第六章 化学气相沉积 硅集成电路工艺基础教学课件

1、第六章 化学气相沉积 化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition)，简称CVD，是把含有构成薄膜元素的气态反响剂或者液态反响剂的蒸气，以合理的流速引入反响室，在衬底外表发生化学反响并在衬底上淀积薄膜。是制备薄膜的一种重要方法。CVD的应用、CVD模型、化学气相沉积系统、CVD多晶硅的特性和沉积方法、CVD二氧化硅的特性和沉积方法、CVD氮化硅的特性和沉积方法、金属的化学气相沉积主要内容 CVD模型化学气相沉积的主要步骤： (1)反响剂气体(或被惰性气体稀释的反响剂) 以合理的流速被输送到反响室内，气流从入口进入反响室并以平流形式向出口流动，平流区也称为主气流区，其气体流速

2、是不变的。 (2)反响剂从主气流区以扩散方式通过边界层到达衬底外表，边界层是主气流区与硅片外表之间气流速度受到扰动的气体薄层。 (3)反响剂被吸附在硅片的外表，成为吸附原子(分子)。 (4)吸附原子(分子)在衬底外表发生化学反响，生成薄膜的根本元素并淀积成薄膜。 (5)化学反响的气态副产物和未反响的反响剂离开衬底外表，进入主气流区被排出系统。6.1.1 CVD的根本过程(1) 在淀积温度下，反响剂必须具备足够高的蒸气压。(2) 淀积物本身必须具有足够低的蒸气压，这样才能保证在整个淀积过程中，薄膜能够始终留在衬底外表上。(3) 除淀积物外，反响的其他产物必须是挥发性的。(4) 化学反响的气态副产

3、物不能进入薄膜中。尽管在一些情况下是不可防止的(5) 淀积温度必须足够低以防止对先前工艺产生影响。(6) 化学反响应该发生在被加热的衬底外表，如果在气相中发生化学反响，将导致过早核化，降低薄膜的附着性和密度、增加薄膜的缺陷、降消沉积速率、浪费反响气体等。CVD的化学反响必须满足的条件6.1.2 边界层理论泊松流：如果假设沿主气流方向没有速度梯度，而沿垂直气流方向的流速为抛物线型变化，这就是著名的泊松流(Poisseulle Flow)。 气体从反响室左端以均匀柱形流进，并以完全展开的抛物线型流出。 由于CVD反响室的气压很高，可以认为气体是黏滞性的，气体分子的平均自由程远小于反响室的几何尺寸。

4、 黏滞性气体流过静止的硅片外表或者反响室的侧壁时，由于摩擦力的存在，使紧贴硅片外表或者侧壁的气流速度为零，在离外表或侧壁一 定距离处，气流速度平滑地过渡到最大气流速度Um，即主气流速度，在主气流区域内的气体流速是均一的。 在靠近硅片外表附近就存在一个气流速度受到扰动的薄层，在垂直气流方向存在很大的速度梯度。边界层厚度(x)：定义为从速度为零的硅片外表到气流速度为0.99 Um的区域厚度。(x)与距离x之间的关系可以表示为 其中，是气体的黏滞系数，为气体的密度，图中的虚线是气流速度U到达主气流速度Um的99的连线，也就是边界层的边界位置。 因发生化学反响，紧靠硅片外表的反响剂浓度降低，沿垂直气流

5、方向还存在反响剂的浓度梯度，反响剂将以扩散形式从高浓度区向低浓度区运动。边界层：气流速度受到扰动并按抛物线型变化，同时还存在反响剂浓度梯度的薄层，称为边界层、附面层、滞流层。边界层 设L为基片的长度，边界层的平均厚度可以表示为 或者 其中Re为气体的雷诺数，无量纲，它表示流体运动中惯性效应与黏滞效应的比。对于较低的Re值(如小于2000)，气流为平流型，即在反响室中沿各外表附近的气体流速足够慢。对于较大的Re值，气流的形式为湍流，应当加以防止。在商用的CVD反响器中，雷诺数很低(低于100)，气流几乎始终是平流。6.1.3 Grove模型流密度：单位时间内通过单位面积的原子或分子数F1：反响剂

6、从主气流到衬底外表的流密度F2 ：反响剂在外表反响后淀积成固态薄膜的流密度 假定流密度F1正比于反响剂在主气流中的浓度Cg与在硅外表处的浓度Cs之差，那么流密度F1可表示为 比例系数hg被称为气相质量输运(转移)系数。 Grove模型：1966年，Grove建立。认为控制薄膜淀积速率的两个重要环节是： 一是反响剂在边界层中的输运过程； 二是反响剂在衬底外表上的化学反响过程。 假定在外表经化学反响淀积成薄膜的速率正比于反响剂在外表的浓度Cs，那么流密度F2可表示为： ks为外表化学反响速率常数。在稳定状态下，两个流密度应当相等，即Fl=F2=F。可得到两种极限情况：当hgks时，Cs趋向于Cg，

