集成电路制造技术_第六章化学气相淀积

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第六章 化学气相淀积
主
讲:毛
维
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西安电子科技大学微电子学院
概述




化学气相淀积:CVD——Chemical Vapour Deposition。
定义:一种或数种物质的气体,以某种方式激活后,在衬
底发生化学反应,并淀积出所需固体薄膜的生长技
术。
例如: 热分解SiH4, SiH4 = Si(多晶)+2H2(g) ,
SiH4+O2 = SiO2 (薄膜)+2H2
CVD薄膜:SiO2、Si3N4、PSG、BSG(绝缘介质)、
多晶硅、金属(互连线/接触孔/电极)、
单晶硅(外延)
CVD系统:常压CVD(APCVD)
低压CVD(LPCVD)
等离子CVD(PECVD)
概述

CVD工艺的特点
1、CVD工艺的温度低,可减轻硅片的热形变,抑制缺
陷的生成,减轻杂质的再分布,适于制造浅结器件及
VLSI;

2、薄膜的成分精确可控、配比范围大,重复性好;

3、淀积速率一般高于物理淀积,厚度范围大;

4、膜的结构完整致密,与衬底粘附好,台阶覆盖性好。
6.1 CVD模型
6.1.1 CVD的基本过程
①传输:反应剂从气相(平流主气流区)经附面层(边界层)
扩散到(Si)表面;
②吸附:反应剂吸附在表面;
③化学反应:在表面进行化学反应,生成薄膜分子及副产
物;
④淀积:薄膜分子在表面淀积成薄膜;
⑤脱吸:副产物脱离吸附;
⑥逸出:脱吸的副产物和未反应的反应剂从表面扩散到气
相(主气流区),逸出反应室。
CVD 传输和反应步骤图
1) 反应物的质
量传输
气体传送
2) 薄膜先驱
物反应
3) 气体分
子扩散
4) 先驱物
的吸附
CVD 反应室
7) 副产物的解
吸附作用
8) 副产物
去除
副产物
排气
5) 先驱物扩散
到衬底中
6) 表面反应
Substrate
连续膜
6.1 CVD模型
6.1.2 边界层理论




CVD气体的特性:平均自由程远小于反应室尺寸,具有黏滞
性;
平流层:主气流层,流速Um 均一;
边界层(附面层、滞留层):流速受到扰动的气流层;
泊松流(Poisseulle Flow):沿主气流方向(平行Si表面)没有
速度梯度,沿垂直Si表面存在速度梯度的流体;
6.1 CVD模型
6.1.2 边界层理论

边界层厚度δ(x)(流速小于0.99 Um 的区域):
δ(x)=(μx/ρU)1/2

μ-气体黏滞系数,x-距基座边界的距离,
ρ-气体密度,U-边界层流速;
1/ 2
L
平均厚度
1
2   
 

 ( x)dx  L

L
3  UL 
0
 


2L
3 Re
Re= ρUL /μ,称为雷诺数(无量纲),表示流体惯性力与黏滞力之比
雷诺数取值:<2000,平流型;商业CVD:50-100;
>2000,湍流型(要尽量防止)。
6.1.3 Grove模型
6.1 CVD模型

6.1.3 Grove模型
①假定边界层中反应剂的浓度梯度为线性近似,则
流密度为: F1=hg(Cg-Cs)
hG-气相质量转移系数,
Cg-主气流中反应剂浓度,
CS-衬底表面处反应剂浓度;
②表面的化学反应淀积薄膜的速率正比于Cs,则
流密度为: F2=ksCs
③平衡状态下,F1=F2 (= F),则
Cs = Cg/(1+ks/hg)
6.1.3 Grove模型
Cs = Cg/(1+ks/hg)
④两种极限:
a. hg >> ks时,
Cs → Cg ,
 反应控制;
b. hg << ks时,
Cs → 0,
 扩散控制;
6.1 CVD模型
⑤薄膜淀积速率G的一般表达式
 设形成一个单位体积薄膜所需的原子数为N1,
(Si:N1=5x1022cm-3),则稳态下(平衡状态),由
F=F1=F2 ,F2=ksCs 及Cs = Cg/(1+ks/hg),得
G=F/N1=F2/N1=[kshg/(ks+hg)](Cg/N1)
其中,Cg=YCT,(多数CVD过程,反应剂被惰气稀释)
Y-反应剂的摩尔百分比,CT-单位体积的分子总
数/cm3;
6.1 CVD模型

Grove模型一般表达式:
G=[kshg/(ks+hg)](CT/N1)Y,(Cg=YCT)
两个结论:
a.G与Cg(无稀释气体)或Y(有稀释气体)成正比;
b.当Cg或Y为常数时,G由ks 、hg中较小者决定:
 hg >> ks,G=(CTksY)/N1 ,反应控制;
 hg << ks,G=(CThgY)/N1 ,扩散控制;

6.1 CVD模型
影响淀积速率的因素
①主气体流速Um
∵ G=(CThgY)/N1 (扩散控制),
F1=Dg(Cg-Cs)/δs (菲克第一定律)
D g 3D g
hg=Dg/δs=

Re (F1前后两式比较所得)

