化學(xué)氣相淀積

化學(xué)氣相淀積第一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第六章化學(xué)氣相淀積化學(xué)氣相淀積：CVD，ChemicalVapour

Deposition。通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，在襯底上淀積一層薄膜的工藝過程。CVD薄膜：集成電路工藝所需的幾乎所有薄膜，如

SiO2、Si3N4、PSG、BSG（絕緣介質(zhì)）多晶硅、金屬（互連線/接觸孔/電極）單晶硅（外延）等。CVD特點(diǎn)：淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復(fù)性好、臺階覆蓋好、適用范圍廣、設(shè)備簡單等CVD系統(tǒng)：常壓CVD（APCVD）、低壓CVD（LPCVD）和等離子增強(qiáng)CVD（PECVD）第二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五PVD與CVDCVD：襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)PVD：襯底表面不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)CVD:更好的臺階覆蓋性(50%to~100%)和空隙填充能力PVD:臺階覆蓋性差(~15%)和空隙填充能力差PVD源:固態(tài)材料CVD源:氣體或蒸汽第三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五CVD氧化層與熱生長氧化層的比較熱生長氧化層裸硅片CVD氧化層熱氧化處理CVD第四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五CVD氧化硅vs.熱生長氧化硅熱生長氧化硅?O來源于氣源，Si來源于襯底?

氧化物生長消耗硅襯底?

高質(zhì)量CVD氧化硅?O和Si都來自氣態(tài)源?

淀積在襯底表面?

生長溫度低（如PECVD）?

生長速率高第五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五介質(zhì)薄膜的應(yīng)用淺槽隔離(STI,USG)側(cè)墻隔離(USG)金屬前介質(zhì)(PMD,PSGorBPSG)金屬間介質(zhì)(IMD,USGorFSG)鈍化介質(zhì)(PD,Oxide/Nitride)第六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五淺槽隔離(STI)第七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五側(cè)墻隔離第八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五介質(zhì)層的應(yīng)用實(shí)例基本應(yīng)用第九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.1CVD模型6.1.1CVD的基本過程①傳輸：反應(yīng)劑從氣相經(jīng)附面層（邊界層）擴(kuò)散到（Si）表面；②吸附：反應(yīng)劑吸附在表面；③化學(xué)反應(yīng)：在表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成薄膜分子及副產(chǎn)物；④淀積：薄膜分子在表面淀積成薄膜；⑤脫吸：副產(chǎn)物脫離吸附；⑥逸出：脫吸的副產(chǎn)物從表面擴(kuò)散到氣相，逸出反應(yīng)室。第十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五CVD圖示W(wǎng)afer襯底基片底座邊界層強(qiáng)制對流區(qū)氣體噴頭源氣體副產(chǎn)品反應(yīng)物第十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.1CVD模型6.1.2邊界層理論CVD氣體的特性：平均自由程遠(yuǎn)小于反應(yīng)室尺寸，具有黏滯性；平流層：主氣流層，流速Um均一；邊界層（附面層、滯留層）：流速受到擾動(dòng)的氣流層；泊松流（PoisseulleFlow）：沿主氣流方向（平行Si表面）沒有速度梯度，沿垂直Si表面存在速度梯度的流體；第十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.1CVD模型6.1.2邊界層理論邊界層厚度δ（x）：流速小于0.99Um的區(qū)域；

δ（x）=（μx/ρU)1/2μ-黏滯系數(shù)，x-與基座的距離，ρ-密度，U-邊界層流速；平均厚度或

Re=ρUL/μ，雷諾數(shù)（無量綱）雷諾數(shù)取值：<200，平流型；商業(yè)CVD：Re=50-100；>200，湍流型（要避免）。第十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.1.3Grove模型第十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.1CVD模型6.1.3Grove模型①假定邊界層中反應(yīng)劑的濃度梯度為線形近似，則流密度為F1=hg(Cg-Cs)hg-氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，Cg-主氣流中反應(yīng)劑濃度，

Cs-表面處反應(yīng)劑濃度；②表面的化學(xué)反應(yīng)速率正比于Cs，則流密度為

F2=ksCs③平衡狀態(tài)下，F(xiàn)=F1=F2，則

Cs=Cg/(1+ks/hg)第十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.1.3Grove模型平衡下，Cs=Cg/(1+ks/hg)④兩種極限：a.hg>>

ks時(shí)，

Cs→Cg

，反應(yīng)控制；b.hg<<

ks時(shí)，

Cs→0，擴(kuò)散控制；第十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.1CVD模型⑤薄膜淀積速率G設(shè)形成一個(gè)單位體積薄膜所需的原子數(shù)為N1，（Si：N1=5x1022cm-3；），則G=F/N1=G=F2/N1=[kshg/(ks+hg)](Cg/N1)μm/min其中，Cg=YCT,(若反應(yīng)劑被稀釋)Y-反應(yīng)劑的摩爾百分比，CT-分子總數(shù)/cm3；一般表達(dá)式：G=[kshg/(ks+hg)](CT/N1)Y兩種極限情況①反應(yīng)控制：hg>>