7、从主气流输运到硅片外表的反响剂数量大于在该温度下外表化学反响需要的数量，淀积速率受外表化学反响速率控制。当hgks，淀积速率由ks限制，而ks随着温度的升高而变大。当温度高过某个值之后，淀积速率趋向于稳定，淀积速率由通过边界层输运到外表的反响剂速率所决定，而hg值对温度不太敏感。 在由质量输运速度控制的淀积过程中，对温度的控制不必很严格，因为控制薄膜淀积速率的是质量输运过程，质量输运过程对温度的依赖性非常小。 衬底各处的反响剂浓度应当相等，这一点非常重要，应严格控制。 右图给出由实验中得到的硅膜淀积速率与温度倒数的关系。 在低温条件下hgks，淀积速率由ks限制，薄膜淀积速率与温度之间遵循着指

8、数关系。随着温度的上升，ks随着温度的升高而变大，淀积速率也随之加快。 当温度继续升高，淀积速率趋向于稳定，这是因为反响加快，淀积速率转由输运控制，而hg值对温度不太敏感。外表化学反响控制过程 统一的淀积速率需要有一个恒定的反响速率，在受外表化学反响速度控制的CVD工艺中，温度是一个重要的参数，温度控制就成为一个重要指标。 例如在LPCVD反响系统中，硅片可以紧密地排列，因为此系统淀积速率是由外表化学反响速度控制。、化学气相沉积系统CVD系统通常包含如下子系统： 气态源或液态源； 气体输入管道； 气体流量控制系统； 反响室； 基座加热及控制系统(有些系统的反响激活能通过其他方法引入)； 温度控

9、制及测量系统等。LPCVD和PECVD系统还包含减压系统。6.2.1 CVD的气体源在CVD过程中，可以用气态源也可以用液态源。目前气态源正在被液态源所取代：相对于有毒、易燃、腐蚀性强的气体，液态源会更平安一些；液体的气压比气体的气压要小的多，因此在泄漏事故当中，液体产生致命的危险比较小；除了平安考虑之外，许多薄膜采用液体源淀积时有较好的特性。液态源的输送，一般是通过下面几种方式实现的：冒泡法；加热液态源；液态源直接注入法。 液态源的普遍输送方式是冒泡法。携带气体(氮气、氢气、氩气)通过准确控制温度的液态源，冒泡后将反响剂携带到反响室中。 携带反响剂的气体流量是由流量计精确控制，所携带反响剂的

10、数量是由液态源的温度及携带气体的流速等因素决定。 冒泡法冒泡法的缺点：如果反响剂的饱和蒸汽压对温度的变化比较敏感，就会给控制反响剂的浓度带来困难；如果在很低气压下输送反响剂，在液态源和反响室之间，反响剂容易凝聚，所以运输管道必须加热。当前已有几种改进方法：直接气化系统：加热反响源，将因受热而气化的反响剂，由质量流量控制系统控制，通过被加热的气体管道直接输送到反响室。液态源直接注入法：保存在室温下的液态源，使用时先注入到气化室中，在气化室中气化后直接输送到反响室中。6.2.2 质量流量控制系统 CVD系统要求进入反响室的气流速度是精确可控的。 气体流量控制方法：通过控制反响室的气压来控制气体流量

11、；由质量流量控制系统直接控制气体流量。 质量流量控制系统主要包括质量流量计和阀门。它们位于气体源和反响室之间，而质量流量计是质量控制系统中最核心的部件。 气体流量的单位是：体积/时间，这里的体积是在标准温度和标准气压下的体积，1cm3/min的气体流量就是指在温度为273K、1个标准大气压下、每分钟通过lcm3体积的气体。6.2.3 反响室的热源反响室的侧壁温度为Tw，放置硅片的基座温度为Ts热壁式CVD系统：Tw等于Ts冷壁式CVD系统： Tw小于Ts 冷壁系统能够降低在侧壁上的淀积，减小了反响剂的损耗，也减小壁上颗粒剥离对淀积薄膜质量的影响。第一类是电阻加热法：利用缠绕在反响管外侧的电阻丝

12、加热，反响室侧壁与硅片温度相等，形成一个热壁系统； 电阻加热法也可以只对放置硅片的基座进行加热，硅片的温度 高于反响室侧壁的温度，形成冷壁系统。第二类是采用电感加热或者高能辐射灯加热，这两种方法是直接加热基座和硅片，是一种冷壁系统。 在电感加热方式中，缠绕在反响管外围的射频线圈，在淀积室内 的基座上产生涡流，导致基座和硅片的温度升高。 绝缘的淀积室侧壁不能被射频场加热，是一种冷壁式系统。 对于由高能辐射灯加热的系统，淀积室侧壁是由可以透过辐射 射线的材料制成，所受加热程度远低于硅片和基座。基座加热方法6.2.4 CVD系统的分类 目前常用的CVD系统有：常压化学气相淀积 APCVD、低压化学气

