6第六章 化学气相淀积

第六章薄膜技术－化学气相淀积(CVD)教师：潘国峰E-mail:[e-mail]河北工业大学微电子研究所化学气相淀积：是指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。其英文原名为“ChemicalVapourDeposition”，简称为“CVD”。ULSI中常用“CVD”制备各种薄膜。CVD制备薄膜所利用的化学反应及其在IC中的应用CVD薄膜基本要求:①淀积膜的厚度及其均匀性(指同一批内不同的晶片之间及每个晶片上的不同部位)应符合要求;②淀积膜的结构和组分必需满足要求且重复可控,一般要求淀积膜是无定形或粒度精细的多晶结构；③淀积膜是连续的,不存在宏观上的空洞、裂缝等缺陷,针孔密度控制在要求的极限范围之内;④淀积膜与其相毗邻的上、下物质之间,在淀积及后续的热处理中不发生有害的化学反应,两者热学性质如热膨胀系数等也要相匹配;⑤除了封装之前在芯片表面制备的最后保护膜之外,一般都要求淀积膜能用光刻技术腐蚀出精细的线条图形;⑥用于绝缘和表面钝化的膜要求具有足够高的击穿强度和足够低的漏电流；⑦具有较好的台阶覆盖形状,最好是保形覆盖。CVD工艺特点：（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成;（2）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；（3）淀积速率一般高于PVD（蒸发、溅射等物理气相淀积）；厚度范围广，几百埃－数毫米，且能大量生产；（4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。具有淀积温度低（200－800℃)、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6.1CVD模型6.1.1CVD的基本过程6.1.2气体流动和边界层6.1.3Grove模型§6.2化学淀积方法及设备简介1.常压化学气相淀积APCVD2.低压化学气相淀积LPCVD3.等离子化学气相淀积PECVDCVD系统组成：1、气态源或液态源；2、气体传输管道；3、气体流量控制系统；4、反应室；5、基座加热及控制系统；6、温度控制及测量系统（LPCVD、PECVD还包括减压系统）简单的原型CVD反应器1.常压化学气相淀积4常压化学汽相淀积（APCVD）反应器的结构示意图特点:用于SiO2的淀积PWS－5000：SiH4+O2=SiO2+H2O100mm：10片，125mm:8片Time:15minTemp:380~450℃6℃厚度均匀：5％低压化学汽相淀积(LPCVD)反应器的结构示意图2.低压化学气相淀积应用情况多晶硅：SiH4/Ar(He)620℃Si3N4:SiH2Cl2+NH3750-800℃PSG:SiH4+PH3+O2450℃BSG:B2H6+O2450℃SiO2:SiH2Cl2+NO2910℃3、等离子体化学气相淀积PCVD或PECVD：Plasma-enhancedCVD特点：温度低:200~350℃，适用于布线隔离Si3N4:SiH2Cl2+NH3PSG:SiH4+PH3+O26.3.1二氧化硅的化学汽相淀积非掺杂SiO2:用于离子注入或扩散的掩蔽膜，多层金属化层之间的绝缘，增加场区氧化层之间的厚度掺杂SiO2:用于器件钝化，磷硅玻璃回流，掺杂扩散源,与非掺杂SiO2结合作为多层金属化层之间的绝缘层。1、淀积种类：低温CVD氧化层：低于500℃中等温度淀积：500～800℃高温淀积：900℃左右§6.3典型物质淀积简介2.淀积SiO2的方法:A.低温气相化学淀积(LPCVD)：500℃1).硅烷和氧反应:（钝化层SiO2）SiH4+O2SiO2+2HCl4PH3+5O22P2O5+6H2温度、压力、反应剂浓度、掺杂及反应腔形状都影响淀积速度400℃400℃B.