化学气相沉积课件市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

第六章化学气相沉积6.1CVD概述6.2CVD工艺原理6.3CVD工艺方法6.4二氧化硅薄膜淀积6.5氮化硅薄膜淀积6.6多晶硅薄膜淀积6.7金属及金属化合物薄膜1化学气相沉积课件第1页1/51MSI时代nMOS晶体管各层膜p+siliconsubstratep-epilayer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墙氧化层金属前氧化层Poly金属多晶金属化学气相沉积课件第2页2/51ULSI硅片上多层金属化钝化层压点金属p+SiliconsubstrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3M-4p-Epitaxiallayerp+ILD-6LIoxideSTIn-wellp-wellILD-1Polygaten+p+p+n+n+LImetal化学气相沉积课件第3页3/51芯片中金属层化学气相沉积课件第4页4/516.1CVD概述对薄膜要求好台阶覆盖能力填充高深宽比间隙能力好厚度均匀性高纯度和高密度受控制化学剂量高度结构完整性和低膜应力好电学特征对衬底材料或下层膜好黏附性化学气相沉积课件第5页5/516.1CVD概述1）物理气相淀积—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某种物理过程实现物质转移，即将原子或分子转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜技术。比如：蒸发evaporation，溅射sputtering2）化学气相淀积—ChemicalVaporDeposition(CVD)经过气态物质化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料过程。

比如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD两类主要淀积方式化学气相沉积课件第6页6/516.1CVD概述除了CVD和PVD外，制备薄膜方法还有:铜互连是由电镀工艺制作旋涂Spin-on镀/电镀electrolessplating/electroplating化学气相沉积课件第7页7/516.1CVD概述化学气相淀积（CVD）CVD技术特点：含有淀积温度低、薄膜成份和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点CVD方法几乎能够淀积集成电路工艺中所需要各种薄膜，比如掺杂或不掺杂SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等化学气相沉积课件第8页8/516.1CVD概述CVD相对于PVD,有什么优点？跟材料特征相关性质——结晶性和理想配比都比很好薄膜成份和膜厚轻易控制*淀积温度低*台阶覆盖性好（stepcoverage)

化学气相沉积课件第9页9/516.1CVD概述单晶(外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜半导体、介质、金属薄膜常压化学气相淀积（APCVD），低压CVD(LPCVD)，等离子体增强淀积（PECVD）等CVD反应必须满足三个挥发性标准在淀积温度下,反应剂必须具备足够高蒸汽压除淀积物质外,反应产物必须是挥发性淀积物本身必须含有足够低蒸气压化学气相淀积（CVD）化学气相沉积课件第10页10/516.2CVD工艺原理化学气相淀积基本过程1、反应剂气体混合物以合理流速被输运到沉积区2、反应剂气体由主气流经过边界层扩散到衬底表面3、反应剂气体吸附在衬底表面上4、吸附原子（分子）发生化学反应，生成薄膜基本元素5、副产物分子离开衬底表面，由衬底外扩散到主气流，排出化学气相沉积课件第11页11/51边界层理论

气体速度受到扰动并按抛物线型改变、同时还存在反应剂浓度梯度薄层称为边界层（附面层、滞留层）气体分子平均自由程远小于反应室几何尺寸，能够认为气体为黏滞性流动因为气体黏滞性，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流Um6.2CVD工艺原理化学气相沉积课件第12页12/516.2CVD工艺原理Grove模型从简单生长模型出发，用动力学方法研究化学气相淀积推导出生长速率表示式及其两种极限情况。与热氧化生长稍有不一样是，没有了在SiO2中扩散流F1：主气流到衬底表面反应剂流密度F2：反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜流密度Cg：反应剂在主气流中浓度Cs：反应剂在硅表面处浓度化学气相沉积课件第13页13/516.2CVD工艺原理其中：hG

是质量输运系数，

ks

是表面化学反应系数在稳态，两类粒子流密度应相等，这么得到可得：（1）hg>>ks时，Cs趋向Cg，淀积速率受表面化学反应控制（2）ks>>hg时，Cs趋向0，淀积速率受质量输运速率控制Grove模型化学气相沉积课件第14页14/51

