化学气相沉积(中文版)2016年

化学气相沉积(CVD)HongXiao,Ph.D.1化学气相沉积(CVD)概念化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition)气体或蒸气在晶圆表面产生化学反应，并形成固态薄膜的沉积方法.HongXiao,Ph.D.2沉积制程气源分子到达晶圆表面气源分子在表面移动气源分子在表面反应成核作用：岛状物形成HongXiao,Ph.D.3沉积制程岛状物成长岛状物成长，横截面图岛状物合并连续薄膜HongXiao,Ph.D.4CVD制程APCVD：常压化学气相沉积法LPCVD：低压化学气相沉积法PECVD：等离子体增强型化学气相沉积法HongXiao,Ph.D.5加热器晶圆N2N2制程气体排气晶圆输送带输送带清洁装置APCVD反应器示意图HongXiao,Ph.D.6常压化学气相沉积法(APCVD)APCVD制程发生在大气压力常压下,适合在开放环境下进行自动化连续生产.APCVD易于发生气相反应,沉积速率较快,可超过1000Å/min,适合沉积厚介质层.但由于反应速度较快,两种反应气体在还未到达硅片表面就已经发生化学反应而产生生成物颗粒,这些生成物颗粒落在硅片表面,影响硅片表面的薄膜生长过程,比较容易形成粗糙的多孔薄膜,使得薄膜的形貌变差.HongXiao,Ph.D.7低压化学气相沉积法(LPCVD)低气压(133.3Pa)下的CVD较长的平均自由路径可减少气相成核几率,减少颗粒,不需气体隔离,孔洞少，成膜质量好但是反应速率较低,需要较高的衬底温度HongXiao,Ph.D.8低压化学气相沉积系统加热线圈石英管至真空帮浦压力计制程气体入口晶圆装载门晶圆中心区均温区距离温度晶舟HongXiao,Ph.D.9等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)射频在沉积气体中感应等离子体场以提高反应效率，因此，低温低压下有高的沉积速率.表面所吸附的原子不断受到离子与电子的轰击,容易迁移,使成膜均匀性好,台阶覆盖性好HongXiao,Ph.D.10制程反应室制程反应室副产品被泵浦抽走加热板晶圆等离子体RF功率产生器等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)HongXiao,Ph.D.11保形覆盖是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沉积有相同厚度的薄膜保形覆盖HongXiao,Ph.D.12到达角度ABC270°90°180°薄膜的厚度正比于到达角的取值范围HongXiao,Ph.D.13阶梯覆盖性与保形性abcd基片结构CVD薄膜hwHongXiao,Ph.D.14严重时会形成空洞金属介电质介电质介电质空洞金属金属HongXiao,Ph.D.15金属3金属4金属层间介电质3金属层间介电质2HongXiao,Ph.D.16影响阶梯覆盖的因素源材料的到达角度源材料的再发射源材料的表面迁移率黏附系数HongXiao,Ph.D.17黏附系数源材料原子和基片表面产生一次碰撞的过程中，能与基片表面形成一个化学键并被表面吸附的机率HongXiao,Ph.D.18黏附系数源材料黏附系数SiH43x10-4至3x10-5SiH30.04至0.08SiH20.15SiH0.94TEOS10-3WF610-4HongXiao,Ph.D.19CVD源材料硅烷(SiH4)四乙氧基硅烷(tetra-ethyl-oxy-silane,TEOS,Si(OC2H5)4)HongXiao,Ph.D.20CVD源材料:硅烷自燃性的(自己会燃烧),易爆的,以及有毒的打开没有彻底吹除净化的硅烷气体管路，可能引起火灾或是小爆炸，并形成微细的二氧化硅粒子使气体管路布满灰尘HongXiao,Ph.D.21HSiHHHSiHHHH硅烷分子结构HongXiao,Ph.D.22CVD源材料吸附:硅烷硅烷分子完全对称的四面体不会形成化学吸附或物理吸附但硅烷高温分解或等离子体分解的分子碎片,SiH3,SiH2,orSiH,很容易与基片表面形成化学键，黏附系数大表面迁移率低,通常会产生悬突和很差的阶梯覆盖HongXiao,Ph.D.23四乙氧基硅烷(TEOS)室温下为液态化学性能不活泼安全HongXiao,Ph.D.24CVD源材料吸附:四乙氧基硅烷(TEOS)四乙氧基硅烷(tetra-ethyl-oxy-silane,TEOS,Si(OC2H5)4)，也称正硅酸四乙酯大型有机分子TEOS分子不是完整对称的可以与表面形成氢键并物理吸附在基片表面表面迁移率高好的阶梯覆盖、保形性与间隙填充广泛使用在氧化物的沉积上HongXiao,Ph.D.25因为TEOS比硅烷热分解产物的黏附系数小一个数量级,所以TEOS在表面的迁移能力与再发射能力都很强,台阶覆盖性较好.硅烷成本低，沉积速率较快两种主要CVD源材料的主要特点HongXiao,Ph.D.26CVD工艺应用多晶硅SiO2Si3N4W硅化钨TiNHongXiao,Ph.D.27多晶硅的特性与沉积方法多晶硅薄膜是由小单晶(大约是100nm量级)的晶粒组成,因此存在大量的晶粒间界多晶硅薄膜的沉积,通常主要是采用LPCVD工艺,在580~650下热分解硅烷实现的SiH4(吸附)=Si(固)+2H2(气)HongXiao,Ph.D.28在一般的掺杂浓度下,同样的掺杂浓度下,多晶硅的电阻率比单晶硅的电阻率高得多,主要是由于晶粒间界含有大量的悬挂键,可以俘获自由载流子,但在高掺杂情况下,多晶硅的电阻率比单晶硅的电阻相差不大.高掺杂多晶硅作为栅电极和短程互联线在MOS集成电路得到广泛应用。常常将钨、钛、钴(考虑到离子注入后的退火,这里只能用难熔金属)等硅化物做在多晶硅薄膜上,形成具有较低的方块电阻（相对于单独的多晶硅而言）。HongXiao,Ph.D.29