13、相淀积 LPCVD、等离子增强化学气相淀积 PECVD等。 1. APCVD系统 最早使用的CVD系统，用来淀积氧化层和生长硅外延层。 APCVD是在大气压下进行淀积的系统，操作简单，淀积速率高，适于较厚的介质薄膜的淀积。但APCVD易于发生气相反响，产生微粒污染，台阶覆盖性和均匀性比较差。 APCVD一般是由质量输运控制淀积速率，因此精确控制单位时间内到达每个硅片及同一硅片不同位置的反响剂数量，对所淀积薄膜的均匀性起着重要的作用。这就给反响室结构和气流模式提出更高的要求。 反响管是水平的石英管，硅片平放在一个固定的倾斜基座上。反响激活能是由缠绕在反响管外侧的热电阻丝提供的辐射热能、或者是射频

14、电源通过绕在反响管外面的射频线圈加热基座供给的热能，这样系统可以淀积不同的薄膜。水平式反响系统 放在受热移动盘上或者传输带上的硅片连续通过非淀积区和淀积区，淀积区和外围的非淀积区是通过流动的惰性气体实现隔离的。 连续工作的淀积区始终保持稳定的状态，反响气体从硅片上方的喷头持续稳定地喷入到淀积区，同时硅片不断地被送入、导出淀积区。 这是目前用来淀积低温二氧化硅薄膜的最常用的CVD系统。连续淀积的APCVD系统新型可连续淀积CVD系统 作为屏蔽气体的氮气和反响剂同时从冷却的喷嘴中注入到反响室，反响气体的混合发生在离硅片外表几毫米的空间内，因而减少了气相反响。氮气气流是从反响气体的四周注入，因此氮气

15、气流起到隔离作用，并伴随着反响后的气体由出口流出。 广泛应用于二氧化硅和掺杂氧化物的淀积。 2. LPCVD系统 低压化学气相淀积系统淀积的某些薄膜，在均匀性和台阶覆盖等方面比APCVD系统的要好，而且污染也少。另外，在不使用稀释气体的情况下，通过降低压强就可以降低气相成核。LPCVD的淀积速率是受外表反响控制：因为在较低的气压下(大约133.3 Pa)，气体的扩散速率比在一个大气压下的扩散速率高出很多倍。尽管边界层的厚度随压力降低而增厚，两者相比还是扩散速度增大占优势，因此LPCVD系统中反响剂的质量输运不再是限制淀积速率的主要因素，淀积速率受外表反响控制。 由于LPCVD淀积速率不再受质量

16、输运控制，这就降低了对反响室结构的要求。虽然外表反响速度对温度非常敏感，但是精确控制温度相比照较容易。 LPCVD可以用来淀积多种薄膜，包括多晶硅、氮化硅、二氧化硅等。 在LPCVD系统中，因为外表反响速度控制淀积速率，而外表反响速度又正比于外表上的反响剂浓度，要想在各个硅片外表上淀积厚度相同的薄膜，就应该保证各个硅片外表上的反响剂浓度是相同的。 然而对于只有一个入气口的反响室来说，沿气流方向因反响剂不断消耗，靠近入气口处淀积的膜较厚，远离入气口处淀积的膜较薄 ，称这种现象为气缺现象。气缺现象(1)由于反响速度随着温度的升高而加快，可通过在水平方向上逐渐提高温度来加快反响速度，从而提高淀积速率

17、，补偿气缺效应的影响，减小各处淀积厚度的差异。 (2)采用分布式的气体入口，就是反响剂气体通过一系列气体口注入到反响室中。需要特殊设计的淀积室来限制气流交叉效应。(3)增加反响室中的气流速度。当气流速度增加的时候，在单位时间内，靠近气体入口处的淀积速率不变，薄膜淀积所消耗的反响剂绝对数量也就没有改变，但所消耗的比例降低，更多的反响剂气体能够输运到下游，在各个硅片上所淀积的薄膜厚度也变得更均匀一些。 LPCVD系统的两个主要缺点是相对低的淀积速率和相对高的工作温度。增加反响剂分压来提高淀积速率那么容易产生气相反响；降低淀积温度那么将导致不可接受的淀积速率。减轻气缺现象影响的方法3. PECVD系

18、统 等离子体增强化学气相淀积(PECVD)是目前最主要的化学气相淀积系统。APCVD和LPCVD都是利用热能来激活和维持化学反响，而PECVD是通过射频等离子体来激活和维持化学反响，受激发的分子可以在低温下发生化学反响，所以淀积温度比APCVD和LPCVD低，淀积速率也更高。 低温淀积是PECVD的一个突出优点，因此，可以在铝上淀积二氧化硅或者氮化硅。淀积的薄膜具有良好的附着性、低针孔密度、良好的阶梯覆盖及电学特性。 等离子体中的电子与反响气体的分子碰撞时，这些分子将分解成多种成份：离子、原子以及活性基团(激发态)，这些活性基团不断吸附在衬底外表上，吸附在外表上的活性基团之间发生化学反响生成薄