结论：（1）淀积速率与Cg（反应剂浓度）或者Y（反应剂摩尔百分比）成正比；（2）在Cg或者Y为常数时，薄膜淀积速率将由Ks和hg中较小一个决定。

薄膜淀积速率（其中N1表示形成一个单位体积薄膜所需要原子数量）：Grove模型6.2CVD工艺原理化学气相沉积课件第15页15/51

升高温度能够提升淀积速率但伴随温度上升，淀积速率对温度敏感度不停下降；当温度高过某个值后，淀积速率受质量输运速率控制薄膜淀积速率图6.8硅膜淀积速率与温度倒数关系表面化学反应控制：温度质量输运速率控制：位置6.2CVD工艺原理斜率与激活能Ea成正比化学气相沉积课件第16页16/51以硅外延为例（1atm，APCVD）hG

常数Ea

值相同外延硅淀积往往是在高温下进行，以确保全部硅原子淀积时排列整齐，形成单晶层。为质量输运控制过程。此时对温度控制要求不是很高，不过对气流要求高。多晶硅生长是在低温进行，是表面反应控制，对温度要求控制精度高。6.2CVD工艺原理化学气相沉积课件第17页17/51当工作在高温区,质量控制为主导，hG是常数，此时反应气体经过边界层扩散很主要，即反应腔设计和晶片怎样放置显得很主要。关键两点：ks

控制淀积主要和温度相关hG

控制淀积主要和反应腔体几何形状相关6.2CVD工艺原理化学气相沉积课件第18页18/516.3CVD工艺方法化学气相淀积系统气态源或液态源气体输入管道气体流量控制系统反应室基座加热及控制系统温度控制及测量系统减压系统（LPCVD和PECVD)化学气相沉积课件第19页19/516.3CVD工艺方法

气体源趋向液态气态源不安全淀积薄膜特征不好液态源输送保留在室温下液态源，使用时先注入到气化室中，气化后直接输送到反应室中化学气相沉积课件第20页20/51质量流量控制系统

进入反应室气体流量准确可控控制反应室气压直接控制气体流量，质量流量控制系统质量流量计阀门气体流量单位:体积/单位时间温度为273K，一个标准大气压下，每分钟经过气体体积6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第21页21/51CVD反应室热源

薄膜是在高于室温温度下淀积。热壁系统：Tw=Ts冷壁系统：Tw<TsTw：反应室侧壁温度Ts：放置硅片基座温度热壁和冷壁淀积室各有优缺点，依据需要进行选择。6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第22页22/516.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第23页23/51

常压化学气相淀积(APCVD)

低压化学气相淀积(LPCVD)

等离子增强化学气相淀积(PECVD)6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第24页24/516.3CVD工艺方法APCVD反应器结构示意图化学气相沉积课件第25页25/516.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第26页26/516.3CVD工艺方法操作简单，淀积速率高，适合介质薄膜淀积。易发生气相反应，产生污染台阶覆盖性和均匀性比较差质量输运控制淀积速率，对反应室结构和气流模式提出高要求APCVD化学气相沉积课件第27页27/51斜率与激活能Ea成正比APCVD主要问题：低产率（throughput）高温淀积：硅片需水平放置低温淀积：反应速率低6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第28页28/51单晶硅外延要采取图中卧式反应设备，放置硅片石墨舟为何要有倾斜?6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第29页29/51界面层厚度

s是x方向平板长度函数。a.伴随x增加，

s(x)增加，hG下降。假如淀积受质量传输控制，则淀积速度会下降；b.沿支座方向反应气体浓度降低,一样造成淀积速度会下降。

为气体粘度；

为气体密度；U为气体速度；6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第30页30/51

支座倾斜能够促使

s(x)沿x改变减小。原理：因为支座倾斜后，气流流过截面积下降，造成气流速度增加，进而造成

s(x)沿x减小和hG增加。从而用加大hG方法来赔偿沿支座长度方向气源耗尽而产生淀积速率下降。尤其对质量传输控制淀积至关主要，如APCVD法外延硅。6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第31页31/51低压化学气相淀积（LPCVD）所以低压能够大大提升hG值。比如在压力为1torr时，DG能够提升760倍，而ds只提升约7倍，所以hG能够提升100倍。气体在界面不再受到传输速率限制。在质量输运控制区域：6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第32页32/5133/40分子自由程变长，反应气体质量迁移速率相对于表面反应速率大大增加，这就克服了质量传输限制，使淀积薄膜厚度均匀性提升，也便于采取直插密集装片降低气体压力，气体分子自由程加长，气相反应中轻易生成亚稳态中间产物，从而降低了反应激活能，所以，在不改变淀积速率情况下，淀积温度就能够低于APCVD淀积温度

