化学气相沉积课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/10/3,#,第六章 化学气相沉积,6.1 CVD,概述,6.2 CVD,工艺原理,6.3 CVD,工艺方法,6.4,二氧化硅薄膜淀积,6.5,氮化硅薄膜淀积,6.6,多晶硅薄膜淀积,6.7,金属及金属化合物薄膜,1,1/51,MSI,时代,nMOS,晶体管各层膜,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,2/51,ULSI,硅片上多层金属化,钝化层,压点金属,p,+,Silicon substrate,Via,ILD-2,ILD-3,ILD-4,ILD-5,M-1,M-2,M-3,M-4,p,-,Epitaxial layer,p,+,ILD-6,LI oxide,STI,n-well,p-well,ILD-1,Poly gate,n,+,p,+,p,+,n,+,n,+,LI metal,3/51,芯片中金属层,4/51,6.1 CVD,概述,对薄膜要求,好台阶覆盖能力,填充高深宽比间隙能力,好厚度均匀性,高纯度和高密度,受控制化学剂量,高度结构完整性和低膜应力,好电学特征,对衬底材料或下层膜好黏附性,5/51,6.1 CVD,概述,1,）物理气相淀积,Physical Vapor Deposition(PVD),利用某种,物理过程,实现物质转移，即将原子或分子转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜技术。,比如：,蒸发,evaporation,，溅射,sputtering,2,）化学气相淀积,Chemical Vapor Deposition(CVD),经过,气态物质化学反应,在衬底上淀积一层薄膜材料过程。,比如：,APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD,两类主要淀积方式,6/51,6.1 CVD,概述,除了,CVD,和,PVD,外，制备薄膜方法还有,:,铜互连是由电镀工艺制作,旋涂,Spin-on,镀,/,电镀,electroless plating/electroplating,7/51,6.1 CVD,概述,化学气相淀积（,CVD,）,CVD,技术特点：,含有淀积温度低、薄膜成份和厚度易于控制、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,方法几乎能够淀积集成电路工艺中所需要各种薄膜，比如掺杂或不掺杂,SiO2,、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属,(,钨、钼,),等,8/51,6.1 CVD,概述,CVD,相对于,PVD,有什么优点？,跟材料特征相关性质,结晶性和理想配比都比很好,薄膜成份和膜厚轻易控制,*,淀积温度低,*台阶覆盖性好（,step coverage),9/51,6.1 CVD,概述,单晶,(,外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜,半导体、介质、金属薄膜,常压化学气相淀积（,APCVD,），低压,CVD(LPCVD),，等离子体增强淀积（,PECVD,）等,CVD,反应必须满足三个挥发性标准,在淀积温度下,反应剂必须具备足够高蒸汽压,除淀积物质外,反应产物必须是挥发性,淀积物本身必须含有足够低蒸气压,化学气相淀积（,CVD,）,10/51,6.2 CVD,工艺原理,化学气相淀积基本过程,1,、反应剂气体混合物以合理流速被输运到沉积区,2,、反应剂气体由主气流经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,11/51,边界层理论,气体速度受到扰动并按抛物线型改变、同时还存在反应剂浓度梯度薄层称为边界层（附面层、滞留层）,气体分子平均自由程远小于反应室几何尺寸，能够认为气体为黏滞性流动,因为气体黏滞性，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,6.2 CVD,工艺原理,12/51,6.2 CVD,工艺原理,Grove,模型,从简单生长模型出发，用动力学方法研究化学气相淀积推导出,生长速率表示式及其两种极限情况。,与热氧化生长稍有,不一样是，没有了,在,SiO,2,中扩散流,F,1,：主气流到衬底表面反应剂流密度,F,2,：反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜流密度,C,g,：反应剂在主气流中浓度,C,s,：反应剂在硅表面处浓度,13/51,6.2 CVD,工艺原理,其中：,h,G,是质量输运系数，,k,s,是表面化学反应系数,在稳态，两类粒子流密度应相等，这么得到,可得：,（,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,14/51,结论,：,（,1,）淀积速率与,C,g,（反应剂浓度）或者,Y,（反应剂摩尔百分比）成正比；,（,2,）在,C,g,或者,Y,为常数时，薄膜淀积速率将由,Ks,和,hg,中较小一个决定。