西电集成电路制造技术第六章化学气相淀积

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1、第六章第六章 化学气相淀积化学气相淀积主主 讲：毛讲：毛 维维 西安电子科技大学微电子学院西安电子科技大学微电子学院概述概述 n化学气相淀积：化学气相淀积：CVDChemical Vapour Deposition。n定义：定义：一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬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。底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。例如：例如：热分解热分解SiH4，SiH4=Si（多晶（多晶)+2H2(g)，SiH4+O2 =SiO2（薄膜）（薄膜）+2H2nCVD薄膜：薄膜：SiO2、Si3N4、PSG、BSG

2、（绝缘介质）、（绝缘介质）、多晶硅、金属（互连线多晶硅、金属（互连线/接触孔接触孔/电极）、电极）、单晶硅（外延）单晶硅（外延）nCVD系统：系统：常压常压CVD（APCVD）低压低压CVD（LPCVD）等离子等离子CVD（PECVD）概述概述 nCVD工艺的特点工艺的特点 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陷的生成，减轻杂质的再分布，适于制造浅结器件及 VLSI；n2、薄膜的成分精确可控、配比范围大，重复性好；、薄膜的成分精确可控、配比范围大，重复性好；n3、淀积速率一般高于物理淀积，厚度

3、范围大；、淀积速率一般高于物理淀积，厚度范围大；n4、膜的结构完整致密，与衬底粘附好，台阶覆盖性好。、膜的结构完整致密，与衬底粘附好，台阶覆盖性好。6.1.1 CVD的基本过程的基本过程传输：反应剂从气相传输：反应剂从气相(平流主气流区平流主气流区)经附面层（边界层）经附面层（边界层）扩散到（扩散到（Si）表面；）表面；吸附：反应剂吸附在表面；吸附：反应剂吸附在表面；化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产 物；物；淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜；淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜；脱吸：副产物脱离吸附；脱吸：副产物脱离吸附；逸出：脱吸的副产

4、物和未反应的反应剂从表面扩散到气逸出：脱吸的副产物和未反应的反应剂从表面扩散到气 相相(主气流区主气流区)，逸出反应室。，逸出反应室。6.1 CVD模型模型CVD 传输和反应步骤图传输和反应步骤图CVD 反应室Substrate连续膜 8)副产物 去除 1)反应物的质量传输副产物 2)薄膜先驱 物反应 3)气体分 子扩散 4)先驱物 的吸附 5)先驱物扩散 到衬底中 6)表面反应 7)副产物的解 吸附作用排气气体传送6.1 CVD模型模型6.1.2 边界层理论边界层理论nCVD气体的特性：平均自由程远小于反应室尺寸，具有黏滞气体的特性：平均自由程远小于反应室尺寸，具有黏滞 性；性；n平流层：主

5、气流层，流速平流层：主气流层，流速Um 均一；均一；n边界层（附面层、滞留层）：流速受到扰动的气流层；边界层（附面层、滞留层）：流速受到扰动的气流层；n泊松流（泊松流（Poisseulle Flow）：沿主气流方向（平行）：沿主气流方向（平行Si表面）没有表面）没有 速度梯度，沿垂直速度梯度，沿垂直Si表面存在速度梯度的流体；表面存在速度梯度的流体；6.1 CVD模型模型6.1.2 边界层理论边界层理论n边界层厚度边界层厚度（x）(流速小于流速小于0.99 Um 的区域的区域)：（x）=（x/U)1/2 -气体黏滞系数，气体黏滞系数，x-距基座边界的距离，距基座边界的距离，-气体密度，气体密度

6、，U-边界层流速；边界层流速；n平均厚度平均厚度 nRe=UL/,称为雷诺数称为雷诺数(无量纲无量纲),表示流体惯性力与黏滞力之比表示流体惯性力与黏滞力之比n雷诺数取值：雷诺数取值：2000，湍流型（要尽量防止）。，湍流型（要尽量防止）。2/1032)(1LULLdxxLRe32L6.1.3 Grove模型模型6.1 CVD模型模型n6.1.3 Grove模型模型假定边界层中反应剂的浓度梯度为线性近似，则假定边界层中反应剂的浓度梯度为线性近似，则 流密度为：流密度为：F1=hg(Cg-Cs)hG-气相质量转移系数，气相质量转移系数，Cg-主气流中反应剂浓度，主气流中反应剂浓度，CS-衬底表面处

