《化學(xué)氣相沉積》PPT課件

1、第六章 化學(xué)氣相沉積,6.1 CVD概述 6.2 CVD工藝原理 6.3 CVD工藝方法 6.4 二氧化硅薄膜的淀積 6.5 氮化硅薄膜淀積 6.6 多晶硅薄膜淀積 6.7 金屬及金屬化合物薄膜,1,MSI時(shí)代nMOS晶體管的各層膜,p+ silicon substrate,p- epi layer,場(chǎng)氧化層,n+,n+,p+,p+,n-well,ILD,氧化硅,墊氧化層,氧化硅,氮化硅,頂層,柵氧化層,側(cè)墻氧化層,金屬前氧化層,Poly,金屬,多晶,金屬,ULSI硅片上的多層金屬化,芯片中的金屬層,6.1 CVD概述,對(duì)薄膜的要求,好的臺(tái)階覆蓋能力 填充高的深寬比間隙的能力 好的厚度均勻性

2、高純度和高密度 受控制的化學(xué)劑量 高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應(yīng)力 好的電學(xué)特性 對(duì)襯底材料或下層膜好的黏附性,6.1 CVD概述,1）物理氣相淀積 Physical Vapor Deposition (PVD) 利用某種物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即將原子或分子轉(zhuǎn)移到襯底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術(shù)。 例如：蒸發(fā) evaporation，濺射sputtering 2）化學(xué)氣相淀積 Chemical Vapor Deposition (CVD) 通過(guò)氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積一層薄膜材料的過(guò)程。 例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD,兩類主要的淀積方式,6.1 CVD概

3、述,除了CVD和PVD外，制備薄膜的方法還有:,6.1 CVD概述,化學(xué)氣相淀積（CVD）,CVD技術(shù)特點(diǎn)： 具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復(fù)性好、臺(tái)階覆蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設(shè)備簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn) CVD方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬)等,6.1 CVD概述,CVD相對(duì)于PVD,有什么優(yōu)點(diǎn)？,跟材料特性相關(guān)的性質(zhì)結(jié)晶性和理想配比都比較好 薄膜成分和膜厚容易控制 *淀積溫度低 *臺(tái)階覆蓋性好（step coverage),6.1 CVD概述,單晶 (外延）、多晶、非晶（無(wú)定型）薄膜 半導(dǎo)體、介質(zhì)、

4、金屬薄膜 常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD），低壓CVD (LPCVD)，等離子體增強(qiáng)淀積（PECVD）等,CVD反應(yīng)必須滿足三個(gè)揮發(fā)性標(biāo)準(zhǔn),在淀積溫度下,反應(yīng)劑必須具備足夠高的蒸汽壓 除淀積物質(zhì)外,反應(yīng)產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的 淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓,化學(xué)氣相淀積（CVD）,6.2 CVD工藝原理,化學(xué)氣相淀積的基本過(guò)程,1、反應(yīng)劑氣體混合物以合理的流速被輸運(yùn)到沉積區(qū) 2、反應(yīng)劑氣體由主氣流通過(guò)邊界層擴(kuò)散到襯底表面 3、反應(yīng)劑氣體吸附在襯底表面上 4、吸附原子（分子）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成薄膜基本元素 5、副產(chǎn)物分子離開(kāi)襯底表面，由襯底外擴(kuò)散到主氣流，排出,邊界層理論,氣體速度受到擾動(dòng)并按拋物線

5、型變化、同時(shí)還存在反應(yīng)劑濃度梯度的薄層稱為邊界層（附面層、滯留層） 氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)小于反應(yīng)室的幾何尺寸，可以認(rèn)為氣體為黏滯性流動(dòng) 由于氣體的黏滯性，氣體與硅片表面或側(cè)壁存在摩擦力，該摩擦力使緊貼硅片表面或者側(cè)壁的氣體流速為零 在離硅片表面或者側(cè)壁一定距離處，氣體流速過(guò)渡到最大氣流Um,6.2 CVD工藝原理,6.2 CVD工藝原理,Grove模型 從簡(jiǎn)單的生長(zhǎng)模型出發(fā)，用動(dòng)力學(xué)方法研究化學(xué)氣相淀積推導(dǎo)出生長(zhǎng)速率的表達(dá)式及其兩種極限情況。,與熱氧化生長(zhǎng)稍有 不同的是，沒(méi)有了 在SiO2中的擴(kuò)散流,F1：主氣流到襯底表面的反應(yīng)劑流密度 F2：反應(yīng)劑在表面反應(yīng)后淀積成固態(tài)薄膜的流密度 Cg：

