《薄膜CVD技术》PPT课件

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1、第 十 章薄 膜 化 学 汽 相 淀 积 （ CVD） 技 术10.1. 化 学 汽 相 淀 积 （ CVD） 原 理10.1.1. 薄 膜 生 长 的 基 本 过 程 (与 外 延 相 似 )外 延 是 一 特 殊 的 薄 膜 生 长1)参 加 反 应 的 气 体 混 合 物 被 输 运 到 沉 积 区2)反 应 物 分 子 由 主 气 流 扩 散 到 衬 底 表 面3)反 应 物 分 子 吸 附 在 衬 底 表 面 4） 吸 附 物 分 子 间 或 吸 附 分 子 与 气 体 分 子 间 发 生 化 学 反 应 ， 生 成 化 学 反 应 产 物 和 副 产物 ， 并 沉 积 在 衬 底

2、表 面 （ 或 原 子 迁 移 到 晶 格位 置 ）5） 反 应 副 产 物 分 子 从 衬 底 表 面 解 吸6） 副 产 物 分 子 由 衬 底 表 面 外 扩 散 到 主 气 流 中 ， 然 后 排 出 沉 积 区10.1.2. Grove模 型 和 质 量 附 面 层 模 型Grove模 型 :F1=hG(CG-CS)F 2=kSCSG=F/m =kShG/(kS+hG)(CT/ m)Y G=hG（ CG/ m） 为 高 温 下 的 质 量 输 运 控 制G=kS（ CG/ m） 为 较 低 温 下 的 表 面 反 应 控 制质 量 附 面 层 （ 速 度 界 面 层 ） 模 型 :

3、可 得 ：所 以 ： eLm RLvLL 3232 0 02323 vLLDRLDDh mGeLGGG aG TTDD 00 KTES ek CVD原 理 的 特 点 ？10.2. CVD反 应 室气 相 沉 积 的 反 应 控 制 模 式 主 要 为 质 量 输 运控 制 和 表 面 反 应 控 制 。质 量 输 运 控 制 ： 工 艺 容 易 控 制 ； 反 应 温 度 较 高 ， 生 成膜 的 质 量 较 好 ， 但 容 易 引 入 污 染 和 外 延 时 的 自 掺 杂 ，可 能 存 在 工 艺 上 的 不 兼 容 ； 设 备 简 单 ； 生 长 与 气 流有 关 ， 厚 度 均 匀

4、性 不 易 控 制 。表 面 反 应 控 制 ： 生 长 反 应 与 气 流 无 关 ， 因 而 均 匀 性 好 ，产 量 高 ； 生 长 速 率 与 温 度 有 关 ， 较 难 控 制 ； 生 长 温度 低 ， 污 染 小 ， 但 容 易 产 生 缺 陷 。通 过 降 低 反 应 时 的 总 气 压 ， 可 以 使 D G（ hG）增 加 ， 从 而 实 现 表 面 反 应 控 制 。 在 这 种 情 况 下 ， 生长 速 率 降 低 ， 即 使 在 进 一 步 降 低 反 应 温 度 ， 也 能 较好 地 控 制 厚 度 和 缺 陷 。 10.2.1 常 压 CVD （ APCVD） 13

5、.5特 点 ： 温 度 高 ， 不 适 宜生 长 某 些 钝 化 膜应 用 ： 较 厚 的 膜 生 长生 长 速 率 ： m/min 10.2.2 低 压 CVD （ LPCVD）通 过 降 低 反 应 时 的 总 气 压 (0.252.0torr)， 可 以使 DG（ hG） 增 加 ， 从 而 实 现 表 面 反 应 控 制 。在 这 种 情 况 下 ， 生 长 速 率 降 低 （ nm/min） ，即 使 在 进 一 步 降 低 反 应 温 度 (500700 C)，也 能 较 好 地 控 制 厚 度 和 缺 陷 。 由 于 温 度 低 ，反 应 生 成 的 原 子 、 分 子 的 迁

