微细加工-13-CVD.ppt

1、第十三章：化学气相沉积。在蒸发和溅射的物理沉积方法中，粒子几乎线性移动，并且存在台阶覆盖的问题。随着集成电路尺寸的减小和纵横比的增加，阶梯覆盖问题变得更加突出。另外，蒸发和溅射主要用于金属薄膜的沉积，不适合半导体薄膜和绝缘薄膜的沉积。化学气相沉积是一种基于化学反应的薄膜沉积方法。在热能、等离子体、紫外光等的作用下。以气体形式提供的反应物质在衬底表面上经历化学反应(分解或合成)以形成固体物质的沉积。废气排放为2H2。几乎所有用于集成电路制造的薄膜材料，包括介质膜、半导体膜和导体膜，都可以用化学气相沉积法沉积。例如，电介质：二氧化硅、Si3N4、聚砜、BSG、Al2O3、二氧化钛、Fe2O3半导体

2、：硅、锗、GaAs、GaP、氮化铝、砷化铟、多晶硅导体：铝、镍。化学气相沉积1的分类。根据温度，有低温(200-500)、中温(500-1000)和高温(1000-1300)化学气相沉积。2、根据压力，有常压(APCVD)和低压(LPCVD) CVD。根据反应室壁温，有热壁化学气相沉积和冷壁化学气相沉积。热壁意味着壁温高于晶片温度。通常，晶片通过反应室外部的电阻加热通过室壁加热。冷壁意味着壁温度低于晶片温度，并且基座可以在反应室中通过射频感应或电阻加热来加热。4、按照反应活化的方式，有热活化、等离子体活化(PECVD)和紫外光活化等。根据气流方向，有水平式和垂直式两种。13.1如果反应发生在硅

3、片上方的气体中，用于硅沉积的简单化学气相沉积系统称为均匀反应。如果反应发生在硅片表面，则称之为非均相反应。在沉积多晶硅薄膜的化学气相沉积系统中，硅烷首先通过均相反应生成气态的硅烯，然后硅烯被吸附在硅片表面，通过非均相反应生成固态硅。通常，不希望通过均匀反应直接产生固体硅。反应室，反应气体输入SiH4 (1%浓度)，加热，硅，废气排出2H2，13.3气流和边界层，这种气体层从硅晶片表面上的气体速度v=0到硅晶片上方的v=0.99 v0称为边界层，或滞流层。主气流，v0，反应气体，基座，滞止层，x，y，L，滞止层的厚度将随气流方向上的距离x而变化，基座上滞止层的平均厚度随长度L而变化，其中为气体的

4、粘度系数和气体的质量密度。13.4简单化学气相沉积系统评估，化学气相沉积工艺1。反应气体从反应室入口输送到硅片附近；2.反应气体通过均相反应生成一系列次级分子；3.次级分子扩散通过滞止层到达硅片表面并被吸附；4.硅片表面发生非均相反应，生成固体薄膜；5.气体副产品的解吸；6.副产品离开硅片表面；7.副产物离开反应室。化学气相沉积工艺中与沉积速率相关的两个关键步骤是：其中，称为气相传质系数，=1.752。2.在硅片表面反应形成薄膜。消耗的反应物的粒子流密度，在这里，被称为表面反应速率常数。1.反应气体通过滞止层扩散到达硅片表面，并吸附在硅片表面。这就是所谓的大众运输过程。扩散流密度是，通过同时求

5、解上述方程，可以得到J1=J2=J处于稳定状态，并且沉积速率与J成比例。其中，当温度高时，hg ks，J=hgCg，并且沉积速率由hg决定。由于汞与气体流量密切相关，沉积速率与气体流量密切相关，因此有必要严格控制气体流量和反应室的几何形状，这通常是由于ks与温度密切相关，沉积速率与温度密切相关，因此必须严格控制温度及其均匀性，并经常使用热壁系统。此时，沉积速率与空气流量关系不大，因此可以将其设计为大批量系统。另外，Dg和与气压有关，所以在不同的气压范围内，hg和ks的相对大小是不同的。除沉积速率外，化学气相沉积系统的评价指标还包括薄膜应力、台阶覆盖率和薄膜成分。化学气相沉积薄膜的阶梯覆盖率通常

