化学气相淀积全解课件.ppt

1、天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理Chap.6 化学气相淀积（CVD）CVDCVD的基本概念、特点及应用的基本概念、特点及应用1CVDCVD的基本模型及控制因素的基本模型及控制因素23CVDCVD多晶硅和氮化硅的方法多晶硅和氮化硅的方法45CVD SiOCVD SiO2 2的特性和方法的特性和方法CVDCVD系统的构成和分类系统的构成和分类天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理CVD的基本概念化学气相淀积（化学气相淀积（Chemical Vapor DepositionChemical Vapor Deposition）：）： 把含有构成薄膜元素的把

2、含有构成薄膜元素的气态气态反应剂或者液态反应剂的反应剂或者液态反应剂的蒸气蒸气，以，以合理合理的流速引入反应室，并以某种方式的流速引入反应室，并以某种方式激活激活后后在衬底在衬底表面表面发生化学反应并在淀积成膜的一种方法。发生化学反应并在淀积成膜的一种方法。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理CVD氧化膜与热生长氧化膜天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理CVD的工艺特点v CVDCVD成膜成膜温度远低于温度远低于衬底的熔点或软点，减轻了对衬衬底的熔点或软点，减轻了对衬底的热形变，减少了沾污，底的热形变，减少了沾污，抑制了缺陷的生成抑制了缺陷的生成，减

3、轻减轻了杂质的再分布了杂质的再分布，适合于制造浅结分离器件及，适合于制造浅结分离器件及VLSIVLSI电电路，而且设备简单，重复性好；路，而且设备简单，重复性好；v 薄膜的成分精确可控薄膜的成分精确可控，配比范围大；，配比范围大；v 淀积速率淀积速率一般一般高高于于PVDPVD，厚度范围广，由几百埃到数，厚度范围广，由几百埃到数毫米，且能大量生产；毫米，且能大量生产；v 淀积薄膜淀积薄膜结构完整，致密结构完整，致密，与衬底，与衬底粘附性好粘附性好，且，且台阶台阶覆盖性能较好覆盖性能较好；v 薄膜薄膜纯度较差纯度较差，一般用于制备介质膜。，一般用于制备介质膜。天津工业大学天津工业大学 集成电路工

4、艺原理集成电路工艺原理CVD薄膜的应用v 浅槽隔离（浅槽隔离（STI，USG）v 侧墙掩蔽（侧墙掩蔽（Sidewall, USG）v 前金属化介质层（前金属化介质层（PMD，PSG、BPSG）v 金属间介质层（金属间介质层（IMD，USG、FSG）v 钝化保护层（钝化保护层（PD，Oxide/Nitride）v 抗反射涂层（抗反射涂层（ARC，SiON）天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理浅槽隔离（STI）天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理侧墙掩蔽天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集

5、成电路工艺原理6.1 CVD模型天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理CVD的基本过程v 反应剂在主气流中的反应剂在主气流中的输送；输送；v 反应剂从主气流中反应剂从主气流中扩散扩散通过通过边界层边界层到达衬底表面；到达衬底表面；v 反应剂在表面被反应剂在表面被吸附；吸附；v 吸附的反应剂在吸附的反应剂在表面表面发生发生反应反应，淀积成膜；，淀积成膜；v 反应的副产物和未反应剂离开衬底表面，反应的副产物和未反应剂离开衬底表面，排除。排除。气流入口气流出口主气流区反应室硅片边界层基座及加热装置天津工业大学天津工业大学

6、集成电路工艺原理集成电路工艺原理能用于CVD的化学反应必须满足的条件v 淀积温度下，淀积温度下，反应剂反应剂必须具备必须具备足够高的蒸气压足够高的蒸气压；v 除淀积物外，反应的除淀积物外，反应的其他产物必须是挥发性的其他产物必须是挥发性的；v 淀积物淀积物本身必须具有本身必须具有足够低的蒸气压足够低的蒸气压；v 化学反应速率必须足够快化学反应速率必须足够快以缩短淀积时间；以缩短淀积时间；v 淀积温度必须足够低淀积温度必须足够低以避免对先前工艺产生影响；以避免对先前工艺产生影响；v 化学反应应该化学反应应该发生在被加热的衬底表面发生在被加热的衬底表面，如果在气相发，如果在气相发生化学反应，将导致

7、过早核化，降低薄膜的附着性和密生化学反应，将导致过早核化，降低薄膜的附着性和密度，增加缺陷。度，增加缺陷。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理边界层理论v 黏滞性流动：黏滞性流动：当气压较高时（平均自由程远小于反应室尺寸），当气压较高时（平均自由程远小于反应室尺寸），气体与固体间的气体与固体间的摩擦力摩擦力使紧贴固体表面的气流速度降为零，如果沿使紧贴固体表面的气流速度降为零，如果沿气流方向没有速度梯度，而沿垂直气流方向的流速为抛物线型变化，气流方向没有速度梯度，而沿垂直气流方向的流速为抛物线型变化，则称为则称为泊松流。泊松流。v 边界层（附面层、滞流层）概念：边界层（附面