金屬硅化物多晶硅氮化硅阻擋層O3

-TEOSBPSGHongXiao,Ph.D.30TEOS为源的低温PECVD二氧化硅Si(OC2H5)4+O2→SiO2+副产物比用气体硅烷源更安全,因为TEOS室温下为液体,而且化学性能不活泼,所沉积薄膜保形性好。二氧化硅的CVD沉积方法HongXiao,Ph.D.31中温(650~750℃)LPCVD二氧化硅Si(OC2H5)4+O2→SiO2+4C2H4+2H2O成膜质量好,但如果铝层已沉积,这个温度是不允许的HongXiao,Ph.D.32PE-TEOS对O3-TEOS等离子体增强-TEOS臭氧-TEOS阶梯覆盖率:50%阶梯覆盖率:90%保形性:87.5%保形性:100%HongXiao,Ph.D.33CVD氧化层vs.加热成长的氧化层热成长薄膜CVD沉积薄膜硅裸片晶圆SiO2SiO2SiSiSiHongXiao,Ph.D.34CVD二氧化硅应用钝化层浅沟槽绝缘(STI)侧壁空间层金属沉积前的介电质层(PMD)金属层间介电质层(IMD)HongXiao,Ph.D.35浅沟槽绝缘(STI)成长衬垫氧化层沉积氮化硅蚀刻氮化硅，氧化硅与硅基片成长阻挡氧化层CVDUSG沟槽填充CMPUSGUSG退火SiSiSiSiSi剥除氮化硅与氧化硅USGUSGUSGHongXiao,Ph.D.36浅沟槽绝缘(STI)HongXiao,Ph.D.37侧壁空间层形成基片多晶硅栅极二氧化硅基片多晶硅栅极二氧化硅侧壁空间层HongXiao,Ph.D.38金属沉积前的介电质层(PMD)PMD:金属沉积前的流平层为降低流平温度，PMD一般为掺杂的氧化物PSG或BPSGPSG(掺磷SiO2,即磷硅玻璃)：可减少硅玻璃的加热回流温度,可以形成更为平坦的表面.BPSG(在PSG基础上掺硼形成的硼磷硅玻璃)

：可以进一步减低回流的圆滑温度而磷的浓度不会过量HongXiao,Ph.D.39PSG在摄氏1100°C,N2气氛中退火20分钟回流圆滑情形0wt%4.6wt%2.2wt%7.2wt%资料来源:VLSITechnology,byS.M.Sze磷越高,回流的温度越低HongXiao,Ph.D.40BPSG在摄氏850°C和N2气氛中回流圆滑30分钟HongXiao,Ph.D.41PMD制程的发展尺寸

