化学气相淀积.pptx

第第6章章 化学气相淀积化学气相淀积(CVD)v6.1 CVD概述概述v6.2 CVD工艺原理工艺原理v6.3 CVD工艺方法工艺方法v6.4 二氧化硅薄膜的淀积二氧化硅薄膜的淀积v6.5 氮化硅薄膜淀积氮化硅薄膜淀积v6.6 多晶硅薄膜的淀积多晶硅薄膜的淀积v6.7 CVD金属及金属化合物薄膜金属及金属化合物薄膜6.1 CVD概述概述 v化学气相淀积化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition,CVD)是把构成薄膜元素的是把构成薄膜元素的气态气态反应剂或液反应剂或液态反应剂的态反应剂的蒸气蒸气以合理的流速引入反应室，以合理的流速引入反应室，在衬底表面发生在衬底表面发生化学反应化学反应并在衬底上并在衬底上淀积淀积薄膜薄膜的工艺方法。的工艺方法。v淀积的薄膜淀积的薄膜是非晶或多晶态是非晶或多晶态，衬底不要求，衬底不要求是单晶，只要是具有一定平整度，能经受是单晶，只要是具有一定平整度，能经受淀积温度即可。淀积温度即可。CVD淀积分类淀积分类v常压化学气相淀积（常压化学气相淀积（APCVD,Atmospheric pressure chemical vapor deposition）v低压化学气相淀积（低压化学气相淀积（LPCVD,Low pressure chemical vapor deposition）v等离子增强化学气相淀积（等离子增强化学气相淀积（PECVD,Plasma enhanced chemical vapor deposition）v金属有机物化学气相淀积（金属有机物化学气相淀积（MOCVD,Metal-Organic chemical vapor deposition）v激光诱导化学气相淀积（激光诱导化学气相淀积（LCVD,Laser chemical vapor deposition）v微波等离子体化学气相淀积（微波等离子体化学气相淀积（MWCVD,Microwave assisted chemical vapor deposition）按气压分类按气压分类按反应按反应激活能激活能分类分类6.2 CVD工艺原理v(1)反应剂引入，在衬底表面附近形成反应剂引入，在衬底表面附近形成“滞留层滞留层”v(2)反应剂被吸附在硅片表面，并进行化学反应反应剂被吸附在硅片表面，并进行化学反应v(3)在硅片表面成核、生长成薄膜在硅片表面成核、生长成薄膜v(4)反应后的气相副产物排出反应室反应后的气相副产物排出反应室CVD的化学反应条件v（1）在淀积温度下，反应剂需有足够高的蒸气压；）在淀积温度下，反应剂需有足够高的蒸气压；v（2）除淀积物外，反应的其它物质必须是挥发性；）除淀积物外，反应的其它物质必须是挥发性；v（3 3）淀积物本身必须具有足够低的）淀积物本身必须具有足够低的蒸气压蒸气压v（4 4）薄膜淀积所用的时间必须足够短）薄膜淀积所用的时间必须足够短-高效率，高效率，低成本低成本v（5 5）淀积温度必须足够低）淀积温度必须足够低-避免对先前工艺影响避免对先前工艺影响v（6 6）CVDCVD不允许化学反应的气态副产物进入薄膜不允许化学反应的气态副产物进入薄膜v（7 7）化学反应必须在被加热的衬底表面）化学反应必须在被加热的衬底表面6.2.26.2.2薄膜淀积速率及影响因素薄膜淀积速率及影响因素 CVD反应室内的流体动力学反应室内的流体动力学v反应室工作气体是常压或反应室工作气体是常压或初真空度，分子平均自由初真空度，分子平均自由程远小于反应室尺寸，气程远小于反应室尺寸，气流是流是粘滞流粘滞流。