集成电路制造技术与实践 课件 第7章 化学气相淀积(CVD)工艺

第7章化学气相淀积(CVD)工艺7.1CVD的过程与模型7.2CVD系统7.3CVD应用7.4CVD工艺仿真7.5CVD工艺进展本章小结

7.1CVD的过程与模型

7.1.1CVD的过程图7-1-1给出了CVD反应室剖面图及CVD基本过程，主要工艺步骤包括：(1)传输(扩散)：反应剂气体从主气流区(又称平流区，其中的气体流速恒定)经附面层(又称边界层，其中的气体流速受到扰动)扩散到衬底(硅片)表面。(2)吸附：反应剂被吸附在衬底表面，成为吸附原子(或分子)。(3)化学反应：吸附原子(或分子)在衬底表面发生化学反应，生成薄膜基本元素(如薄膜分子)及气态副产物。

(4)淀积：薄膜基本元素在衬底表面淀积形成薄膜。

(5)脱吸：化学反应的气态副产物和未反应的反应剂脱离衬底表面吸附。

(6)逸出：脱离衬底表面吸附的气态副产物和未反应的反应剂从衬底表面扩散到主气流区，随后逸出反应室。图7-1-1CVD反应室剖面图及CVD基本过程

7.1.2CVD模型

在构建CVD模型时，认为反应剂气流具有黏滞性，也就是说反应剂分子的平均自由程远小于反应室几何尺寸。反应剂气体在经过衬底表面或反应室侧壁时，会受到衬底表面或反应室侧壁的摩擦力作用，使紧贴衬底表面或侧壁的气流速度为零；而当远离衬底表面或侧壁时，逐渐过渡到最大气流速度Um(主气流区流速)，主气流区的气体流速均匀恒定。因此，在衬底表面附近就形成了一个气流受到扰动的薄层，称为边界层(或称附面层、滞流层)，其厚度δ(x)为衬底表面(气流速度为零)与气流速度为0.99Um对应位置之间的区域厚度。在边界层内，假设气流为泊松流，即气流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。

此外，在边界层内，由于衬底表面的化学反应会消耗反应剂，因此沿垂直气流方向还存在反应剂浓度梯度。如图7-1-2所示，定义基座左侧为坐标原点，边界层厚度随着远离原点而增加，可以表示为

其中，μ

是气体黏滞系数，ρ是气体密度，U

是边界层中的流速。设基座长度为L，边界层平均厚度可表示为

其中，Re=ρUL/μ，为气体的雷诺数，是一个无量纲数，U≤0.99Um。Re值较小时(如小于2000)，气流为平流型。Re值较大时，气流为湍流型。商用CVD反应室中Re很低(低于100)。图7-1-2反应室中气体流动规

为了构建Grove模型，将图711简化为图7-1-3。图中，F1为边界层中反应剂的

扩散流密度，F2为衬底表面反应剂发生化学反应生成薄膜原子(或分子)的流密度(反应流密度)。流密度定义为单位时间内通过单位面积的原子或分子数。这里做两点假设：

①化学气相淀积在稳定状态下进行；

②边界层中流密度为线性近似(流密度正比于边界层两侧反应剂浓度差)。图7-1-3Grove模型建模示意图

7.1.3CVD淀积速率分析

由ks

和Dg

的表达式可知两者都与温度正相关，且ks对温度的变化更加敏感。因此，在高温情况下，满足hg≪ks，薄膜淀积速率为扩散控制；而在较低温度下，满足hg≫ks，薄膜淀积速率为反应控制。

结合式(7-1-2)和式(7-1-9)，可知扩散控制情况下薄膜淀积速率满足

因此，薄膜淀积速率与U1/2成正比，而与L1/2成反比。图7-1-4为硅膜淀积速率与气流速率的关系，可见硅膜淀积速率G随着气流速率U1/2线性增加。然而，当气流速率增加到一定程度时，会导致hg≫ks，此时淀积速率转变为反应控制且与气流速率无关，在图7-1-4中表现为硅膜淀积速率达到极大值且基本保持恒定。