6、反應(yīng)劑在主氣流中的濃度 Cs：反應(yīng)劑在硅表面處的濃度,6.2 CVD工藝原理,其中：hG 是質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)， ks 是表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù),在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應(yīng)相等，這樣得到,可得：,（1）hg ks時(shí)，Cs趨向Cg，淀積速率受表面化學(xué)反應(yīng)控制 （2）ks hg時(shí)，Cs趨向0，淀積速率受質(zhì)量輸運(yùn)速率控制,Grove模型,結(jié)論： （1）淀積速率與Cg（反應(yīng)劑的濃度）或者Y（反應(yīng)劑的摩爾百分比）成正比； （2）在Cg或者Y為常數(shù)時(shí)，薄膜淀積速率將由Ks和hg中較小的一個(gè)決定。,薄膜淀積速率（其中N1表示形成一個(gè)單位體積薄膜所需要的原子數(shù)量）：,Grove模型,6.2 CVD工藝原理,升高溫度可以提高

7、淀積速率 但隨著溫度的上升，淀積速率對(duì)溫度的敏感度不斷下降；當(dāng)溫度高過(guò)某個(gè)值后，淀積速率受質(zhì)量輸運(yùn)速率控制,薄膜淀積速率,圖6.8 硅膜淀積速率與溫度倒數(shù)的關(guān)系,表面化學(xué)反應(yīng)控制：溫度,質(zhì)量輸運(yùn)速率控制：位置,6.2 CVD工藝原理,斜率與激活能Ea成正比,以硅外延為例（1 atm，APCVD）,hG 常數(shù),Ea 值相同,外延硅淀積往往是在高溫下進(jìn)行，以確保所有硅原子淀積時(shí)排列整齊，形成單晶層。為質(zhì)量輸運(yùn)控制過(guò)程。此時(shí)對(duì)溫度控制要求不是很高，但是對(duì)氣流要求高。 多晶硅生長(zhǎng)是在低溫進(jìn)行，是表面反應(yīng)控制，對(duì)溫度要求控制精度高。,6.2 CVD工藝原理,當(dāng)工作在高溫區(qū),質(zhì)量控制為主導(dǎo)，hG是常數(shù)，此

8、時(shí)反應(yīng)氣體通過(guò)邊界層的擴(kuò)散很重要，即反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)和晶片如何放置顯得很重要。,關(guān)鍵兩點(diǎn)： ks 控制的淀積 主要和溫度有關(guān) hG 控制的淀積 主要和反應(yīng)腔體幾何形狀有關(guān),6.2 CVD工藝原理,6.3 CVD工藝方法,化學(xué)氣相淀積系統(tǒng) 氣態(tài)源或液態(tài)源 氣體輸入管道 氣體流量控制系統(tǒng) 反應(yīng)室 基座加熱及控制系統(tǒng) 溫度控制及測(cè)量系統(tǒng) 減壓系統(tǒng)（LPCVD和PECVD),6.3 CVD工藝方法,氣體源趨向液態(tài) 氣態(tài)源不安全 淀積的薄膜特性不好 液態(tài)源的輸送,保存在室溫下的液態(tài)源，使用時(shí)先注入到氣化室中，氣化后直接輸送到反應(yīng)室中,質(zhì)量流量控制系統(tǒng),進(jìn)入反應(yīng)室的氣體流量精確可控 控制反應(yīng)室的氣壓 直接控制

9、氣體流量，質(zhì)量流量控制系統(tǒng) 質(zhì)量流量計(jì) 閥門 氣體流量單位:體積/單位時(shí)間 溫度為273K，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，每分鐘通過(guò)的氣體體積,6.3 CVD工藝方法,CVD反應(yīng)室的熱源,薄膜是在高于室溫的溫度下淀積的。 熱壁系統(tǒng)：Tw=Ts 冷壁系統(tǒng)：TwTs Tw：反應(yīng)室的側(cè)壁溫度 Ts：放置硅片的基座溫度 熱壁和冷壁淀積室各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)需要進(jìn)行選擇。,6.3 CVD工藝方法,6.3 CVD工藝方法,常壓化學(xué)氣相淀積(APCVD) 低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD) 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD),6.3 CVD工藝方法,6.3 CVD工藝方法,APCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖,6.3 CVD工藝方法