v边界层（附面层，滞流层）v边界层厚度图7-2 立式反应器中浮力驱动的再循环流生长动力学生长动力学从简单的生长模型出发，用从简单的生长模型出发，用动力学方法研究化学气相淀动力学方法研究化学气相淀积推导出积推导出生长速率的表达式生长速率的表达式及其两种极限情况及其两种极限情况与热氧化生长稍有与热氧化生长稍有不同的是，没有了不同的是，没有了在在SiO2中的扩散流中的扩散流Jg是反应剂分子的粒子流密度是反应剂分子的粒子流密度Js代表在衬底表面化学反应消耗的反应剂分子流密度代表在衬底表面化学反应消耗的反应剂分子流密度气体气体薄膜薄膜衬底衬底CgCsJgJsGrove模型模型hg 是质量输运系数（是质量输运系数（cm/sec）在稳态，两类粒子流密度应相等。这样得到在稳态，两类粒子流密度应相等。这样得到可得：可得：假定假定Jg正比于正比于 反应剂在主气流中的浓度反应剂在主气流中的浓度CG与在硅表面处浓度与在硅表面处浓度CS之差之差假定在表面经化学反应淀积成薄膜的速率正比于假定在表面经化学反应淀积成薄膜的速率正比于 反应剂在表面的浓度反应剂在表面的浓度CS，则，则ks 是表面化学反应系数（是表面化学反应系数（cm/sec）设设Y-在气体中反应剂分子的摩尔百分比在气体中反应剂分子的摩尔百分比Cg-每每cm3中反应剂分子数中反应剂分子数CT-在气体中每在气体中每cm3的所有分子总数的所有分子总数N-形成薄膜的单位体积中的原子数。形成薄膜的单位体积中的原子数。对硅外延对硅外延N为为51022 cm-3 则薄膜淀积速率则薄膜淀积速率Y一定时，一定时，G 由由hg和和ks中较小者决定中较小者决定1、如果、如果hgks，则，则CsCg-表面化学反应速率控制过表面化学反应速率控制过程，有程，有2、如果、如果hghgG=CThgY/N1kshgG=CTksY/N1气流速率气流速率与温度对与温度对淀积速率的影响淀积速率的影响质量输运控制质量输运控制，hg ks Ghg 1/U1/2表面反应控制表面反应控制，ks 1.46,薄膜富硅薄膜富硅 n1.46,为低密度多孔薄膜为低密度多孔薄膜6.4.2 APCVD/LPCVD SiO2v硅烷为源，工艺温度硅烷为源，工艺温度250-450，可在可在APCVD,LPCVD,PECVD系统中淀积。系统中淀积。SH4(g)+O2(g)SiO2(s)+2H2(g)v N2稀释稀释SH4与过量与过量O2的混合气体的混合气体 v低温淀积低温淀积SiO2膜可在膜可在700-1000退火致密化，使退火致密化，使SiO2膜的密度从膜的密度从2.1gcm3增至增至2.2gcm3，在，在HF溶液中的腐蚀速率也会降低。溶液中的腐蚀速率也会降低。1 硅烷硅烷/O2为源为源TEOS（正硅酸四乙酯）（正硅酸四乙酯）为源的低温为源的低温PECVDTEOS(l)Si(OC2H5)4+O2 SiO2+副产物副产物v良好的台阶覆盖性，间隙填充特性，多用来良好的台阶覆盖性，间隙填充特性，多用来形成多层布线金属层之间绝缘层淀积形成多层布线金属层之间绝缘层淀积TEOS与与O3混合源的混合源的SiO2淀积淀积v300,TEOS+3%O3,APCVD淀积淀积SiO2，淀积速率可达，淀积速率可达100200nm/min-vTEOS与与O3混合淀积的混合淀积的SiO2薄膜薄膜优势：淀积速率高；保形优势：淀积速率高；保形性好；良好填充沟槽及金属线之间的间隙性好；良好填充沟槽及金属线之间的间隙v化学反应式化学反应式 Si(OC2H5)4+O3 SiO2+8CO2+10H2Ov问题：淀积速率依赖于薄膜淀积的表面材问题：淀积速率依赖于薄膜淀积的表面材料；所淀积的氧化层中含有料；所淀积的氧化层中含有Si-OH键，更易键，更易吸收水汽；吸收水汽；解决方法：先用解决方法：先用PECVD 方法先方法先淀积一层淀积一层SiO2，再做，再做TEOS/O3淀淀积积SiO2，最后表面再做，最后表面再做PECVD 淀积淀积SiO2，形成三明治夹层的三，形成三明治夹层的三层绝缘层结构层绝缘层结构2 中温中温CVD SiO2v工艺温度工艺温度650-750，采用采用APCVD，LPCVD方法淀积。