由式(7-1-10)可知，反应控制情况下薄膜淀积速率图7-1-4硅膜淀积速率与气流速率的关系

因此，薄膜淀积速率与温度T成指数关系，对温度变化非常敏感。图7-1-5为采用四氯化硅和氢气为反应剂淀积多晶硅薄膜时半对数坐标下淀积速率与温度的关系。由图可见，低温区淀积速率与温度呈现线性关系，满足式(7-1-13)所示的关系，且直线斜率为-Ea/k。随着温度升高，ks逐渐增大，淀积速率不断增加。当温度高于某个值后，满足hg≪ks，此时表面反应所需反应剂数量高于扩散通过边界层到达衬底表面的反应剂数量，淀积速率由反应控制转变为扩散控制，且对温度不太敏感。

Grove模型忽略了反应副产物解吸扩散过程以及边界层垂直方向的温度梯度，因此图7-1-5中反应剂浓度较低时，Grove模型与实测结果(数据点)吻合较好，而反应剂浓度较高时则存在一定偏差。图7-1-5多晶硅薄膜淀积速率与温度的关系

7.2CVD系统

1.APCVD

APCVD是最早出现的CVD工艺，属于热激活方式CVD。这种CVD在大气压力下进行薄膜淀积，具有结构简单、淀积速率较快(可大于100nm/min)等特点，可用于淀积较厚薄膜(如SiO2薄膜)。但APCVD极易发生气相反应，存在颗粒杂质污染以及台阶覆盖性和均匀性较差等问题。APCVD的反应室可以分为水平反应室、垂直反应室和桶形反应室。

图7-2-1为目前常用的连续供片APCVD设备示意图。衬底硅片可在传送装置作用下连续通过非淀积区和淀积区，非淀积区和淀积区通过流动的惰性气体实现隔离，可实现在多个衬底上淀积厚度相等且均匀的薄膜。图7-2-1连续供片APCVD设备示意图

2.LPCVD

LPCVD也属于热激活方式CVD，其淀积温度相对较低，反应室气压通常在1~100Pa，主要用于介质薄膜淀积。LPCVD淀积速率相对较低，但所得薄膜的均匀性和台阶覆盖性均优于APCVD淀积的薄膜。图7-2-2为采用水平式反应室和立式反应室的两种常用LPCVD设备示意图。在水平式LPCVD中，衬底硅片可以密集摆放，装载量大，因此更适合大批量生产；而在立式LPCVD中，反应剂气体可以均匀扩散到达硅片表面，易于提高薄膜淀积的均匀性。由于在低压下工作，反应室中反应剂密度低，气体分子平均自由程大，反应剂在气相和腔室壁发生的反应显著减少，且产生的颗粒物容易被真空抽气系统抽走，因此LPCVD可以有效抑制颗粒污染问题。此外，低压环境中分子碰撞概率很低，可以实现良好的台阶覆盖。图7-2-2采用水平式反应室和立式反应室的两种常用LPCVD设备示意图

3.PECVD

PECVD是一种能量增强型CVD方法，采用了热激活结合等离子体激活方式。PECVD设备示意图如图7-2-3所示。在薄膜淀积过程中，反应剂气体通过射频电场产生辉光放电，形成具有很强化学活性的等离子体，因此可实现较低温度下(如350~400℃)高速淀积薄膜。PECVD所制备的薄膜具有台阶覆盖性好、附着性强、针孔密度低等优点，其淀积速率和质量与衬底温度、反应室结构、射频功率的密度和频率等有关。

PECVD的薄膜淀积速率也是由表面反应控制的，因此需要精确控制衬底温度以确保薄膜均匀淀积。图7-2-3PECVD设备示意图

7.3CVD应用

7.3.1薄膜的台阶覆盖在薄膜淀积工艺中，通常要求实现薄膜的保形覆盖，也就是在衬底片上的所有图形(如台阶)上面均淀积相同厚度的薄膜，如图7-3-1所示。薄膜的台阶覆盖效果与反应剂分子的到达角以及反应剂分子的三种输运机制(直接入射、再发射和表面迁移)有关。衬底表面上任意一点都可以从空间中各个方向接收反应剂分子，这个方向构成的角度范围，称为到达角。图7-3-1中标记了几个典型位置在二维空间的到达角。图7-3-2为衬底表面反应剂分子的三种输运机制。反应剂分子的再发射和表面迁移能力是实现保形覆盖的关键。图7-3-1台阶覆盖效果图7-3-2衬底表面反应剂分子的三种输运机制

