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1、天津工业大学 集成电路工艺原理 Chap.6 化学气相淀积（CVD） CVD的基本概念、特点及应用 1 CVD的基本模型及控制因素 2 3 CVD多晶硅和氮化硅的方法 4 5 CVD SiO2的特性和方法 CVD系统的构成和分类 天津工业大学 集成电路工艺原理 CVD的基本概念 化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition）： 把含有构成薄膜元素的气态反应剂或者液态反应剂的 蒸气，以合理的流速引入反应室，并以某种方式激活后 在衬底表面发生化学反应并在淀积成膜的一种方法。 天津工业大学 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 集成电路工艺原理 CVD的工艺
2、特点 v CVD成膜温度远低于衬底的熔点或软点，减轻了对衬 底的热形变，减少了沾污，抑制了缺陷的生成，减轻 了杂质的再分布，适合于制造浅结分离器件及VLSI电 路，而且设备简单，重复性好； v 薄膜的成分精确可控，配比范围大； v 淀积速率一般高于PVD，厚度范围广，由几百埃到数 毫米，且能大量生产； v 淀积薄膜结构完整，致密，与衬底粘附性好，且台阶 覆盖性能较好； v 薄膜纯度较差，一般用于制备介质膜。 天津工业大学 集成电路工艺原理 CVD薄膜的应用 v 浅槽隔离（STI，USG） v 侧墙掩蔽（Sidewall, USG） v 前金属化介质层（PMD，PSG、BPSG） v 金属间介质
3、层（IMD，USG、FSG） v 钝化保护层（PD，Oxide/Nitride） v 抗反射涂层（ARC，SiON） 天津工业大学 集成电路工艺原理 天津工业大学 集成电路工艺原理 浅槽隔离（STI） 天津工业大学 集成电路工艺原理 侧墙掩蔽 天津工业大学 集成电路工艺原理 6.1 CVD模型 天津工业大学 集成电路工艺原理 天津工业大学 集成电路工艺原理 CVD的基本过程 v 反应剂在主气流中的输送； v 反应剂从主气流中扩散通过边界层到达衬底表面； v 反应剂在表面被吸附； v 吸附的反应剂在表面发生反应，淀积成膜； v 反应的副产物和未反应剂离开衬底表面，排除。 天津工业大学 集成电路工
4、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，反应剂必须具备足够高的蒸气压； v 除淀积物外，反应的其他产物必须是挥发性的； v 淀积物本身必须具有足够低的蒸气压； v 化学反应速率必须足够快以缩短淀积时间； v 淀积温度必须足够低以避免对先前工艺产生影响； v 化学反应应该发生在被加热的衬底表面，如果在气相发生 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。 天津工业大学 集成电路工艺原理 边界层理论 v 黏滞性流动：当气压较高时（平均自由程远小于反应室尺寸）， 气体与固体间的摩擦力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
5、的流速为抛物线型变化 ，则称为泊松流。 v 边界层（附面层、滞流层）概念：当气体流过硅片表面时， 存在着一个速度受到扰动并按抛物线型变化，同时还存在反应剂浓 度梯度的薄层被称为边界层，也称为附面层、滞流层。 天津工业大学 集成电路工艺原理 v 边界层厚度： v 雷诺数： Re= UL / 雷诺数表示流体运动中惯性效应与粘滞 效应的比值，Re较低时，气流为平流 型，Re较大时，气流为湍流型 天津工业大学 集成电路工艺原理 Grove模型 v F1=hg(Cg-Cs) v F2=ksCs v Cs=Cg/(1+ks/hg) v Ks hg时，表面反应控制： G= (Cg ks ) /N1 hg K
6、s时，质量输运控制： G= (Cg hg ) /N1 天津工业大学 集成电路工艺原理 v 决定ks的主要因素：温度 ksk0exp(-EA/kT) v 决定hg的主要因素：气体流速，气体成分，系统压力 hg=Dg/s； 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，保持处处恒定的温度 v 对于质量输运控制，保持处处恒定的反应剂浓度 天津工业大学 集成电路工艺原理 淀积速率与温度的关系 天津工业大学 集成电路工艺原理 6.2 化学气相淀积系统 CVD系统通常包括： v气态源或液态源 v气体输入管道 v气体流量控制 v反应室 v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
7、 v减压系统（可选） 天津工业大学 集成电路工艺原理 CVD的气体源 v 气态源（SiH4） 许多气体有毒、易燃、腐蚀 性强。 v 液态源（TEOS，Tetra- Ethyl-Oxy-Silane） 液体气压低，危险性小，运 输方便，淀积的薄膜特性好 。 v冒泡法（温度） v加热液态源 v液态源直接注入法 天津工业大学 集成电路工艺原理 冒泡法液态源 天津工业大学 集成电路工艺原理 CVD中常采用的源 天津工业大学 集成电路工艺原理 CVD反应室热源 CVD反应室热源： v 热壁式：Tw=Ts，气流稳定，结构简单，侧壁淀积严重； v 冷壁式： TwTs，侧壁淀积少，降低了颗粒剥离的污染 ，减少