方法淀积。vTEOS 淀积的淀积的SiO2薄膜有更好的薄膜有更好的保形性保形性；淀积温度淀积温度:680-730,速率约速率约25nmminvLPCVD SiO2 薄膜薄膜Si(OC2H5)4SiO2+4C2H4+2H2O6.4.4 PECVD SiO21.含有氯或氢。含有氯或氢。2.当当N2O:SiH4的的比例比较低时，比例比较低时，形成富硅薄膜形成富硅薄膜;3.富硅薄膜的折富硅薄膜的折射系数增加射系数增加,n值接近值接近1.46;4.稀释的稀释的HF溶液溶液对对SiO2的腐度的腐度速率可以非常速率可以非常精确的反映薄精确的反映薄膜的配比和密膜的配比和密度。度。SH4(g)+2N2O(g)SiO2(s)+2N2(g)+2H2(g)Ar气为稀释气体，温度：气为稀释气体，温度：200-4006.5 氮化硅薄膜氮化硅薄膜v氮化硅薄膜是非晶介质薄膜，氮化硅薄膜是非晶介质薄膜，Si3N4薄薄膜一般是采用膜一般是采用CVD法制备，法制备，在二氧化在二氧化硅不适合的场合作为介质薄膜使用。硅不适合的场合作为介质薄膜使用。6.5.1 氮化硅薄膜性质与用途v抗钠能力强，硬度大，针孔少，致密，化抗钠能力强，硬度大，针孔少，致密，化学稳定性好，因此，作为学稳定性好，因此，作为钝化膜钝化膜、保护膜保护膜有优势。有优势。v掩蔽能力强，掩蔽能力强，SiO2对对B、P、As、Sb有掩蔽有掩蔽作用，作用，Si3N4还可以掩蔽还可以掩蔽Ga、In、ZnO。能。能作为多种杂质的作为多种杂质的掩蔽膜掩蔽膜。v介电常数介电常数大、导热性好，大、导热性好，SiO2 4.2，Si3N4 6-9，可做，可做电容的介质层电容的介质层；与二氧化硅比较与二氧化硅比较v工工艺艺用用途途：可可以以作作为为选选择择性性氧氧化化的的掩掩膜膜，如如MOS器器件件的的场场区区氧氧化化(LOCOS)；浅浅沟沟隔隔离的化学机械抛光（离的化学机械抛光（CMP）自停止层。）自停止层。v问问题题：与与硅硅失失配配率率大大，无无论论是是晶晶格格常常数数还还是是热热膨膨胀胀系系数数，因因此此在在Si3N4/Si界界面面硅硅缺缺陷陷大大，成成为为载载流流子子陷陷阱阱，或或者者复复合合中中心，影响硅的载流子迁移率。心，影响硅的载流子迁移率。6.5.2 氮化硅工艺氮化硅工艺 可根据需要选择淀积可根据需要选择淀积Si3N4工艺条件工艺条件v选择性氧化的掩膜或电容介质层选择性氧化的掩膜或电容介质层 中温中温LPCVD,700-800C,P：0.1-1Torr SiH2Cl2(H2或或N2)+NH3 Si3N4+HCl+H2v最终钝化层最终钝化层 低温低温PECVD，200-400 P：0.1-1Torr SiH4(H2或或N2)+NH3(或或N2)SixNyHZ+H2LPCVD氮化硅工艺v薄膜密度高（薄膜密度高（2.93.1g/cm3）；介电常数）；介电常数6；化学配比较好；耐化学配比较好；耐HF腐蚀；腐蚀；H含量较含量较PECVD氮化硅低氮化硅低;台阶覆盖性较好台阶覆盖性较好;较少的粒子污染较少的粒子污染v缺点是薄膜应力较大缺点是薄膜应力较大,易破裂易破裂vLPCVD以以SiH2Cl2或或SiCl4为硅源淀积为硅源淀积Si3N4 v注意注意 工艺过程中工艺过程中NH3要充足要充足 PECVD氮化硅薄膜v若采用N2和SiH4作为反应剂,注意比例;淀积速率低,台阶覆盖差,击穿电压低;H含量较少,形成薄膜致密;vNH3更易于在PECVD反应室内分解,形成的薄膜性能较好PECVD SiXNYStandard Cubic Centimeter per Minute,即ml/min或cm3/min 6.6多晶硅多晶硅(Poly-Si)薄膜薄膜v结构特点结构特点 多晶硅多晶硅薄膜薄膜是由无数微小单晶粒是由无数微小单晶粒(约约100nm)组成的薄膜，晶粒大小与制备工艺有关，在组成的薄膜，晶粒大小与制备工艺有关，在晶粒与晶粒之间是晶粒间界晶粒与晶粒之间是晶粒间界(称晶界，称晶界，0.5-1nm宽宽)，晶界原子排列无序，多晶硅晶界原子排列无序，多晶硅薄膜薄膜呈呈各向同性各向同性。