19、膜元素，并在衬底外表上形成薄膜。 活性基团吸附在外表时，不断的受到离子和电子轰击，很容易迁移，发生重新排列。这两个特性保证了所淀积薄膜有良好的均匀性，以及填充小尺寸结构的能力。 值得注意的是，在PECVD的操作过程中，还需要对另外一些淀积参数进行控制和优化，除了气流速度温度和气压等参数之外，淀积过程还依赖于射频功率密度、频率等参数。 PECVD是典型的外表反响速率控制型，要想保证薄膜的均匀性，就需要准确控制衬底温度。6.3 CVD多晶硅的特性和沉积方法多晶硅薄膜在集成电路制造中有许多重要的应用。多晶硅与随后的高温热处理工艺有很好的兼容性与Al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

20、台阶上淀积多晶硅时能够获得很好的保形性 因而高掺杂的多晶硅薄膜作为栅电极和互联引线在MOS集成电路中得到广泛地应用。6.3.1 多晶硅薄膜的特性 多晶硅薄膜是由小的单晶晶粒组成，存在大量的晶粒间界，晶粒内部的性质非常相似于单晶硅，晶粒间界是一个具有高密度缺陷和悬挂键的区域，这是因为晶粒间界的不完整性和晶粒外表原子周期性排列受到破坏所引起的。 1. 物理结构特性晶粒间界的高密度缺陷和悬挂键使多晶硅具有两个重要特性：在晶粒间界处的扩散系数明显高于晶粒内部的扩散系数，杂质沿晶粒间界的扩散速度比在晶粒内部的扩散速度要快得多。即使晶粒间界只占多晶硅空间的一小局部，但沿着这些途径的扩散也会使得整个多晶硅的

21、杂质扩散速度明显增加。杂质的分布也受到晶粒间界的影响，高温时存在于晶粒内的杂质，在低温时由于分凝作用，一些杂质会从晶粒内部运动到晶粒间界，而在高温下又会返回到晶粒内部。这两个特性对杂质扩散及杂质分布产生重要影响。2. 多晶硅的电学特性 在一般的掺杂浓度下，同样的掺杂浓度，多晶硅的电阻率比单晶硅的电阻率高得多。这主要是由于：在热处理过程中、一些杂质原子跑到晶粒间界处，这些晶界处的杂质原子不能有效地奉献自由载流子，而使晶粒内掺杂浓度降低，因此同单晶硅相比，掺杂浓度虽然相同，多晶硅电阻率比单晶硅电阻率高得多；晶粒间界处含有大量的悬挂键，可以俘获自由载流子，降低了自由载流子的浓度，同时晶粒间界俘获电荷

22、使得邻近的晶粒耗尽，引起多晶硅内部电势的变化，对载流子迁移非常不利，从而使电阻率增大。晶粒间界的缺陷也使得载流子的迁移率降低，从而导致电阻率增大。 但在重掺杂的倩况下，多晶硅的电阻率与单晶硅的电阻率相差不大。 实际上，对于400nm的多晶硅薄膜，可以得到10-30/的低薄层电阻。6.3.2 CVD沉积多晶硅薄膜 多晶硅薄膜的沉积，通常主要是采用LPCVD工艺，在580-650下热分解硅烷实现的。 LPCVD技术淀积的薄膜具有均匀性好、纯度高等优点，大多数多晶硅淀积是在低压、热壁式反响室中完成的。 在淀积的过程中，硅烷首先被吸附在衬底的外表上，紧接着就是硅烷的热分解，中间产物是SiH2和H2。

23、总的反响式如下： 要形成致密的、没有缺陷的多晶硅薄膜，分解反响应该在外表进行。如果在气相中发生分解反响，那么将在气相中凝聚成核，当这些颗粒到达外表时，比较容易生成粗糙的多孔硅层。 当气体中硅烷的浓度很大时，硅烷容易发生气相分解反响，为了防止出现这种情况，就需要使用稀释气体。因为氢气是反响生成物中的一种，所以用氢气稀释能抑制分解反响的进行。采用氢气作为稀释气体 在传统的LPCVD系统中，在反响室的入口到出口之间设定一个30的温度梯度，以便解决在反响室中沿气流方向因化学反响而使反响剂浓度不断下降，即气缺现象而引起的淀积速率降低。 这种方法的一个问题是：多晶硅的掺杂和微观结构极大程度的依赖于淀积温度

24、，所以沿着气流方向，不同晶片上所淀积的薄膜属性有所变化。 分布式入口的LPCVD反响室能较好的解决上述问题，因而成为淀积多晶硅更常用的系统。采用分布式气体入口6.3.3 沉积条件对多晶硅结构及沉积速率的影响 在温度低于580时淀积的薄膜根本是非晶态。在高于580时，淀积的薄膜根本是多晶的。 其晶向择优方向是：在625左右的温度范围内，晶向的晶粒占主导；在675左右的温度范围内， 晶向的晶粒占主导。 低温下淀积的非晶态薄膜在900-1000重新晶化时，晶粒更倾向于的晶向结构，而且再结晶时，晶粒的结构与尺寸重复性非常好。此外，在580的温度下、以较慢的淀积速率直接淀积非晶薄膜的外表更为平滑，而且这

