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：TwTs Tw：反应室的侧壁温度 Ts：放置硅片的基座温度 热壁和冷壁淀积室各有优缺点，根据需要进行选择。,6.2.4 CVD系统的分类,常压化学气相淀积(APCVD)低压化学气相淀积(LPCVD)等离子增强化学气相淀积(PECVD),APCVD反应器的结构示意图,APCVD,操作简单，淀积速率高，适合介质薄膜的淀积。 易发生气相反应，产生污染 台阶覆盖性和均匀性比较差 质量输运控制淀积速率，对反应室结构和气流模式提出高的要求,LPCVD反应器的结构示意图,LPCVD,表面反应速率控制淀积速率 原因：在较低的气压下
11、，气体的扩散速率比在一个大气压下高出很多倍。 结果：对温度比较敏感，温度相对来说较易控制，对反应室结构要求不高，可放置较多的硅片。 优点 污染少，均匀性和台阶覆盖性较APCVD好 缺点： 相对低的淀积速率，相对高的工作温度,LPCVD,气缺现象：当气体反应剂被消耗而出现的反应剂浓度改变的现象 对于只有一个入气口的反应室，情况比较严重。 措施： 在水平方向上逐渐提高温度来加快反应速度，从而提高淀积速率 采用分布式的气体入口 增加反应室中的气流速度,LPCVD,应用 多晶硅薄膜的淀积（580650）中温LPCVD SiO2 （500800）中温 LPCVD Si3N4 （700800）,平行板型P
12、ECVD反应器的结构示意图,PECVD,最常用 反应激活能：通过非热能源的射频（RF）等离子体来激活和维持化学反应。 低温淀积 应用：在Al上淀积二氧化硅或氮化硅 较高的淀积速率 表面反应速率控制淀积速率，精确控制衬底的温度，可得到均匀的薄膜。,PECVD,等离子体中的电子与反应气体分子碰撞 反应气体分子分解成多种成份：离子、原子及活性基团 活性基团不断吸附在基片表面上 吸附在表面上的活性基团之间发生化学反应生成薄膜层 表面吸附的离子受到离子和电子的轰击，易迁移，发生重新排列。淀积的薄膜均匀性良好，具有填充小尺寸结构的 能力。,CVD的三种方法比较,APCVD 设备简单，淀积速率大（ 1000
13、A/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 control through ion bombardment（炮击，轰击） 表面反应控制
14、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）
15、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； 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
16、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
17、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,6.3.4 多晶硅的掺杂技术（2）,多晶硅的掺杂技术原位掺杂（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）,CVD outline
18、,IntroductionPrinciples of CVDCVD EquipmentCVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films,二氧化硅的用途,6.4 CVD二氧化硅的特性和淀积方法,要求 厚度均匀、结构性能好，离子和化学玷污要低，与衬底之间有良好的黏附性，具有较小的应力以防止碎裂，完整性要好以获得较高的介质击穿电压，较好的台阶覆盖以满足多层互联的要求，针孔密度要低，较低的K值以获得高性能器件和较高的产率。 衡量二
19、氧化硅薄膜质量指标 折射系数与热氧化的折射系数1.46相比 大于1.46，富硅 小于1.46，低密度多孔薄膜,6.4.1 CVD SiO2的方法,CVD SiO2的方法 低温CVD SiO2 ：低于500 中温LPCVD SiO2：500800 TEOS与臭氧混合源的SiO2淀积：低于500 高温LPCVD淀积,Silane Based LPCVD or APCVD (250 450 )低温淀积生成的SiO2薄膜的密度低于热生长二氧化硅，折射系数为1.44，较易腐蚀。可在7001000 温度范围内进行热处理，以实现致密化。 致密化是一个减少SiO2玻璃体中H2O的成分，增加桥键氧数目的过程。,
20、低温CVD氧化层（1）,低温CVD氧化层（2）,Silane Based PECVD （200 400 ）可用N2O： SiH4 的比值来控制生成物的成分 稀释的HF溶液对SiO2薄膜的腐蚀速率可以非常精确的反应薄膜的配比和密度。高密度等离子体（HDP）CVD可在120 的低温下淀积质量很好的SiO2薄膜。,TEOS（正硅酸四乙酯Si(OC2H5)4 basedPECVD （250-425 ）TEOS + O2 SiO2 + Products淀积的薄膜具有更好的台阶覆盖和间隙填充特性，淀积温度低，可用来形成多层布线中金属层之间的绝缘层淀积。 可在淀积源中加入掺杂源进行掺杂 加硼酸三甲酯（TMB