8、层、滞流层）概念：当气体流过硅片表面时，当气体流过硅片表面时，存在着一个存在着一个速度速度受到扰动并按抛物线型变化，同时还存在反应剂受到扰动并按抛物线型变化，同时还存在反应剂浓浓度梯度度梯度的薄层被称为的薄层被称为边界层边界层，也称为附面层、滞流层。，也称为附面层、滞流层。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理v 边界层厚度：边界层厚度：v 雷诺数：雷诺数： Re= UL / Re= UL / 雷诺数表示流体运动中惯性效应与粘滞雷诺数表示流体运动中惯性效应与粘滞效应的比值，效应的比值，ReRe较低时，气流为较低时，气流为平流平流型型，ReRe较大时，气流为湍流型较大时，气流

9、为湍流型平流层边界层气流X=0X=LUy?(x)dxxLUxx/)()Re3/(2L天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 Grove模型vF F1 1=h=hg g(C(Cg g-C-Cs s) )vF F2 2=k=ks sC Cs svC Cs s=C=Cg g/(1+k/(1+ks s/h/hg g) )vK Ks s h hg g时，表面反应控制时，表面反应控制： G= (CG= (Cg g k ks s ) ) /N/N1 1h hg g K Ks s时，质量输运控制时，质量输运控制： G= (CG= (Cg g h hg g ) ) /N/N1 1气体薄膜F1

10、F2CgCs11NChkhkNFGggsgs天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理v 决定决定k ks s的主要因素：的主要因素：温度温度 k ks sk k0 0exp(-Eexp(-EA A/kT)/kT)v 决定决定h hg g的主要因素：的主要因素：气体流速，气体成分，系统压力气体流速，气体成分，系统压力 h hg g=D=Dg g/ / s s； 所以为了保证统一的淀积速率，就必须：所以为了保证统一的淀积速率，就必须：v 对于表面反应控制，保持处处恒定的对于表面反应控制，保持处处恒定的温度温度v 对于质量输运控制，保持处处恒定的对于质量输运控制，保持处处恒定的反应

11、剂浓度反应剂浓度Uxx/)(天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理淀积速率与温度的关系天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理6.2 化学气相淀积系统CVDCVD系统系统通常包括：通常包括：v气态源或液态源气态源或液态源v气体输入管道气体输入管道v气体流量控制气体流量控制v反应室反应室v基座加热及控制系统（其他激活方式）基座加热及控制系统（其他激活方式）v温度控制及测量系统温度控制及测量系统v减压系统（可选）减压系统（可选）天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理CVD的气体源v 气态源（气态源（SiHSiH4 4） 许多气体有毒、易燃、

12、腐蚀许多气体有毒、易燃、腐蚀性强。性强。v 液态源（液态源（TEOSTEOS，Tetra-Tetra-Ethyl-Oxy-SilaneEthyl-Oxy-Silane） 液体气压低，危险性小，运液体气压低，危险性小，运输方便，淀积的薄膜特性好。输方便，淀积的薄膜特性好。v冒泡法（温度）冒泡法（温度）v加热液态源加热液态源v液态源直接注入法液态源直接注入法天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理冒泡法液态源天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理CVD中常采用的源天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理CVD反应室热源CVDCVD反应室反应室

13、热源热源：v 热壁式：热壁式：T Tw w=T=Ts s，气流稳定，结构简单，侧壁淀积严重；，气流稳定，结构简单，侧壁淀积严重；v 冷壁式：冷壁式： T Tw wTTs s，侧壁淀积少，降低了颗粒剥离的污染，侧壁淀积少，降低了颗粒剥离的污染，减少了反应剂的损耗减少了反应剂的损耗加热方式：加热方式：v 电阻直接加热（热壁式和冷壁式）电阻直接加热（热壁式和冷壁式）v 电感加热或高能辐射灯加热（多为冷壁式）电感加热或高能辐射灯加热（多为冷壁式）天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理常用的几种CVD系统 APCVD APCVD系统系统（Atmospheric Pressure CV