7.3.2氧化硅薄膜淀积

氧化硅薄膜的CVD方法可以分为低温(300~450℃)和中温(650~750℃)两大类。

1.低温淀积SiO2

1)基于硅烷源的淀积

在APCVD系统、LPCVD系统或PECVD系统中，可以利用硅烷与氧气反应淀积SiO2薄膜，化学反应式为

在PECVD系统中，可以利用硅烷与N2O(或NO)反应淀积SiO2

薄膜，化学反应式为

在SiO2

的淀积过程中同时送入PH3气体进行掺杂，可以制备含有P2O5

的二氧化硅——磷硅玻璃(PSG)，利用APCVD系统淀积PSG的化学反应式为

2)基于TEOS源的淀积

在PECVD系统中，可以利用TEOS(Si(OC2H5)4，正硅酸四乙酯)与氧气反应淀积SiO2

薄膜，化学反应式为

TEOS在室温下为液态且化学性质稳定。该方法的优点是安全、方便、薄膜台阶覆盖性好，但SiO2膜中存在一定残余碳污染问题。

2.中温淀积SiO2

在中等温度下的LPCVD系统中，利用TEOS热分解也可以淀积SiO2

薄膜，化学反应式为

该淀积方法的保形覆盖性好，可以用于制作金属淀积前介质层。

3.掺杂氧化硅的淀积

磷硅玻璃(PSG)可通过在淀积SiO2

薄膜时所采用的反应剂气体中掺入PH3气体而制备。PSG由P2O5

和SiO2

两种成分构成，可以采用APCVD系统、PECVD系统制备。PSG在高温下(1000~1100℃)可以实现平坦化工艺，即在高温下PSG可以流动，从而可实现更平坦的表面，保障后续薄膜淀积有更好的台阶覆盖能力。通常，升高温度、延长处理时间、提高氧化硅中磷的浓度，均可增强薄膜流动性。

硼磷硅玻璃(BPSG)可以通过在PSG淀积工艺气体中掺入硼源(如B2H6)而制备。BPSG可以在850℃实现回流平坦化工艺，主要用于金属淀积前介质。

7.3.3氮化硅薄膜淀积

1.采用LPCVD技术淀积氮化硅

采用LPCVD技术淀积氮化硅薄膜时，常用SiH2Cl2和NH3作为反应剂，工艺温度通常控制在700~800℃，具体反应式为

3SiH2Cl2(气)+4NH3(气)→Si3N4(固)+6HCl(气)+6H2(气)(7-3-6)

采用LPCVD技术淀积的氮化硅薄膜具有密度高(2.9~3.1g/cm3)、化学配比好、不易被稀HF溶液腐蚀、保形覆盖好等优点，可作为选择性氧化掩蔽膜、DRAM中的电容介质层等。然而，薄膜中应力较大，容易导致较厚(大于200nm)氮化硅薄膜破裂。

2.采用PECVD技术淀积氮化硅

利用PECVD技术淀积氮化硅薄膜时，可以选择SiH4

和NH3(或N2)作为反应剂，温度通常控制在200~400℃，具体反应式为

PECVD的射频功率和频率、气流、反应室压强、温度等与氮化硅淀积速率、薄膜参数(如折射率、腐蚀速率等)密切相关。采用SiH4

和NH3

淀积的氮化硅薄膜中存在大量以Si-H和N-H形式存在的H(通常在18at.%~22at.%)，容易导致器件发生阈值漂移。图7-3-3和图7-3-4分别为淀积温度、总气体中NH3的比例对氮化硅薄膜参数的影响。当Si/N比达到0.75时，氮化硅薄膜具有最大密度。采用SiH4和N2淀积的氮化硅薄膜中H含量较少(通常在7at.%~15at.%)。图7-3-3淀积温度对氮化硅薄膜参数的影响图7-3-4总气体中NH3

的比例对氮化硅薄膜参数的影响

7.3.4多晶硅薄膜淀积

多晶硅薄膜是由众多生长方向各不相同的小晶粒(尺寸大约在100nm量级)组成的，通常采用LPCVD技术在580～650℃温度下热分解硅烷制备，具体反应式为

利用LPCVD技术淀积的多晶硅薄膜的均匀性好、台阶覆盖性好，可作为栅电极、互连线等材料。然而，SiH4

在气相中也会发生分解，导致颗粒污染，易形成粗糙的多孔硅层。

7.3.5金属薄膜淀积

1.CVD钨

钨(W)、钛(Ti)、钼(Mo)、钽(Ta)等难熔金属已广泛应用于当今集成电路互连系统中，其中W的应用最为广泛。W具有较低体电阻率(20℃时为5.5μΩ·cm，小于Ti和Ta)、较高热稳定性(所有金属中熔点最高的金属，熔点为3410℃)、较低应力、良好保形覆盖性、较强的抗电迁移能力和抗腐蚀性等优点。因此，在互连系统中CVDW主要用于钨插塞(用于填充特征尺寸为90nm~1μm的接触孔和通孔)和局部互连(因其电阻率高于铝、铜，不适用于全局互连)。