v晶界含大量悬挂键及高密度缺陷晶界含大量悬挂键及高密度缺陷-晶粒间界不完晶粒间界不完整性及晶粒表面原子周期性排列受到破坏所引起。整性及晶粒表面原子周期性排列受到破坏所引起。v造成多晶硅的两个重要特性：造成多晶硅的两个重要特性：（1）扩散系数）扩散系数-晶界处明显大于晶粒内部晶界处明显大于晶粒内部 （2）杂质分凝）杂质分凝-高温时位于晶粒内部的杂质在低高温时位于晶粒内部的杂质在低温时运动到晶界处，而高温时又返回晶粒内温时运动到晶界处，而高温时又返回晶粒内 6.6.1 结构与特性结构与特性多晶硅电学特性多晶硅电学特性v多晶硅内每个单晶晶粒内的电学行为和单多晶硅内每个单晶晶粒内的电学行为和单晶硅的电学行为相似晶硅的电学行为相似v在一般掺杂浓度下，同样掺杂情况，比单在一般掺杂浓度下，同样掺杂情况，比单晶电阻率高；晶电阻率高；v高掺杂时，电阻率与单晶接近。高掺杂时，电阻率与单晶接近。原因：原因：1、热处理过程中掺杂、热处理过程中掺杂原子运动到晶界处，不能有效原子运动到晶界处，不能有效供给自由载流子；供给自由载流子；2、晶界处、晶界处的悬挂键可俘获自由载流子；的悬挂键可俘获自由载流子；3、晶界内缺陷使载流子迁移、晶界内缺陷使载流子迁移率下降率下降Poly-Si电阻变化与掺杂浓度、晶粒尺寸之间关系：电阻变化与掺杂浓度、晶粒尺寸之间关系：1、在同样掺杂浓度下晶粒尺寸大的薄膜有较低的电阻率、在同样掺杂浓度下晶粒尺寸大的薄膜有较低的电阻率2、晶粒尺寸的大小和掺杂浓度相互作用，决定着每一个晶、晶粒尺寸的大小和掺杂浓度相互作用，决定着每一个晶粒的耗尽的程度粒的耗尽的程度6.6.2 多晶硅薄膜用途多晶硅薄膜用途vMOS器件的栅电极；器件的栅电极；v超大规模集成电路中电极的多层布超大规模集成电路中电极的多层布线；线；v在双极以及在双极以及BiCMOS技术中，高掺杂技术中，高掺杂的多晶硅薄膜也用来制作发射极；的多晶硅薄膜也用来制作发射极；vMEMS器件，如压力传感器的应变器件，如压力传感器的应变电阻。电阻。良好的高温工艺兼容性；与良好的高温工艺兼容性；与热生长的二氧化硅有更好的热生长的二氧化硅有更好的接触性能；在陡峭的台阶上接触性能；在陡峭的台阶上淀积多晶硅有良好的保形性淀积多晶硅有良好的保形性6.6.3 Poly-Si薄膜制备工艺薄膜制备工艺vLPCVD，580-650，热分解硅烷实现淀积；，热分解硅烷实现淀积；T 580时淀积薄膜基本为非晶时淀积薄膜基本为非晶Siv硅烷热分解硅烷热分解 SiH4（吸附）（吸附）SiH2（吸附）（吸附）+H2(g)Si（s）+H2(g)注意：（注意：（1）防止防止SiH4气相分解气相分解-应用稀释气体应用稀释气体H2 （2）气缺现象气缺现象-从反应室的入口到出口的从反应室的入口到出口的30温度梯度；分布式入口温度梯度；分布式入口LPCVD反应室反应室v在淀积在淀积Poly-Si的同时可的同时可原位掺杂原位掺杂，或在淀积之，或在淀积之后采用后采用扩散或离子注入掺杂扩散或离子注入掺杂。Poly-Si淀积速率的影响因素淀积速率的影响因素温度；温度；气体压力；气体压力；反应器形状反应器形状Poly-Si掺杂掺杂v扩散掺杂扩散掺杂-温度温度9001000 N型掺杂剂：型掺杂剂：POCl5,PH3等含磷气体等含磷气体 优势：优势：1.