,薄膜淀积速率,（其中,N,1,表示形成一个单位体积薄膜所需要原子数量）：,Grove,模型,6.2 CVD,工艺原理,15/51,升高温度能够提升淀积速率,但伴随温度上升，淀积速率对温度敏感度不停下降；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,图,6.8,硅膜淀积速率与温度倒数关系,表面化学反应控制：温度,质量输运速率控制：位置,6.2 CVD,工艺原理,斜率与激活能,E,a,成正比,16/51,以硅外延为例（,1 atm,，,APCVD,）,h,G,常数,E,a,值相同,外延硅淀积,往往是在高温下进行，以确保全部硅原子淀积时排列整齐，形成单晶层。为质量输运控制过程。此时对温度控制要求不是很高，不过对气流要求高。,多晶硅生长,是在低温进行，是表面反应控制，对温度要求控制精度高。,6.2 CVD,工艺原理,17/51,当工作在高温区,质量控制为主导，,h,G,是常数，此时反应气体经过边界层扩散很主要，即反应腔设计和晶片怎样放置显得很主要。,关键两点：,k,s,控制淀积,主要和温度相关,h,G,控制淀积,主要和反应腔体几何形状相关,6.2 CVD,工艺原理,18/51,6.3 CVD,工艺方法,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),19/51,6.3 CVD,工艺方法,气体源趋向液态,气态源不安全,淀积薄膜特征不好,液态源输送,保留在室温下液态源，使用时先注入到气化室中，气化后直接输送到反应室中,20/51,质量流量控制系统,进入反应室气体流量准确可控,控制反应室气压,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，每分钟经过气体体积,6.3 CVD,工艺方法,21/51,CVD,反应室热源,薄膜是在高于室温温度下淀积。,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。,CVD,三种方法比较,6.3 CVD,工艺方法,41/51,CVD,三种方法比较,6.3 CVD,工艺方法,PECVD,反应温度低，附着性好，良好阶梯覆盖，良好电学特征能够与精细图形转移工艺兼容，薄膜应力低，主流工艺。,具备,LPCVD,优点,high deposition rate at relatively low temperature,Improve film quality and stress control through ion bombardment,（炮击，轰击）,表面反应控制淀积速率,42/51,共形台阶覆盖,非共形台阶覆盖,均匀厚度,台阶覆盖：淀积薄膜表面几何形貌与半导体表面各种台阶形状关系。,保形覆盖：不论衬底表面有什么样倾斜图形，在全部图形上面都能淀积相同厚度薄膜,原因：反应物在吸附、反应时有显著表面迁移,台阶覆盖（保角性,conformality,）,6.3 CVD,工艺方法,43/51,台阶覆盖（保角性,conformality,）,1、淀积速率正比于气体分子抵达角度,6.3 CVD,工艺方法,44/51,台阶覆盖（保角性,conformality,）,6.3 CVD,工艺方法,45/51,举例,在,APCVD,中，以,SiH,4,和氧气为反应剂沉淀,SiO,2,因,SiH,4,黏滞系数很大，淀积速率正比于气体分子抵达表面时角度范围,抵达角,反应物抵达半导体表面时有不一样角度,在一个陡峭台阶处，,APCVD SiO,2,时，薄膜在台阶顶部处最厚，在拐角处最薄,。,SiO,2,薄膜在拐角处斜率大于,90,o,，使得,随即薄膜淀积和各项异性刻蚀变得非常困难,。,台阶覆盖（保角性,conformality,）,6.3 CVD,工艺方法,46/51,台阶覆盖（保角性,conformality,）,6.3 CVD,工艺方法,47/51,遮蔽效应,LPCVD,工艺、,PVD,中蒸发和溅射,反应剂分子,平均自由程,很长，且在衬底表面上,迁移能力又很低,情况下，则会发生掩蔽效应，受到掩蔽点处膜厚小于没受到掩蔽点处膜厚,台阶覆盖（保角性,conformality,）,6.3 CVD,工艺方法,48/51,磷硅玻璃,在淀积,SiO,2,气体中同时掺入,PH,3,，,就可形成磷硅玻璃（,PSG),PSG,对水汽阻挡能力不强，故在高磷情况下有很强吸潮性；,PSG,能够吸收碱性离子、吸收杂质；,PSG,在高温下（,10001100,）,能够流动，使随即淀积薄膜有更加好台阶覆盖。,台阶覆盖（保角性,conformality,）,6.3 CVD,工艺方法,49/51,在金属层间，普通需淀积,表面平滑二氧化硅,作为绝缘层。若,氧化膜有凹陷,，轻易使得上层金属膜淀积时有缺口产生而造成,电路断路,。,低温淀积磷硅玻璃受热后变得较软易流动，可提供一平滑表面，所以常作为邻近两金属层间绝缘层，此工艺称为,磷硅玻璃回流,。,磷硅玻璃回流（,P-glass flow,）,6.3 CVD,工艺方法,50/51,PSG,回流工艺可处理台阶覆盖问题,PSG,回流工艺：将形成,PSG,样品加热到,1000,1100,C,使,PSG,软化流动，改进台阶形状,普通68 wt%P,BPSG能够深入降低回流温度,6.3 CVD,工艺方法,51/51,