14、DAtmospheric Pressure CVD）v 操作简单；较高的淀积速率；适于介质薄膜淀积；操作简单；较高的淀积速率；适于介质薄膜淀积；v 易发生气相反应，产生颗粒污染；台阶覆盖性和均匀性较差；一易发生气相反应，产生颗粒污染；台阶覆盖性和均匀性较差；一般是般是质量输运质量输运控制，需精确控制各处的反应剂浓度均匀；控制，需精确控制各处的反应剂浓度均匀；v 水平式反应系统；连续式淀积系统。水平式反应系统；连续式淀积系统。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 LPCVD LPCVD系统（系统（Low Pressure CVDLow Pressure CVD）v 污染小；

15、均匀性和台阶覆盖性较好；一般是污染小；均匀性和台阶覆盖性较好；一般是表面反应表面反应控制，精确控控制，精确控制温度比较容易；制温度比较容易；v 气缺现象气缺现象；较低的淀积速率；较高的淀积温度；较低的淀积速率；较高的淀积温度；v 立式淀积系统；管式淀积系统。立式淀积系统；管式淀积系统。逐渐提高温度；逐渐提高温度；采用分布式的气体入口；采用分布式的气体入口；增加反应室中的气流速度增加反应室中的气流速度天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 PECVD PECVD系统（系统（Plasma Enhanced CVDPlasma Enhanced CVD）v 相对最低的淀积温度，最

16、高的淀积速率；淀积的薄膜相对最低的淀积温度，最高的淀积速率；淀积的薄膜具有良好的附着性、低针孔密度、良好的阶梯覆盖、具有良好的附着性、低针孔密度、良好的阶梯覆盖、良好的电学特性、可以与精细图形转移工艺兼容；良好的电学特性、可以与精细图形转移工艺兼容；v 设备较复杂，影响因素多：温度、气流速度、压力、设备较复杂，影响因素多：温度、气流速度、压力、射频功率等；可能的污染较多；射频功率等；可能的污染较多；v 冷壁平行板；热壁平行板。冷壁平行板；热壁平行板。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理6.3 CVD多晶硅的特性和淀

17、积方法v 多晶硅的性质多晶硅的性质 多晶硅多晶硅= =单晶硅颗粒（单晶硅颗粒（100nm100nm数量级）数量级）+ +晶粒间界晶粒间界 相同掺杂浓度下，晶粒尺寸大的薄膜有较低的电阻率相同掺杂浓度下，晶粒尺寸大的薄膜有较低的电阻率v 多晶硅的作用多晶硅的作用 MOSMOS结构中的多晶硅栅；局部互连材料；多晶硅发射极结构中的多晶硅栅；局部互连材料；多晶硅发射极v 化学气相淀积多晶硅化学气相淀积多晶硅 热壁式热壁式LPCVDLPCVD： SiHSiH4 4( (吸附吸附) Si() Si(固固)+2H)+2H2 2( (气气) )580650分解天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工

18、艺原理v淀积条件对多晶硅结构及淀积速率的影响淀积条件对多晶硅结构及淀积速率的影响 淀积温度、压力、掺杂类型、热处理淀积温度、压力、掺杂类型、热处理天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理6.4 CVD二氧化硅的特性和淀积方法v 低温低温CVD SiOCVD SiO2 2 （300450300450） 1 1）硅烷）硅烷为源的低温为源的低温CVD SiOCVD SiO2 2 SiH SiH4 4（气）（气）+O+O2 2（气）（气） SiOSiO2 2（固）（固） +2H+2H2 2（气）（气） （APCVDAPCVD） SiHSiH4 4（气）（气）+2N+2N2 2O O（

19、气）（气） SiOSiO2 2（固）（固） +2H+2H2 2（气）（气）+2N+2N2 2（气）（气） （PECVDPECVD） 2 2）TEOSTEOS为源的低温为源的低温PECVD SiOPECVD SiO2 2 Si(OCSi(OC2 2H H5 5) )4 4 +O +O2 2 SiO SiO2 2+ +副产物副产物 （PECVDPECVD）v 中温中温 LPCVD SiOLPCVD SiO2 2 （650750650750） Si(OCSi(OC2 2H H5 5) )4 4 SiO SiO2 2+ 4C+ 4C2 2H H4 4+ 2H+ 2H2 2O O （LPCVDLPCVD

20、）天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理v TEOSTEOS与臭氧混合源的与臭氧混合源的SiOSiO2 2淀积淀积 （最好的台阶覆盖能力）（最好的台阶覆盖能力）CVD SiO2薄膜的台阶覆盖：薄膜的台阶覆盖： 入射（到达角）；入射（到达角）；表面迁移表面迁移（淀积系统）（淀积系统） ；再发射再发射（气体性质）（气体性质）天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 TEOS TEOS SiH SiH4 4天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理v 硅烷（硅烷（SiHSiH4 4）具有完全的对称结构，不易在衬底表面发生）具有完全的对称结构，不易