生长磷硅玻璃PSG加入磷烷PH3，生长磷硅玻璃PSG加入乙硼烷B2H6，生长硼硅玻璃BSG掺杂P含量：5～15％（或三氯氧磷）回流P含量：2～8％钝化膜磷含量过高：腐蚀铝，吸附水汽磷含量过低：太硬，台阶覆盖不好，C.正硅酸乙脂（TEOS）分解4Si(OC2H5)4SiO2+副产品650～503.SiO2薄膜性质6.3.2多晶硅薄膜1.多晶硅淀积动力学A.反应方程式SiH4Si+2H2由N2或Ar携带SiH420％＋N280％B.淀积参量：压力、温度、硅烷浓度、杂质浓度温度：600℃～650℃，一般用625℃压力:硅烷浓度600℃2.多晶硅形貌和结构与淀积条件的关系在固体表面上淀积薄膜的过程可以分为成核和成长两个阶段:1)欲淀积材料的原子或分子形成原子团，2)然后这些原子团不断吸收新加入的原子而逐渐张大成核，它们再进一步相互结合形成连续的薄膜。比值J/D:当气相射入到衬底表面上的硅原子流J和硅原子在衬底表面上的扩散系数D的比值，J/D比较小时，在硅单晶衬底上的淀积物将具有长程有序，得到单晶薄膜；反之，当J/D比值大时，则淀积膜将短程有序，从多晶硅向无定形硅转化。生长方法A.常压CVD：Ⅰ)区：单晶；Ⅱ)区多晶；无定形硅。B.低压CVD：550℃生长，再经过900℃退火处理600℃～650℃生长的多晶硅，以（100）为优选晶向。3.掺杂对多晶薄膜的影响A、淀积过程中气相掺杂对多晶硅淀积率的影响：三族元素，如硼，掺杂使将增加空穴，它的表面吸附有助于表面呈现正电性，因而将促进多晶硅的淀积。而五族元素，如磷、砷的掺杂，将有助于表面的电子积累，从而减少分子的吸附，减少浓度，因而将降低多晶硅的淀积率。原理：当处于表面反应速率控制区时，多晶硅薄膜淀积的化学反应主要是吸附和分解：SiH4(g)SiH2(g)+H2(g)(式二)吸附SiH2(g)+Si(s)2(Si(s)－H*)(式三)分解2(Si－H*)2Si(s)+H2(g)(式四)淀积(式三)表示吸附，(式四)表示分解。其中g,s分别表示气态和固态。在充分吸附的情况下，(式二)和(式三)处于平衡状态下，而(式四)即(Si－H*)的热分解过程将决定淀积率。当衬底温度一定时，即分解率一定时，淀积率将直接与吸附反应剂分子的多少有关。B、掺杂对多晶硅形貌和晶粒大小的影响：晶粒生长是扩散控制机构。晶粒长大的过程是由一系列原子通过晶粒间界的扩散运动所形成的，晶粒生长速率是由硅原子通过晶粒间界的自扩散速率所决定。具体地则与两个因素有关：促使原子运动的外界驱动力和硅的自扩散系数。6.3.3氮化硅薄膜1.氮化硅薄膜在集成电路中的主要应用:(1)用作为硅选择氧化和等平面氧化的氧化掩膜；(2)钝化膜；(3)电容介质。2.低压化学气相淀积氮化硅薄膜A、氮化硅的低压淀积方程式：氮化硅的低压化学气相淀积主要通过硅烷、二氯二氢硅、四氯化硅与氨在700-850℃反应生成。主要反应式：3SiH4+4NH3Si3N4+12H2（式一）3SiH2Cl2+4NH3Si3N4+6HCl+6H2（式二）3SiCl4+4NH3SiN4+12HCl（式三）其中以（式三）硅烷与氨反应最为常用。B、淀积过程的主要控制参量低压化学气相淀积过程主要控制参量为压力、温度和温度梯度以及反应气体浓度和比例。常用的和系统的典型淀积条件为：温度T=825℃；压力：p=0.9×102Pa；反应物SiH4:NH3=1:6以氢气作为载气3.等离子体增强化学气相淀积氮化硅薄膜A、等离子淀积优点及方程式：等离子增强CVD的突出优点是淀积温度低，最常用的温度是300－350℃。等离子体增强化学气相淀积氮化硅，常由SiH4与氨在氩等离子气氛下或SiH4在氮等离子气氛下反应生成，其反应式如下：SiH4+NH3→SiNH+3H2(式四)２SiH4+N2→2SiNH+3H2(式五)B、淀积过程的控制参量：淀积薄膜的性质与具体淀积条件密切相关，例如工作频率、功率、压力、样品温度、反应气体分压、反应器的几何形状、电极空间、电极材料和抽率。思考题1．图示并指出基本CVD系统的主要子系统的名称。2．描述APCVD，LPCVD和PECVD的不同。