化学气相淀积省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第六章第六章 化学气相淀积化学气相淀积主主 讲：毛讲：毛 维维 西安电子科技大学微电子学院西安电子科技大学微电子学院第1页概述概述 n化学气相淀积：化学气相淀积：CVDChemical Vapour Deposition。n定义：定义：一个或数种物质气体，以某种方式激活后，在衬一个或数种物质气体，以某种方式激活后，在衬 底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜生长技术。底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜生长技术。比如：比如：热分解热分解SiH4，SiH4=Si（多晶（多晶)+2H2(g)，SiH4+O2 =SiO2（薄膜）（薄膜）+2H2nCVD薄膜：薄膜：SiO2、Si3N4、PSG、BSG（绝缘介质）、（绝缘介质）、多晶硅、金属（互连线多晶硅、金属（互连线/接触孔接触孔/电极）、电极）、单晶硅（外延）单晶硅（外延）nCVD系统：系统：常压常压CVD（APCVD）低压低压CVD（LPCVD）等离子等离子CVD（PECVD）第2页概述概述 nCVD工艺特点工艺特点 1、CVD工艺温度低，可减轻硅片热形变，抑制缺工艺温度低，可减轻硅片热形变，抑制缺 陷生成，减轻杂质再分布，适于制造浅结器件及陷生成，减轻杂质再分布，适于制造浅结器件及 VLSI；n2、薄膜成份准确可控、配比范围大，重复性好；、薄膜成份准确可控、配比范围大，重复性好；n3、淀积速率普通高于物理淀积，厚度范围大；、淀积速率普通高于物理淀积，厚度范围大；n4、膜结构完整致密，与衬底粘附好，台阶覆盖性好。、膜结构完整致密，与衬底粘附好，台阶覆盖性好。第3页6.1.1 CVD基本过程基本过程传输：反应剂从气相传输：反应剂从气相(平流主气流区平流主气流区)经附面层（边界层）经附面层（边界层）扩散到（扩散到（Si）表面；）表面；吸附：反应剂吸附在表面；吸附：反应剂吸附在表面；化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产 物；物；淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜；淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜；脱吸：副产物脱离吸附；脱吸：副产物脱离吸附；逸出：脱吸副产物和未反应反应剂从表面扩散到气逸出：脱吸副产物和未反应反应剂从表面扩散到气 相相(主气流区主气流区)，逸出反应室。，逸出反应室。6.1 CVD模型模型第4页CVD 传输和反应步骤图传输和反应步骤图CVD 反应室Substrate连续膜 8)副产物 去除 1)反应物质量传输副产物 2)薄膜先驱 物反应 3)气体分 子扩散 4)先驱物 吸附 5)先驱物扩散 到衬底中 6)表面反应 7)副产物解 吸附作用排气气体传送第5页6.1 CVD模型模型6.1.2 边界层理论边界层理论nCVD气体特征：平均自由程远小于反应室尺寸，含有黏滞气体特征：平均自由程远小于反应室尺寸，含有黏滞 性；性；n平流层：主气流层，流速平流层：主气流层，流速Um 均一；均一；n边界层（附面层、滞留层）：流速受到扰动气流层；边界层（附面层、滞留层）：流速受到扰动气流层；n泊松流（泊松流（Poisseulle Flow）：沿主气流方向（平行）：沿主气流方向（平行Si表面）没有表面）没有 速度梯度，沿垂直速度梯度，沿垂直Si表面存在速度梯度流体；表面存在速度梯度流体；第6页6.1 CVD模型模型6.1.2 边界层理论边界层理论n边界层厚度边界层厚度（x）(流速小于流速小于0.99 Um 区域区域)：（x）=（x/U)1/2 -气体黏滞系数，气体黏滞系数，x-距基座边界距离，距基座边界距离，-气体密度，气体密度，U-边界层流速；边界层流速；n平均厚度平均厚度 nRe=UL/,称为雷诺数称为雷诺数(无量纲无量纲),表示流体惯性力与黏滞力之比表示流体惯性力与黏滞力之比n雷诺数取值：雷诺数取值：，湍流型（要尽可能预防）。，湍流型（要尽可能预防）。