第六章化學(huàxué)氣相沉積6.1CVD概述6.2CVD工藝原理6.3CVD工藝方法6.4二氧化硅(èryǎnghuàguī)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精品資料MSI時代(shídài)nMOS晶體管的各層膜p+siliconsubstratep-epilayer場氧化層n+n+p+p+n-wellILD氧化硅墊氧化(yǎnghuà)層氧化硅氮化硅頂層柵氧化層側墻氧化層金屬前氧化層Poly金屬多晶金屬精品資料ULSI硅片上的多層金屬化鈍化層壓點金屬p+SiliconsubstrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3M-4p-Epitaxiallayerp+ILD-6LIoxideSTIn-wellp-wellILD-1Polygaten+p+p+n+n+LImetal精品資料芯片(xīnpiàn)中的金屬層精品資料6.1CVD概述(ɡàishù)對薄膜的要求(yāoqiú)好的臺階覆蓋能力填充高的深寬比間隙的能力好的厚度均勻性高純度和高密度受控制的化學劑量高度的結構完整性和低的膜應力好的電學特性對襯底材料或下層膜好的黏附性精品資料6.1CVD概述(ɡàishù)1）物理氣相淀積—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某種物理過程實現物質的轉移，即將原子或分子轉移到襯底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術。例如：蒸發(zhēngfā)evaporation，濺射sputtering2）化學氣相淀積—ChemicalVaporDeposition(CVD)通過氣態物質的化學反應在襯底上淀積一層薄膜材料的過程。例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD兩類主要的淀積方式精品資料6.1CVD概述(ɡàishù)除了(chúle)CVD和PVD外，制備薄膜的方法還有:銅互連是由電鍍工藝制作旋涂Spin-on鍍/電鍍electrolessplating/electroplating精品資料6.1CVD概述(ɡàishù)化學(huàxué)氣相淀積（CVD）CVD技術特點：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、臺階覆蓋優良、適用范圍廣、設備簡單等一系列優點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)等精品資料6.1CVD概述(ɡàishù)CVD相對于PVD,有什么(shénme)優點？跟材料特性相關的性質——結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*臺階覆蓋性好（stepcoverage)

精品資料6.1CVD概述(ɡàishù)單晶(外延）、多晶、非晶（無定型）薄膜半導體、介質、金屬薄膜常壓化學氣相淀積（APCVD），低壓CVD(LPCVD)，等離子體(děnglízǐtǐ)增強淀積（PECVD）等CVD反應必須滿足三個揮發性標準在淀積溫度下,反應劑必須具備足夠高的蒸汽壓除淀積物質外,反應產物必須是揮發性的淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓化學氣相淀積（CVD）精品資料6.2CVD工藝(gōngyì)原理化學(huàxué)氣相淀積的基本過程1、反應劑氣體混合物以合理的流速被輸運到沉積區2、反應劑氣體由主氣流通過邊界層擴散到襯底表面3、反應劑氣體吸附在襯底表面上4、吸附原子（分子）發生化學反應，生成薄膜基本元素5、副產物分子離開襯底表面，由襯底外擴散到主氣流，排出精品資料邊界層理論(lǐlùn)氣體速度受到擾動并按拋物線型變化(biànhuà)、同時還存在反應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小于反應室的幾何尺寸，可以認為氣體為黏滯性流動由于氣體的黏滯性，氣體與硅片表面或側壁存在摩擦力，該摩擦力使緊貼硅片表面或者側壁的氣體流速為零在離硅片表面或者側壁一定距離處，氣體流速過渡到最大氣流Um6.2CVD工藝原理精品資料6.2CVD工藝(gōngyì)原理Grove模型從簡單的生長模型出發，用動力學方法(fāngfǎ)研究化學氣相淀積推導出生長速率的表達式及其兩種極限情況。與熱氧化生長稍有不同的是，沒有了在SiO2中的擴散流F1：主氣流到襯底表面的反應劑流密度F2：反應劑在表面反應后淀積成固態薄膜的流密度Cg：反應劑在主氣流中的濃度Cs：反應劑在硅表面處的濃度精品資料6.2CVD工藝(gōngyì)原理其中：hG是質量輸運系數，ks是表面(biǎomiàn)化學反應系數在穩態，兩類粒子流密度應相等，這樣得到可得：（1）hg>>ks時，Cs趨向Cg，淀積速率受表面化學反應控制（2）ks>>hg時，Cs趨向0，淀積速率受質量輸運速率控制Grove模型精品資料結論(jiélùn)：（1）淀積速率與Cg（反應劑的濃度）或者Y（反應劑的摩爾百分比）成正比；（2）在Cg或者Y為常數時，薄膜淀積速率將由Ks和hg中較小的一個決定。