21、在衬底表面发生物理吸附，只能分解之后在衬底表面发生物理吸附，只能分解之后在衬底表面发生化学吸附化学吸附，而，而化学吸附的作用力大，使之化学吸附的作用力大，使之表面迁移能力和再发射能力表面迁移能力和再发射能力很低很低，所以，所以台阶覆盖性能较差台阶覆盖性能较差；v 四乙氧基硅烷（四乙氧基硅烷（TEOSTEOS）的结构不完全对称，容易在衬底）的结构不完全对称，容易在衬底表面通过氢键发生表面通过氢键发生物理吸附物理吸附，而物理吸附的作用力相对，而物理吸附的作用力相对较小，因而较小，因而表面迁移能力和再发射能力较强表面迁移能力和再发射能力较强，因而，因而台阶台阶覆盖性能好覆盖性能好。天津工业大学天津工

22、业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理CVD SiO2的掺杂（磷硅玻璃，硼硅玻璃） SiOSiO2 2的掺杂可以在制备过程中加入掺杂剂实现的掺杂可以在制备过程中加入掺杂剂实现原位掺杂原位掺杂。 PSGPSG在高温下可以流动，从而可以形成更平坦的表面，阶梯在高温下可以流动，从而可以形成更平坦的表面，阶梯覆盖也有所改善，常用于覆盖也有所改善，常用于平坦化工艺平坦化工艺作为作为PMDPMD。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理淀积-回刻-淀积制备平坦IMD表面共形覆盖共形覆盖天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集

23、成电路工艺原理天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理6.5 CVD氮化硅的特性和淀积方法Si Si3 3N N4 4的特性及其在的特性及其在ICIC中的作用中的作用: :v 最终钝化层和机械保护层最终钝化层和机械保护层v 选择性氧化的掩蔽膜（选择性氧化的掩蔽膜（LOCOSLOCOS工艺）工艺）v O-N-OO-N-O叠层介质绝缘材料叠层介质绝缘材料v MOSFETMOSFET栅极的侧墙栅极的侧墙v 沟槽隔离的沟槽隔离的CMPCMP终止层终止层Si Si3 3N N4 4的淀积方法的淀积方法: : LPCVD：3SiCl2H2(气气)+4NH3(气气) Si3N4(固固)6H

24、Cl(气气)6H2(气气) PECVD：SiH4(气气)+NH3(或或N2)(气气) SixNyHz(固固)+H2(气气)天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理6.6 金属的化学气相淀积v 难熔金属（难熔金属（W,Ti,MoW,Ti,Mo）及其化合物）及其化合物v 电阻率高，主要用于接触孔填充材料和局部互连材料电阻率高，主要用于接触孔填充材料和局部互连材料天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理为什么要用钨塞(plug)？天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理CVD淀积钨v 钨源一般采用钨源一般采用WFWF6 6，有两种还原方法：，有两

25、种还原方法：v WFWF6 6( (气气)+3)+3H H2 2( (气气) W() W(固固)+6HF()+6HF(气气) )v 2 WF2 WF6 6( (气气)+3)+3SiHSiH4 4( (气气) 2W() 2W(固固)+3SiF)+3SiF4 4( (气气)+6H)+6H2 2( (气气) ) 淀积过程：淀积过程：v 表面原位预清洁处理；表面原位预清洁处理；v 淀积淀积接触层接触层（溅射或（溅射或CVDCVD淀积淀积TiTi膜）膜）v 淀积淀积附着附着/ /阻挡层阻挡层（溅射或（溅射或CVDCVD淀积淀积TiNTiN膜）膜）v WFWF6 6与与SiHSiH4 4反应淀积一薄层反应

26、淀积一薄层成核层成核层v WFWF6 6与与H H2 2反应淀积反应淀积体相钨体相钨v 回刻钨膜以及附着层和接触层回刻钨膜以及附着层和接触层天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理小结v CVDCVD的的基本概念基本概念及应用及应用v CVDCVD的的基本过程基本过程（5 5步）及边界层的概念步）及边界层的概念v GroveGrove模型，模型，两种控制过程两种控制过程，影响，影响CVDCVD淀积速率的因素淀积速率的因素（温度温度、反应物浓度）、反应物浓度）v CVDCVD系统的构成，各种源及加热方式系统的构成，各种源及加热方式v 常见的三种常见的三种CVDCVD系统的特点（系统的特点（APCVDAPCVD，LPCVDLPCVD，PECVDPECVD）v CVDCVD二氧化硅二氧化硅的方法和特点的方法和特点v CVDCVD多晶硅和氮化硅的方法和特点多晶硅和氮化硅的方法和特点v CVDCVD金属的应用及金属的应用及钨钨的淀积方法的淀积方法