第7页6.1.3 Grove模型模型第8页6.1 CVD模型模型n6.1.3 Grove模型模型假定边界层中反应剂浓度梯度为线性近似，则假定边界层中反应剂浓度梯度为线性近似，则 流密度为：流密度为：F1=hg(Cg-Cs)hG-气相质量转移系数，气相质量转移系数，Cg-主气流中反应剂浓度，主气流中反应剂浓度，CS-衬底表面处反应剂浓度；衬底表面处反应剂浓度；表面化学反应淀积薄膜速率正比于表面化学反应淀积薄膜速率正比于Cs，则，则 流密度为：流密度为：F2=ksCs平衡状态下，平衡状态下，F1=F2(=F)，则，则 Cs=Cg/(1+ks/hg)第9页6.1.3 Grove模型模型 Cs=Cg/(1+ks/hg)两种极限：两种极限：a.hg ks时，时，Cs Cg，n反应控制；反应控制；b.hg ks，G=（CTksY)/N1，反应控制；，反应控制；nhg ks转为反应控制转为反应控制G饱和。饱和。第14页6.1 CVD模型模型第15页淀积速率与温度关系淀积速率与温度关系n低温下，低温下，hg ks，反应控制过程，故反应控制过程，故 G与与T呈指数关系；呈指数关系；n高温下，高温下，hg ks，质量输运控制过程，质量输运控制过程，hg对对T不敏感，故不敏感，故 G趋于平稳。趋于平稳。6.1 CVD模型模型第16页6.2 CVD系统系统nCVD系统组成：系统组成：气体源：气态源和液态源；气体源：气态源和液态源；气路系统气路系统:气体输入管道、阀门等；气体输入管道、阀门等；流量控制系统：质量流量计；流量控制系统：质量流量计；反应室：圆形、矩形；反应室：圆形、矩形；基座加热及控制系统：电阻丝、石墨；基座加热及控制系统：电阻丝、石墨；温度控制及测量系统温度控制及测量系统第17页6.2 CVD系统系统 6.2.1 气体源气体源n比如比如CVD二氧化硅：气态源二氧化硅：气态源SiH4（与（与O2或或N2O反应）；反应）；液态源液态源TEOS（正硅酸四乙酯分解）（正硅酸四乙酯分解）.n液态源优势：液态源优势：安全：气压小，不易泄露；安全：气压小，不易泄露；淀积薄膜特征好淀积薄膜特征好n液态源输运：液态源输运：冒泡法：由冒泡法：由N2、H2、Ar2气体携带；气体携带；加热法：直接加热液态源加热法：直接加热液态源,使之气化；使之气化；直接注入法：液态源先注入到气化室，气化后直接送入直接注入法：液态源先注入到气化室，气化后直接送入 反应室。反应室。第18页6.2 CVD系统系统6.2.2 质量流量控制系统质量流量控制系统1.质量流量计质量流量计n作用：准确控制气体流量（作用：准确控制气体流量（ml/s)；n操作：单片机程序控制；操作：单片机程序控制；2.阀门阀门n作用：控制气体输运；作用：控制气体输运；第19页6.2.4 CVD技术技术1.APCVD（常压（常压 CVD）n定义：定义：气相淀积在气相淀积在1个大气压下进行；个大气压下进行；n淀积机理：淀积机理：气相质量输运控制过程。气相质量输运控制过程。n优点：优点：淀积速率高（淀积速率高（100nm/min）；操作简便；）；操作简便；n缺点：缺点：均匀性差；台阶覆盖差；均匀性差；台阶覆盖差；易发生气相反应，产生微粒污染。易发生气相反应，产生微粒污染。n可淀积薄膜：可淀积薄膜：Si外延薄膜；外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄薄 膜。膜。第20页常压化学气相淀积常压化学气相淀积第21页第22页6.2.4 CVD技术技术2.LPCVD（低压（低压 CVD）n定义：定义：在在27270Pa压力下进行化学气相淀积。压力下进行化学气相淀积。n淀积机理：淀积机理：表面反应控制过程。表面反应控制过程。n优点：优点：均匀性好（均匀性好（35，APCVD：10）；）；台阶覆盖好；效率高、成本低。台阶覆盖好；效率高、成本低。n缺点：缺点：淀积速率低；温度高。淀积速率低；温度高。n可淀积薄膜：可淀积薄膜：poly-Si、Si3N4、SiO2、PSG、BPSG、W等。等。第23页低压化学气相淀积低压化学气相淀积第24页第25页6.2.4 CVD技术技术3.PECVD（等离子体增强（等离子体增强CVD）n定义定义:RF激活气体分子（等离子体）激活气体分子（等离子体）,使其在低温使其在低温 （室温）下发生化学反应，淀积成膜。（室温）下发生化学反应，淀积成膜。n淀积机理：淀积机理：表面反应控制过程。表面反应控制过程。n优点：优点：温度低（温度低（200350）；更高淀积速率；附着）；更高淀积速率；附着 性好；台阶覆盖好；电学特征好；性好；台阶覆盖好；电学特征好；n缺点：缺点：产量低；产量低；n淀积薄膜：淀积薄膜：金属化后钝化膜（金属化后钝化膜（Si3N4）；多层布）；多层布 线介质膜（线介质膜（Si3N4、SiO2）。）