6、移 动 能 低 ， 容 易形 成 堆 积 缺 陷 ； 因 而 有 些 介 质 膜 不 宜 用LPCVD技 术 。 10.2.3 PECVD 为 了 进 一 步 提 高 成 膜 质 量 ， 进 一 步 降 低 反 应温 度 和 提 高 生 长 速 率 ， 采 用 了 等 离 子 增 强CVD。 10.3. 薄 膜 的 性 质 及 其 生 长10.3.1. SiO2膜CVD生 长 的 SiO2膜 的 质 量 远 不 如 热 氧 化 SiO2膜 。 因 而 主 要 用 于 表 面 钝 化 和 隔 离 介 质 膜 工艺 。 而 PSG已 逐 步 成 为 主 要 的 表 面 钝 化 表 面钝 化 膜 。

7、 CVD生 长 的 SiO2也 用 于 化 合 物 半 导体 器 件 。目 前 在 金 属 化 之 前 主 要 采 用 TEOS-LPCVD，而 在 金 属 化 后 主 要 采 用 PECVD技 术 (?) 。 TEOS（ tetraethoxysilane， or Tetraethyl OrthoSilicate） （ Si(OC2H5)4） 四 乙 基 硅 氧 化 膜的 主 要 特 点 是 台 阶 覆 盖 能 力 好 ， 但 生 长 温 度 较高 ， 介 电 参 数 稍 差 。 主 要 用 于 抗 Al电 迁 移 的“ 阻 挡 层 ” (?)和 深 槽 的 “ 间 隙 壁 ” 。 （ pa

8、ge 145 表 、 146页 图 ） 10.3.2. PSG和 BPSG膜在 TEOS氧 化 中 加 入 少 量 磷 或 磷 硼 源 （ 如 ：TMPO、 TEB等 ） 可 形 成 PSG和 BPSG。PSG和 BPSG膜 的 特 点 ：金 属 离 子 吸 除 作 用 和 低 温 热 熔 流 特 性 PSG具 有 比 SiO2更 好 的 低 温 熔 流 性 而 用 于 平 坦化 工 艺 ， 由 于 PSG 的 稳 定 性 较 差 ， 且 对 Al有腐 蚀 作 用 ， 现 多 用 BPSG 。 10.3.3. 氮 化 硅 （ Si3N4） 和 SiOxNy膜由 于 Si3N4非 常 稳 定 和

9、 杂 质 掩 蔽 性 ， 在 IC工 艺中 主 要 作 为 掩 膜 或 外 层 保 护 膜 。1） SiO2膜 刻 蚀 的 掩 蔽2） 离 子 注 入 掩 蔽 膜3） 掩 蔽 SiO2膜 不 能 掩 蔽 的 杂 质 ， 如 ： Ga、 Zn4） 局 部 氧 化 （ LOCOS） 掩 蔽 膜5） 多 层 布 线 金 属 间 的 介 质 隔 离 膜6） 抗 碱 金 属 扩 散但 Si 3N4/Si界 面 的 应 力 很 大 ， 不 宜 直 接 在 Si上生 长 Si3N4膜 。 SiOxNy膜 是 解 决 这 一 问 题 的 途径 之 一 。 氮 化 硅 有 结 晶 化 形 和 无 定 形 两 种

10、在 器 件 中 常 希 望 无 定 形 氮 化 硅 （ ？ ）用 反 应 溅 射 法 等 物 理 方 法 和 低 温 CVD法可 以 制 备 无 定 形 氮 化 硅 膜 ， 但 以 CVD为 好 。 （ ？ ）常 用 PECVD法 ：3SiH2Cl2+7NH3Si3N4+3NH4Cl+HCl+6H2用 SiH 2Cl2比 用 SiH4生 长 的 膜 致 密 。 刻 蚀 ： 氢 氟 酸 、 磷 酸 、 氟 基 等 离 子 体Si3N4膜 SiO2膜 Si浓 HF中 的 腐蚀 速 率 （ 埃 /分 ） 150 50000缓 冲 HF中 的腐 蚀 速 率 （ 埃/分 ） 15 1000磷 酸 中 的