7、反应剂浓度；衬底表面处反应剂浓度；表面的化学反应淀积薄膜的速率正比于表面的化学反应淀积薄膜的速率正比于Cs，则，则 流密度为：流密度为：F2=ksCs平衡状态下，平衡状态下，F1=F2(=F)，则，则 Cs=Cg/(1+ks/hg)6.1.3 Grove模型模型 Cs=Cg/(1+ks/hg)两种极限：两种极限：a.hg ks时，时，Cs Cg，n反应控制；反应控制；b.hg ks，G=（CTksY)/N1，反应控制；，反应控制；nhg ks转为反应控制转为反应控制G饱和。饱和。6.1 CVD模型模型淀积速率与温度的关系淀积速率与温度的关系n低温下，低温下，hg ks，反应控制过程，故反应控制

8、过程，故 G与与T呈指数关系；呈指数关系；n高温下，高温下，hg ks，质量输运控制过程，质量输运控制过程，hg对对T不敏感，故不敏感，故 G趋于平稳。趋于平稳。6.1 CVD模型模型6.2 CVD系统系统nCVD系统的组成：系统的组成：气体源：气态源和液态源；气体源：气态源和液态源；气路系统气路系统:气体输入管道、阀门等；气体输入管道、阀门等；流量控制系统：质量流量计；流量控制系统：质量流量计；反应室：圆形、矩形；反应室：圆形、矩形；基座加热及控制系统：电阻丝、石墨；基座加热及控制系统：电阻丝、石墨；温度控制及测量系统温度控制及测量系统6.2 CVD系统系统6.2 CVD系统系统6.2.2

9、质量流量控制系统质量流量控制系统1.质量流量计质量流量计n作用：精确控制气体流量（作用：精确控制气体流量（ml/s)；n操作：单片机程序控制；操作：单片机程序控制；2.阀门阀门n作用：控制气体输运；作用：控制气体输运；6.2.4 CVD技术技术1.APCVD（常压（常压 CVD）n定义：定义：气相淀积在气相淀积在1个大气压下进行；个大气压下进行；n淀积机理：淀积机理：气相质量输运控制过程。气相质量输运控制过程。n优点：优点：淀积速率高（淀积速率高（100nm/min）；操作简便；）；操作简便；n缺点：缺点：均匀性差；台阶覆盖差；均匀性差；台阶覆盖差；易发生气相反应，产生微粒污染。易发生气相反应

10、，产生微粒污染。n可淀积的薄膜：可淀积的薄膜：Si外延薄膜；外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄薄 膜。膜。常压化学气相淀积常压化学气相淀积6.2.4 CVD技术技术2.LPCVD（低压（低压 CVD）n定义：定义：在在27270Pa压力下进行化学气相淀积。压力下进行化学气相淀积。n淀积机理：淀积机理：表面反应控制过程。表面反应控制过程。n优点：优点：均匀性好（均匀性好（35，APCVD：10）；）；台阶覆盖好；效率高、成本低。台阶覆盖好；效率高、成本低。n缺点：缺点：淀积速率低；温度高。淀积速率低；温度高。n可淀积的薄膜：可淀积的薄膜：poly-Si、Si3N4、SiO2、PSG

11、、BPSG、W等。等。低压化学气相淀积低压化学气相淀积6.2.4 CVD技术技术3.PECVD（等离子体增强（等离子体增强CVD）n定义定义:RF激活气体分子（等离子体）激活气体分子（等离子体）,使其在低温使其在低温 （室温）下发生化学反应，淀积成膜。（室温）下发生化学反应，淀积成膜。n淀积机理：淀积机理：表面反应控制过程。表面反应控制过程。n优点：优点：温度低（温度低（200350）；更高的淀积速率；附着）；更高的淀积速率；附着 性好；台阶覆盖好；电学特性好；性好；台阶覆盖好；电学特性好；n缺点：缺点：产量低；产量低；n淀积薄膜：淀积薄膜：金属化后的钝化膜（金属化后的钝化膜（Si3N4）；多

12、层布）；多层布 线的介质膜（线的介质膜（Si3N4、SiO2）。）。等离子体化学气相淀积等离子体化学气相淀积二、各种CVD方法6.3 CVD多晶硅多晶硅6.3.1 多晶硅薄膜的特性多晶硅薄膜的特性 1.结构特性结构特性 由无数生长方向各不相同的小晶粒由无数生长方向各不相同的小晶粒(100nm量级）组量级）组 成；主要生长方向（优选方向）成；主要生长方向（优选方向）。晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键。晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键。2.物理特性：物理特性：扩散系数明显高于单晶硅；扩散系数明显高于单晶硅；3.电学特性电学特性n电阻率远高于单晶硅；电阻率远高于单晶硅；n晶粒尺寸大的薄膜电阻率小。晶粒尺

