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1、化学气相沉积 CVD 化学气相沉积 CVD 概念 化学气相沉积 ChemicalVaporDeposition 气体或蒸气在晶圆表面产生化学反应 并形成固态薄膜的沉积方法 沉积制程 气源分子到达晶圆表面 气源分子在表面移动 气源分子在表面反应 成核作用 岛状物形成 沉积制程 岛状物成长 岛状物成长 横截面图 岛状物合并 连续薄膜 CVD制程 APCVD 常压化学气相沉积法LPCVD 低压化学气相沉积法PECVD 等离子体增强型化学气相沉积法 加热器 晶圆 N2 N2 制程气体 排气 晶圆 输送带 输送带清洁装置 APCVD反应器示意图 常压化学气相沉积法 APCVD APCVD制程发生在大气压
2、力常压下 适合在开放环境下进行自动化连续生产 APCVD易于发生气相反应 沉积速率较快 可超过1000 min 适合沉积厚介质层 但由于反应速度较快 两种反应气体在还未到达硅片表面就已经发生化学反应而产生生成物颗粒 这些生成物颗粒落在硅片表面 影响硅片表面的薄膜生长过程 比较容易形成粗糙的多孔薄膜 使得薄膜的形貌变差 低压化学气相沉积法 LPCVD 低气压 133 3Pa 下的CVD较长的平均自由路径可减少气相成核几率 减少颗粒 不需气体隔离 孔洞少 成膜质量好 但是反应速率较低 需要较高的衬底温度 低压化学气相沉积系统 加热线圈 石英管 至真空帮浦 压力计 制程气体入口 晶圆装载门 晶圆 中
3、心区均温区 距离 温度 晶舟 等离子体增强型化学气相沉积 PECVD 射频在沉积气体中感应等离子体场以提高反应效率 因此 低温低压下有高的沉积速率 表面所吸附的原子不断受到离子与电子的轰击 容易迁移 使成膜均匀性好 台阶覆盖性好 制程反应室 制程反应室 副产品被泵浦抽走 加热板 晶圆 等离子体 RF功率产生器 等离子体增强型化学气相沉积 PECVD 保形覆盖是指无论衬底表面有什么样的倾斜图形 在所有图形的上面都能沉积有相同厚度的薄膜 保形覆盖 到达角度 A B C 270 90 180 薄膜的厚度正比于到达角的取值范围 阶梯覆盖性与保形性 a b c d 基片 结构 CVD薄膜 h w 严重时
4、会形成空洞 金属 介电质 介电质 介电质 空洞 金属 金属 金属3 金属4 金属层间介电质3 金属层间介电质2 影响阶梯覆盖的因素 源材料的到达角度源材料的再发射源材料的表面迁移率 黏附系数 黏附系数 源材料原子和基片表面产生一次碰撞的过程中 能与基片表面形成一个化学键并被表面吸附的机率 黏附系数 源材料 黏附系数 SiH 4 3x10 4至3x10 5 SiH 3 0 04至0 08 SiH 2 0 15 SiH 0 94 TEOS 10 3 WF 6 10 4 CVD源材料 硅烷 SiH4 四乙氧基硅烷 tetra ethyl oxy silane TEOS Si OC2H5 4 CVD源
5、材料 硅烷 自燃性的 自己会燃烧 易爆的 以及有毒的打开没有彻底吹除净化的硅烷气体管路 可能引起火灾或是小爆炸 并形成微细的二氧化硅粒子使气体管路布满灰尘 H Si H H H Si H H H H 硅烷分子结构 CVD源材料吸附 硅烷 硅烷分子完全对称的四面体不会形成化学吸附或物理吸附但硅烷高温分解或等离子体分解的分子碎片 SiH3 SiH2 orSiH 很容易与基片表面形成化学键 黏附系数大表面迁移率低 通常会产生悬突和很差的阶梯覆盖 四乙氧基硅烷 TEOS 室温下为液态化学性能不活泼安全 CVD源材料吸附 四乙氧基硅烷 TEOS 四乙氧基硅烷 tetra ethyl oxy silane