ks，則G=（CTksY)/N1；②擴(kuò)散控制：hg<<

ks，則G=（CThgY)/N1；第十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.1CVD模型影響淀積速率的因素①主氣體流速Um∵F1=hg(Cg-Cs)=Dg(Cg-Cs)/δs，∴hg=Dg/δs=，以及Re=ρUL/μ，U≤0.99Um，則對擴(kuò)散控制：G=（CThgY)/N1，故結(jié)論：擴(kuò)散控制的G與Um1/2與成正比提高G的措施：a.降低δs：減小基座的長度L；b.增加Um：Um增大到一定值后，hg>>

ks，轉(zhuǎn)為反應(yīng)控制，G飽和。第二十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.1CVD模型第二十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五②淀積速率與溫度的關(guān)系低溫下，hg>>

ks，反應(yīng)控制過程，故

G與T呈指數(shù)關(guān)系；高溫下，hg<<

ks，質(zhì)量輸運(yùn)控制過程，

hg對T不敏感，故

G趨于平穩(wěn)。第二十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.2CVD系統(tǒng)CVD系統(tǒng)的組成①氣體源：氣態(tài)源和液態(tài)源；②氣路系統(tǒng):氣體輸入管道、閥門等；③流量控制系統(tǒng)：質(zhì)量流量計(jì)；④反應(yīng)室：圓形、矩形；⑤基座加熱系統(tǒng)：電阻絲、石墨；⑥溫度控制及測量系統(tǒng)常用CVD技術(shù)

①常壓CVD（APCVD）②低壓CVD（LPCVD）③等離子體CVD（PECVD）第二十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.2CVD系統(tǒng)第二十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.2CVD系統(tǒng)6.2.2質(zhì)量流量控制系統(tǒng)1.質(zhì)量流量計(jì)作用：精確控制氣體流量（ml/s)；操作：單片機(jī)程序控制；2.閥門作用：控制氣體輸運(yùn)；第二十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.2.4CVD技術(shù)1.APCVD定義：氣相淀積在1個(gè)大氣壓下進(jìn)行；淀積機(jī)理：氣相傳輸控制過程。優(yōu)點(diǎn)：淀積速率高（100nm/min）；操作簡便；缺點(diǎn)：均勻性差；臺階覆蓋差；易發(fā)生氣相反應(yīng)，產(chǎn)生微粒污染。淀積薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄膜。第二十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第二十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.2.4CVD技術(shù)2.LPCVD定義：在27－270Pa壓力下進(jìn)行化學(xué)氣相淀積。淀積機(jī)理：表面反應(yīng)控制過程。優(yōu)點(diǎn)：均勻性好（±3－5％，常壓：±10％）；臺階覆蓋好；效率高、成本低。缺點(diǎn)：相對淀積速率低；相對溫度高。淀積薄膜：poly-Si、Si3N4

、SiO2、PSG、

BPSG、W等。第二十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第二十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.2.4CVD技術(shù)3.PECVD（等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積）淀積原理:RF激活氣體分子（等離子體），使其在低溫（室溫）下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，淀積成膜。淀積機(jī)理：表面反應(yīng)控制過程。優(yōu)點(diǎn)：溫度低（200－350℃）；更高的淀積速率；附著性好；臺階覆蓋好；電學(xué)特性好；缺點(diǎn)：產(chǎn)量低；淀積薄膜：金屬化后的鈍化膜（Si3N4

）；多層布線的介質(zhì)膜（Si3N4

、SiO2）。第三十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五二、各種CVD方法第三十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.3CVD多晶硅6.3.1多晶硅薄膜的特性

1.結(jié)構(gòu)特性①由無數(shù)生長方向各不相同的小晶粒(100nm量級）組成；主要生長方向（優(yōu)選方向）－－<110>。②晶粒間界具有高密度缺陷和懸掛鍵。

2.物理特性：擴(kuò)散系數(shù)明顯高于單晶硅；

3.電學(xué)特性①電阻率遠(yuǎn)高于單晶硅；WHY?②晶粒尺寸大的薄膜電阻率小。第三十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.3.2CVD多晶硅工藝：LPCVD；氣體源：氣態(tài)SiH4；淀積過程：①吸附：SiH4（g)→SiH4（吸附)②熱分解：SiH4（吸附)=SiH2（吸附)+H2(g)SiH2（吸附)=Si（吸附)+H2（g)③淀積：Si（吸附)=Si（固)④脫吸、逸出：SiH2、H2脫離表面，逸出反應(yīng)室?？偡磻?yīng)式：SiH4（吸附)=Si（固體)+2H2(g)6.3CVD多晶硅第三十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.3CVD多晶硅特點(diǎn)：①與Si及SiO2的接觸性能更好；②臺階覆蓋性好。缺點(diǎn)：SiH4易氣相分解。用途：歐姆接觸、柵極、互連線等材料。多晶硅摻雜①擴(kuò)散：電阻率低；溫度高；②離子注入:電阻率是擴(kuò)散的10倍；③原位摻雜：淀積過程（模型）復(fù)雜；實(shí)際應(yīng)用第三十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.4CVD二氧化硅6.4.1CVDSiO2的方法1.低溫CVD①氣態(tài)硅烷源硅烷和氧氣：APCVD、LPCVD、PECVD

