1、第六章 化学气相淀积,主 讲：毛 维 西安电子科技大学微电子学院,概述,化学气相淀积：CVDChemical Vapour Deposition。 定义：一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。例如： 热分解SiH4， SiH4 = Si（多晶)+2H2(g) ，SiH4+O2 = SiO2 （薄膜）+2H2 CVD薄膜：SiO2、Si3N4、PSG、BSG（绝缘介质）、多晶硅、金属（互连线/接触孔/电极）、单晶硅（外延） CVD系统：常压CVD（APCVD）低压CVD（LPCVD）等离子CVD（PECVD）,概述,CVD工艺的特点1、CVD
2、工艺的温度低，可减轻硅片的热形变，抑制缺 陷的生成，减轻杂质的再分布，适于制造浅结器件及 VLSI；2、薄膜的成分精确可控、配比范围大，重复性好；3、淀积速率一般高于物理淀积，厚度范围大；4、膜的结构完整致密，与衬底粘附好，台阶覆盖性好。,6.1.1 CVD的基本过程 传输：反应剂从气相(平流主气流区)经附面层（边界层） 扩散到（Si）表面； 吸附：反应剂吸附在表面； 化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产 物； 淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜； 脱吸：副产物脱离吸附； 逸出：脱吸的副产物和未反应的反应剂从表面扩散到气相(主气流区)，逸出反应室。,6.1 CVD模型,CVD 传输和反
3、应步骤图,6.1 CVD模型,6.1.2 边界层理论 CVD气体的特性：平均自由程远小于反应室尺寸，具有黏滞 性； 平流层：主气流层，流速Um 均一； 边界层（附面层、滞留层）：流速受到扰动的气流层； 泊松流（Poisseulle Flow）：沿主气流方向（平行Si表面）没有 速度梯度，沿垂直Si表面存在速度梯度的流体；,6.1 CVD模型,6.1.2 边界层理论 边界层厚度（x）(流速小于0.99 Um 的区域)：（x）=（x/U)1/2-气体黏滞系数，x-距基座边界的距离，-气体密度，U-边界层流速； 平均厚度Re= UL /,称为雷诺数(无量纲),表示流体惯性力与黏滞力之比 雷诺数取值：
4、2000，湍流型（要尽量防止）。,6.1.3 Grove模型,6.1 CVD模型,6.1.3 Grove模型 假定边界层中反应剂的浓度梯度为线性近似，则流密度为： F1=hg(Cg-Cs)hG-气相质量转移系数，Cg-主气流中反应剂浓度，CS-衬底表面处反应剂浓度； 表面的化学反应淀积薄膜的速率正比于Cs，则流密度为： F2=ksCs 平衡状态下，F1=F2 (= F)，则Cs = Cg/(1+ks/hg),6.1.3 Grove模型,Cs = Cg/(1+ks/hg) 两种极限： a. hg ks时，Cs Cg ， 反应控制； b. hg ks时，Cs 0， 扩散控制；,6.1 CVD模型,
5、薄膜淀积速率G的一般表达式 设形成一个单位体积薄膜所需的原子数为N1，（Si:N1=5x1022cm-3），则稳态下（平衡状态）,由 F=F1=F2 ，F2=ksCs 及Cs = Cg/(1+ks/hg)，得G=F/N1=F2/N1=kshg/(ks+hg)(Cg/N1)其中，Cg=YCT,(多数CVD过程，反应剂被惰气稀释) Y-反应剂的摩尔百分比，CT-单位体积的分子总 数/cm3；,6.1 CVD模型,Grove模型一般表达式： G=kshg/(ks+hg)(CT/N1)Y，（Cg=YCT） 两个结论：a.G与Cg(无稀释气体）或Y（有稀释气体）成正比；b.当Cg或Y为常数时，G由ks
6、、hg中较小者决定： hg ks，G=（CTksY)/N1 ，反应控制； hg ks，G=（CThgY)/N1 ，扩散控制；,6.1 CVD模型,影响淀积速率的因素 主气体流速Um G=（CThgY)/N1 （扩散控制）, F1=Dg(Cg-Cs)/s (菲克第一定律)hg=Dg/s= (F1前后两式比较所得) Re= UL /，U0.99Um， 结论：扩散控制的G与Um1/2成正比提高G的措施： a.降低s：缩小基座的长度L； b.增加Um：但Um增大到一定值后hg ks转为反应控制G饱和。,6.1 CVD模型,淀积速率与温度的关系 低温下，hg ks，反应控制过程，故G与T呈指数关系； 高