8、了反应剂的损耗 加热方式： v 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） 天津工业大学 集成电路工艺原理 常用的几种CVD系统 APCVD系统（Atmospheric Pressure CVD） v 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 般是质量输运控制，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。 天津工业大学 集成电路工艺原理 LPCVD系统（Low Pressure CVD） v 污染小；均匀性和台阶覆盖性较好；一般是表面反应控制，精确控 制温度比较容易； v
9、 气缺现象；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。 天津工业大学 集成电路工艺原理 PECVD系统（Plasma Enhanced CVD） v 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、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、射 频功率等；可能的污染较多； v 冷壁平行板；热壁平行板。 天津工业大学 集成电路工艺原理 天津工业大学 集成电路工艺原理 6.3 CVD多晶硅的特性和淀积方法 v 多晶硅的性质 多晶硅=单晶硅颗粒（100nm数量级）+晶粒间界 相
10、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 MOS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 热壁式LPCVD： SiH4(吸附) Si(固)+2H2(气) 580650 分解 天津工业大学 集成电路工艺原理 v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 天津工业大学 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CVD SiO2 （300450） 1）硅烷为源的低温CVD SiO2 SiH4（气）+O2（气） SiO2（固） +2H2（气） （APCVD） SiH4（气）+2N2O（气） SiO2（
11、固） +2H2（气）+2N2（气） （PECVD） 2）TEOS为源的低温PECVD SiO2 Si(OC2H5)4 +O2 SiO2+副产物 （PECVD） v 中温 LPCVD SiO2 （650750） Si(OC2H5)4 SiO2+ 4C2H4+ 2H2O （LPCVD） 天津工业大学 集成电路工艺原理 v TEOS与臭氧混合源的SiO2淀积 （最好的台阶覆盖能力） CVD SiO2薄膜的台阶覆盖： 入射（到达角）；表面迁移（淀积系统） ；再发射（气体性质） 天津工业大学 集成电路工艺原理 TEOS SiH4 天津工业大学 集成电路工艺原理 v 硅烷（SiH4）具有完全的对称结构，不
12、易在衬底表面发生 物理吸附，只能分解之后在衬底表面发生化学吸附，而化 学吸附的作用力大，使之表面迁移能力和再发射能力很低 ，所以台阶覆盖性能较差； v 四乙氧基硅烷（TEOS）的结构不完全对称，容易在衬底 表面通过氢键发生物理吸附，而物理吸附的作用力相对较 小，因而表面迁移能力和再发射能力较强，因而台阶覆盖 性能好。 天津工业大学 集成电路工艺原理 CVD SiO2的掺杂（磷硅玻璃，硼硅玻璃 ） SiO2的掺杂可以在制备过程中加入掺杂剂实现原位掺杂。 PSG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，常用于平坦化工艺作为PMD。 天津工业大学 集成电路工艺原理 天津工业大
13、学 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 天津工业大学 集成电路工艺原理 天津工业大学 集成电路工艺原理 6.5 CVD氮化硅的特性和淀积方法 Si3N4的特性及其在IC中的作用: v 最终钝化层和机械保护层 v 选择性氧化的掩蔽膜（LOCOS工艺） v O-N-O叠层介质绝缘材料 v MOSFET栅极的侧墙 v 沟槽隔离的CMP终止层 Si3N4的淀积方法: LPCVD：3SiCl2H2(气)+4NH3(气) Si3N4(固)6HCl(气)6H2(气) PECVD：SiH4(气)+NH3(或N2)(气) SixNyHz(固)+H2(气) 天津工业大学 集成电路工艺原
14、理 6.6 金属的化学气相淀积 v 难熔金属（W,Ti,Mo）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 天津工业大学 集成电路工艺原理 为什么要用钨塞(plug)？ 天津工业大学 集成电路工艺原理 CVD淀积钨 v 钨源一般采用WF6，有两种还原方法： v WF6(气)+3H2(气) W(固)+6HF(气) v 2 WF6(气)+3SiH4(气) 2W(固)+3SiF4(气)+6H2(气) 淀积过程： v 表面原位预清洁处理； v 淀积接触层（溅射或CVD淀积Ti膜） v 淀积附着/阻挡层（溅射或CVD淀积TiN膜） v WF6与SiH4反应淀积一薄层成核层 v WF6与H2反应淀积体相钨 v 回刻钨膜以及附着层和接触层 天津工业大学 集成电路工艺原理 天津工业大学 集成电路工艺原理 小结 v CVD的基本概念及应用 v CVD的基本过程（5步）及边界层的概念 v Grove模型，两种控制过程，影响CVD淀积速率的因素（ 温度、反应物浓度） v CVD系统的构成，各种源及加热方式 v 常见的三种CVD系统的特点（APCVD，LPCVD， PECVD） v CVD二氧化硅的方法和特点 v CVD多晶硅和氮化硅的方法和特点 v CVD金属的应用及钨的淀积方法