11、 腐 蚀速 率 （ 埃 /分 ） 100 10 5氟 基 等 离 子 体腐 蚀 速 率 （ 埃 /分 ） 110 20 60 10.3.4. Al2O3膜特 点 ：存 在 负 电 荷 效 应 （ 可 制 Al2O3-SiO2复 合 栅 结 构MAOS） （ ？ ）抗 辐 照 能 力 强抗 碱 金 属 迁 移耐 腐 蚀 性 好 （ 包 括 NaOH）Al2O3膜 也 有 结 晶 化 形 和 无 定 形 两 种CVD： 2AlCl 3+3CO2+3H2Al2O3+3CO+6HCl腐 蚀 ： 磷 酸 、 氟 基 等 离 子 体 Al2O3膜 的 缺 点 ： 应 力 大 、 工 艺 稳 定 性 差 、

12、 可 光 刻 性 差 10.3.4. 多 晶 硅 膜 Poly-Si1） 半 绝 缘 多 晶 硅 膜 （ SIPOS） 的 特 性 和 器 件工 艺 作 用是 一 种 近 于 电 中 性 的 半 导 体 材 料 ；与 Si的 界 面 上 的 界 面 态 少 ；有 独 特 机 理 的 表 面 钝 化 作 用 ：a） 表 面 离 子 沾 污 的 静 电 屏 蔽 b） 提 高 器 件 的 耐 压 水 平利 用 SIPOS膜 的 微 弱 导 电 性 ， p+区 所 加 的 负 电 位传 到 n区 的 表 面 ； 与 SiO2膜 中 的 正 电 荷 作 用 相 反 ，这 种 负 电 位 使 Si表 面

13、附 近 的 电 子 浓 度 减 少 ， 从而 使 耗 尽 区 的 表 面 电 场 被 削 弱 。（ 功 率 器 件 的 终 端 技 术 之 一 ） 2） SIPOS膜 的 生 长 工 艺LPCVD： SiH4Si+2H2 600650 C分 解 a） 工 艺 难 点 ：纯 度 的 保 证 高 阻 半 绝 缘 性 106 cm膜 的 均 匀 致 密b） 生 长 时 适 当 加 入 一 定 浓 度 的 氧 （ 15%） ， 形成 的 O-SIPOS膜 的 电 阻 率 可 提 高 （ 108 cm）c） 掺 入 氮 （ N-SIPOS） 可 提 高 抗 金 属 离 子 和 水汽 的 浸 蚀d） SI

14、POS膜 的 表 面 通 常 覆 盖 一 层 SiO 2膜e） 加 入 PH4、 AsH4和 BH4等 可 生 长 出 高 电 导 的掺 杂 多 晶 硅 3） 掺 杂 多 晶 硅 在 器 件 中 的 作 用a） MOS栅 的 自 对 准 工 艺 b） MOS感 应 栅 可 读 写 和 闪 存 器 件10.3.5. 金 属 材 料 CVD金 属 膜 的 生 长 以 物 理 溅 射 为 基 本 方 法 ， 但 由于 其 方 向 性 ， 使 其 台 阶 覆 盖 能 力 不 好 ； 合 金膜 和 硅 化 物 的 组 成 配 比 较 难 控 制 。1） 金 属 硅 化 物 的 CVD如 LPCVD： 2

15、WF6+SiH42WSix+3SiF4+14H2 6TiCl4+NH36TiN+24HCl+N2 Dep-Etch-Dep ProcessFilm deposited with PECVD creates pinch-off at the entrance to a gap resulting in a void in the gap fill.Key-hole defectBread-loaf effectMetalSiO2 The solution begins here1) Ion-induced deposition of film precursors 2) Argon ions s

16、putter-etch excess film at gap entrance resulting in a beveled appearance in the film. 3) Etched material is redeposited. The process is repeated resulting in an equal “bottom-up” profile.Cap 2） 金 属 膜 的 CVDa） 钨钨 插 塞 ： 多 层 金 属 布 线 间 的 互 连覆 盖 能 力 强 、 内 应 力 小 、 附 着 力 好工 艺 ： （ 阅 读 ） b） 铝AlC4H93TIBA 250C 分 解 CH32C2H5N:AlH3DMEAA 200C 分 解 High Aspect Ratio Gap Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering 10.3.5. 光 学 与 光 电 子 学 薄 膜