25、个平滑外表在经历900-1000的退火后仍然保持平整。 右图给出的是在一定的温度范围内，多晶硅淀积速率与气体压力之间的关系。 由图可以看到淀积速率随压力上升而加快，图中的混合形态是指多晶与非晶的混合。6.3.4 多晶硅的掺杂技术 实现对多晶硅的掺杂主要有三种工艺： 扩散； 离子注入； 原位掺杂。在大多数应用中，是通过扩散或者离子注入实现掺杂。1 多晶硅的扩散掺杂 扩散掺杂是在淀积完成之后进行，在一个较高的温度(900-1000)过程中实现的。对于n型掺杂，掺杂剂是POCl3，PH3等含磷气体。 这种方法的好处在于能够在多晶硅薄膜中掺入浓度很高的杂质，从而可获得较低的电阻率。因扩散掺杂的温度较高

26、，从而可通过一步可以完成掺杂和退火两个工艺过程。 扩散掺杂的缺点是工艺温度较高、薄膜外表粗糙程度增加。 掺磷多晶硅电阻率与扩散温度的关系如右图。2 多晶硅的离子注入掺杂 第二种掺杂技术是离子注入，这种方法的优点是可以精确控制掺入杂质的数量。离子注入形成的高掺杂多晶硅电阻率大约是扩散掺杂形成的多晶硅电阻率的10倍，适合于不需要太高掺杂的多晶硅薄膜。 目前主要选用快速热退火(RTP)工艺进行退火和杂质激活，在1150下不到30秒的时间内，通过RTP工艺就可以实现多晶硅的退火和杂质激活。 RTP的优点是持续时间短，防止了单晶硅衬底中的杂质重新分布。3 原位掺杂 原位掺杂指的是杂质原子在薄膜淀积的同时

27、被结合到薄膜中，也就是说一步完成薄膜淀积和对薄膜的掺杂。 要实现原位掺杂，在向反响室输入淀积薄膜所需要的反响气体的同时，还要输入淀积杂质的反响气体。 原位掺杂虽然比较简单，但薄膜厚度的控制、掺杂的均匀性以及淀积速率都随着掺杂气体的参加变得相当复杂。 原位掺杂也会影响到薄膜的物理特性，参加磷化物会影响多晶硅结构、晶粒的大小以及晶向对温度的依赖关系。对多晶硅进行原位掺砷或磷时，在退火之前，必须先淀积或者热生长一层氧化物覆盖层，以防止在退火过程中杂质通过外表逸散。6.4 CVD二氧化硅的特性和沉积方法 CVD的二氧化硅也是由Si-O四面体组成的无定型网络结构，CVD淀积的二氧化硅同热生长二氧化硅相比

28、，密度较低，硅与氧数量之比与热生长SiO2也存在轻微的差异，因而薄膜的力学和电学特性也有所不同。 高温淀积或者在淀积之后进行高温退火，都可以使CVD二氧化硅薄膜的特性接近于热生长SiO2的持性。 通常把CVD二氧化硅薄膜的折射率n与热生长二氧化硅薄膜的折射率的偏差，作为衡量CVD二氧化硅薄膜质量的一个指标。当CVD二氧化硅薄膜的折射率时说明该薄膜是富硅的；当n时说明是低密度多孔薄膜。6.4.1 CVD二氧化硅的方法1. 低温CVD SiO2 (1) 硅烷为源a.硅烷与氧气反响制备二氧化硅 化学反响式为： 由大量N2气稀释的SiH4与过量氧的混合气体，在加热到250-450的硅片外表上，硅烷和氧

29、气反响生成SiO2并淀积在硅片外表，同时发生硅烷的气相分解。 可以在APCVD系统、LPCVD系统或PECVD系统中实现。温度： 在310-450之间，淀积速率随着温度的升高而缓慢增加，当升高到某个温度时，外表吸附或者气相扩散将限制淀积过程。氧气与硅烷比率： 在恒定的温度下，可以通过增加氧气对硅烷的比率来提高淀积速率。但如果不断增加氧气的比例，衬底外表存在过量的氧会阻止硅烷的吸附和分解，最终将会导致淀积速率的下降。 当淀积的温度升高时，氧气对硅烷的比例一定要增加直到能够获得最大的淀积速率。如在325 时，O2:SiH4=3:1，而在475 时， O2:SiH4=23:1。低温CVD SiO2的

30、淀积速率 低温淀积二氧化硅薄膜的密度低于热生长二氧化硅，其折射率大约为，在HF酸溶液中也比热生长二氧化硅有更快的腐蚀速率。 对低温淀积的二氧化硅薄膜可在700-1000温度范围内进行热处理，以实现致密化。薄膜的致密化 利用硅烷和N2O反响，在PECVD系统中实现低温二氧化硅薄膜的淀积，反响式如下： 当N2O:SiH4的比例较低时，形成富硅薄膜，而且二氧化硅中含有大量的氮，这将使薄膜的折射率增加。 另外，需要较低的淀积温度、较高的射频功率以及较大的气体流速来抑制气相成核所带来的颗粒污染问题。b.硅烷与氧化氮反响制备二氧化硅气体流量比与射频功率对淀积速率、刻蚀速率、折射率的影响低温CVD SiO2