7、温下，hg ks，质量输运控制过程，hg对T不敏感，故G趋于平稳。,6.1 CVD模型,6.2 CVD系统,CVD系统的组成：气体源：气态源和液态源；气路系统:气体输入管道、阀门等；流量控制系统：质量流量计；反应室：圆形、矩形；基座加热及控制系统：电阻丝、石墨；温度控制及测量系统,6.2 CVD系统,6.2.1 气体源 例如CVD二氧化硅：气态源SiH4（与O2或N2O反应）；液态源TEOS（正硅酸四乙酯分解）. 液态源的优势：安全：气压小，不易泄露；淀积的薄膜特性好 液态源的输运：冒泡法：由N2、H2、Ar2气体携带；加热法：直接加热液态源,使之气化；直接注入法：液态源先注入到气化室，气化后
8、直接送入反应室。,6.2 CVD系统,6.2.2 质量流量控制系统 1.质量流量计 作用：精确控制气体流量（ml/s)； 操作：单片机程序控制； 2.阀门 作用：控制气体输运；,6.2.4 CVD技术,1. APCVD（常压 CVD ） 定义：气相淀积在1个大气压下进行； 淀积机理：气相质量输运控制过程。优点：淀积速率高（100nm/min）；操作简便； 缺点：均匀性差；台阶覆盖差；易发生气相反应，产生微粒污染。 可淀积的薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄膜。,常压化学气相淀积,6.2.4 CVD技术,2. LPCVD（低压 CVD ） 定义：在27270Pa压力下进行
9、化学气相淀积。 淀积机理：表面反应控制过程。优点：均匀性好（35，APCVD： 10）；台阶覆盖好；效率高、成本低。 缺点：淀积速率低；温度高。 可淀积的薄膜： poly-Si、 Si3N4 、 SiO2、PSG、BPSG、W等。,低压化学气相淀积,6.2.4 CVD技术,3. PECVD（等离子体增强CVD） 定义: RF激活气体分子（等离子体）,使其在低温 （室温）下发生化学反应，淀积成膜。 淀积机理：表面反应控制过程。优点：温度低（200350）；更高的淀积速率；附着 性好；台阶覆盖好；电学特性好； 缺点：产量低； 淀积薄膜：金属化后的钝化膜（ Si3N4 ）；多层布 线的介质膜（ Si
10、3N4 、SiO2）。,等离子体化学气相淀积,二、各种CVD方法,6.3 CVD多晶硅,6.3.1 多晶硅薄膜的特性1. 结构特性由无数生长方向各不相同的小晶粒(100nm量级）组 成；主要生长方向（优选方向）。晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键。2. 物理特性：扩散系数明显高于单晶硅；3. 电学特性 电阻率远高于单晶硅； 晶粒尺寸大的薄膜电阻率小。,6.2.4 CVD技术,6.3.2 CVD多晶硅 工艺：LPCVD热分解（通常主要采用）； 气体源：气态SiH4； 淀积过程：吸附：SiH4（g) SiH4（吸附) 热分解： SiH4（吸附) = SiH2（吸附)+H2(g) SiH2（吸附) =
11、Si（吸附)+H2（g)淀积：Si（吸附)= Si（固)脱吸、逸出： SiH2、H2脱离表面，逸出反应室。 总反应式： SiH4（吸附) = Si（固体)+2H2(g),6.3 CVD多晶硅,特点：与Si及SiO2的接触性能更好；台阶覆盖性好。 缺点： SiH4易气相分解。 用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。 多晶硅掺杂扩散：电阻率低；温度高；离子注入:电阻率是扩散的10倍； 原位掺杂：淀积过程复杂；,多晶硅淀积之后进行(实际中采用该方法),6.4 CVD二氧化硅,6.4 CVD二氧化硅,6.4.1 CVD SiO2的方法 1. 低温CVD气态硅烷源 硅烷和氧气： APCVD、LPCVD、P