10、,6.3 CVD工藝方法,操作簡(jiǎn)單，淀積速率高，適合介質(zhì)薄膜的淀積。 易發(fā)生氣相反應(yīng)，產(chǎn)生污染 臺(tái)階覆蓋性和均勻性比較差 質(zhì)量輸運(yùn)控制淀積速率，對(duì)反應(yīng)室結(jié)構(gòu)和氣流模式提出高的要求,APCVD,斜率與激活能Ea成正比,APCVD的主要問(wèn)題：低產(chǎn)率（throughput） 高溫淀積：硅片需水平放置 低溫淀積：反應(yīng)速率低,6.3 CVD工藝方法,單晶硅外延要采用圖中的臥式反應(yīng)設(shè)備，放置硅片的石墨舟為什么要有傾斜?,6.3 CVD工藝方法,界面層厚度s是x方向平板長(zhǎng)度的函數(shù)。,a. 隨著x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀積受質(zhì)量傳輸控制，則淀積速度會(huì)下降； b. 沿支座方向反應(yīng)氣體濃度的減少,

11、同樣導(dǎo)致淀積速度會(huì)下降。,為氣體粘度； 為氣體密度； U為氣體速度；,6.3 CVD工藝方法,支座傾斜可以促使s(x)沿x變化減小。 原理：由于支座傾斜后，氣流的流過(guò)的截面積下降，導(dǎo)致氣流速度的增加，進(jìn)而導(dǎo)致s(x)沿x減小和hG的增加。從而用加大hG的方法來(lái)補(bǔ)償沿支座長(zhǎng)度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速率的下降。尤其對(duì)質(zhì)量傳輸控制的淀積至關(guān)重要，如APCVD法外延硅。,6.3 CVD工藝方法,低壓化學(xué)氣相淀積 （LPCVD）,因此低壓可以大大提高h(yuǎn)G的值。 例如在壓力為1 torr時(shí)，DG可以提高760倍，而ds只提高約7倍，所以hG可以提高100倍。氣體在界面不再受到傳輸速率限制。,在質(zhì)量輸

12、運(yùn)控制區(qū)域：,6.3 CVD工藝方法,33/40,分子自由程變長(zhǎng)，反應(yīng)氣體質(zhì)量遷移速率相對(duì)于表面反應(yīng)速率 大大增加，這就克服了質(zhì)量傳輸限制，使淀積薄膜的厚度均勻性 提高，也便于采用直插密集裝片 降低氣體壓力，氣體分子的自由程加長(zhǎng)，氣相反應(yīng)中容易生成 亞穩(wěn)態(tài)的中間產(chǎn)物，從而降低了反應(yīng)激活能，因此，在不改變淀積 速率的情況下，淀積溫度就可以低于APCVD的淀積溫度, 反比于氣體壓強(qiáng),r為氣體分子的半徑,平均自由程,6.3 CVD工藝方法,LPCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖,低壓化學(xué)氣相淀積 （LPCVD）,6.3 CVD工藝方法,低壓化學(xué)氣相淀積 （LPCVD）,6.3 CVD工藝方法,表面反應(yīng)速率控制

13、淀積速率 原因：在較低的氣壓下，氣體的擴(kuò)散速率比在一個(gè)大氣壓下高出很多倍。 結(jié)果：對(duì)溫度比較敏感，溫度相對(duì)來(lái)說(shuō)較易控制，對(duì)反應(yīng)室結(jié)構(gòu)要求不高，可放置較多的硅片。 優(yōu)點(diǎn) 增加產(chǎn)率 晶片可直插放置許多片（100-200） 污染少，均勻性和臺(tái)階覆蓋性較APCVD好 缺點(diǎn)： 相對(duì)低的淀積速率，相對(duì)高的工作溫度,低壓化學(xué)氣相淀積 （LPCVD）,6.3 CVD工藝方法,LPCVD,氣缺現(xiàn)象：當(dāng)氣體反應(yīng)劑被消耗而出現(xiàn)的反應(yīng)劑濃度改變的現(xiàn)象 對(duì)于只有一個(gè)入氣口的反應(yīng)室，情況比較嚴(yán)重。 措施： 在水平方向上逐漸提高溫度來(lái)加快反應(yīng)速度，從而提高淀積速率 采用分布式的氣體入口 增加反應(yīng)室中的氣流速度,6.3 CV

14、D工藝方法,Batch processing：同時(shí)100-200片 薄膜厚度均勻性好 可以精確控制薄膜的成份和結(jié)構(gòu) 臺(tái)階覆蓋性較好 低溫淀積過(guò)程 淀積速率快 生產(chǎn)效率高 生產(chǎn)成本低,LPCVD法的主要特點(diǎn),有時(shí)，淀積溫度需很低，薄膜質(zhì)量要求又很高。如：在形成的Al層上面淀積介質(zhì)等。 解決辦法：等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積 PECVD,6.3 CVD工藝方法,最常用 反應(yīng)激活能：通過(guò)非熱能源的射頻（RF）等離子體來(lái)激活和維持化學(xué)反應(yīng)。 低溫淀積 應(yīng)用：在Al上淀積二氧化硅或氮化硅 較高的淀積速率 表面反應(yīng)速率控制淀積速率，精確控制襯底的溫度，可得到均勻的薄膜。,等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積 （PECVD）