31、 (2) TEOS为源 硅烷一接触到空气就会燃烧，存在平安隐患。 工业上一般采用正硅酸四乙酯Si(OC2H5)4替代硅烷，也称为TEOS。室温下是液体化学性质不活泼氮气携带鼓泡瓶一定的温度下分解形成二氧化硅 以TEOS为源，低温下淀积的SiO2薄膜，同低温下以硅烷为源淀积的SiO2相比，具有更好的台阶覆盖和间隙填充特性。 PECVD工艺，由于等离子体的增强作用，在淀积速率相同情况下，淀积温度可以相对降低。 以TEOS为源的PECVD沉积SiO2，淀积温度在250-425之间、气压为， TEOS与O2的反响如下： 通过参加硼酸三甲酯(TMB)和磷酸三甲酯(TMP)以实现B和P的掺杂。 在优化的淀

32、积条件下， PECVD SiO2氧化层可以对深宽比为的沟槽实现无空隙填充。对于更窄的间隙填充那么可能会形成空隙。上节课内容小结化学气相沉积系统1. APCVD系统淀积速率高；气相成核，台阶覆盖性和均匀性比较差；质量输运控制。2. LPCVD系统均匀性和台阶覆盖等方面比APCVD好；降低压强以降低气相成核；外表反响控制。沉积速率低，工作温度高气缺现象：对于只有一个入气口的反响室来说，沿气流方向因反响剂不断消耗，靠近入气口处淀积的膜较厚，远离入气口处淀积的膜较薄 ，称这种现象为气缺现象。上节课内容小结在水平方向上逐渐提高温度，加快反响速度，从而提高淀积速率，补偿气缺效应的影响，减小各处淀积厚度的差

33、异。 采用分布式的气体入口，反响剂气体通过一系列气体口注入到反响室中。需要特殊设计的淀积室来限制气流交叉效应。增加反响室中的气流速度。薄膜淀积所消耗的反响剂绝对数量没有改变，但消耗的比例降低，更多的反响剂气体能够输运到下游，在各个硅片上所淀积的薄膜厚度也变得更均匀一些。 减轻气缺现象影响的方法上节课内容小结3. PECVD系统 PECVD是目前最主要的化学气相淀积系统，是通过射频等离子体来激活和维持化学反响，受激发的分子可以在低温下发生化学反响，淀积温度比APCVD和LPCVD低，淀积速率高。 低温淀积是PECVD的一个突出优点，因此，可以在铝上淀积二氧化硅或者氮化硅。 淀积的薄膜具有良好的附

34、着性、低针孔密度、良好的阶梯覆盖及电学特性。 PECVD是典型的外表反响速率控制型，要想保证薄膜的均匀性，就需要准确控制衬底温度。上节课内容小结CVD多晶硅的特性和沉积方法 高掺杂的多晶硅薄膜作为栅电极和互联引线在MOS集成电路中得到广泛地应用。多晶硅薄膜的沉积，通常主要是采用LPCVD工艺，在580-650下热分解硅烷实现的。采用氢气作为稀释气体，防止硅烷发生气相分解反响。采用分布式气体入口减小气缺现象影响。掺杂：扩散，离子注入上节课内容小结CVD二氧化硅的特性和沉积方法低温CVD SiO2硅烷与氧气反响制备二氧化硅，LPCVD硅烷和N2O反响，PECVDTEOS为源，PECVD SiO2可

35、以对深宽比为的沟槽实现无空隙填充。2. 中温LPCVD SiO2 在中等温度下，以TEOS为源LPCVD淀积的SiO2薄膜有更好的保形性。当淀积温度控制在680-730范围时，利用TEOS淀积未掺杂的二氧化硅薄膜，其淀积速率足以满足生产的要求，这种淀积是在LPCVD管状热壁反响室中进行的。 化学反响式为 在650-800的温度范围内，TEOS CVD的淀积速率随着温度升高而指数增加。 淀积速率也依赖于TEOS的分压，在较低的分压时，二者成线性关系；当吸附在外表的TEOS饱和时，淀积速率开始趋向饱和。 在淀积过程中必须有足够量的氧才能保证较好的薄膜质量。TEOS中有4个O，在一定温度下通过分解也

36、能淀积形成SiO2。但是由于TEOS中的O与C和H发生氧化反响，消耗了一局部O，因此在用TEOS为反响剂时，应参加足够的氧，才能保证较好的薄膜质量。淀积速率3. TEOS与臭氧混合源的二氧化硅淀积 在APCVD工艺过程中，在低于500时即使在TEOS中参加足够量的氧，淀积速率也不会得到显著提高。而参加臭氧(O3)做为反响剂可以得到很高的淀积速率。 掺杂：TMB，TEOP 由TEOS/O3方法淀积的二氧化硅薄膜有非常好的保形性，可以很好地填充深宽比大于6:1的沟槽，以及间距为m金属线之间的间隙，而不形成空隙。 淀积速率依赖于薄膜淀积的外表材料Si/SiO2。 要保证有相同的沉积速率，在TEOS/

