二氧化硅薄膜的淀积

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1、6.4 二氧化硅薄膜的淀积二氧化硅薄膜的淀积 按按掺杂掺杂划分：划分：本征本征SiO2（USG）、）、PSG、 BPSG薄膜薄膜； 按按温度划分温度划分：低低温温工艺（工艺（200500 ）和中和中温工艺温工艺（500750 ）；）； 按按淀积淀积方法方法划分：划分：APCVD-SiO2、LPCVD-SiO2、PECVD-SiO2； 按硅源划分：按硅源划分：SiH4/O2或或N2O、TEOS(正硅酸乙酯正硅酸乙酯Si(C2H5O)4）/ O2或或O3 、 SiH2Cl2/N2O。16.4.1 CVD-SiO2特性与用途特性与用途1、分类、分类2、特点、特点、用途及要求、用途及要求 与热氧化与热

2、氧化SiO2的的理化性质相比略有差异，随着理化性质相比略有差异，随着工艺工艺温度降低，温度降低，密度下降，耐密度下降，耐 腐蚀性下降，腐蚀性下降，成分偏离化学配比。还有些性质与成分偏离化学配比。还有些性质与CVD方法、源系统等有关：方法、源系统等有关： 热氧化热氧化SiO2折射率折射率n=1.46，当，当n1.46，薄膜富，薄膜富硅，硅，n2时时，富硅；若富硅；若n晶粒内部晶粒内部杂质在晶粒内与晶界处分杂质在晶粒内与晶界处分凝凝-分凝系数小于分凝系数小于1，且随温度而变化，且随温度而变化， 高温高温时晶粒内杂质在低温时运动到晶界处，而高温时又返回晶粒时晶粒内杂质在低温时运动到晶界处，而高温时又

3、返回晶粒 内。内。6.6.1 多晶硅薄膜的性质与用途多晶硅薄膜的性质与用途15多晶硅的电学特性多晶硅的电学特性 晶粒晶粒内的电学行为和单晶硅的电学内的电学行为和单晶硅的电学 行为行为相似；相似； 掺杂浓度相同时，低掺杂浓度多晶掺杂浓度相同时，低掺杂浓度多晶 比单晶电阻率比单晶电阻率高得多，随着掺杂浓高得多，随着掺杂浓 度增高，两者逐渐接近；度增高，两者逐渐接近； 电阻率电阻率与晶粒尺寸有关，晶粒与晶粒尺寸有关，晶粒尺寸尺寸 大大电阻率电阻率低，低，晶粒小则晶粒小则相反；相反； 晶粒尺寸进入纳米时，电阻率迅速晶粒尺寸进入纳米时，电阻率迅速 增加，成为半绝缘增加，成为半绝缘薄膜。薄膜。掺磷多晶与单

4、晶硅电阻率曲线16特点与用途特点与用途 特点：特点：多晶硅有良好的多晶硅有良好的高温工艺高温工艺兼容性，兼容性， 与与热热生长生长SiO2有很好的有很好的接触接触性能性能，保保形形 性良好，应力小。性良好，应力小。 用途：用途：非常广泛非常广泛 MOS器件的栅器件的栅电极及多层互连布线电极及多层互连布线； 自对准工艺的硅栅等；自对准工艺的硅栅等； 在在SRAM中用于制作高值负载电阻中用于制作高值负载电阻； MEMS器件中，制作压学传感器器件中，制作压学传感器的应变的应变 电阻等。电阻等。17MOS的自对准多晶硅栅SiSIO2Poly-Si多晶硅压力传感器芯片6.6.2 CVD多晶硅薄膜工艺多晶

5、硅薄膜工艺 源：源：硅烷硅烷 SiH4（a） SiH2（a）+H2 SiH2（a） Si（s）+H2 工艺：工艺：温度为温度为580-650，用用H2、 N2稀释稀释SiH4 质量：质量：淀积温度淀积温度、淀积速率，总淀积速率，总 压力压力、硅烷分压，以及随后的热、硅烷分压，以及随后的热 处理过程。处理过程。186.6.3 多晶硅薄膜的掺杂多晶硅薄膜的掺杂是是在在CVD过程中过程中，将，将含所需杂质元素的掺杂剂，含所需杂质元素的掺杂剂，如如PH3、AsH3、B2H4 等等，与硅源混合气体一起通与硅源混合气体一起通入反应器入反应器，进行进行的的原位气相掺杂原位气相掺杂。对对多晶硅薄膜的生长动力学

6、特性和薄膜的结构、形貌都有显著的影响多晶硅薄膜的生长动力学特性和薄膜的结构、形貌都有显著的影响。 如，如，掺杂剂为掺杂剂为PH3时多晶硅薄膜的厚度均匀性变差时多晶硅薄膜的厚度均匀性变差；p型型杂质使杂质使淀积速率淀积速率 单调增大单调增大，而，而n型杂质型杂质使使淀积速率淀积速率下降下降。方法简单方法简单；但但杂质源和硅源的化学动力学性质不同，导致薄膜生长过程杂质源和硅源的化学动力学性质不同，导致薄膜生长过程 更加复杂更加复杂，且，且难以获得重掺杂的难以获得重掺杂的n型多晶型多晶硅硅。191、直接直接掺杂掺杂2、两步工艺、两步工艺是是先先LPCVD本征多晶硅薄膜，然后再进本征多晶硅薄膜，然后再

