第六章化學氣相淀積

1、引言引言： 在集成電路的制造中，還需要制在集成電路的制造中，還需要制作特殊要求的薄膜，例如：多晶硅作特殊要求的薄膜，例如：多晶硅(Poly-Si)用于硅柵用于硅柵CMOS電路作為電路作為MOS管的柵電極，由于它可實現自對管的柵電極，由于它可實現自對準以及作為柵極連線而被受注意。低準以及作為柵極連線而被受注意。低溫淀積溫淀積SiO2，用于鈍化器件表面免受，用于鈍化器件表面免受物理及化學損傷。低溫淀積物理及化學損傷。低溫淀積Si3N4，用，用于于MOS電容器的絕緣層，既很致密又電容器的絕緣層，既很致密又很薄。很薄。 同時同時Si3N4的介電常數比的介電常數比SiO2的大的大(Si3N4 =6.57

2、.0,SiO2=3.9)，因此，因此同樣面積的電容，用同樣面積的電容，用Si3N4作介質層的作介質層的電容值幾乎大一倍。電容值幾乎大一倍。 為了獲得低溫下淀積生成的為了獲得低溫下淀積生成的Poly-Si,SiO2,Si3N4等薄膜必須引入化學氣等薄膜必須引入化學氣相淀積相淀積(Chemical Vapor Deposition)簡稱簡稱CVD。 CVDCVD方法是指在集成電路制作工藝方法是指在集成電路制作工藝中制備薄膜的一種方法，這種方法是中制備薄膜的一種方法，這種方法是把含有構成薄膜元素的氣態(tài)反應劑或把含有構成薄膜元素的氣態(tài)反應劑或液態(tài)反應劑的蒸汽以合理的流速引入液態(tài)反應劑的蒸汽以合理的流速

3、引入反應室，在較低的溫度反應室，在較低的溫度(700)(700)下，下，在硅片表面發(fā)生在硅片表面發(fā)生化學反應化學反應并將生成物并將生成物淀積在硅片表面形成薄膜的方法。例淀積在硅片表面形成薄膜的方法。例如：如：Poly-SiPoly-Si，CVDCVD反應為：反應為：)(2)()(26004gHsSHSii攝氏度熱分解吸附PVD vs. CVD CVD：襯底表面發(fā)生化學反應 PVD：襯底不表面發(fā)生化學反應 CVD: Better step coverage (50% to 100%) and gap fill capability PVD: Poor step coverage ( 15%) a

4、nd gap fill capability PVD sources: Solid materials CVD sources: Gases or vapors 具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復性好、臺階覆蓋優(yōu)良、于控制、均勻性和重復性好、臺階覆蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設備簡單等一系列優(yōu)點適用范圍廣、設備簡單等一系列優(yōu)點. CVD方法幾乎可以淀積集成電路工藝方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜中所需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬屬(鎢、鉬鎢、鉬)等等

5、CVD技術特點：技術特點：CVD 系統系統 常壓常壓CVD-APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition) 低壓低壓CVD-LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 等離子增強等離子增強CVD-PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)6.1 CVD 6.1 CVD 模型模型6.1.1 CVD6.1.1 CVD的基本過程的基本過程 圖圖6.16.1繪出了繪出了CVDCVD反應室中氣體流動及淀反應室中氣體流動及淀積過程的說明：積

6、過程的說明： CVD過程如下：過程如下： 反應劑氣體反應劑氣體(或被惰性氣體稀釋的反或被惰性氣體稀釋的反應劑氣體應劑氣體)送入反應室，在反應室內氣體送入反應室，在反應室內氣體以平流形式向出口流動，主氣流區(qū)也稱以平流形式向出口流動，主氣流區(qū)也稱平流層。平流層。 進入反應室內的部分反應劑，從主氣進入反應室內的部分反應劑，從主氣流區(qū)向外擴散，通過硅片上方的邊界層流區(qū)向外擴散，通過硅片上方的邊界層到達硅片表面，邊界層是指在硅片表面到達硅片表面，邊界層是指在硅片表面附近，氣流速度減小的氣體薄層，也稱附近，氣流速度減小的氣體薄層，也稱滯流層。滯流層。 到達硅片表面的反應劑被硅片表面到達硅片表面的反應劑被硅

7、片表面吸附，成為吸附原子吸附，成為吸附原子( (或分子或分子) )，同時在硅，同時在硅片表面發(fā)生化學反應生成薄膜。片表面發(fā)生化學反應生成薄膜。 化學反應的氣態(tài)副產物及未反應的化學反應的氣態(tài)副產物及未反應的反應劑離開硅片表面，隨主氣流排出。反應劑離開硅片表面，隨主氣流排出。6.1.2 邊界層或滯流層理論邊界層或滯流層理論(a)泊松流（泊松流（Poisson Flow)理論理論 由于氣體本身的粘滯性，當氣流流過一個由于氣體本身的粘滯性，當氣流流過一個靜止的固體表面時，那么固體表面和氣流之靜止的固體表面時，那么固體表面和氣流之間就存在摩擦力。摩擦力使緊貼固體表面的間就存在摩擦力。摩擦力使緊貼固體表面