37、O3淀积之前，先用PECVD方法淀积一层薄的SiO2层。 TEOS/O3方法淀积的氧化层中含有一些Si-OH键，如果暴露在空气中，比PECVD的二氧化硅层更容易吸收水汽，由于与空气中的水汽反响，薄膜的机械应力也会发生变化。 因此一般在TEOS/O3淀积SiO2层上面再用PECVD方法淀积一层SiO2作为保护层。 TEOS/O3方法淀积的SiO2层就像三明治一样夹在两层PECVD的SiO2层之间，形成了三层的绝缘层结构。TEOS/O3技术淀积SiO2薄膜存在的问题6.4.2 CVD二氧化硅薄膜的台阶覆盖 保形覆盖是指无论衬底外表有什么样的倾斜图形，在所有图形的上面都能淀积有相同厚度的薄膜。在集成

38、电路工艺中，希望CVD薄膜对其下方的图形是保形覆盖。 衬底外表上任何一点所淀积的薄膜厚度取决于到达该点的反响剂的数量，如果被衬底外表吸附的反响剂能够很快地在衬底外表迁移，那么不管外表的形状如何，反响剂到达衬底外表上任何一点的几率都是相同的，这种情况就会实现保形台阶覆盖。 吸附原子的迁移率依赖于吸附原子的种类和能量，较高的衬底温度以及离子对吸附原子的轰击都能加强吸附原子的迁移能力。如果在高温下，LPCVD淀积的多晶硅和氮化硅薄膜就会有较好的台阶覆盖。 在一个二维空间中，对外表任何一点来说，从至+d角度内到达该点的反响剂数量为P()d，被衬底阻挡了的值范围，P()就为0。那么到达该点的反响剂总量为

39、 。 在大气压下，气体分子的平均自由程很小，所以气体分子之间的相互碰撞使得它们的速度矢量完全随机化。在这种情况下，P()是一个常数。 当P() 为常数时，薄膜的厚度正比于到达角的取值范围。在APCVD过程中，对于台阶的顶部拐角处，角度的不同，淀积的薄膜厚度将不同，这就解释了在一个陡峭的台阶处，APCVD沉积时，薄膜在台阶顶部处最厚，而在拐角处最薄。引入“到达角的概念来讨论台阶覆盖模型三种机制影响反响气体分子到衬底外表的特殊位置：入射、再发射以及外表迁移。入射是淀积过程在低于的气压下进行时，气体分子平均自由程比器件尺寸大得多，可以与外表不发生任何碰撞的情况下直接进入沟槽内部。再发射是在粘滞系数小

40、于1时出现的传输过程。气体分子经常与侧壁发生屡次碰撞，而后才固定在外表的某个位置。外表迁移指的是反响物分子在被吸附之前在外表发生的迁移。反响系统的工作气压决定着气体的平均自由程，而被吸附原子的迁移和再发射能力受衬底温度和能量传输机制的影响。大量的保形覆盖薄膜中，一般认为再发射机制是决定保形覆盖的关键因素。反响气体分子到衬底外表的输运机制6.4.3 CVD掺杂二氧化硅 在淀积二氧化硅的气体中同时掺入PH3，就可形成磷硅玻璃(PSG)。PSG包含P2O5和SiO2两种成分，是一种二元玻璃网络体。1. 磷硅玻璃 为了到达对衬底上陡峭的台阶的良好覆盖，采用玻璃体进行平坦化是一步重要工艺。PSG在高温下

41、可以流动，从而可以形成更为平坦的外表，使随后淀积的薄膜有更好的台阶覆盖。 PSG玻璃软化可使尖角变得圆滑。升高温度，增加高温处理时间或磷的浓度，都会增加薄膜的流动。 磷的浓度低于6wt%时，流动性变得很差；但是在高磷情况下，PSG有很强的吸潮性，因此，氧化层中的磷最好限制在6-8wt，以减少磷酸的形成，从而减少对其下方铝的腐蚀。 以Ar气作为携带气体，在PECVD系统中淀积的PSG薄膜比APCVD淀积的薄膜有更好的台阶覆盖。2. 硼磷硅玻璃 在淀积磷硅玻璃的反响气体中掺入硼源，可以形成三元氧化薄膜系统B2O3-P2O5-SiO2，称为硼磷硅玻璃BPSG，可以获得850 以下的玻璃回流平坦化，比