。第26页等离子体化学气相淀积等离子体化学气相淀积第27页二、各种CVD方法第28页6.3 CVD多晶硅多晶硅6.3.1 多晶硅薄膜特征多晶硅薄膜特征 1.结构特征结构特征 由无数生长方向各不相同小晶粒由无数生长方向各不相同小晶粒(100nm量级）组量级）组 成；主要生长方向（优选方向）成；主要生长方向（优选方向）。晶粒间界含有高密度缺点和悬挂键。晶粒间界含有高密度缺点和悬挂键。2.物理特征：物理特征：扩散系数显著高于单晶硅；扩散系数显著高于单晶硅；3.电学特征电学特征n电阻率远高于单晶硅；电阻率远高于单晶硅；n晶粒尺寸大薄膜电阻率小。晶粒尺寸大薄膜电阻率小。第29页6.2.4 CVD技术技术6.3.2 CVD多晶硅多晶硅n工艺：工艺：LPCVD热分解（通常主要采取）；热分解（通常主要采取）；n气体源：气态气体源：气态SiH4；n淀积过程：淀积过程：吸附：吸附：SiH4（g)SiH4（吸附（吸附)热分解：热分解：SiH4（吸附（吸附)=SiH2（吸附（吸附)+H2(g)SiH2（吸附（吸附)=Si（吸附（吸附)+H2（g)淀积：淀积：Si（吸附（吸附)=Si（固（固)脱吸、逸出：脱吸、逸出：SiH2、H2脱离表面，逸出反应室。脱离表面，逸出反应室。n总反应式：总反应式：SiH4（吸附（吸附)=Si（固体（固体)+2H2(g)第30页6.3 CVD多晶硅多晶硅n特点：特点：与与Si及及SiO2接触性能更加好；接触性能更加好；台阶覆盖性好。台阶覆盖性好。n缺点：缺点：SiH4易气相分解。易气相分解。n用途：用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。欧姆接触、栅极、互连线等材料。n多晶硅掺杂多晶硅掺杂 扩散：电阻率低；温度高；扩散：电阻率低；温度高；离子注入离子注入:电阻率是扩散电阻率是扩散10倍；倍；原位掺杂：淀积过程复杂；原位掺杂：淀积过程复杂；n多晶硅淀积之后多晶硅淀积之后进行进行(实际中采实际中采取该方法取该方法)第31页6.4 CVD二氧化硅二氧化硅第32页6.4 CVD二氧化硅二氧化硅6.4.1 CVD SiO2方法方法1.低温低温CVD 气态硅烷源气态硅烷源 n硅烷和氧气：硅烷和氧气：APCVD、LPCVD、PECVD 淀积机理淀积机理:SiH4+O2 400 SiO2（固）（固）+H2n硅烷和硅烷和N2O（NO）：PECVD 淀积机理淀积机理:SiH4+N2O 200-400 SiO2+N2+H2On原位掺原位掺P：形成形成PSG 淀积机理淀积机理:PH3(g)+5O2=2P2O5(固固)+6H2 优点：优点：温度低；反应机理简单。温度低；反应机理简单。缺点：缺点：台阶覆盖差。台阶覆盖差。第33页6.4 CVD二氧化硅二氧化硅液态液态TEOS源：源：PECVDn淀积机理：淀积机理：Si(OC2H5)4+O2 250-425 SiO2+H2O+CXHYn优点：优点：安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。n缺点：缺点：SiO2膜质量较热生长法差；膜质量较热生长法差；SiO2膜含膜含C、有机原子团。、有机原子团。2.中温中温LPCVD SiO2n温度：温度：680-730n化学反应：化学反应：Si(OC2H5)4 SiO2+2H2O+4C2H4n优点：优点：很好保形覆盖；很好保形覆盖；n缺点：缺点：只能在只能在Al层淀积之前进行。层淀积之前进行。第34页6.4 CVD二氧化硅二氧化硅6.4.2 台阶覆盖台阶覆盖n保形覆盖：保形覆盖：全部图形上淀积薄膜全部图形上淀积薄膜 厚度相同；也称共性厚度相同；也称共性 conformal）覆盖。）覆盖。n覆盖模型：覆盖模型：淀积速率正比于气体分子抵达表淀积速率正比于气体分子抵达表 面角度面角度(抵达角抵达角)；特殊位置淀积机理：特殊位置淀积机理：a直接入射；直接入射；b再发射；再发射；c表面迁移。表面迁移。n保形覆盖关键：保形覆盖关键：n表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比；表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比；n再发射再发射第35页第36页6.4 CVD二氧化硅二氧化硅6.4.3 CVD掺杂掺杂SiO21.PSGn工艺：原位掺杂工艺：原位掺杂PH3；n组分：组分：P2O5 和和 SiO2；n磷硅玻璃回流（磷硅玻璃回流（P-glass flow）工艺：）工艺：PSG受热变软易受热变软易 流动，可提供一平滑表面，也称高温平坦化流动，可提供一平滑表面，也称高温平坦化 （100-1100）。）