6、非常好。化学气相沉积薄膜的主要问题是薄膜的化学组成。例如，通过硅烷分解工艺形成的硅膜可能含有高浓度的氢，这降低了膜的密度。残留在反应室中的氧气和水可以与硅反应形成二氧化硅。通过化学气相沉积法生长的二氧化硅薄膜也可能含有其他化学成分，这降低了薄膜的密度，因此通常需要在高温下在氧气中进行“致密化”处理。反应室是开放的，可分为两种类型：水平和垂直，水平是更常用的。在APCVD的压力和温度范围内，Hg和ks的数量级相同，因此必须考虑气流的影响，因此硅片应水平放置。为了避免反应物在反应室壁上沉积和熔渣滴落，等离子体化学气相沉积通常采用冷壁法。影响等离子体化学气相沉积膜厚均匀性的因素有：(1)不均匀性；(

7、2)反应物浓度从前到后的降低。改进方法是将基础设计成斜坡形状或采用LPCVD技术。气体流量，13.5大气压化学气相沉积，(1)Si4O 2系统，t=300 400 oc Si4O 2 SiO 2 H2O，(3) TEOS O2系统，t=500 700 oc si(oc2h 5)4 12O 2 SiO 2 8co 2 H2O，(2)Si4O 2 NO2系统，t=300 900 oc Si4O 2 SiO 2 H2O，大气压化学气相沉积技术通常仅用于沉积二氧化硅薄膜，例如，当需要沉积含有小颗粒的二氧化硅薄膜时化学气相沉积反应发生在二氧化硅表面，膜厚始终与时间成线性关系。在热氧化法中，一旦形成二氧化

8、硅膜，反应物必须通过二氧化硅膜，反应发生在二氧化硅/硅界面，沉积速率减慢；1.通过化学气相沉积的二氧化硅膜中的硅来自外部反应气体，而通过热氧化的二氧化硅膜中的硅来自硅衬底本身，并且衬底中的一部分硅在氧化过程中被消耗。3.化学气相沉积法具有较低的温度，可以减少杂质再分布和硅片的热变形，适用于浅结器件和超大规模集成电路。然而，膜的质量很差，通常需要致密化。然而，热氧化温度高，二氧化硅结构致密，薄膜质量较好。用常压化学气相沉积法在硅表面沉积二氧化硅薄膜时，与热氧化法不同的是，为了克服化学气相沉积法的缺点，出现了LPCVD现象，反应室是半密封的，用真空泵抽真空，严格控制入口端的进气量，使反应室的压力保

9、持在p=0.2-1托。当气压从750 Torr下降到0.75 Torr时，汞将增加约100倍，这使得ks变成汞，因此沉积速率由ks控制，ks与温度密切相关，但与空气流量无关。这使得LPCVD具有以下优点：(1) 13.6低压化学气相沉积在热壁系统中，气压的降低会增加汞，(1)硅片可以很小的间隔垂直放置，生产效率高；2.硅片垂直放置后，可以避免管壁上的熔渣对硅片的影响；3.因此，可以采用热壁法，设备简单，温度均匀性好；4.温度控制比气流控制容易得多，有利于提高膜厚和成分的均匀性；5.更好的台阶覆盖。(1)多晶硅通过sih4热分解沉积，T=625，p=0.21或sih4si2h2，(2) Si3N

10、4通过sih4nh3系统沉积，T=825，p=0.7torr 3si 4h H3 Si 3n 4 12 H2，低压化学气相沉积技术可用于沉积多晶硅、Si3N4、二氧化硅和其它薄膜，例如，(3)二氧化硅通过TEOS _ 2系统沉积，T=500 700 oC _ Si(oc22介电常数为6 9，远高于二氧化硅，绝缘层电容大。2.热导率比二氧化硅好，二氧化硅通常用作多层布线的介质；3.它具有很强的抗氧化能力，广泛用于掩盖氧化。在950时，厚度为100的Si3N4可以掩盖7000时的湿氧氧化。4.电阻率高达1016厘米，绝缘性能好；5.很强的屏蔽钠离子的能力；对各种气体、水蒸气、磷、硼、砷、氧、镓、铟

11、等有很强的屏蔽能力。是一种优良的钝化材料；6.化学稳定性好，仅被氢氟酸和热磷酸腐蚀；7.应力很大，所以膜厚应该小于2000。二氧化硅应作为硅基片和氮化硅之间的缓冲层。等离子体化学气相沉积系统包括冷壁板式反应器(类似于等离子体蚀刻系统)、热壁板式反应器(类似于LPCVD系统)和高密度等离子体反应器。工作气体、射频源、阴极、阳极、加热器和等离子体化学气相沉积(PECVD)通常用于沉积绝缘层，因此等离子体必须通过射频产生。离子轰击为二次生物质提供能量，使其能在较低温度下在硅片上发生化学反应沉积薄膜。13.7等离子体增强化学气相沉积，等离子体增强化学气相沉积的优点1。沉积温度低，通常为300-350，