2L
Re= ρUL /μ,U≤0.99Um,
∴结论:扩散控制的G与Um1/2成正比
提高G的措施: a.降低δs:缩小基座的长度L;
b.增加Um:但Um增大到一定值后→
hg >> ks→转为反应控制→G饱和。

6.1 CVD模型
6.1 CVD模型
②淀积速率与温度的关系
 低温下,hg>> ks,
反应控制过程,故
G与T呈指数关系;
 高温下,hg<< ks,
质量输运控制过程,
hg对T不敏感,故
G趋于平稳。
6.2 CVD系统

CVD系统的组成:
①气体源:气态源和液态源;
②气路系统:气体输入管道、阀门等;
③流量控制系统:质量流量计;
④反应室:圆形、矩形;
⑤基座加热及控制系统:电阻丝、石墨;
⑥温度控制及测量系统
6.2 CVD系统



6.2.1 气体源
例如CVD二氧化硅:气态源SiH4(与O2或N2O反应);
液态源TEOS(正硅酸四乙酯分解).
液态源的优势:
①安全:气压小,不易泄露;
②淀积的薄膜特性好
液态源的输运:
①冒泡法:由N2、H2、Ar2气体携带;
②加热法:直接加热液态源,使之气化;
③直接注入法:液态源先注入到气化室,气化后直接送入
反应室。
6.2 CVD系统
6.2.2 质量流量控制系统
1.质量流量计
 作用:精确控制气体流量(ml/s);
 操作:单片机程序控制;
2.阀门
 作用:控制气体输运;
6.2.4 CVD技术
1. APCVD(常压 CVD )
 定义:气相淀积在1个大气压下进行;
 淀积机理:气相质量输运控制过程。



优点:淀积速率高(100nm/min);操作简便;
缺点:均匀性差;台阶覆盖差;
易发生气相反应,产生微粒污染。
可淀积的薄膜:Si外延薄膜;SiO2、poly-Si、Si3N4薄
膜。
常压化学气相淀积
6.2.4 CVD技术
2. LPCVD(低压 CVD )
 定义:在27-270Pa压力下进行化学气相淀积。
 淀积机理:表面反应控制过程。



优点:均匀性好(±3-5%,APCVD: ±10%);
台阶覆盖好;效率高、成本低。
缺点:淀积速率低;温度高。
可淀积的薄膜: poly-Si、 Si3N4 、 SiO2、PSG、
BPSG、W等。
低压化学气相淀积
6.2.4 CVD技术
3. PECVD(等离子体增强CVD)





定义: RF激活气体分子(等离子体),使其在低温
(室温)下发生化学反应,淀积成膜。
淀积机理:表面反应控制过程。
优点:温度低(200-350℃);更高的淀积速率;附着
性好;台阶覆盖好;电学特性好;
缺点:产量低;
淀积薄膜:金属化后的钝化膜( Si3N4 );多层布
线的介质膜( Si3N4 、SiO2)。
等离子体化学气相淀积
二、各种CVD方法
6.3 CVD多晶硅
6.3.1 多晶硅薄膜的特性
1. 结构特性
①由无数生长方向各不相同的小晶粒(100nm量级)组
成;主要生长方向(优选方向)--<110>。
②晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键。
2. 物理特性:扩散系数明显高于单晶硅;
3. 电学特性
 ①电阻率远高于单晶硅;
 ②晶粒尺寸大的薄膜电阻率小。
6.2.4 CVD技术
6.3.2 CVD多晶硅
 工艺:LPCVD热分解(通常主要采用);
 气体源:气态SiH4;
 淀积过程:
①吸附:SiH4(g)→ SiH4(吸附)
②热分解: SiH4(吸附) = SiH2(吸附)+H2(g)
SiH2(吸附) = Si(吸附)+H2(g)
③淀积:Si(吸附)= Si(固)
④脱吸、逸出: SiH2、H2脱离表面,逸出反应室。
 总反应式: SiH4(吸附) = Si(固体)+2H2(g)
6.3 CVD多晶硅
特点:
①与Si及SiO2的接触性能更好;
②台阶覆盖性好。
 缺点: SiH4易气相分解。
 用途:欧姆接触、栅极、互连线等材料。
 多晶硅掺杂
①扩散:电阻率低;温度高;
 多晶硅淀积之后
②离子注入:电阻率是扩散的10倍;
进行(实际中采
用该方法)
③原位掺杂:淀积过程复杂;