WF6

是冷壁LPCVDW较理想的钨源，其沸点为17℃，易于气态输送和精确控制流量。WF6

可以与硅、氢或硅烷反应淀积W，具体反应式为

其中，在采用WF6

与硅反应淀积W的过程中，当薄膜厚度达到10~15nm时，WF6

很难扩散穿过W薄膜，反应会自停止。

2.CVD氮化钛

在超大规模集成电路多层互连系统中，通常利用TiN薄膜作为扩散阻挡层和附着层(黏附层)。例如，在铝互连系统中，TiN薄膜作为扩散阻挡层可以防止硅与铝之间的扩散；在铜互连系统中，TiN既作为附着层用于增强铜与硅和氧化硅之间的附着性，又作为扩散阻挡层阻止硅与铜之间的扩散；在接触孔和通孔中的W金属填充工艺中，TiN薄膜既作为扩散阻挡层防止底层Ti与WF6

接触而反应(2WF6+3Ti→2W+3TiF4)，进而避免在淀积层表面产生凸起，同时又作为附着层增加W与接触孔和通孔之间的黏附性。此外，相比Ti，TiN与硅的接触电阻更高，因此通常在TiN与硅之间插入一层Ti，形成TiN/Ti/Si接触结构，以实现低接触电阻和高热稳定性的接触。

在热LPCVD中(温度高于600℃)，以TiCl4和NH3

为反应剂，可以淀积保形覆盖性好、质量高的TiN薄膜，具体反应式为

由于淀积温度高，且反应物中Cl会腐蚀铝，因此该工艺不适用于铝互连系统。

金属有机物化学气相淀积(MetalOrganicCVD，MOCVD)技术采用金属有机化合物源四二甲基氨基钛(Ti[N(CH2CH3)2]4，TDEAT)或四二乙基氨基钛(Ti[N(CH3)2]4，TDMAT)，可以与NH3

在500℃以下温度淀积TiN，且没有Cl产生，适用于互连线孔和接触孔中TiN的淀积。

7.4CVD工艺仿真

基于Silvaco商用数值软件进行工艺仿真，有助于深刻理解CVD工艺原理。图7-4-1是Silvaco软件中DeckBuild程序运行窗口及基本模拟程序，仿真中采用Deposit淀积命令。图7-4-2是在一个凹槽结构上淀积金属铝薄膜的工艺仿真结果，仿真中采用了MOCVD淀积设备，淀积时间为1.5min，淀积速率为600Å/min。由图可见，受反应剂分子到达角的影响，各处薄膜淀积不均匀，凹槽底部的薄膜较薄。图7-4-1Silvaco软件中DeckBuild程序运行窗口及基本模拟程序

7.5CVD工艺进展

1.原子层淀积技术原子层淀积(atomiclayerdeposition，ALD)是新一代CVD系统的典型代表，它在传统CVD工艺方法的基础上采用了独特的脉冲调控技术。图7-5-1和图7-5-2分别为ALD的系统示意图和淀积机制示意图。在ALD工艺中，反应剂前驱体依次送入腔室内，在相邻两次送入前驱体之间的中间过程采用清洗气体对腔体进行清洗。

在图752中，利用ALD工艺形成材料层的过程主要由四个不断重复的基本步骤(一个反应周期)组成：

①反应剂前驱体A送入反应室并吸附在衬底表面；

②送入清洗气体进行反应室清洗，移除多余反应剂A和副产物；

③反应室中送入反应剂前驱体B与衬底表面前驱体A进行反应而形成分子层，待前驱体A完全消耗后反应自停止；

④再次送入清洗气体进行反应室清洗，移除多余反应剂B和副产物。

重复进行上述工艺步骤，根据所需薄膜厚度确定反应周期数，直至达到预定薄膜淀积厚度。图