8、的氣流速度明顯下降，甚至降為零，而在離開氣流速度明顯下降，甚至降為零，而在離開固體表面一定距離處，氣流速度達到最大氣固體表面一定距離處，氣流速度達到最大氣流速度，即主氣流速度。如果氣體是在管道流速度，即主氣流速度。如果氣體是在管道中流動，那么沿垂直氣流方向上的流速呈現中流動，那么沿垂直氣流方向上的流速呈現拋物線型變化。拋物線型變化。(b)(b)邊界層或滯流層理論邊界層或滯流層理論 滯流層滯流層是指在氣流速度為零的硅片表面與是指在氣流速度為零的硅片表面與氣流最大速度氣流最大速度U Um m之間的一個過渡區(qū)域的薄層。之間的一個過渡區(qū)域的薄層。滯流層的厚度滯流層的厚度(x)(x)定義為從速度為零的硅

9、定義為從速度為零的硅片表面到片表面到0.99 U0.99 Um m時的區(qū)域厚度。時的區(qū)域厚度。x x為距管道為距管道口的距離。事實上，口的距離。事實上，x x越大，滯流層越厚。越大，滯流層越厚。滯流層厚度滯流層厚度(x)(x)與與x x關系如下：關系如下： (x)=(x)=(x/x/U)U)1/21/2 (6.1) (6.1) 式中式中(x)(x)為距管道入口處距離為為距管道入口處距離為x x的滯流層的滯流層厚度。厚度。為氣體的粘滯系數，為氣體的粘滯系數，為氣體的密為氣體的密度。度。U=0.99UmU=0.99Um，UmUm為主氣流最大速度。為主氣流最大速度。6.1.3 格勞夫格勞夫(Grov

10、e)模型，影響模型，影響CVD 淀積速率的因素淀積速率的因素 1966年，年，Grove為了推導為了推導CVD淀積淀積速率表達式，解釋速率表達式，解釋CVD中的現象提出了中的現象提出了Grove模型。即現在仍在使用的兩步過程模型。即現在仍在使用的兩步過程型。型。 Grove模型認為模型認為CVD薄膜淀積速率薄膜淀積速率主要由兩步過程所控制，其一是主要由兩步過程所控制，其一是反應劑反應劑氣體向滯流層輸運過程氣體向滯流層輸運過程，其二是，其二是反應劑反應劑在硅片表面上的化學反應過程在硅片表面上的化學反應過程。 前一過程，可用氣相質量輸運系數前一過程，可用氣相質量輸運系數h hg g來表示，來表示，

11、 h hg g與氣體流速，氣體成分等氣與氣體流速，氣體成分等氣相參數有關。后一過程可用表面反應速相參數有關。后一過程可用表面反應速率常數率常數k ks s表示，表示， k ks s描述了表面化學反應描述了表面化學反應的動力機制。的動力機制。6.2 CVD設備6.2.1 APCVD (常壓CVD) 圖6.3給出了新型可連續(xù)APCVD淀積設備的示意圖： 反應劑噴嘴距硅片表面僅幾毫米，反應劑噴嘴距硅片表面僅幾毫米，反應物被立即排除，而保護性氣體（一般反應物被立即排除，而保護性氣體（一般為高純氧）形成正壓力，阻止了外界氣體為高純氧）形成正壓力，阻止了外界氣體混入，保護了硅片表面?；烊?，保護了硅片表面。

12、6.2.2 LPCVD (低壓CVD)圖圖6.4給出了立式給出了立式LPCVD設備示意圖：設備示意圖：6.2.3 PECVD (等離子增強CVD) 圖圖6.56.5給出了給出了PECVDPECVD設備示意圖，結構形設備示意圖，結構形式為式為RFRF電容耦合型：電容耦合型： 6.2.4 幾種CVD方法的比較（a）APCVD質量輸運控制淀積速率質量輸運控制淀積速率 優(yōu)點：它是較早使用的優(yōu)點：它是較早使用的CVD系統，在系統，在大氣壓下淀積操作簡單，淀積速率高。大氣壓下淀積操作簡單，淀積速率高。 缺點：臺階覆蓋性差，均勻性差，易缺點：臺階覆蓋性差，均勻性差，易發(fā)生氣相反應，產生微粒污染。發(fā)生氣相反應