薄膜淀積速率(sùlǜ)（其中N1表示形成一個單位體積薄膜所需要的原子數量）：Grove模型6.2CVD工藝原理精品資料升高溫度可以提高淀積速率(sùlǜ)但隨著溫度的上升，淀積速率(sùlǜ)對溫度的敏感度不斷下降；當溫度高過某個值后，淀積速率(sùlǜ)受質量輸運速率(sùlǜ)控制薄膜淀積速率(sùlǜ)圖6.8硅膜淀積速率與溫度倒數的關系表面化學反應控制：溫度質量輸運速率控制：位置6.2CVD工藝原理斜率與激活能Ea成正比精品資料以硅外延(wàiyán)為例（1atm，APCVD）hG常數(chángshù)Ea

值相同外延硅淀積往往是在高溫下進行，以確保所有硅原子淀積時排列整齊，形成單晶層。為質量輸運控制過程。此時對溫度控制要求不是很高，但是對氣流要求高。多晶硅生長是在低溫進行，是表面反應控制，對溫度要求控制精度高。6.2CVD工藝原理精品資料當工作在高溫區,質量(zhìliàng)控制為主導，hG是常數，此時反應氣體通過邊界層的擴散很重要，即反應腔的設計和晶片如何放置顯得很重要。關鍵兩點：ks控制的淀積主要和溫度有關hG控制的淀積主要和反應腔體幾何(jǐhé)形狀有關6.2CVD工藝原理精品資料6.3CVD工藝(gōngyì)方法化學氣相淀積系統氣態源或液態(yètài)源氣體輸入管道氣體流量控制系統反應室基座加熱及控制系統溫度控制及測量系統減壓系統（LPCVD和PECVD)精品資料6.3CVD工藝(gōngyì)方法氣體源趨向液態氣態源不安全(ānquán)淀積的薄膜特性不好液態源的輸送保存在室溫下的液態源，使用時先注入到氣化室中，氣化后直接輸送到反應室中精品資料質量(zhìliàng)流量控制系統進入反應室的氣體流量精確可控控制反應室的氣壓(qìyā)直接控制氣體流量，質量流量控制系統質量流量計閥門氣體流量單位:體積/單位時間溫度為273K，一個標準大氣壓(qìyā)下，每分鐘通過的氣體體積6.3CVD工藝方法精品資料CVD反應(fǎnyìng)室的熱源薄膜是在高于室溫的溫度下淀積的。熱壁系統：Tw=Ts冷壁系統：Tw<TsTw：反應室的側壁溫度Ts：放置硅片的基座溫度熱壁和冷壁淀積室各有優缺點，根據(gēnjù)需要進行選擇。6.3CVD工藝方法精品資料6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料常壓化學(huàxué)氣相淀積(APCVD)低壓化學(huàxué)氣相淀積(LPCVD)等離子增強化學(huàxué)氣相淀積(PECVD)6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料6.3CVD工藝(gōngyì)方法APCVD反應器的結構(jiégòu)示意圖精品資料6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料6.3CVD工藝(gōngyì)方法操作簡單，淀積速率高，適合介質薄膜的淀積。易發生氣相反應，產生污染臺階覆蓋性和均勻性比較差質量輸運控制淀積速率，對反應室結構和氣流模式(móshì)提出高的要求APCVD精品資料斜率(xiélǜ)與激活能Ea成正比APCVD的主要問題：低產(dīchǎn)率（throughput）高溫淀積：硅片需水平放置低溫淀積：反應速率低6.3CVD工藝方法精品資料單晶硅外延要采用(cǎiyòng)圖中的臥式反應設備，放置硅片的石墨舟為什么要有傾斜?6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料界面層厚度s是x方向(fāngxiàng)平板長度的函數。a.隨著x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀積受質量傳輸(chuánshū)控制，則淀積速度會下降；b.沿支座方向反應氣體濃度的減少,同樣導致淀積速度會下降。為氣體粘度；為氣體密度；U為氣體速度；6.3CVD工藝方法精品資料支座傾斜可以促使s(x)沿x變化減小。原理：由于支座傾斜后，氣流的流過的截面積下降，導致氣流速度(sùdù)的增加，進而導致s(x)沿x減小和hG的增加。從而用加大hG的方法來補償沿支座長度方向的氣源的耗盡而產生的淀積速率的下降。尤其對質量傳輸控制的淀積至關重要，如APCVD法外延硅。6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料低壓(dīyā)化學氣相淀積（LPCVD）因此低壓可以大大提高hG的值。例如在壓力為1torr時，DG可以提高760倍，而ds只提高約7倍，所以(suǒyǐ)hG可以提高100倍。氣體在界面不再受到傳輸速率限制。