6.4 CVD二氧化硅
6.4 CVD二氧化硅
6.4.1 CVD SiO2的方法
1. 低温CVD
①气态硅烷源
 硅烷和氧气:
APCVD、LPCVD、PECVD
淀积机理:
SiH4+O2 ~400℃ SiO2 (固)+H2
 硅烷和N2O(NO) :PECVD
淀积机理: SiH4+N2O 200-400℃ SiO2+N2+H2O
 原位掺P:形成PSG
淀积机理:
PH3(g)+5O2=2P2O5(固)+6H2
优点:温度低;反应机理简单。
缺点:台阶覆盖差。
6.4 CVD二氧化硅
②液态TEOS源:PECVD
 淀积机理: Si(OC2H5)4+O2 250-425℃ SiO2+H2O+CXHY
 优点:安全、方便;厚度均匀;台阶覆盖好。
 缺点:SiO2膜质量较热生长法差;
SiO2膜含C、有机原子团。
2. 中温LPCVD SiO2
 温度:680-730℃
 化学反应:Si(OC2H5)4 → SiO2+2H2O+4C2H4
 优点:较好的保形覆盖;
 缺点:只能在Al层淀积之前进行。
6.4 CVD二氧化硅
6.4.2 台阶覆盖
 保形覆盖:所有图形上淀积的薄膜
厚度相同;也称共性
conformal)覆盖。
 覆盖模型:
①淀积速率正比于气体分子到达表
面的角度(到达角);
②特殊位置的淀积机理:
a直接入射;b再发射;c表面迁移。
 保形覆盖的关键:
 ①表面迁移:与气体分子黏滞系数成反比;
 ②再发射
6.4 CVD二氧化硅
6.4.3 CVD掺杂SiO2
1. PSG
 工艺:原位掺杂PH3;
 组分:P2O5 和 SiO2;
 磷硅玻璃回流( P-glass flow )工艺:PSG受热变软易
流动,可提供一平滑的表面,也称高温平坦化
(100-1100℃)。(好处:提高后续淀积的台阶覆盖)
2. BPSG(硼磷硅玻璃)
 工艺:原位掺杂PH3 、B2H6;
 组分:B2O3-P2O5-SiO2;
 回流平坦化温度:850 ℃;
6.5 CVD Si3N4
Si3N4薄膜的用途:
①最终钝化膜和机械保护层;
②掩蔽膜:用于选择性氧化;
③DRAM电容的绝缘材料;
④MOSFETs中的侧墙;
⑤浅沟隔离的CMP停止层。
 Si3N4薄膜的特性:
①扩散掩蔽能力强,尤其对钠、水汽、氧;
②对底层金属可保形覆盖;
可作为钝化层的原因
③针孔少;压应力可以很低(PECVD);
④介电常数较大:(εSi3N4=6-9,εSiO2=4.2) ,不能作层间的绝缘层。

6.5 CVD Si3N4
CVD Si3N4薄膜工艺
1. LPCVD
①反应剂: SiH2Cl2 + NH3 → Si3N4+H2+HCl
②温度:700-800 ℃;
③速率:与总压力(或SiH2Cl2分气压)成正比;
④特点:密度高;不易被稀HF腐蚀;
化学配比好;保形覆盖;
⑤缺点:应力大;
2. PECVD
①反应: SiH4 + NH3 (或N2) → SixNyHz + H2
②温度:200-400℃;
 H危害的解决:N2代替NH3;
③H的危害:阈值漂移。
6.6 金属的CVD
常用的CVD金属薄膜:Al、W、Ti、Cu
6.6.1 钨的CVD
 W的特性:
①热稳定性高:熔点3410℃;
②应力低:
③保形覆盖好;
④抗电迁移强;
⑤耐腐蚀;
⑥体电阻率较小(相比于Ti和Ta)。
 W的缺点:
①电阻率相对较高:是Al的一倍;
②在氧化物和氮化物上的附着性差:可实现选择性淀积;
 W的用途:
①特征尺寸小于1μm的接触孔和通孔填充——钨插塞;
②局部互连。

6.6.1 钨的CVD
1. CVD W的化学反应
 很理想的W源:WF6(沸点17℃,易气态输送、可精确
控制流量)
 WF6与Si:2WF6 + 3Si → 2W(s) + 3SiF4(g)
特性:反应自停止(因为WF6无法继续扩散穿过所生成
的厚钨薄膜);
 WF6与H2: WF6 + H2 → W(s) + 6HF(g)
 WF6与SiH4:2WF6 + 3SiH4 → 2W + 3SiF4 + 6H2
2. 覆盖式CVD W与回刻
 覆盖式淀积:在整个Si片上淀积;
 回刻(反刻):去除多余的W;
6.6.2 硅化钨的CVD
CVD WSi2薄膜的应用:
①形成polycide多层栅结构;
②IC存储器中的字线与位线;
③覆盖式钨的附着层。
 化学反应: WF6 + 2SiH4 → WSi2 + 6HF + H2
 实际化学式: WSix,要求x>2;
 工艺条件:增大SiH4的流量;



6.6.3 TiN的CVD
TiN作用:作为W的扩散阻挡层时有2个目的
①防止底层的Ti与WF6反应,反应式为
WF6+Ti → W+TiF4
②保护WF6不与硅发生反应。
6.6.4 Al的CVD
CVD铝的潜在优点:
①CVD铝对接触孔有很好的填充性;
②较低的电阻率(与钨相比);
③一次完成填充和互连;
④CVD铝淀积温度比CVD钨低。

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