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1、电子科技大学中山学院Chap 6 CVDv Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films电子科技大学中山学院MSI时代nMOS晶体管的各层膜p+ silicon substratep- epi layer场氧化层 n+n+p+p+n-wellILD氧化硅垫氧化层氧化硅氮化硅顶层栅氧化层侧墙氧化层金属前氧化层Poly金属多晶金
2、属电子科技大学中山学院从MSI到LSI时代，芯片的设计和加工相对较为直接，上图 给出了制作一个早期nMOS所需的淀积层。图中器件的特征尺 寸远大于1m。如图所示，硅片上各层并不平坦，这将成为 VLSI时代所需的多层金属高密度芯片制造的限制因素。随着特征尺寸越来越小，在当今的高级微芯片加工过程中 ，需要6层甚至更多的金属来做连接，各金属之间的绝缘就显得非常重要，所以，在芯片制造过程中，淀积可靠的薄膜材料 至关重要。薄膜制备是硅片加工中的一个重要工艺步骤。电子科技大学中山学院ULSI硅片上的多层金属化钝化层压点金属p+ Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-
3、5M-1M-2M-3M-4p- Epitaxial layerp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1Poly gaten+p+p+n+n+LI metal电子科技大学中山学院芯片中的金属层电子科技大学中山学院薄膜特性v好的台阶覆盖能力v填充高的深宽比间隙的能力v好的厚度均匀性v高纯度和高密度v受控制的化学剂量v高度的结构完整性和低的膜应力v好的电学特性v对衬底材料或下层膜好的黏附性电子科技大学中山学院化学气相淀积 (Chemical Vapor Deposition) v CVD定义：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程v *它是半导体生产中最重
4、要的薄膜淀积方法，除了 某些金属材料之外，基本都用CVD进行淀积。Silicon substrateOxide宽长厚 与衬底相比 薄膜非常薄电子科技大学中山学院化学气相淀积 (Chemical Vapor Deposition) v CVD技术特点： 具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性 和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单 等一系列优点 CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种 薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、 氮化硅、金属(钨、钼)等电子科技大学中山学院CVD相对于PVD,有什么优点？v跟材料特性相关的性质结晶性和理想配比都 比较好v薄膜成分和
5、膜厚容易控制 v*淀积温度低v*台阶覆盖性好（step coverage)电子科技大学中山学院CVDoutlinev Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films电子科技大学中山学院CVD的薄膜生长原理v 薄膜生长的过程v 生长模型电子科技大学中山学院薄膜生长过程v 1、反应剂气体混合物以合理的流速被输运到沉积区v 2、反应
6、剂气体由主气流通过边界层扩散到衬底表面v 3、反应剂气体吸附在衬底表面上v 4、吸附原子（分子）发生化学反应，生成薄膜基本元素v 5、副产物分子离开衬底表面，由衬底外扩散到主气流，排出电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院边界层理论v 气体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称为边界层（附面层、滞留层） 气体分子的平均自由程远小于反应室的几何尺寸，可以认为 气体为黏滞性流动 由于气体的黏滞性，气体与硅片表面或侧壁存在摩擦力，该 摩擦力使紧贴硅片表面或者侧壁的气体流速为零 在离硅片表面或者侧壁一定距离处，气体流速过渡到最大气 流Um电子科技大学中山学院Grove模型（1
7、）F1：主气流到衬底表面的反应剂流密度F2：反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜的流密度Cg：反应剂在主气流中的浓度Cs：反应剂在硅表面处的浓度电子科技大学中山学院Grove模型（2）Grove模型能够准确预测薄膜淀积速率，认为控制薄膜沉淀速率的两个因素为： 1 气相输运过程 2 表面化学反应过程电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v（1）F1=hg(Cg Cs) v（2）F2=ksCs其中：hg为气相质量输运系数，ks为表面化学反应速率常数v 稳定状态： F1=F2=F Cs=Cg/(1+ks/hg) （1）hg ks时，Cs趋向Cg，淀积速率受表面化学反应控制（2）ks hg时，Cs趋向0
8、，淀积速率受质量输运速率控制Grove模型（3）电子科技大学中山学院结论： （1）淀积速率与Cg（反应剂的浓度）或者Y（反应剂的摩尔百 分比）成正比；（2）在Cg或者Y为常数时，薄膜淀积速率将由Ks和hg中较小 的一个决定。Grove模型（4）v 薄膜淀积速率（其中N1表示形成一个单位体积薄膜所需要的原子数量）：电子科技大学中山学院Diffusion and Surface control regionsv 对于一个确定的表面反应，当温度升高到一定程度时，由 于反应速度的加快，输运到表面的反应剂数量低于该温度下表 面化学反应所需要的数量，这时的淀积速率将转为由质量输运 控制，反应速度不再随温度