在質量輸運控制區域：6.3CVD工藝方法精品資料33/40分子自由(zìyóu)程變長，反應氣體質量遷移速率相對于表面反應速率大大增加，這就克服了質量傳輸限制，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(zìyóu)程加長，氣相反應中容易生成亞穩態的中間產物，從而降低了反應激活能，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(fǎnbǐ)于氣體壓強r為氣體分子的半徑平均自由程6.3CVD工藝方法精品資料LPCVD反應器的結構(jiégòu)示意圖低壓(dīyā)化學氣相淀積（LPCVD）6.3CVD工藝方法精品資料低壓(dīyā)化學氣相淀積（LPCVD）6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料表面反應速率控制淀積速率原因：在較低的氣壓下，氣體的擴散速率比在一個大氣壓下高出很多倍。結果：對溫度比較敏感，溫度相對來說較易控制，對反應室結構要求不高，可放置較多的硅片。優點增加產率—晶片可直插放置許多片（100-200）污染少，均勻(jūnyún)性和臺階覆蓋性較APCVD好缺點：相對低的淀積速率，相對高的工作溫度低壓(dīyā)化學氣相淀積（LPCVD）6.3CVD工藝方法精品資料LPCVD氣缺現象：當氣體反應劑被消耗而出現的反應劑濃度改變的現象對于只有一個入氣口的反應室，情況比較嚴重。措施(cuòshī)：在水平方向上逐漸提高溫度來加快反應速度，從而提高淀積速率采用分布式的氣體入口增加反應室中的氣流速度6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料Batchprocessing：同時100-200片薄膜厚度均勻性好可以精確控制薄膜的成份和結構臺階覆蓋性較好低溫(dīwēn)淀積過程淀積速率快生產效率高生產成本低LPCVD法的主要(zhǔyào)特點有時，淀積溫度需很低，薄膜質量要求又很高。如：在形成的Al層上面淀積介質等。解決辦法：等離子增強化學氣相淀積PECVD6.3CVD工藝方法精品資料最常用反應激活能：通過非熱能源的射頻（RF）等離子體來激活和維持化學反應(huàxuéfǎnyìng)。低溫淀積應用：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(zēngqiáng)化學氣相淀積（PECVD）6.3CVD工藝方法精品資料等離子體中的電子與反應氣體分子碰撞(pènɡzhuànɡ)反應氣體分子分解成多種成份：離子、原子及活性基團活性基團不斷吸附在基片表面上吸附在表面上的活性基團之間發生化學反應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，發生重新排列。淀積的薄膜均勻性良好，具有填充小尺寸結構的能力。等離子體增強(zēngqiáng)化學氣相淀積（PECVD）6.3CVD工藝方法精品資料APCVD設備簡單(jiǎndān)，淀積速率大（>1000A/min）。易氣相成核，均勻性不好，材料利用率低。質量輸運控制淀積速率。LPCVD均勻性好，臺階覆蓋性好，污染少。對反應室結構要求低。裝片量大。淀積速度低，工作溫度高。表面反應控制淀積速率。CVD的三種(sānzhǒnɡ)方法比較6.3CVD工藝方法精品資料CVD的三種方法(fāngfǎ)比較6.3CVD工藝(gōngyì)方法PECVD反應溫度低，附著性好，良好的階梯覆蓋，良好的電學特性可以與精細圖形轉移工藝兼容，薄膜應力低，主流工藝。具備LPCVD的優點highdepositionrateatrelativelylowtemperatureImprovefilmqualityandstresscontrolthroughionbombardment（炮擊，轟擊）表面反應控制淀積速率精品資料共形臺階覆蓋非共形臺階覆蓋均勻厚度臺階覆蓋：淀積薄膜的表面幾何形貌(xínɡmào)與半導體表面的各種臺階形狀的關系。保形覆蓋：無論襯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：反應物在吸附、反應時有顯著的表面遷移臺階覆蓋（保角性conformality）6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料臺階覆蓋（保角性conformality）1、淀積速率正比(zhèngbǐ)于氣體分子到達角度6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料臺階覆蓋（保角性conformality）6.3CVD工藝(gōngyì)方法精品資料舉例在APCVD中，以SiH4和氧氣為反應劑沉淀SiO2因SiH4的黏滯系數很大，淀積速率(sùlǜ)正比于氣體分子到達表面時的角度范圍到達角反應物到達半導體表面時有不同的角度在一個陡峭的臺階處，APCVDSiO2時，薄膜在臺階頂部處最厚，在拐角處最薄。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異性刻蝕變得非常困難。臺階覆蓋（保角性conformality