在多晶硅膜中掺入杂质浓在多晶硅膜中掺入杂质浓度很高，可以超过固溶度度很高，可以超过固溶度-可得可得较低电阻率；较低电阻率；2.一步完成掺杂和退一步完成掺杂和退火两个工艺；火两个工艺；缺点：缺点：工艺温度高，薄膜表面粗糙工艺温度高，薄膜表面粗糙度增加度增加v离子注入离子注入-优点：杂质数量精确优点：杂质数量精确可控，也可适用低掺杂薄膜制备。可控，也可适用低掺杂薄膜制备。电阻率为扩散掺杂法制备薄膜电阻率为扩散掺杂法制备薄膜10倍倍 合适的注入能量可使杂质浓度峰合适的注入能量可使杂质浓度峰值处于薄膜中间；用快速热退火值处于薄膜中间；用快速热退火(RTP)在在1150下不到下不到30秒完成杂秒完成杂质再分布和激活。质再分布和激活。v原位掺杂原位掺杂-一步完成薄膜淀积和一步完成薄膜淀积和掺杂工艺；方法简单，未广泛应用掺杂工艺；方法简单，未广泛应用实际实际CVD氮化硅氮化硅二氧化硅二氧化硅6.7 CVD金属及金属化合物薄膜金属及金属化合物薄膜v难溶金属难溶金属W,Mo,Ta,Ti在在IC中被用作互中被用作互连系统，一般用连系统，一般用CVD方法淀积。方法淀积。vW的主要用途的主要用途 1.作填充作填充-W插塞插塞plug 2.作局部互联材料作局部互联材料-W的电导率低，的电导率低，只用作短程互连线只用作短程互连线vW的优势的优势体电阻率较小体电阻率较小7-12.cm；较高的热稳定；较高的热稳定性；较低的应力；良好的抗电迁移能力性；较低的应力；良好的抗电迁移能力和抗腐蚀性和抗腐蚀性CVD W 工艺工艺v源源-WF6；WCl6；W(CO)6vWF6与硅，与硅，H2，硅烷还原反应生成，硅烷还原反应生成W-300 10-15nm自停止自停止 WF6(g)+Si(s)SiF4(g)低于低于450 WF6与与H2淀积淀积W工艺工艺 WF6(g)+H2(g)2W(s)+HF(g)选择性淀积选择性淀积-良好的良好的成核表面成核表面非选择性淀积非选择性淀积-存在问题存在问题-横向扩展，横向扩展，空洞的形成，选择性等空洞的形成，选择性等问题未解决问题未解决覆盖式覆盖式W填充填充vW填充接触孔与通孔工艺填充接触孔与通孔工艺 表面原位预清洁处理表面原位预清洁处理-去氧化物去氧化物 淀积接触层淀积接触层-溅射或溅射或CVDTi膜膜 淀积附着淀积附着/阻挡层阻挡层-溅射或溅射或CVDTiN膜膜 覆盖式覆盖式CVDW淀积淀积 W膜的回刻膜的回刻 附着层和接触层的刻蚀附着层和接触层的刻蚀6.7.2 金属化合物的化学气相淀积v在多晶硅在多晶硅/难熔金属硅化物难熔金属硅化物(polycide)多层栅多层栅结构中应用的金属硅化物，如结构中应用的金属硅化物，如WSix、TaSi和和MoSi2等；等；v在金属多层互连系统中的附着层和（或）扩在金属多层互连系统中的附着层和（或）扩散阻挡层的氮化物，如散阻挡层的氮化物，如TiN等。等。6.7.3 CVD金属及金属化合物的进展金属及金属化合物的进展 vCVD-Cu vCVD-Al 6.8薄膜检测薄膜检测v薄膜质量薄膜质量外观镜检外观镜检X射线衍射了解薄膜结构，晶粒大小射线衍射了解薄膜结构，晶粒大小粘接牢固度粘接牢固度v薄膜厚度薄膜厚度 （透明薄膜；非透明薄膜）（透明薄膜；非透明薄膜）实时测量：石英振荡器，质谱仪，微秤实时测量：石英振荡器，质谱仪，微秤成膜后测量：光学方法，探针方法成膜后测量：光学方法，探针方法本章重点本章重点vCVD工艺过程，模型工艺过程，模型vAPCVD、LPCVD、PECVD比较比较v多晶硅薄膜特点、用途、制备工艺多晶硅薄膜特点、用途、制备工艺vCVD SiO2（PSG、BPSG）特点、用途、制）特点、用途、制备工艺备工艺v氮化硅薄膜与氮化硅薄膜与SiO2比较，特点、用途、制备比较，特点、用途、制备工艺工艺