6、 TEOS Si OC2H5 4 也称正硅酸四乙酯大型有机分子TEOS分子不是完整对称的可以与表面形成氢键并物理吸附在基片表面表面迁移率高好的阶梯覆盖 保形性与间隙填充广泛使用在氧化物的沉积上 因为TEOS比硅烷热分解产物的黏附系数小一个数量级 所以TEOS在表面的迁移能力与再发射能力都很强 台阶覆盖性较好 硅烷成本低 沉积速率较快 两种主要CVD源材料的主要特点 CVD工艺应用 多晶硅SiO2Si3N4W硅化钨TiN 多晶硅的特性与沉积方法 多晶硅薄膜是由小单晶 大约是100nm量级 的晶粒组成 因此存在大量的晶粒间界 多晶硅薄膜的沉积 通常主要是采用LPCVD工艺 在580 650下热分解
7、硅烷实现的 SiH4 吸附 Si 固 2H2 气 在一般的掺杂浓度下 同样的掺杂浓度下 多晶硅的电阻率比单晶硅的电阻率高得多 主要是由于晶粒间界含有大量的悬挂键 可以俘获自由载流子 但在高掺杂情况下 多晶硅的电阻率比单晶硅的电阻相差不大 高掺杂多晶硅作为栅电极和短程互联线在MOS集成电路得到广泛应用 常常将钨 钛 钴 考虑到离子注入后的退火 这里只能用难熔金属 等硅化物做在多晶硅薄膜上 形成具有较低的方块电阻 相对于单独的多晶硅而言 TEOS为源的低温PECVD二氧化硅 Si OC2H5 4 O2 SiO2 副产物 比用气体硅烷源更安全 因为TEOS室温下为液体 而且化学性能不活泼 所沉积薄膜
8、保形性好 二氧化硅的CVD沉积方法 中温 650 750 LPCVD二氧化硅 Si OC2H5 4 O2 SiO2 4C2H4 2H2O 成膜质量好 但如果铝层已沉积 这个温度是不允许的 PE TEOS对O3 TEOS 等离子体增强 TEOS 臭氧 TEOS 阶梯覆盖率 50 阶梯覆盖率 90 保形性 87 5 保形性 100 CVD氧化层vs 加热成长的氧化层 热成长薄膜 CVD沉积薄膜 硅裸片晶圆 Si Si Si CVD二氧化硅应用 钝化层浅沟槽绝缘 STI 侧壁空间层金属沉积前的介电质层 PMD 金属层间介电质层 IMD 浅沟槽绝缘 STI 成长衬垫氧化层沉积氮化硅 蚀刻氮化硅 氧化硅
9、与硅基片 成长阻挡氧化层CVDUSG沟槽填充 CMPUSGUSG退火 Si Si Si Si Si 剥除氮化硅与氧化硅 USG USG USG 浅沟槽绝缘 STI 侧壁空间层形成 基片 多晶硅栅极 二氧化硅 基片 多晶硅栅极 二氧化硅侧壁空间层 金属沉积前的介电质层 PMD PMD 金属沉积前的流平层为降低流平温度 PMD一般为掺杂的氧化物PSG或BPSGPSG 掺磷SiO2 即磷硅玻璃 可减少硅玻璃的加热回流温度 可以形成更为平坦的表面 BPSG 在PSG基础上掺硼形成的硼磷硅玻璃 可以进一步减低回流的圆滑温度而磷的浓度不会过量 PSG在摄氏1100 C N2气氛中退火20分钟回流圆滑情形
10、0wt 4 6wt 2 2wt 7 2wt 资料来源 VLSITechnology byS M Sze 磷越高 回流的温度越低 BPSG在摄氏850 C和N2气氛中回流圆滑30分钟 PMD制程的发展 CMP 化学机械抛光 化学机械抛光 CMP 金属 金属 金属 CMP 化学机械抛光 平坦化制程 金属层间介电质层 IMD 金属层间介电质层 IMD 主要起绝缘作用一般为未掺杂的硅玻璃 USG 或FSG温度受限于铝金属熔化通常是400 C等离子体增强 四乙氧基硅烷 臭氧 四乙氧基硅烷和高密度等离子体 CVD氮化硅的特性与沉积方法 很适合于作钝化层 因为它有非常强的抗扩散能力 尤其是钠和水汽在氮化硅中