PMD

平坦化

再流動溫度

>2mm

PSG

回流圓滑

1100。C

2-0.35

mm

BPSG

回流圓滑

850-900。C

0.25mm

BPSG

回流圓滑+CMP

750。C

0.18

mm

PSG

CMP

-

CMP:化学机械抛光HongXiao,Ph.D.42化学机械抛光CMPHongXiao,Ph.D.43金属金属金属

CMP(化学机械抛光)平坦化制程HongXiao,Ph.D.44金属层间介电质层(IMD)金属层间介电质层(IMD)主要起绝缘作用一般为未掺杂的硅玻璃(USG)或FSG温度受限于铝金属熔化通常是400°C等离子体增强-四乙氧基硅烷,臭氧-四乙氧基硅烷和高密度等离子体HongXiao,Ph.D.45HongXiao,Ph.D.46CVD氮化硅的特性与沉积方法很适合于作钝化层,因为它有非常强的抗扩散能力,尤其是钠和水汽在氮化硅中的扩散系数很小;另外，还可以作PSG或BPSG的扩散阻挡层HongXiao,Ph.D.47CVD氧化硅与CVD氮化硅的特性氧化硅(SiO2)氮化硅(Si3N4)高介电强度,>1x107V/cm高介电强度,>1x107V/cm低介电常数,k=3.9高介电常数,k=7.0紫外线可穿透氮化物紫外线无法穿透可以被P或B掺杂对水气与可移动离子的阻挡性不佳(Na+)对水气与可移动离子的阻挡性佳(Na+)HongXiao,Ph.D.48具有深宽比4:1的0.25mm间隙

金屬硅化物多晶硅氮化硅阻擋層O3

-TEOSBPSGO3-TEOSBPSG间隙填充HongXiao,Ph.D.49SiCl2H2(气)+4NH3(气)

→Si3N4(固)+

6HCl(气)+6H2(气)LPCVD氮化硅薄膜需要较高的沉积温度(700~800℃),可用作电容的介质层,不适合作钝化层PECVD氮化硅薄膜SiH4(气)+NH3(或N2气)

→SixNyHx+H2(气)沉积温度低(200~400℃),适合作钝化层HongXiao,Ph.D.50金属的化学气相沉积钨的电阻率比铝合金要大，但是比相应的难熔金属硅化物及氮化物的电阻率要低，其主要作用为：钨塞（钨栓）：当接触孔和通孔的最小尺寸大于1μm时，用Al膜可以实现很好的填充，但是对于特征尺寸小于1μm的工艺，Al无法完全填充接触孔和通孔，但CVD钨则能完全填充。钨的另一用途为局部短程互联线HongXiao,Ph.D.51HongXiao,Ph.D.52用钨填充接触孔和通孔的主要工艺：(1)沉积接触层：通常是用Ti作接触层，因为Ti与硅有更小的接触电阻；(2)沉积附着/阻挡层：通常是TiN，因为钨对TiN有较好的附着性HongXiao,Ph.D.53(3)覆盖式化学气相沉积钨：典型工艺是两步沉积，首先使用硅烷还原反应形成一薄层钨，大约几十个纳米左右，然后用氢气还原反应沉积剩余的钨膜；(4)钨膜的回刻；(5)附着层与接触层的回刻。2WF6(气)+SiH4(气)

→W(固)+3SiF4(气)+6H2(气)2WF6(气)+3H2(气)

→W(固)+6HF(气)因为直接用氢气还原反应沉积的钨膜，在TiN表面不能很好附着.HongXiao,Ph.D.54硅化钨的化学气相沉积常常将钨、钛、钴等硅化物做在多晶硅薄膜上,形成多层栅结构，以具有较低的方块电阻（相对于单独的多晶硅而言）。WF6(气)+2SiH4(气)

→WSi2(固)+6HF(气)+H2(气)HongXiao,Ph.D.55具有深宽比4:1的0.25mm间隙

金屬矽化物多晶矽氮化矽阻擋層O3

-TEOSBPSGO3-TEOSBPSG间隙填充HongXiao,Ph.D.56TiN的化学气相沉积钨的附着层阻挡层Hon