15、,6.3 CVD工藝方法,等離子體中的電子與反應(yīng)氣體分子碰撞 反應(yīng)氣體分子分解成多種成份：離子、原子及活性基團(tuán) 活性基團(tuán)不斷吸附在基片表面上 吸附在表面上的活性基團(tuán)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜層 表面吸附的離子受到離子和電子的轟擊，易遷移，發(fā)生重新排列。 淀積的薄膜均勻性良好，具有填充小尺寸結(jié)構(gòu)的 能力。,等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積 （PECVD）,6.3 CVD工藝方法,APCVD 設(shè)備簡(jiǎn)單，淀積速率大（ 1000A/min）。 易氣相成核，均勻性不好，材料利用率低。 質(zhì)量輸運(yùn)控制淀積速率。 LPCVD 均勻性好，臺(tái)階覆蓋性好，污染少。對(duì)反應(yīng)室結(jié)構(gòu)要求低。裝片量大。 淀積速度低，工作溫度高。 表面

16、反應(yīng)控制淀積速率。,CVD的三種方法比較,6.3 CVD工藝方法,CVD的三種方法比較,6.3 CVD工藝方法,PECVD 反應(yīng)溫度低，附著性好，良好的階梯覆蓋，良好的電學(xué)特性可以與精細(xì)圖形轉(zhuǎn)移工藝兼容，薄膜應(yīng)力低，主流工藝。 具備LPCVD的優(yōu)點(diǎn) high deposition rate at relatively low temperature Improve film quality and stress control through ion bombardment（炮擊，轟擊） 表面反應(yīng)控制淀積速率,臺(tái)階覆蓋：淀積薄膜的表面幾何形貌與半導(dǎo)體表面的各種臺(tái)階形狀的關(guān)系。 保形覆蓋：無(wú)論襯

17、底表面有什么樣的傾斜圖形，在所有圖形的上面都能淀積相同厚度的薄膜 原因：反應(yīng)物在吸附、反應(yīng)時(shí)有顯著的表面遷移,臺(tái)階覆蓋（保角性 conformality）,6.3 CVD工藝方法,臺(tái)階覆蓋（保角性 conformality）,1、淀積速率正比于氣體分子到達(dá)角度,6.3 CVD工藝方法,臺(tái)階覆蓋（保角性 conformality）,6.3 CVD工藝方法,舉例 在APCVD中，以SiH4和氧氣為反應(yīng)劑沉淀SiO2 因SiH4的黏滯系數(shù)很大，淀積速率正比于氣體分子到達(dá)表面時(shí)的角度范圍 到達(dá)角 反應(yīng)物到達(dá)半導(dǎo)體表面時(shí)有不同的角度 在一個(gè)陡峭的臺(tái)階處，APCVD SiO2時(shí)，薄膜在臺(tái)階頂部處最厚，在拐

18、角處最薄。 SiO2薄膜在拐角處的斜率大于90o，使得隨后的薄膜淀積和各項(xiàng)異性刻蝕變得非常困難。,臺(tái)階覆蓋（保角性 conformality）,6.3 CVD工藝方法,臺(tái)階覆蓋（保角性 conformality）,6.3 CVD工藝方法,遮蔽效應(yīng) LPCVD工藝、PVD中的蒸發(fā)和濺射 反應(yīng)劑分子的平均自由程很長(zhǎng)，且在襯底表面上的遷移能力又很低的情況下，則會(huì)發(fā)生掩蔽效應(yīng)，受到掩蔽的點(diǎn)處的膜厚小于沒(méi)受到掩蔽的點(diǎn)處的膜厚,臺(tái)階覆蓋（保角性 conformality）,6.3 CVD工藝方法,磷硅玻璃 在淀積SiO2的氣體中同時(shí)摻入PH3 ，就可形成磷硅玻璃（PSG) PSG對(duì)水汽的阻擋能力不強(qiáng)，故在高磷情況下有很強(qiáng)的吸潮性； PSG可以吸收堿性離子、吸收雜質(zhì)； PSG在高溫下（10001100）可以流動(dòng)，使隨后淀積的薄膜有更好的臺(tái)階覆蓋。,臺(tái)階覆蓋