11、的扩散系数很小 另外 还可以作PSG或BPSG的扩散阻挡层 CVD氧化硅与CVD氮化硅的特性 氧化硅 SiO 2 氮化硅 Si 3 N 4 高介电强度 1x107V cm 高介电强度 1x107V cm 低介电常数 k 3 9 高介电常数 k 7 0 紫外线可穿透 氮化物紫外线无法穿透 可以被P或B掺杂 对水气与可移动离子的阻挡性不佳 Na 对水气与可移动离子的阻挡性佳 Na 具有深宽比4 1的0 25mm间隙 O3 TEOSBPSG间隙填充 SiCl2H2 气 4NH3 气 Si3N4 固 6HCl 气 6H2 气 LPCVD氮化硅薄膜 需要较高的沉积温度 700 800 可用作电容的介质层
12、 不适合作钝化层 PECVD氮化硅薄膜 SiH4 气 NH3 或N2气 SixNyHx H2 气 沉积温度低 200 400 适合作钝化层 金属的化学气相沉积 钨的电阻率比铝合金要大 但是比相应的难熔金属硅化物及氮化物的电阻率要低 其主要作用为 钨塞 钨栓 当接触孔和通孔的最小尺寸大于1 m时 用Al膜可以实现很好的填充 但是对于特征尺寸小于1 m的工艺 Al无法完全填充接触孔和通孔 但CVD钨则能完全填充 钨的另一用途为局部短程互联线 用钨填充接触孔和通孔的主要工艺 1 沉积接触层 通常是用Ti作接触层 因为Ti与硅有更小的接触电阻 2 沉积附着 阻挡层 通常是TiN 因为钨对TiN有较好的
13、附着性 3 覆盖式化学气相沉积钨 典型工艺是两步沉积 首先使用硅烷还原反应形成一薄层钨 大约几十个纳米左右 然后用氢气还原反应沉积剩余的钨膜 4 钨膜的回刻 5 附着层与接触层的回刻 2WF6 气 SiH4 气 W 固 3SiF4 气 6H2 气 2WF6 气 3H2 气 W 固 6HF 气 因为直接用氢气还原反应沉积的钨膜 在TiN表面不能很好附着 硅化钨的化学气相沉积 常常将钨 钛 钴等硅化物做在多晶硅薄膜上 形成多层栅结构 以具有较低的方块电阻 相对于单独的多晶硅而言 WF6 气 2SiH4 气 WSi2 固 6HF 气 H2 气 具有深宽比4 1的0 25mm间隙 O3 TEOSBPS
14、G间隙填充 TiN的化学气相沉积 钨的附着层阻挡层 用CVD法制备的TiN 保形好 6TiCl4 气 8NH3 气 6TiN 固 24HCl 气 N2 气 上述方法需要在600 以上的温度下进行 只适合于接触孔的沉积 6Ti N CH3 2 4 气 8NH3 气 6TiN 固 24HN CH3 2 气 N2 气 上述方法可以在400 以下的温度下进行 适合于接触孔和互联线通孔的沉积 氧化硅 氮化硅 USG W P型晶圆 N型井区 P型井区 BPSG p p n n USG W Metal2 Al Cu P型外延层 金属1 Al Cu Al Cu STI 浅沟槽绝缘层STI 金属沉积前流平层PMD 多层金属间绝缘层IMD 抗反射层ARC 第一钝化层PD1 第二钝化层PD2 侧壁空间层SiO2 W柱 改善W与SiO2附着力的TiN 介电质薄膜在CMOS电路的应用 氮化硅防扩散层 金属硅化物 金属互连层 多晶硅栅 改善接触电阻的Ti膜 栅氧化层 1 简述PVD的含义 PVD成膜主要有哪两种方法 简述各自的原理 2 简述CVD的含义 简述APCVD LPCVD和PECVD各自的主要特点 作业