9、变化而变化。电子科技大学中山学院v 增加气流速率可以提高淀积速率v 当气流速率大到一定程度的时候，淀积速率受表面化学反 应速率控制薄膜淀积速率(1)电子科技大学中山学院v 升高温度可以提高淀积速率v 但随着温度的上升，淀积速率对温度的敏感度不断下降； 当温度高过某个值后，淀积速率受质量输运速率控制薄膜淀积速率(2)图6.8 硅膜淀积速率与温度倒数的关系表面化学反应控制：温度质量输运速率控制：位置电子科技大学中山学院CVDoutlinev Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silico
10、n Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films电子科技大学中山学院CVD Equipment化学气相淀积系统n气态源或液态源 气体输入管道 气体流量控制系统 反应室 基座加热及控制系统 温度控制及测量系统 减压系统（LPCVD和PECVD)电子科技大学中山学院6.2.1 CVD的气体源v 气体源趋向液态 气态源不安全 淀积的薄膜特性不好v液态源的输送保存在室温下的 液态源，使用时 先注入到气化室 中，气化后直接 输送到反应室中电子科技大学中山学院v 冒泡法中反应剂浓度控制： 携带气
11、体的流速 源瓶的温度v 气体的流速由气体流量控制系统控制电子科技大学中山学院6.2.2 质量流量控制系统v 进入反应室的气体流量精确可控 控制反应室的气压 直接控制气体流量，质量流量控制系统质量流量计阀门v 气体流量单位:体积/单位时间 温度为273K，一个标准大气压下，每分钟通过的气体体积电子科技大学中山学院6.2.3 CVD反应室的热源Kamins 2000v 薄膜是在高于室温的温度下淀积的。 热壁系统：Tw=Ts 冷壁系统：Tw1000A/min）。 易气相成核，均匀性不好，材料利用率低。 质量输运控制淀积速率。vvLPCVDLPCVD 均匀性好，台阶覆盖性好，污染少。对反应室结构要求
12、低。装片量大。 淀积速度低，工作温度高。 表面反应控制淀积速率。电子科技大学中山学院vv PECVDPECVD 反应温度低，附着性好，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，薄膜应力 低，主流工艺。 具备LPCVD的优点high deposition rate at relatively low temperatureImprove film quality and stress control through ion bombardment（炮击，轰击） 表面反应控制淀积速率CVDCVD的三种方法比较的三种方法比较电子科技大学中山学院CVDoutlinev Introdu
13、ctionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films电子科技大学中山学院v多晶硅的优点（ Al的熔点为659 ）： 多晶硅与随后的高温热处理工艺有很好的兼容性 与Al栅相比，多晶硅与热生长二氧化硅的接触性能更好 在陡峭的台阶上淀积多晶硅时能够获得很好的保形性v应用： 栅电极 互联引线 导体和电阻（高电阻值） 填充介质隔离技术中的深槽6.3 CVD
14、多晶硅的特性和淀积方法电子科技大学中山学院6.3.1 多晶硅薄膜的性质（物理）v 物理结构 由小单晶组成，多晶界 淀积薄膜为非晶或多晶（取决于工艺），非晶经热处理 可转为多晶。 晶粒表面原子周期性排列受到破坏，所以晶粒间界具有 高密度缺陷和悬挂键晶界处的扩散系数明显高于晶粒内部的扩散系数高温时存在于晶粒内的杂质在低温时由于分凝作用 会运动到晶界电子科技大学中山学院v电学特性 多晶硅的电阻率高于单晶硅的电阻率掺杂原子在热处理过程中易到晶粒间界处，不 能有效的贡献自由载流子例如：As和P；B不会发生这种现象；晶粒间界处的悬挂键俘获自由载流子,由此降低载流子的浓度 晶粒尺寸大的多晶硅的电阻率低，因为
15、晶粒间界 密度小多晶硅薄膜的性质（电学）电子科技大学中山学院6.3.2 CVD多晶硅v 一般是用LPCVD，在580650下热分解硅烷实现 SiH4发生气相反应，生成粗糙多孔硅层，不适合IC的要求。当气体中的Si的浓度较大，容易发生气相反应气体稀释硅烷，用H2可以抑制气相反应 LPCVD时的气缺现象分布式入口的LPCVD反应室电子科技大学中山学院 温度580 , 多晶 625 晶向的晶粒占主导675 晶向的晶粒占主导更高温度 晶向的晶粒占主导 压力、温度(P156 图6.14）温度一定，压力增大，淀积速率增大压力一定，温度增大，淀积速率增大6.3.3 淀积条件对多晶硅结构及淀积速率的影响电子科
16、技大学中山学院v多晶硅的掺杂技术v扩散掺杂 在淀积完成之后在较高的温度下进行掺杂 优点：能够在多晶硅薄膜中掺入浓度很高的杂质。同 时完成掺杂和退火工艺 缺点：温度较高、薄膜表面粗糙程度增加6.3.4 多晶硅的掺杂技术（1）电子科技大学中山学院v多晶硅的掺杂技术v 离子注入（最常用） 淀积后的离子注入和退火 优点：可精确控制掺入杂质的数量，适合于不需要太 高掺杂浓度的多晶硅薄膜 特点：形成的高掺杂多晶硅电阻率约为扩散形成的电 阻率的10倍6.3.4 多晶硅的掺杂技术（2）电子科技大学中山学院v多晶硅的掺杂技术v 原位掺杂（in-situ) 边淀积边掺杂 简单，但薄膜厚度、掺杂均匀性及淀积速率会随着掺 杂气体的加入变得复杂 较少采用6.3.4 多晶硅的掺杂技术（3）电子科技大学中山学院CVDoutlinev Introductionv Princi
