相对铝高 在氧化物和氮化物上附着力差在氧化物和氮化物上附着力差 钨与硅在钨与硅在

47、600以上接触时，会形成钨的硅化物以上接触时，会形成钨的硅化物熔点熔点 Al 660 Al 660 Cu 1083 Cu 1083 W 3380 W 3380 Mo 2600 Mo 2600 电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v CVD W的化学反应（一般用的化学反应（一般用LPCVD来淀积）来淀积）v 钨的淀积方法钨的淀积方法 覆盖式覆盖式（过程复杂，费用高，但比较成熟）（过程复杂，费用高，但比较成熟） 选择式（存在问题，如选择性差、横向扩展、选择式（存在问题，如选择性差、横向扩展、空洞形成）空洞形成）),(),(244426HSiFHFSiFWSiHHSiWFW的的CVD（3）电子科

48、技大学中山学院电子科技大学中山学院v覆盖式化学气相淀积钨与回刻覆盖式化学气相淀积钨与回刻 表面原位预清洁表面原位预清洁 去掉接触孔及铝通孔内的氧化层去掉接触孔及铝通孔内的氧化层 淀积接触层淀积接触层 与与TiN相比相比Ti与硅衬底的接触电阻比较小与硅衬底的接触电阻比较小 淀积附着层淀积附着层/阻挡层阻挡层TiN TiN与钨及其它介质层的附着性能好与钨及其它介质层的附着性能好W的的CVD（4）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 覆盖式化学气相淀积钨与回刻覆盖式化学气相淀积钨与回刻 淀积钨，分成两步淀积钨，分成两步 首先，硅烷还原反应形成一薄层钨，大约几十首先，硅烷还原反应形成一薄层钨，大

49、约几十nm 台阶覆盖性不是很好台阶覆盖性不是很好 然后，氢气还原反应淀积剩余厚度的钨膜然后，氢气还原反应淀积剩余厚度的钨膜 氢气还原反应淀积氢气还原反应淀积W不能在不能在TiN上稳定地凝聚上稳定地凝聚 回刻回刻 附着层附着层/阻挡层的刻蚀阻挡层的刻蚀W的的CVD（5）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v CVD 钨膜的应力钨膜的应力 钨栓应力不必考虑钨栓应力不必考虑 互联钨层应力必须考虑互联钨层应力必须考虑v 钨栓的电阻钨栓的电阻 对于深亚微米工艺，钨栓电阻对总电阻影响过对于深亚微米工艺，钨栓电阻对总电阻影响过大，考虑用铝栓或铜栓代替。大，考虑用铝栓或铜栓代替。W的的CVD（6）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院CVD 硅化物（硅化物（1）v LPCVD（300400）v 增大增大SiH4的流量，才能保证淀积的是的流量，才能保证淀积的是WSix而不是而不是W。v 当当x2.0时在淀积的硅化钨薄膜中将含有过量的硅，可以时在淀积的硅化钨薄膜中将含有过量的硅，可以避免薄膜碎裂剥离。避免薄膜碎裂剥离。v WSix薄膜中含有较高浓度的氟，当该薄膜用到厚度低于薄膜中含有较高浓度的氟，当该薄膜用到厚度低于20nm的栅氧上的时候，会使栅氧击穿电压降低和较明显的栅氧上的时候，会使栅氧击穿电压降低和较明显的阈值电压漂移。的