7、进 行离子注入或扩散掺杂行离子注入或扩散掺杂。 离子注入离子注入：杂质杂质数量精确可控，数量精确可控，也适也适 用用低掺杂低掺杂薄膜的制备。注入后通常采薄膜的制备。注入后通常采 用用 RTP完成杂质激活。完成杂质激活。 扩散掺杂：扩散掺杂：N型杂质常用液态源型杂质常用液态源POCl5， 工艺温度在工艺温度在9001000，扩，扩散散速率速率很很 快快，增加了薄膜表面的粗糙度。增加了薄膜表面的粗糙度。20掺磷多晶硅电阻率曲线 用途：用途： 作导电填充物作导电填充物-插塞（插塞（plug）；）； 作作局部互联材料局部互联材料-W的电导率低，的电导率低， 只用作短程互连只用作短程互连线。线。 特性：

8、特性：体电阻率较小体电阻率较小7-12.cm； 热稳定性较高，但热稳定性较高，但超过超过400时，时， 钨膜会被空气中的钨膜会被空气中的氧所氧所氧化氧化，熔，熔 点点3410；较低的应力；良好的较低的应力；良好的 抗抗电迁移电迁移能力和抗能力和抗腐蚀性。腐蚀性。6.7 CVD金属及金属化合物薄膜金属及金属化合物薄膜216.7.1 钨钨及其化学气相淀积及其化学气相淀积上、下导电层电连接使用“钉头”和“插塞”W插塞在电场作用下，金属在电场作用下，金属离子离子产生产生 定向定向运动，特别是在运动，特别是在晶界处。晶界处。 在局部由质量堆积而出现在局部由质量堆积而出现小丘、小丘、 晶须晶须，或由质量亏

9、损出现，或由质量亏损出现空洞空洞CVD-W 工艺工艺冷冷壁式壁式LPCVD，钨源，钨源为为WF6；WCl6；W(CO)6 1、选择选择淀积淀积，两步工艺：两步工艺： 300，消耗消耗Si， 10-15nm自自停止；停止； F6(g)+SiW+SiF4(g） 低于低于450 ，与过量，与过量H2反应：反应： WF6(g)+H22W+HF(g) 2、覆盖、覆盖淀积淀积 先淀积附着先淀积附着层，如层，如TiN，再，再LPCVD-W 与与SiH4反应时反应时WF6应过量应过量： 2WF6(g)+SiH2(g)2W(s)+3SiF(g)+6H222SiSiO2W覆盖式CVD-W填充通孔照片6.7.2 金

10、属化合物的化学气相淀积金属化合物的化学气相淀积 源：源：WF6/SiH4：WF6(g) + 2SiH4(g) WSi2(s) + 6HF+ H2 工艺：工艺：300400、6.740 kPa，在冷壁式反应器中淀积在冷壁式反应器中淀积 。 特点：特点：WSix在晶界处有在晶界处有Si集结，集结，实际实际X22.6，电阻率约，电阻率约500cm， 若若在在900快速快速退火，电阻率可退火，电阻率可降至约降至约50cm。 用途：用途：在在多晶硅多晶硅/难熔金属硅化物难熔金属硅化物(记为：记为：polycide)的存储器芯片中被的存储器芯片中被 用作字线和位线，用作字线和位线，WSix也可作为覆盖式钨

11、的附着层也可作为覆盖式钨的附着层。231、LPCVD-WSix2、CVD-TiN 源：源：TiCl4或或TiN(CH3)24（记记为：为：TDMAT）/NH3 6TiCl4(g) + 8NH3 6TiN(s)+ 24HCl + N2 6TiN(CH3)24(g) + 8NH3 6TIN(s) + 24HN(CH3)2(g) + N2 工艺工艺： TiCl4系统系统，600以上热以上热壁式壁式LPCVD；TDMAT系统系统500以下以下 的的MOCVD 特性特性：TiN热稳定性热稳定性好，好，界面结合强度界面结合强度高高，导电性导电性能能好好，杂质杂质在在TiN中中 的扩散激活能很高的扩散激活能

12、很高， 用途：用途：在在多层互连系统多层互连系统中作为中作为扩散阻挡层和（或）附着层扩散阻挡层和（或）附着层使用使用246.7.3 CVD金属及金属化合物的进展金属及金属化合物的进展 目前目前，多数多数金属及金属化合物的金属及金属化合物的CVD工工 艺并不十分艺并不十分成熟。成熟。寻找合适的寻找合适的源源是关键。是关键。 CVD-Cu：使使用用二价和一价铜的有机物二价和一价铜的有机物 作为作为源源，采用冷壁式采用冷壁式LPCVD或或MOCVD 方法，选择淀积；方法，选择淀积； CVD-Al：常用的铝常用的铝源源也是铝有机物如也是铝有机物如 TIBA等等，采用采用MOCVD方法，方法，工艺温度工艺温度 低，但淀积铝膜低，但淀积铝膜表面表面较较祖糙祖糙，源普遍存，源普遍存 在有毒、易燃等安全问题。在有毒、易燃等安全问题。25CVD-Cu冷壁式LPCVD设备示意图