13、寸大的薄膜电阻率小。6.2.4 CVD技术技术6.3.2 CVD多晶硅多晶硅n工艺：工艺：LPCVD热分解（通常主要采用）；热分解（通常主要采用）；n气体源：气态气体源：气态SiH4；n淀积过程：淀积过程：吸附：吸附：SiH4（g)SiH4（吸附（吸附)热分解：热分解：SiH4（吸附（吸附)=SiH2（吸附（吸附)+H2(g)SiH2（吸附（吸附)=Si（吸附（吸附)+H2（g)淀积：淀积：Si（吸附（吸附)=Si（固（固)脱吸、逸出：脱吸、逸出：SiH2、H2脱离表面，逸出反应室。脱离表面，逸出反应室。n总反应式：总反应式：SiH4（吸附（吸附)=Si（固体（固体)+2H2(g)6.3 CV

14、D多晶硅多晶硅n特点：特点：与与Si及及SiO2的接触性能更好；的接触性能更好；台阶覆盖性好。台阶覆盖性好。n缺点：缺点：SiH4易气相分解。易气相分解。n用途：用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。欧姆接触、栅极、互连线等材料。n多晶硅掺杂多晶硅掺杂 扩散：电阻率低；温度高；扩散：电阻率低；温度高；离子注入离子注入:电阻率是扩散的电阻率是扩散的10倍；倍；原位掺杂：淀积过程复杂；原位掺杂：淀积过程复杂；n多晶硅淀积之后多晶硅淀积之后进行进行(实际中采实际中采用该方法用该方法)6.4 CVD二氧化硅二氧化硅6.4 CVD二氧化硅二氧化硅6.4.1 CVD SiO2的方法的方法1.低温低温CVD

15、气态硅烷源气态硅烷源 n硅烷和氧气：硅烷和氧气：APCVD、LPCVD、PECVD 淀积机理淀积机理:SiH4+O2 400 SiO2（固）（固）+H2n硅烷和硅烷和N2O（NO）：PECVD 淀积机理淀积机理:SiH4+N2O 200-400 SiO2+N2+H2On原位掺原位掺P：形成形成PSG 淀积机理淀积机理:PH3(g)+5O2=2P2O5(固固)+6H2 优点：优点：温度低；反应机理简单。温度低；反应机理简单。缺点：缺点：台阶覆盖差。台阶覆盖差。6.4 CVD二氧化硅二氧化硅液态液态TEOS源：源：PECVDn淀积机理：淀积机理：Si(OC2H5)4+O2 250-425 SiO2

16、+H2O+CXHYn优点：优点：安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。n缺点：缺点：SiO2膜质量较热生长法差；膜质量较热生长法差；SiO2膜含膜含C、有机原子团。、有机原子团。2.中温中温LPCVD SiO2n温度：温度：680-730n化学反应：化学反应：Si(OC2H5)4 SiO2+2H2O+4C2H4n优点：优点：较好的保形覆盖；较好的保形覆盖；n缺点：缺点：只能在只能在Al层淀积之前进行。层淀积之前进行。6.4 CVD二氧化硅二氧化硅6.4.2 台阶覆盖台阶覆盖n保形覆盖：保形覆盖：所有图形上淀积的薄膜所有图形上淀积的薄膜 厚度相同；也称共性厚度相同；

17、也称共性 conformal）覆盖。）覆盖。n覆盖模型：覆盖模型：淀积速率正比于气体分子到达表淀积速率正比于气体分子到达表 面的角度面的角度(到达角到达角)；特殊位置的淀积机理：特殊位置的淀积机理：a直接入射；直接入射；b再发射；再发射；c表面迁移。表面迁移。n保形覆盖的关键：保形覆盖的关键：n表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比；表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比；n再发射再发射6.4 CVD二氧化硅二氧化硅6.4.3 CVD掺杂掺杂SiO21.PSGn工艺：原位掺杂工艺：原位掺杂PH3；n组分：组分：P2O5 和和 SiO2；n磷硅玻璃回流（磷硅玻璃回流（P-glass flow）工艺：）工

18、艺：PSG受热变软易受热变软易 流动，可提供一平滑的表面，也称高温平坦化流动，可提供一平滑的表面，也称高温平坦化 （100-1100）。）。(好处好处:提高后续淀积的台阶覆盖提高后续淀积的台阶覆盖)2.BPSG（硼磷硅玻璃）（硼磷硅玻璃）n工艺：原位掺杂工艺：原位掺杂PH3、B2H6；n组分：组分：B2O3-P2O5-SiO2；n回流平坦化温度：回流平坦化温度：850；6.5 CVD Si3N4nSi3N4薄膜的用途：薄膜的用途：最终钝化膜和机械保护层；最终钝化膜和机械保护层；掩蔽膜：用于选择性氧化；掩蔽膜：用于选择性氧化；DRAM电容的绝缘材料；电容的绝缘材料；MOSFETs中的侧墙；中的侧

