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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