第七章：沉积..

第七章：沉积(化学气相沉积)7.1引言化学气相沉积－ＣＶＤCVD（ChemicalVaporDeposition）薄膜的概念薄膜是指在衬底上生长的薄固体物质，在三维结构中厚度远远小于长和宽。薄膜特性（即集成电路对薄膜的要求）1.台阶覆盖能力好2.填充高深宽比间隙的能力好3.厚度均匀性好4.纯度和密度高薄膜特性（即集成电路对薄膜的要求）5.化学剂量受控6.结构完整和应力低7.电学特性好8.对衬底材料或下层膜的粘附性好台阶覆盖（a）台阶覆盖太差（b）台阶覆盖好台阶覆盖硅槽沉积SiO2的SEM照片填充高深宽比间隙高深宽比的典型值≥3：1厚度均匀性好该特性主要依赖于设备的性能，一般≤±5%均匀性不好给刻蚀带来困难，影响器件良率纯度和密度高高纯度意味着没有影响膜质量的化学元素和原子、很少的可动离子沾污和颗粒；高密度意味着薄膜的针孔和空洞少化学剂量受控指薄膜的化学组分受控。沉积中化学反应复杂，工艺目标是所沉积薄膜的组份达到或接近化学反应方程式对应的组份比例（如SiO2、SixNy等）结构完整和应力低结构完整意味着晶粒尺寸一致性好，若晶粒尺寸变化大→影响膜的电学和机械特性。膜应力大→衬底变形，膜分层、开裂。电学特性好介质膜：电绝缘性能好、介电常数：高K↑低K↓金属膜：导电性能好、可靠性高对衬底材料或下层膜的粘附性好粘附性好的薄膜与下层材料之间不分层、不开裂成膜术语金属层是电路中元器件的互连线。介质层是硅器件与金属层之间或金属层与金属层的电绝缘层。也称为层间介质ILD（InterLayerDielectric）集成电路所需要的各种薄膜在IC制造中，热生长SiO2远远不够，还需要低温SiO2、Si3N4、poly－Si薄膜以及各种金属薄膜。MSI时代CMOS器件的各层薄膜ULSI芯片中的各层金属薄膜薄膜沉积技术分类、溅射7.2化学气相沉积原理化学气相沉积CVD的概念（ChemicalVaporDeposition）化学气相沉积是利用电阻加热、等离子体、光辐射等能源使某些气态物质发生化学反应，生成固态物质并沉积在衬底表面形成薄膜的过程。CVD生长过程CVD生长过程1.气体传输至沉积区域：反应气体从反应腔入口区域到硅片表面的沉积区域2.膜先驱物的形成：气相反应导致膜先驱物（组成膜最初的原子和分子）和副产物的形成3.膜先驱物附着在硅片表面：大量的膜先驱物输运到硅片表面4.膜先驱物吸附：膜先驱物粘附在硅片表面成核5.膜先驱物扩散：膜先驱物向膜生长区域的表面扩散6.表面反应、连续成膜：表面化学反应导致膜沉积和副产物的生成7.副产物从表面移除：移除表面反应的副产物8.副产物从反应腔移除：反应的副产物从沉积区域随气流流动到反应腔出口并排出岛生长成膜CVD生长简化过程CVD生长简化过程（平面示意图）影响CVD生长速率的因素1.质量传输限制（常压CVD-APCVD）2.表面反应限制（低压CVD-LPCVD）3.CVD气流动力学4.CVD反应中的压力CVD过程中的掺杂（原位掺杂）氧化硅掺杂1.生长磷硅玻璃（PSG）（做ILD－1）SiH4＋PH3＋O2→SiO2＋P＋H2P2O5含量控制≤4％PSG的优点：1）吸附可动离子电荷改善器件表面2）降低玻璃的软化点温度易于平坦化PSG的缺点：易吸潮CVD过程中的掺杂（原位掺杂）氧化硅掺杂2.生长硼磷硅玻璃（BPSG）（做ILD－1）SiH4＋PH3＋B2H6＋O2→SiO2＋P＋B＋H2P2O5和B2O3的含量分别控制≤4％、2～6％BPSG的优点：具备PSG的优点，弥补PSG的缺点CVD过程中的掺杂（原位掺杂）氧化硅掺杂BPSG的优点：降低玻璃的软化点温度易于平坦化回流温度：800℃～1000℃（a）回流前（b）回流后CVD过程中的掺杂（原位掺杂）氧化硅掺杂3.