12、特别适用于浅结器件和金属布线上的钝化层；2.沉积的薄膜易于等离子体刻蚀；3.沉积的薄膜针孔密度小，台阶覆盖率较好；4.通过改变气体流量，膜的组成可以从氧化物连续改变为氮化物，这使得堆叠和缓慢改变膜的技术成为可能。13.8金属化学气相沉积在金属进入接触孔时需要良好的台阶覆盖率，化学气相沉积工艺具有良好的台阶覆盖率，因此用化学气相沉积工艺沉积金属薄膜具有重要意义。已经测试了多种金属，其中最成功的是钨，在沉积的初始阶段应该使用WF6 3 H2 W 6 HF和SiH4作为还原剂，否则不能形成钨膜。当WF6富含气体时，形成纯钨，而当SiH4富含气体时，形成硅化钨。钨膜可用作多层金属化系统的缓冲层或阻挡层

13、。钨只能选择性地沉积在接触孔中，因为它优先成核在导电衬底上，而不是在绝缘体上。金属化学气相沉积工艺也可用于沉积铝、AlSi和铝硅合金作为互连线，钼和锡作为接触层或阻挡层，铜中铜互连技术等。例如，13.9铜互连技术和多层布线随着集成电路集成度的不断提高，互连线面积占整个芯片面积的比例越来越大。如果互连线的长度、宽度和高度随着器件的缩小而缩小，寄生串联电阻将以相同的比例增加。事实上，由于芯片面积的增加，一些互连线的长度不能成比例地缩短。考虑到电源电压不断下降的趋势，互连线的寄生串联电阻将变得更加严重。其主要影响是增加功耗、降低可用电压和增加延迟时间。互连线的寄生电容也比预期的大。解决方案：采用铜互

14、连技术和多层布线技术。1.铝互连技术和金互连技术铝互连线电阻率低，可以不用接触层、粘接层和阻挡层，工艺简单，易于与铝线键合，产品价格低廉，因此得到了广泛的应用。铝的主要缺点是铝钉扎和PN结中的电迁移效应。此外，铝的电阻率约为铜的1.6倍。金具有很强的抗电迁移能力，特别是采用金线球形热压键合，键合点特别牢固，适用于具有特殊要求的高可靠性集成电路。金互连线成本高，主要用于GaAs集成电路。虽然银的电阻率最低，但银与硅的结合力较差，在二氧化硅中扩散迅速，电迁移效应严重。铜互连技术铜具有电阻率低、抗电迁移能力强的优点，适用于超大规模、超高速的细线集成电路。0.25米256米动态随机存取存储器采用铜互连

15、技术，首先是在大电流的顶部金属互连线上。预计铜互连技术将广泛应用于0.1米以下的集成电路。10年后，铜可能完全取代铝。在铜互连技术方面，目前IBM、摩托罗拉和德州仪器处于领先水平。阻止铜被用作互连线的主要原因是，对于上述困难(3)，有必要采用能够避免蚀刻的特殊方法来制造铜互连线，即所谓的“镶嵌工艺”，如下图所示。针对上述两个难点(1)和(2)，开发了在铜和硅衬底之间引入过渡层的技术，该技术不仅可以提高铜和硅衬底之间的粘附性，还可以防止铜扩散到硅衬底中。(1)铜的化学性质不太活泼，对基体的附着力比铝差；(2)铜容易扩散到硅衬底中，严重影响器件性能；(3)到目前为止，还没有实用有效的方法来蚀刻铜。生长绝缘介质、光刻沟槽、定向填铜、化学机械抛光、再生长绝缘介质和光刻沟槽、填铜和化学机械抛光。目前多层布线的水平已达到6 8层，预计10年内将达到10层以上。多层布线要解决的技术问题是：(1)寻找低k材料作为互连之间的介电层，以减少互连之间的寄生电容，从而减少RC延迟时间。目前，二氧化硅和旋涂有机技术适用于0.25米技术。德州仪器公司宣布了一项适用于0.15米的技术，将铜与超低钾材料结合，其超低钾材料是一种微孔网状干凝胶。通过改变孔隙率，相对介电常数可以在1-3.9的范围内调节。更先进的技术是使用化学机械抛光工艺来获得足够的表面平整度。(2)为了在光刻系统的焦深较小时清晰地