21、)可掺硼 加磷酸三甲酯（TMP)可掺磷,低温CVD氧化层（3）,中温LPCVD淀积SiO2,LPCVD TEOS (675 695 )TEOS SiO2 + ProductsTEOS代替SiH4 安全 淀积的薄膜具有更好的保形性 原因：反应物淀积后在台阶表面快速迁移 应用：作为金属淀积之前的绝缘层（多晶硅和金属层之间的绝缘层）；形成隔离层（MOSFETs的LDD）,TEOS与臭氧混合源的SiO2淀积,特点(APCVD或LPCVD) ： 高的淀积速率 很好的保形性，Good gapfill properties the process is very sensitive to surface c
22、omposition,淀积前先用PECVD法淀积薄层SiO2，保证相同的淀积速度 Film is porous and contains lots of OH，易于与空气中的水汽反应，故最上层用PECVD法淀积SiO2层作为保护 故TEOS/O3淀积的氧化层就像三明治一样夹在由两层PECVD的氧化层结构。形成三层绝缘结构。,高温LPCVD淀积,6.4.2 CVD SiO2薄膜的台阶覆盖,台阶覆盖：淀积薄膜的表面几何形貌与半导体表面的各种台阶形状的关系。 保形覆盖：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淀积相同厚度的薄膜 原因：反应物在吸附、反应时有显著的表面迁移,决定吸附原子迁移
23、率的因素 吸附原子的种类、能量 衬底温度 离子对吸附原子的轰击高温 LPCVD的Poly Si和Si3N4中温LPCVD TEOS淀积的SiO2薄膜低温 PECVD 淀积薄膜低温 APCVD SiH4和O2生成SiO2大部分经蒸发和溅射方法得到的材料,台阶覆盖性,Basic Film Properties: Step Coverage,Step Coverage Properties determines gapfill capabilities,台阶覆盖性,举例 在APCVD中，以SiH4和氧气为反应剂沉淀SiO2 因SiH4的黏滞系数很大，淀积速率正比于气体分子到达表面时的角度范围到达角
24、反应物到达半导体表面时有不同的角度 在一个陡峭的台阶处，APCVD SiO2时，薄膜在台阶顶部处最厚，在拐角处最薄。 SiO2薄膜在拐角处的斜率大于90o，使得随后的薄膜淀积和各项异性刻蚀变得非常困难。,台阶覆盖性,遮蔽效应 LPCVD工艺、PVD中的蒸发和溅射 反应剂分子的平均自由程很长，且在衬底表面上的迁移能力又很低的情况下，则会发生掩蔽效应，受到掩蔽的点处的膜厚小于没受到掩蔽的点处的膜厚,台阶覆盖性,磷硅玻璃 在淀积SiO2的气体中同时掺入PH3 ，就可形成磷硅玻璃（PSG) PSG对水汽的阻挡能力不强，故在高磷情况下有很强的吸潮性； PSG可以吸收碱性离子、吸收杂质； PSG在高温下（
25、10001100）可以流动，使随后淀积的薄膜有更好的台阶覆盖。,CVD掺杂SiO2（1）,磷硅玻璃回流（P-glass flow）,在金属层间，一般需淀积表面平滑的二氧化硅作为绝缘层。若氧化膜有凹陷，容易使得上层金属膜淀积时有缺口产生而导致电路断路。低温淀积的磷硅玻璃受热后变得较软易流动，可提供一平滑的表面，所以常作为邻近两金属层间的绝缘层，此工艺称为磷硅玻璃回流。 下页图显示在多晶硅栅极上淀积四种不同磷硅玻璃的扫描电子显微镜横截面照片。,硼磷硅玻璃在淀积SiO2的反应气体中掺入PH3、B2H6 BPSG玻璃回流平坦化，可实现对衬底上陡峭台阶的良好覆盖 BPSG (850 ) 可以在较低的温度
26、下实现回流平坦化，从而降低浅结中的杂质扩散，取代PSG。 应用：金属淀积之前的绝缘、金属层间的绝缘、DRAM中电容的介质,CVD掺杂SiO2（2）,CVD outline,IntroductionPrinciples of CVDCVD EquipmentCVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films,氮化硅的化学气相淀积（1）,应用： 钝化层和机械保护层 钠和水汽在氮化硅中的扩散速度非常慢，即拥有很强的掩蔽能力硅选择性
27、氧化的掩蔽膜 氮化硅氧化速度非常慢（LOCOS工艺基于此） 二氧化硅缓冲层,氮化硅的化学气相淀积（2）,应用： 电容中的绝缘材料（高K介质，79） 作为MOSFETs的侧墙 用于LDD结构的侧墙不能用于导体之间的绝缘层 高的介电常数，会形成较大的寄生电容,中等温度(700800)的LPCVD 作为选择氧化的掩蔽膜 DRAM中电容的介质层优点：薄膜密度比较高，比PECVD Si3N4有更好的化学配比，氢的含量比PECVD Si3N4低，台阶覆盖性好 缺点：温度高、速率低（700时10nm/min）；气缺现象,氮化硅的化学气相淀积（3）,氮化硅的化学气相淀积（3）,低温(300) PECVD方法淀