生长氟硅玻璃（FSG）（做ILD－2及以上）FSG的优点：做低K介质，降低氧化硅的介电常数氧化硅SiO2（SG）的介电常数：3.9氟化硅（FSG）的介电常数：3.5CVD过程中的掺杂（原位掺杂）多晶硅掺杂（用途：掺杂的多晶硅做MOS晶体管的栅电极）生长掺磷的多晶硅（Poly－Si）SiH4＋PH3→Si＋P＋H2介质掺杂与硅掺杂的区别7.3化学气相沉积工艺APCVD（常压CVD）APCVD系统APCVD工艺APCVDSiO2：掺杂和不掺杂的主要用做ILD、浅槽介质填充和侧墙等。1）用2～10％的SiH4沉积SiO2SiH4＋O2→SiO2＋H2温度：450℃～500℃压力：760Torr缺点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都很差。2）用TEOS（正硅酸乙酯）+臭氧的方法沉积SiO2Si（C2H5O4）＋8O3→SiO2＋10H2O＋8CO2温度：400℃压力：760Torr沉积速率：100nm/min优点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都较好。APCVD的一大优点：沉积速率快。APCVD的缺点：膜致密性差，颗粒多。LPCVD（低压CVD）LPCVD系统LPCVD工艺LPCVDSiO2：掺杂和不掺杂的主要用做ILD、浅槽介质填充和侧墙等。1）用SiH4沉积SiO2：SiH4＋O2→SiO2＋H2温度：450℃压力：0.1～5.0Torr缺点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都差。2）用TEOS热分解沉积SiO2：Si（C2H5O4）→SiO2＋H2O＋CO2温度：650℃～750℃压力：0.1～5.0Torr沉积速率：10～15nm/分（远远小于APCVD）优点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都好。LPCVD的优点：膜致密，颗粒少。LPCVD的缺点：沉积速率慢。APCVDSiO2和LPCVDSiO2的比较工艺优点缺点APCVDSiO2（用TEOS）沉积速率高台阶覆盖和间隙填充较好沉积温度低表面颗粒多用气量大成本高薄膜应力大LPCVDSiO2（用TEOS）台阶覆盖和间隙填充很好膜致密均匀性好设备成本低沉积速率低沉积温度偏高LPCVDSi3N4LPCVDSi3N4的用途：1.在局部氧化（LOCOS）中，做氧化阻挡层2.做硬掩膜用于浅槽隔离3.用做电容介质工艺：SiH2Cl2＋4NH3→Si3N4＋6HCl＋6H2温度：700℃～800℃压力：0.1～5.0Torr影响Si3N4薄膜质量的主要因素：1.总反应压力2.反应物浓度3.沉积温度和温度梯度LPCVDPoly－Si（多晶硅）LPCVDPoly－Si的用途：1.掺杂的Poly－Si在MOS器件中用做栅电极2.掺杂的Poly－Si做多晶电阻及桥联3.PIP电容的上下电极工艺：SiH4→Si＋2H2温度：575℃～650℃压力：0.2～1.0Torr沉积速率：10～20nm/分掺杂的Poly－Si做栅电极的原因1.通过掺杂可得到特定的电阻2.与SiO2有优良的界面特性3.和后续高温工艺的兼容性4.比金属电极（如Al）更高的可靠性5.在陡峭的结构上沉积的均匀性6.实现栅的自对准工艺原位掺杂Poly－Si：AsH3、PH3、B2H6非原位掺杂Poly－Si：也可在沉积后进行扩散或离子注入掺杂PECVD（等离子增强CVD）PECVD（PlasmaEnhancedCVD）PECVD的概念PECVD是通过在真空腔中给反应气体施加等离子体能量（即通常施加射频功率几百瓦，频率几百千赫），使反应气体激发产生化学活性很强的分子、原子，加速化学反应沉积成膜。