。(好处好处:提升后续淀积台阶覆盖提升后续淀积台阶覆盖)2.BPSG（硼磷硅玻璃）（硼磷硅玻璃）n工艺：原位掺杂工艺：原位掺杂PH3、B2H6；n组分：组分：B2O3-P2O5-SiO2；n回流平坦化温度：回流平坦化温度：850；第37页第38页6.5 CVD Si3N4nSi3N4薄膜用途：薄膜用途：最终钝化膜和机械保护层；最终钝化膜和机械保护层；掩蔽膜：用于选择性氧化；掩蔽膜：用于选择性氧化；DRAM电容绝缘材料；电容绝缘材料；MOSFETs中侧墙；中侧墙；浅沟隔离浅沟隔离CMP停顿层。停顿层。nSi3N4薄膜特征：薄膜特征：扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧；扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧；对底层金属可保形覆盖；对底层金属可保形覆盖；可作为钝化层原因可作为钝化层原因 针孔少；压应力能够很低针孔少；压应力能够很低(PECVD)；介电常数较大：介电常数较大：(Si3N4=6-9,SiO2=4.2),不能作层间绝缘层。不能作层间绝缘层。第39页6.5 CVD Si3N4CVD Si3N4薄膜工艺薄膜工艺1.LPCVD 反应剂：反应剂：SiH2Cl2+NH3 Si3N4+H2+HCl 温度：温度：700-800；速率：与总压力（或速率：与总压力（或SiH2Cl2分气压分气压)成正比；成正比；特点：密度高；不易被稀特点：密度高；不易被稀HF腐蚀；腐蚀；化学配比好；保形覆盖；化学配比好；保形覆盖；缺点：应力大；缺点：应力大；2.PECVD 反应：反应：SiH4+NH3（或（或N2）SixNyHz+H2 温度：温度：200-400；nH危害处理：危害处理：N2代替代替NH3；H危害：阈值漂移。危害：阈值漂移。第40页第41页第42页6.6 金属金属CVDn惯用惯用CVD金属薄膜：金属薄膜：Al、W、Ti、Cu6.6.1 钨钨CVDnW特征：特征：热稳定性高：熔点热稳定性高：熔点3410；应力低：应力低：保形覆盖好；保形覆盖好；抗电迁移强；抗电迁移强；耐腐蚀；耐腐蚀；体电阻率较小体电阻率较小(相比于相比于Ti和和Ta)。nW缺点：缺点：电阻率相对较高：是电阻率相对较高：是Al一倍；一倍；在氧化物和氮化物上附着性差：可实现选择性淀积；在氧化物和氮化物上附着性差：可实现选择性淀积；nW用途：用途：特征尺寸小于特征尺寸小于1m接触孔和通孔填充接触孔和通孔填充钨插塞；钨插塞；局部互连。局部互连。第43页6.6.1 钨钨CVD1.CVD W化学反应化学反应n很理想很理想W源：源：WF6（沸点（沸点17,易气态输送、可准确易气态输送、可准确 控制流量）控制流量）nWF6与与Si：2WF6+3Si 2W(s)+3SiF4(g)特征：特征：反应自停顿反应自停顿(因为因为WF6无法继续扩散穿过所生成无法继续扩散穿过所生成 厚钨薄膜厚钨薄膜)；nWF6与与H2：WF6+H2 W（s)+6HF(g)nWF6与与SiH4：2WF6+3SiH4 2W+3SiF4+6H22.覆盖式覆盖式CVD W与回刻与回刻n覆盖式淀积：在整个覆盖式淀积：在整个Si片上淀积；片上淀积；n回刻（反刻）：去除多出回刻（反刻）：去除多出W；第44页6.6.2 硅化钨硅化钨CVDnCVD WSi2薄膜应用：薄膜应用：形成形成polycide多层栅结构；多层栅结构；IC存放器中字线与位线；存放器中字线与位线；覆盖式钨附着层。覆盖式钨附着层。n化学反应：化学反应：WF6+2SiH4 WSi2+6HF+H2n实际化学式实际化学式:WSix，要求，要求x2；n工艺条件：增大工艺条件：增大SiH4流量；流量；第45页n6.6.3 TiNCVD TiN作用：作用：作为作为W扩散阻挡层时有扩散阻挡层时有2个目标个目标 预防底层预防底层Ti与与WF6反应，反应式为反应，反应式为 WF6+Ti W+TiF4 保护保护WF6不与硅发生反应。不与硅发生反应。n6.6.4 AlCVD CVD铝潜在优点：铝潜在优点：CVD铝对接触孔有很好填充性；铝对接触孔有很好填充性；较低电阻率较低电阻率(与钨相比与钨相比)；一次完成填充和互连；一次完成填充和互连；CVD铝淀积温度比铝淀积温度比CVD钨低。钨低。第46页