13、，產生微粒污染。(b)LPCVD(b)LPCVD表面反應速度控制淀積速率表面反應速度控制淀積速率 優(yōu)點：低壓降低了氣相成核，減少了微優(yōu)點：低壓降低了氣相成核，減少了微粒污染，臺階覆蓋性和均勻性比較好。粒污染，臺階覆蓋性和均勻性比較好。低壓下，氣體擴散速率高。低壓下，氣體擴散速率高。 缺點：存在氣缺現象（氣體反應劑缺點：存在氣缺現象（氣體反應劑 被被消耗后補充慢而造成反應劑濃度改變的消耗后補充慢而造成反應劑濃度改變的現象），要特殊設計入射噴口，多頭氣現象），要特殊設計入射噴口，多頭氣體入口。淀積速率比較低，要求淀積溫體入口。淀積速率比較低，要求淀積溫度比較高，另外設備上要增加真空泵系度比較高，另

14、外設備上要增加真空泵系統。統。(c) PECVD (c) PECVD 表面反應速度控制淀積速率表面反應速度控制淀積速率 利用利用RFRF等離子體激活和維持化學反應，等離子體激活和維持化學反應，受激發(fā)的分子可以在低溫下發(fā)生化學反受激發(fā)的分子可以在低溫下發(fā)生化學反應，因此應，因此PECVDPECVD的優(yōu)點是淀積溫度低于的優(yōu)點是淀積溫度低于APCVDAPCVD和和LPCVDLPCVD方法，淀積速率比較高。方法，淀積速率比較高。淀積薄膜淀積薄膜淀積方淀積方法法反應反應劑劑溫度溫度薄膜用途薄膜用途Poly-SiLPCVDSiH4580650柵電極，柵電極，連線連線Si3N4LPCVDSiH4+NH370

15、0900介質層，介質層，鈍化膜鈍化膜Si3N4PECVDSiH4+NH3200350介質層，介質層，鈍化膜鈍化膜接上表SiOSiO2 2APCVDAPCVDSiHSiH4 4+O+O2 2300300500500鈍化膜鈍化膜SiOSiO2 2APCVDAPCVDSiHSiH4 4+O+O2 2+PH+PH3 3300300500500PSGPSG鈍化膜鈍化膜SiOSiO2 2APCVDAPCVDSiH4+O2SiH4+O2+PH3+PH3+B+B2 2H H6 6300300500500BPSGBPSG鈍化膜鈍化膜6.3 Poly-Si的CVD淀積6.3.1 Poly-Si6.3.1 Poly

16、-Si在集成電路中的應用在集成電路中的應用(a)(a)作硅柵作硅柵MOSMOS電路中的柵電極材料電路中的柵電極材料(b)(b)摻雜后的摻雜后的Poly-SiPoly-Si ，薄層電阻可降至，薄層電阻可降至R Rs s=20=204040/ /口，可用于連線口，可用于連線(c)(c)雙層的雙層的Poly-SiPoly-Si，中間夾，中間夾SiOSiO2 2或或SiSi3 3H H4 4介介質層可構成電容的兩個板極，制成雙多質層可構成電容的兩個板極，制成雙多晶硅電容。晶硅電容。(d)(d)未夾雜的未夾雜的Poly-SiPoly-Si可制成多晶硅電阻，可制成多晶硅電阻， R Rs s=2=23k3k

17、/ /口口, ,另外，在淺結另外，在淺結BJTBJT可用作可用作Poly-SiPoly-Si發(fā)射區(qū)，防止穿刺，在槽隔離中發(fā)射區(qū)，防止穿刺，在槽隔離中用作填充物等等。用作填充物等等。6.3.2 化學氣相淀積Poly-Si的化學反應SiHSiH4 4( (吸附吸附)=SiH)=SiH2 2( (吸附吸附)+H)+H2 2( (氣氣) )SiHSiH2 2( (吸附吸附)=Si()=Si(固固)+H)+H2 2( (氣氣) )總反應：總反應：SiHSiH4 4( (吸附吸附)=Si()=Si(固固)+2H)+2H2 2( (氣氣) )6.4 SiO6.4 SiO2 2的的CVDCVD淀積淀積6.4.

18、1 CVD淀積淀積SiO2在集成電路中的應用在集成電路中的應用(a)作絕緣層作絕緣層Poly-Si/ SiO2 /Metal, Metal/ SiO2 /Metal2(b)作選擇擴散，離子注入的掩蔽膜作選擇擴散，離子注入的掩蔽膜(c)作器件表面的鈍化層作器件表面的鈍化層6.4.2 CVD淀積淀積SiO2的化學反應的化學反應SiH4 (氣氣)+O2(氣氣) SiO2(固固)+ 2H2(氣氣)6.5 Si6.5 Si3 3N N4 4的的CVDCVD淀積淀積 6.5.1 Si3N4在集成電路中的應用在集成電路中的應用(a)集成電路表面的最終鈍化層，抗集成電路表面的最終鈍化層，抗Na+，水汽玷，水汽玷污。污。(b)集成電路中電容元件的介質層，集成電路中電容元件的介質層，Metal/ Si3N4/N