12、ECVD 淀积机理: SiH4+O2 400 SiO2 （固）+H2 硅烷和N2O（NO） ：PECVD淀积机理: SiH4+N2O 200-400 SiO2+N2+H2O 原位掺P：形成PSG淀积机理: PH3(g)+5O2=2P2O5(固)+6H2优点：温度低；反应机理简单。缺点：台阶覆盖差。,6.4 CVD二氧化硅,液态TEOS源：PECVD 淀积机理： Si(OC2H5)4+O2 250-425 SiO2+H2O+CXHY 优点：安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。 缺点：SiO2膜质量较热生长法差；SiO2膜含C、有机原子团。2. 中温LPCVD SiO2 温度：680-730 化学反
13、应：Si(OC2H5)4 SiO2+2H2O+4C2H4 优点：较好的保形覆盖； 缺点：只能在Al层淀积之前进行。,6.4 CVD二氧化硅,6.4.2 台阶覆盖 保形覆盖：所有图形上淀积的薄膜厚度相同；也称共性conformal）覆盖。 覆盖模型：淀积速率正比于气体分子到达表面的角度(到达角)；特殊位置的淀积机理：a直接入射；b再发射；c表面迁移。 保形覆盖的关键： 表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比； 再发射,6.4 CVD二氧化硅,6.4.3 CVD掺杂SiO2 1. PSG 工艺：原位掺杂PH3； 组分：P2O5 和 SiO2； 磷硅玻璃回流（ P-glass flow ）工艺：PSG受
14、热变软易 流动，可提供一平滑的表面，也称高温平坦化（100-1100）。(好处:提高后续淀积的台阶覆盖) 2. BPSG（硼磷硅玻璃） 工艺：原位掺杂PH3 、B2H6； 组分：B2O3-P2O5-SiO2； 回流平坦化温度：850 ；,6.5 CVD Si3N4,Si3N4薄膜的用途：最终钝化膜和机械保护层；掩蔽膜：用于选择性氧化；DRAM电容的绝缘材料；MOSFETs中的侧墙；浅沟隔离的CMP停止层。,Si3N4薄膜的特性：扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧；对底层金属可保形覆盖； 可作为钝化层的原因针孔少；压应力可以很低(PECVD)；介电常数较大：(Si3N4=6-9,SiO2=4.2
15、) ,不能作层间的绝缘层。,6.5 CVD Si3N4,CVD Si3N4薄膜工艺 1. LPCVD反应剂： SiH2Cl2 + NH3 Si3N4+H2+HCl温度：700-800 ；速率：与总压力（或SiH2Cl2分气压)成正比；特点：密度高；不易被稀HF腐蚀；化学配比好；保形覆盖；缺点：应力大； 2. PECVD反应： SiH4 + NH3 （或N2） SixNyHz + H2 温度：200-400； H危害的解决：N2代替NH3；H的危害：阈值漂移。,6.6 金属的CVD,常用的CVD金属薄膜：Al、W、Ti、Cu 6.6.1 钨的CVD W的特性：热稳定性高：熔点3410；应力低：保
16、形覆盖好；抗电迁移强；耐腐蚀；体电阻率较小(相比于Ti和Ta)。 W的缺点：电阻率相对较高：是Al的一倍；在氧化物和氮化物上的附着性差：可实现选择性淀积； W的用途：特征尺寸小于1m的接触孔和通孔填充钨插塞； 局部互连。,6.6.1 钨的CVD,1. CVD W的化学反应 很理想的W源：WF6（沸点17,易气态输送、可精确控制流量） WF6与Si：2WF6 + 3Si 2W(s) + 3SiF4(g)特性：反应自停止(因为WF6无法继续扩散穿过所生成 的厚钨薄膜)； WF6与H2： WF6 + H2 W（s) + 6HF(g) WF6与SiH4：2WF6 + 3SiH4 2W + 3SiF4
17、+ 6H2 2. 覆盖式CVD W与回刻 覆盖式淀积：在整个Si片上淀积； 回刻（反刻）：去除多余的W；,6.6.2 硅化钨的CVD CVD WSi2薄膜的应用：形成polycide多层栅结构；IC存储器中的字线与位线；覆盖式钨的附着层。 化学反应： WF6 + 2SiH4 WSi2 + 6HF + H2 实际化学式: WSix，要求x2； 工艺条件：增大SiH4的流量；,6.6.3 TiN的CVDTiN作用：作为W的扩散阻挡层时有2个目的防止底层的Ti与WF6反应，反应式为WF6+Ti W+TiF4保护WF6不与硅发生反应。 6.6.4 Al的CVDCVD铝的潜在优点：CVD铝对接触孔有很好的填充性；较低的电阻率(与钨相比)；一次完成填充和互连；CVD铝淀积温度比CVD钨低。,