PECVD系统PECVD设备美国TRION公司的MINI型设备■PECVDSiO2工艺：1）用SiH4＋O2沉积SiO2：SiH4＋O2→SiO2＋H2温度：350℃压力：0.1～1.0Torr沉积速率：50～60nm/min缺点：颗粒较多2）用SiH4＋N2O沉积SiO2：SiH4＋2N2O→SiO2＋2N2＋2H2温度：350℃压力：0.1～1.0Torr沉积速率：50～60nm/min优点：颗粒少■PECVDSiO2的特点：1.PECVD的成膜温度比APCVD和LPCVD还要低（通常在300℃～400℃）2.沉积速率高3.冷壁反应，产生颗粒少4.与APCVDSiO2比更均匀，针孔少■PECVDSiO2的用途：1.用做ILD、浅槽介质填充和侧墙等2.做顶层的钝化层■PECVD氮化硅工艺SiH4＋NH3→SixNYHZ＋H2SiH4＋N2→SixNYHZ＋H2温度：350℃压力：0.1～1.0Torr沉积速率：20～30nmPECVD氮化硅的特点：1.冷壁反应，产生颗粒少2.氮化硅膜的成分不成化学比3.应力比较大■PECVD氮化硅的用途：主要做芯片顶层的钝化层各种CVD的特点比较种类沉积膜种类反应能量提供方式沉积温度（℃）沉积速率nm/分特点APCVDSiO2（包括PSG、BPSG）电阻加热热壁400（TEOS）100膜均匀性差、针孔多、颗粒多、台阶覆盖较好、沉积速率高、用气量大成本高LPCVDSiO2（包括PSG、BPSG）电阻加热热壁650～750（TEOS）10～15膜均匀性好、颗粒少、台阶覆盖很好、成本低国内外普遍采用Si3N4电阻加热热壁700～80010～15同上Poly－Si电阻加热热壁575～65015～20同上PECVDSiO2（包括PSG、BPSG）等离子体冷壁250～400（SiH4）50～60膜均匀性好、颗粒少、台阶覆盖好、沉积温度低、沉积速率较高、成本低SiXNYHZ等离子体冷壁250～40020～30膜均匀性好、颗粒少、应力偏大、成分不成化学比7.4介质及其性能介电常数（K）：是指材料在电场影响下存储电势能的有效性，是代表隔离材料作为电容的能力。在先进IC技术中，高K、低K介质并用。互连延迟：IC的集成度不断提高，互连线宽度减小使得传输信号导线电阻（R）增大，且导线间距也缩小使导线间的寄生电容（C）增加，最终增加了RC信号延迟降低芯片速度。器件隔离：在IC制造中的器件隔离技术为硅片上的器件提供了电学隔离。MOSIC的隔离原理：在IC制造中，消除寄生MOS晶体管效应。介质隔离技术：1.局部氧化（LOCOS）－≥0.35μm器件2.浅槽隔离（STI）－≤0.25μm器件STI的优点：1.隔离面积小2.抗闩锁能力强NMOS阈值电压公式7.5外延外延的概念外延是在单晶衬底上生长与衬底晶格结构、晶向完全相同的单晶薄膜的过程。硅气相外延VPE（VaporPhaseEpitaxy）：是利用硅的气态化合物（例如通常是SiCl4、SiH2Cl2）和H2在真空腔中加热反应沉积在单晶衬底上。外延VPE工艺VPE是化学气相沉积（CVD）技术之一，其工艺如下：SiCl4＋H2→Si＋HCl（用于常压外延）SiH2Cl2＋H2→Si＋HCl（用于低压外延）反应温度：1100～1200℃射频感应加热反应压力：60～150Torr生长速率：300nm/min外延设备：国内外现流行桶式反应炉外延掺杂在反应腔通入AsH3、PH3、B2H6可实现砷、磷、硼等杂质在外延中的掺杂，形成不同掺杂浓度的N型硅外延层或P型硅外延层。自掺杂现象通常的硅外延基片是高浓度掺杂的衬底，在高温外延过程中，衬底中的杂质向外延层中扩散的过程称为自掺杂现象。自掺杂现象影响外延质量，给外延层掺杂带来困难。低压外延可大大减轻自掺杂现象。外延的特点根据要求控制导电类型、电阻率、厚度等且与衬底的掺杂种类、掺杂浓度无关，基于此能做出性能优良的IC器件。例如双极工艺及BCD工艺。本章作业1.请回答化学气相沉积CVD的概念2.描述CVD生长的简化过程。写出影响CVD生长速率的因素3.沉积多晶硅采用什么CVD工具？写出掺杂的Poly－Si做栅电极的6个原因