19、墙；浅沟隔离的浅沟隔离的CMP停止层。停止层。nSi3N4薄膜的特性：薄膜的特性：扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧；扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧；对底层金属可保形覆盖；对底层金属可保形覆盖；可作为钝化层的原因可作为钝化层的原因 针孔少；压应力可以很低针孔少；压应力可以很低(PECVD)；介电常数较大：介电常数较大：(Si3N4=6-9,SiO2=4.2),不能作层间的绝缘层。不能作层间的绝缘层。6.5 CVD Si3N4CVD Si3N4薄膜工艺薄膜工艺1.LPCVD 反应剂：反应剂：SiH2Cl2+NH3 Si3N4+H2+HCl 温度：温度：700-800；速率：与总压力（或速率：

20、与总压力（或SiH2Cl2分气压分气压)成正比；成正比；特点：密度高；不易被稀特点：密度高；不易被稀HF腐蚀；腐蚀；化学配比好；保形覆盖；化学配比好；保形覆盖；缺点：应力大；缺点：应力大；2.PECVD 反应：反应：SiH4+NH3（或（或N2）SixNyHz+H2 温度：温度：200-400；nH危害的解决：危害的解决：N2代替代替NH3；H的危害：阈值漂移。的危害：阈值漂移。6.6 金属的金属的CVDn常用的常用的CVD金属薄膜：金属薄膜：Al、W、Ti、Cu6.6.1 钨的钨的CVDnW的特性：的特性：热稳定性高：熔点热稳定性高：熔点3410；应力低：应力低：保形覆盖好；保形覆盖好；抗电

21、迁移强；抗电迁移强；耐腐蚀；耐腐蚀；体电阻率较小体电阻率较小(相比于相比于Ti和和Ta)。nW的缺点：的缺点：电阻率相对较高：是电阻率相对较高：是Al的一倍；的一倍；在氧化物和氮化物上的附着性差：可实现选择性淀积；在氧化物和氮化物上的附着性差：可实现选择性淀积；nW的用途：的用途：特征尺寸小于特征尺寸小于1m的的接触孔和通孔填充接触孔和通孔填充钨插塞；钨插塞；局部互连。局部互连。6.6.1 钨的钨的CVD1.CVD W的化学反应的化学反应n很理想的很理想的W源：源：WF6（沸点（沸点17,易气态输送、可精确易气态输送、可精确 控制流量）控制流量）nWF6与与Si：2WF6+3Si 2W(s)+

22、3SiF4(g)特性：特性：反应自停止反应自停止(因为因为WF6无法继续扩散穿过所生成无法继续扩散穿过所生成 的厚钨薄膜的厚钨薄膜)；nWF6与与H2：WF6+H2 W（s)+6HF(g)nWF6与与SiH4：2WF6+3SiH4 2W+3SiF4+6H22.覆盖式覆盖式CVD W与回刻与回刻n覆盖式淀积：在整个覆盖式淀积：在整个Si片上淀积；片上淀积；n回刻（反刻）：去除多余的回刻（反刻）：去除多余的W；6.6.2 硅化钨的硅化钨的CVDnCVD WSi2薄膜的应用：薄膜的应用：形成形成polycide多层栅结构；多层栅结构；IC存储器中的字线与位线；存储器中的字线与位线；覆盖式钨的附着层。

23、覆盖式钨的附着层。n化学反应：化学反应：WF6+2SiH4 WSi2+6HF+H2n实际化学式实际化学式:WSix，要求，要求x2；n工艺条件：增大工艺条件：增大SiH4的流量；的流量；n6.6.3 TiN的的CVD TiN作用：作用：作为作为W的扩散阻挡层时有的扩散阻挡层时有2个目的个目的 防止底层的防止底层的Ti与与WF6反应，反应式为反应，反应式为 WF6+Ti W+TiF4 保护保护WF6不与硅发生反应。不与硅发生反应。n6.6.4 Al的的CVD CVD铝的潜在优点：铝的潜在优点：CVD铝对接触孔有很好的填充性；铝对接触孔有很好的填充性；较低的电阻率较低的电阻率(与钨相比与钨相比)；一次完成填充和互连；一次完成填充和互连；CVD铝淀积温度比铝淀积温度比CVD钨低。钨低。