淀積機(jī)理:SiH4+O2~400℃

SiO2（固）+H2硅烷和N2O（NO）：PECVD

淀積機(jī)理:SiH4+N2O200-400℃

SiO2+N2+H2O原位摻P：形成PSG

淀積機(jī)理:PH3(g)+5O2=2P2O5(固)+6H2

優(yōu)點(diǎn)：溫度低；反應(yīng)機(jī)理簡單。缺點(diǎn)：臺階覆蓋差。第三十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.4CVD二氧化硅

②液態(tài)TEOS源：PECVD淀積機(jī)理：Si(OC2H5)4+O2

250-425℃SiO2+H2O+CXHY優(yōu)點(diǎn)：安全、方便；厚度均勻；臺階覆蓋好。缺點(diǎn):SiO2膜質(zhì)量較熱生長法差；

SiO2膜含C、有機(jī)原子團(tuán)。

第三十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.4CVD二氧化硅2.中溫LPCVDSiO2溫度：680-730℃化學(xué)反應(yīng)：Si(OC2H5)4

→SiO2+2H2O+4C2H4優(yōu)點(diǎn)：較好的保形覆蓋。第三十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.4CVD二氧化硅6.4.2臺階覆蓋保形覆蓋：所有圖形上淀積的薄膜厚度相同，也稱共性（conformal）覆蓋。覆蓋模型：①淀積速率正比于氣體分子到達(dá)表面的角度；②特殊位置的淀積機(jī)理：

a直接入射b再發(fā)射c表面遷移第三十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.4CVD二氧化硅保形覆蓋的關(guān)鍵：①表面遷移：與氣體分子黏滯系數(shù)成反比；②再發(fā)射第三十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.4CVD二氧化硅6.4.3CVD摻雜SiO21.PSG工藝：原位摻雜PH3；組分：P2O5和

SiO2；磷硅玻璃回流（P-glassflow）工藝：PSG受熱變軟易流動(dòng)，可提供一平滑的表面；也稱高溫平坦化（1000-1100℃）2.BPSG工藝：原位摻雜PH3

、B2H6；組分：B2O3-P2O5-SiO2；回流溫度：850℃；第四十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第四十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.5CVDSi3N4Si3N4薄膜的用途：

①最終鈍化膜和機(jī)械保護(hù)膜：淀積溫度低；能有效阻擋水、鈉離子及B、P、As、等各種雜質(zhì)的擴(kuò)散；有很強(qiáng)的抗劃傷能力；②選擇性氧化的掩蔽膜：Si3N4很難氧化；③MOSFETs中的側(cè)墻：

LDD（輕摻雜源漏）結(jié)構(gòu)的側(cè)墻；自對準(zhǔn)硅化物的鈍化層側(cè)墻；④淺槽隔離的CMP停止層。

第四十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.5CVDSi3N4Si3N4薄膜的特性：①擴(kuò)散掩蔽能力強(qiáng)，尤其對鈉、水汽、氧；②對底層金屬可保形覆蓋；鈍化層③針孔少；④介電常數(shù)較大：(εSi3N4=6-9,εSiO2=4.2)不能作層間的絕緣層。淀積方法：根據(jù)用途選擇；①DRAM的電容介質(zhì)：LPCVD；②最終鈍化膜：PECVD（200-400℃）第四十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.5CVDSi3N4CVDSi3N4薄膜工藝1.LPCVD①反應(yīng)劑：SiH2Cl2+NH3→Si3N4+H2+HCl②溫度：700-900℃；③速率：與總壓力（或pSiH2Cl2)成正比；④特點(diǎn)：密度高；不易被稀HF腐蝕；化學(xué)配比好；保形覆蓋；⑤缺點(diǎn)：應(yīng)力大；第四十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.5CVDSi3N42.PECVD①反應(yīng)：SiH4+NH3（N2）

→SixNyHz+H2②SiN薄膜中H的危害：閾值漂移H危害的解決：N2代替NH3（SiH4-NH3體系：H的含量18%-22%at；SiH4-N2體系：H的含量7%-15%at）

③溫度：200-400℃；溫度對速率、折射率、腐蝕速率的影響：圖6.21PNH3/Ptot對G、ρ、NA(原子組分）的影響：圖6.22第四十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第四十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第四十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五6.6金屬的CVD常用的CVD金屬薄膜：Al、W、Ti、Cu6.6.1鎢的CVDW的特性：①熱穩(wěn)定性高：熔點(diǎn)3410℃；②應(yīng)力低：③保形覆蓋好；④抗電遷移強(qiáng)；⑤耐腐蝕；⑥電阻率低：5.65

μΩcm，比Al的高，比金屬硅化物低；⑦在氧化物和氮化物上的附著性差：選擇性淀積；W的用途：①特征尺寸小于1μm的接觸孔和通孔填充：鎢插塞（plug）；②局部互連；第四十八