28、积 钝化层，因Al的存在 SiH4-NH3 淀积速率高，薄膜击穿电压高，台阶覆盖性好 氢的含量高（无正确的化学组成比） SiH4-N2 淀积速率低，薄膜击穿电压低，台阶覆盖性差 氢的含量低，薄膜致密,CVD outline,IntroductionPrinciples of CVDCVD EquipmentCVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films,W的CVD（1）,钨的用途 钨栓塞（plug）:CVD钨比PVD铝有
29、更好的通孔填充能力 Contact Via 局部互连材料 短程互联（电导率较低） 全局互联（Al、Cu）,W的CVD（2）,钨广泛用于互连的原因 体电阻率小（712uQ.cm) 热稳定性好（熔点最高） 应力低，保形性好； 抗电迁移能力和抗腐蚀性强缺点 电阻率相对铝高 在氧化物和氮化物上附着力差 钨与硅在600以上接触时，会形成钨的硅化物,熔点 Al 660 Cu 1083 W 3380 Mo 2600 ,CVD W的化学反应（一般用LPCVD来淀积）钨的淀积方法 覆盖式（过程复杂，费用高，但比较成熟） 选择式（存在问题，如选择性差、横向扩展、空洞形成）,W的CVD（3）,覆盖式化学气相淀积钨与
30、回刻 表面原位预清洁 去掉接触孔及铝通孔内的氧化层 淀积接触层 与TiN相比Ti与硅衬底的接触电阻比较小 淀积附着层/阻挡层TiN TiN与钨及其它介质层的附着性能好,W的CVD（4）,覆盖式化学气相淀积钨与回刻 淀积钨，分成两步 首先，硅烷还原反应形成一薄层钨，大约几十nm 台阶覆盖性不是很好 然后，氢气还原反应淀积剩余厚度的钨膜 氢气还原反应淀积W不能在TiN上稳定地凝聚 回刻 附着层/阻挡层的刻蚀,W的CVD（5）,CVD 钨膜的应力 钨栓应力不必考虑 互联钨层应力必须考虑钨栓的电阻 对于深亚微米工艺，钨栓电阻对总电阻影响过大，考虑用铝栓或铜栓代替。,W的CVD（6）,CVD 硅化物（1
31、）,LPCVD（300400）增大SiH4的流量，才能保证淀积的是WSix而不是W。 当x2.0时在淀积的硅化钨薄膜中将含有过量的硅，可以避免薄膜碎裂剥离。 WSix薄膜中含有较高浓度的氟，当该薄膜用到厚度低于20nm的栅氧上的时候，会使栅氧击穿电压降低和较明显的阈值电压漂移。,CVD 硅化物（2）,LPCVD(570600 )氟的含量比使用硅烷反应生成的薄膜要低的多，并且氯的含量很低。 DCS的阶梯覆盖性要比硅烷好。 生成的硅化钨薄膜的碎裂剥落不太严重。 DCS代替硅烷 CVD WSix。,Al的CVD,AL的优点（适用于0.25um以下工艺） 对接触孔填充性好 电阻率低 一次完成填充和互连
32、采用有机金属化合物源（TMA;DMAH;DMEAA)铝生产中的问题 安全 保持稳定性 CVD铝抗电迁移能力较差,习题,1.化学气相淀积SiO2与热生长SiO2相比较，下面哪些说法是正确的：（ ） 1 CVD SiO2，衬底硅不参加反应。2. CVD SiO2，衬底硅参加反应。3. CVD SiO2，温度高。4. CVD SiO2，温度低。A1, 3 B. 1, 4 C. 2 ,4 D. 2, 3 2.Si3N4薄膜在集成电路中的应用主要有：A钝化膜 B. 选择氧化 C. 电容介质由于氮化硅氧化速率极低，因此被用作（ ）的掩蔽膜。由于氮化硅膜介电常数大，所以被用作（ ）,3.LPCVD淀积过程中
33、主要控制参数有：（ ） 1压力 2. 温度 3. 温度梯度 4反应气体浓度 5. 反应气体比例 A1、2 B. 1、2、4 C. 2、3、4 D. 1、2、3、4、54. LPCVD与APCVD相比，哪个均匀性好（ ）ALPCVD B. APCVD,5.LPCVD与APCVD相比，哪个投片量大（ ）ALPCVD B. APCVD 6.LPCVD与APCVD相比，哪个成本低（ ）ALPCVD B. APCVD 7.LPCVD与APCVD相比，哪个温度低（ ）ALPCVD B. APCVD8.LPCVD淀积多晶硅，其掺杂方法有三种：CVD法、_法和离子注入法。,9、LPCVD淀积多晶硅常用温度为600-650，采用热分解法，反应方程式为：（ ） ASiCl4 Si+2Cl2 B. SiH4 Si+2H2 C. Si3N4 3Si+2N2 D. SiH2Cl2 Si+Cl2+H2 10、PECVD淀积氮化硅反应方程式为：（ ） 1SiH4+NH3 SiNH+3H2 2. 3SiH4+4NH3 Si3N4+12H2 3. 3 SiH4+2N2 Si3N4+6H2 4. SiH4+N2 2SiNH+3H2 A. 2,3 B. 1 C. 1,4 D 2,思考题,1. 改善台阶覆盖性的方法？ 2. CVD相对于PVD,有什么优点？,