42、PSG回流平坦化温度1000-1100 低，降低了浅结中的杂质扩散。BPSG薄膜广泛地用在金属淀积之前，使金属层与其下面的多晶硅之间绝缘。 BPSG的流动性取决于薄膜的组分、工艺温度、时间以及环境气氛。 刚淀积的BPSG薄膜需在800的温度下致密化，或者在900-975下进行快速热退火，使BPSG薄膜完全稳定，否那么会受到随后热过程的影响而发生起泡现象。 6.5 CVD氮化硅的特性及沉积方法 氮化硅薄膜是无定形的绝缘材料，在集成电路中可以作为钝化层和选择性氧化的掩蔽膜。 氧很难透过氮化硅薄膜，因此可用作选择氧化的掩蔽膜。 氮化硅与硅直接接触时产生应力较大，往往在硅外表上先淀积一层二氧化硅作为缓

43、冲层，然后再淀积氮化硅掩蔽层。 当作为选择氧化的掩蔽膜时，氮化硅通常是在中温(700-800)下用LPCVD技术淀积的，反响剂是SiH2Cl2和NH3。 LPCVD氮化硅的反响式： 影响LPCVD氮化硅质量的因素主要包括：温度、总气压、反响剂比例、反响室内的温度梯度。氮化硅作为选择氧化的掩蔽膜 氮化硅适合作为钝化层，是因为：(1) 具有非常强的掩蔽能力，尤其是钠和水汽在氮化硅中扩散速度非常慢(2) 通过PECVD可以制备出具有较低压应力的氮化硅薄膜(3) 可以对底层金属实现保形覆盖；(4) 薄膜中的针孔很少。 当用作最终的钝化层时，为了与低熔点的金属如Al兼容，氮化硅的淀积必须在低温下进行，首

44、选淀积方法是PECVD。反响剂为硅烷和氨气、或者为硅烷和氮气，反响温度在200-400之间。氮化硅作为钝化层 氮化硅的淀积速率和有关参数强烈地依赖于射频功率、气流、反响室压强以及射频频率、温度等，如右图为温度的影响。右图给出的是NH3在总气体中的比例对PECVD氮化硅薄膜的淀积速率、质量密度及原子组分的影响关系。密度最大值发生在Si/N比为处，这是Si3N4的正确化学配比值。CVD反响的总结6.6 金属的化学气相沉积 难熔金属例如W,Ti,Mo,Ta广泛地应用在硅集成电路的互连系统中。它们的电阻率比Al及其合金要大，但是比相应的难熔金属硅化物及氮化物的电阻率要低。 在集成电路互连系统中，钨主要

45、用途有两个方面：作为填充，可用钨填满两个铝层之间的通孔以及填满接触孔。 当接触孔和通孔的最小尺度大于1m时，用PVD铝就可以实现很好的填充；对于特征尺寸小于1m的工艺，由于深宽比太大，PVD铝无法完全填充，而CVD钨能够完全填充。CVD钨可用作局部互连材料。由于钨的电导率较低，只能用于短程互连线，而铝和铜仍然用于全局互连。 6.6.1 钨的化学气相沉积CVD钨是最广泛用于互连的难熔金属，主要原因有以下几点：比Ti和Ta的体电阻率小，和Mo的电阻率差不多。较高的热稳定性，熔点高达3410 度。具有较低的应力，保形台阶覆盖能力好。具有很强的抗电迁移能力和抗腐蚀的性能。缺点：钨的电阻率高。 钨薄膜在

46、氧化物和氮化物上面的附着性比较差。 当温度超过400时钨会氧化。 如果钨与硅接触，在温度高于600时，会形成钨的硅化物。1. CVD 钨的化学反响钨的化学气相淀积通常在冷壁、低压系统中进行。钨的气体源主要有WF6、WCl6和W(CO)6，但WF6是更理想的钨源。WF6的沸点为17，气化温度低，气体输送方便又可以精确控制流量。WF6的缺点是比较贵，整个气体管道都需要加热以防止WF6凝聚。WF6可以与硅、氢、硅烷发生复原反响淀积钨。 反响温度300度，WF6与裸硅反响，而覆盖SiO2的区域不发生反响。 当淀积的薄膜厚度到达10-15nm时，反响自停止，因为WF6很难以扩散方式通过这样厚的钨膜与硅继

47、续反响。六羰基钨氢气与WF6的复原反响如下：选择性淀积时，先由Ar气携带WF6与外表Si发生复原反响，到达自停止厚度时，停止Ar气通入氢气，发生氢气与WF6复原反响。可以淀积较厚的钨薄膜。硅烷与WF6的复原反响如下：硅烷与WF6的复原反响能在许多外表上发生，主要是为氢气与WF6复原反响提供钨核层。2. 覆盖式化学气相沉积钨与回刻用钨填充接触孔和通孔的工艺包含如下六步：(1)外表原位预清洁处理Ar气体的溅射清洗及软粒子清洗；(2)淀积一个接触层30-50nm的Ti膜，Ti与Si的接触电阻比较小；(3)淀积一个附着层/阻挡层TiN膜，钨对TiN的附着力比较好，改善钨在二氧化硅、氮化硅等绝缘层上附着力差的特性；(4)覆盖式化学气相淀积钨典型工艺是是两步淀积：硅烷复原形成钨核层，氢气复原淀积钨的台阶覆盖性能好；(5)钨膜的回刻；(6