反比于气体压强r为气体分子半径平均自由程6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第33页33/51LPCVD反应器结构示意图低压化学气相淀积（LPCVD）6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第34页34/51低压化学气相淀积（LPCVD）6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第35页35/51表面反应速率控制淀积速率原因：在较低气压下，气体扩散速率比在一个大气压下高出很多倍。结果：对温度比较敏感，温度相对来说较易控制，对反应室结构要求不高，可放置较多硅片。优点增加产率—晶片可直插放置许多片（100-200）污染少，均匀性和台阶覆盖性较APCVD好缺点：相对低淀积速率，相对高工作温度低压化学气相淀积（LPCVD）6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第36页36/51LPCVD气缺现象：当气体反应剂被消耗而出现反应剂浓度改变现象对于只有一个入气口反应室，情况比较严重。方法：在水平方向上逐步提升温度来加紧反应速度，从而提升淀积速率采取分布式气体入口增加反应室中气流速度6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第37页37/51Batchprocessing：同时100-200片薄膜厚度均匀性好能够准确控制薄膜成份和结构台阶覆盖性很好低温淀积过程淀积速率快生产效率高生产成本低LPCVD法主要特点有时，淀积温度需很低，薄膜质量要求又很高。如：在形成Al层上面淀积介质等。处理方法：等离子增强化学气相淀积PECVD6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第38页38/51最惯用反应激活能：经过非热能源射频（RF）等离子体来激活和维持化学反应。低温淀积应用：在Al上淀积二氧化硅或氮化硅较高淀积速率表面反应速率控制淀积速率，准确控制衬底温度，可得到均匀薄膜。等离子体增强化学气相淀积（PECVD）6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第39页39/51等离子体中电子与反应气体分子碰撞反应气体分子分解成各种成份：离子、原子及活性基团活性基团不停吸附在基片表面上吸附在表面上活性基团之间发生化学反应生成薄膜层表面吸附离子受到离子和电子轰击，易迁移，发生重新排列。淀积薄膜均匀性良好，含有填充小尺寸结构能力。等离子体增强化学气相淀积（PECVD）6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第40页40/51APCVD设备简单，淀积速率大（>1000A/min）。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。LPCVD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。淀积速度低，工作温度高。表面反应控制淀积速率。CVD三种方法比较6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第41页41/51CVD三种方法比较6.3CVD工艺方法PECVD反应温度低，附着性好，良好阶梯覆盖，良好电学特征能够与精细图形转移工艺兼容，薄膜应力低，主流工艺。具备LPCVD优点highdepositionrateatrelativelylowtemperatureImprovefilmqualityandstresscontrolthroughionbombardment（炮击，轰击）表面反应控制淀积速率化学气相沉积课件第42页42/51共形台阶覆盖非共形台阶覆盖均匀厚度

台阶覆盖：淀积薄膜表面几何形貌与半导体表面各种台阶形状关系。保形覆盖：不论衬底表面有什么样倾斜图形，在全部图形上面都能淀积相同厚度薄膜原因：反应物在吸附、反应时有显著表面迁移台阶覆盖（保角性conformality）6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第43页43/51台阶覆盖（保角性conformality）1、淀积速率正比于气体分子抵达角度6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第44页44/51台阶覆盖（保角性conformality）6.3CVD工艺方法化学气相沉积课件第45页45/51

举例在APCVD中，以SiH4和氧气为反应剂沉淀SiO2因SiH4黏滞系数很大，淀积速率正比于气体分子抵达表面时角度范围抵达角反应物抵达半导体表面时有不一样角度在一个陡峭台阶处，APCVDSiO2时，薄膜在台阶顶部处最厚，在拐角处最薄。SiO2薄膜在拐角处斜率大于90o，使得随即薄膜淀积和各项异性刻蚀变得非常困难。台阶覆盖（保角性conformality）6.3CVD工艺方法化学气相