《集成电路工艺之化学气相淀积》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集成电路工艺之化学气相淀积（93页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Chap 6 CVD,IntroductionPrinciples of CVDCVD EquipmentCVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films,MSI时代nMOS晶体管的各层膜,p+ silicon substrate,p- epi layer,场氧化层,n+,n+,p+,p+,n-well,ILD,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,金属,从MSI
2、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。,ULSI硅片上的多层金属化,芯片中的金属层,薄膜特性,好的台阶覆盖能力 填充高的深宽比间隙的能力 好的厚度均匀性 高纯度和高密度 受控制的化学剂量 高度的结构完整性和低的膜应力 好的
3、电学特性 对衬底材料或下层膜好的黏附性,化学气相淀积 (Chemical Vapor Deposition),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*它是半导体生产中最重要的薄膜淀积方法，除了某些金属材料之外，基本都用CVD进行淀积。,化学气相淀积 (Chemical Vapor Deposition),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,CVD相对于PVD,
4、有什么优点？,跟材料特性相关的性质结晶性和理想配比都比较好 薄膜成分和膜厚容易控制 *淀积温度低 *台阶覆盖性好（step coverage),CVD outline,IntroductionPrinciples of CVDCVD EquipmentCVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films,CVD的薄膜生长原理,薄膜生长的过程生长模型,薄膜生长过程,1、反应剂气体混合物以合理的流速被输运到沉积区 2、反应剂气体由
5、主气流通过边界层扩散到衬底表面 3、反应剂气体吸附在衬底表面上 4、吸附原子（分子）发生化学反应，生成薄膜基本元素 5、副产物分子离开衬底表面，由衬底外扩散到主气流，排出,边界层理论,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,Grove模型（1）,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
6、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,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,（1）F1=hg(Cg Cs) （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，淀积速率受质量输运速率控制,Grove模型（3）,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
7、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）,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）：,Diffusion and Surface control regions,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变化而变化。,增加气流速率可以提高淀积速率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),升高温度可以提高淀积速率但随着温度的上升，淀积速
8、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,CVD outline,IntroductionPrinciples of CVDCVD EquipmentCVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films,CVD Equipment,化学气相淀积系统 气态源或液态源 气体输入管道 气体流量控
9、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),6.2.1 CVD的气体源,气体源趋向液态 气态源不安全 淀积的薄膜特性不好 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,冒泡法中反应剂浓度控制： 携带气体的流速 源瓶的温度气体的流速由气体流量控制系统控制,6.2.2 质量流量控制系统,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,6.2.3 CVD反应室的热源,Kamin
10、s 2000,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。 LPCVD 均匀性好，台阶覆盖性好，污染少。对反应室结构要求低。装片量大。 淀积速度低，工作温度高。 表面反应控制淀积速率。,PECVD 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 temperature Improve film quality and stress
11、 control through ion bombardment（炮击，轰击） 表面反应控制淀积速率,CVD的三种方法比较,CVD outline,IntroductionPrinciples of CVDCVD EquipmentCVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films,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
12、的台阶上淀积多晶硅时能够获得很好的保形性 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多晶硅的特性和淀积方法,6.3.1 多晶硅薄膜的性质（物理）,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
13、； 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，因为晶粒间界密度小,多晶硅薄膜的性质（电学）,6.3.2 CVD多晶硅,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,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,多晶硅的掺杂技术 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）,多晶硅的掺杂技术离子注入（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,
