化学气相沉积（中文版）2016

1、化学气相沉积(CVD),化学气相沉积(CVD)概念,化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition) 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.,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,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,CVD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,Hong Xiao, Ph. D.,5,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,加热器,晶圆,N2,

2、N2,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,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1000/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.,Hong Xiao, Ph. D.,7,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,低压化学气相沉积法(

3、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,Hong Xiao, Ph. D.,8,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,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

4、,台阶覆盖性好,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),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,Hong Xiao, Ph. D.,12,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,到达角度,A,B,C,270,90,180,薄膜的厚度正比于到达角的取值范围,阶梯覆盖性与保形性,a,b,c,d,基片,结构,CVD 薄膜,h,w,Hong Xiao, Ph. D.,14,www2.austin.cc.tx.us/HongXi

5、ao/Book.htm,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,金属 3,金属 4,金属层间介电质3,金属层间介电质2,Hong Xiao, Ph. D.,16,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,17,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,Hong Xiao, Ph. D

6、.,18,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,黏附系数,源材料,黏附系数,SiH,4,3x10-4至3x10-5,SiH,3,0.04 至 0.08,SiH,2,0.15,SiH,0.94,TEOS,10,-3,WF,6,10,-4,Hong Xiao, Ph. D.,19,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,CVD 源材料,硅烷 (SiH4) 四乙氧基硅烷 (tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS ,Si(OC2H5)4),Hong Xiao, Ph. D.,20,www2.austin.c

7、c.tx.us/HongXiao/Book.htm,CVD 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,Hong Xiao, Ph. D.,21,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,H,Si,H,H,H,Si,H,H,H,H,硅烷分子结构,CVD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, or SiH, 很容易与基片表面形成化学键，黏

8、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,Hong Xiao, Ph. D.,23,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,四乙氧基硅烷(TEOS),室温下为液态 化学性能不活泼 安全,CVD 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,Hong Xiao, Ph. D.,25

9、,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,26,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,CVD工艺应用,多晶硅 SiO2 Si3N4 W 硅化钨 TiN,Hong Xiao, Ph. D.,27,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,多晶硅的特性与沉积方法,多晶硅薄膜是由

10、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580650下热分解硅烷实现的,SiH4(吸附)=Si(固)+2H2(气),Hong Xiao, Ph. D.,28,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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

11、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）。,Hong Xiao, Ph. D.,29,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,Hong Xiao, Ph. D.,30,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,TEOS为源的低温PECVD二氧化硅,Si(OC2H5)4+O2SiO2+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,Hong Xiao, Ph. D.,31,www2

12、.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,中温(650750)LPCVD二氧化硅,Si(OC2H5)4+O2SiO2+4C2H4+2H2O,成膜质量好,但如果铝层已沉积,这个温度是不允许的,Hong Xiao, Ph. D.,32,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,PE-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%,CVD 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,Si,Si,Si,C

13、VD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),Hong Xiao, Ph. D.,35,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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 CVD USG 沟槽填充,CMP USG USG 退火,Si,Si,Si,Si,Si,剥除氮化硅与氧化硅,USG,USG,USG,浅沟槽绝缘 (STI),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,金属沉积前的介电质层(PMD),

14、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BPSG PSG(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,PSG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: VLSI Technology, by S.M. Sze,磷越高,回流的温度越低,BPSG在摄氏 850 C和N2气氛中回流圆滑30分钟,PMD制程的发展,CMP:化学机械抛光,Hong Xi

15、ao, Ph. D.,42,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,化学机械抛光,CMP,Hong Xiao, Ph. D.,43,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,金属,金属,金属,CMP(化学机械抛光)平坦化制程,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,Hong Xiao, Ph. D.,45,www2.austin.cc.

16、tx.us/HongXiao/Book.htm,Hong Xiao, Ph. D.,46,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,CVD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,Hong Xiao, Ph. D.,47,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,CVD氧化硅与CVD氮化硅的特性,氧化硅 (SiO,2,),氮化硅 (Si,3,N,4,),高介电强度, 1 x 107 V/cm,高介电强度,

17、 1 x 107 V/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+),具有深宽比4:1 的0.25 mm 间隙,O3-TEOS BPSG间隙填充,SiCl2H2(气)+4NH3 (气) Si3N4 (固)+ 6HCl (气)+ 6H2 (气),LPCVD氮化硅薄膜,需要较高的沉积温度(700800),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) SixNy Hx+H2 (气),沉积温度低(2

18、00400),适合作钝化层,Hong Xiao, Ph. D.,50,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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1m时，用Al膜可以实现很好的填充，但是对于特征尺寸小于1m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,Hong Xiao, Ph. D.,51,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,Hong Xiao, Ph.

19、 D.,52,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,53,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,(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)+ Si

20、H4(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.,Hong Xiao, Ph. D.,54,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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),Hong Xiao, Ph. D.,55,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,具有深宽比4:1 的0.25 mm 间隙,O3-TEOS BPSG间隙填充,Hong Xiao, Ph. D.,56,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,TiN的化学气相沉积,钨的附着层 阻挡层,Hon