06工艺-CVD

薄膜的化学气相淀积CVD主要内容1、引言2、CVD流体动力学基础3、CVD系统简介4、CVD的种类5、主要CVD薄膜6、介质薄膜的应用例定义：把含有构成薄膜元素的气体（一种或多种）引入反应室，一定条件下，气体发生化学反应，在衬底表面生成薄膜的过程。生成薄膜的化学反应主要有：分解：氧化：还原：置换：1、引言化学气相淀积的一般过程①反应剂被输送至反应室，以平流形式向出口流动。（平流区也称为主气流区，气体流速不变）②反应剂从主气流区以扩散方式通过边界层到达硅片表面。（边界层是主气流区与硅片表面之间气流速度受扰动的气体薄层）化学气相淀积的一般过程-2③反应剂被吸附到硅表面④吸附原子（分子）在衬底发生化学反应，生成固态物质和气体副产物，固态物淀积⑤气态副产物和未反应的反应剂离开衬底。进入主气流区被排出系统。CVD反应基本要求①淀积温度下，反应剂应有足够高的蒸气压。②反应副产物必须是挥发的。③淀积物本身蒸气压要低。（保证淀积过程中薄膜留在表面）④淀积时间应尽量短。（高效率，低成本）⑤淀积温度应尽量低。⑥不充许气态副产物进入薄膜中。⑦化学反应应发生在衬底表面。CVD优点：①好的台阶覆盖能力②填充高的深宽比间隙的能力③好的厚度均匀性（硅片中不同位置和不同位置硅片的厚度）④高纯度、高密度⑤可控制的化学组分⑥高度的结构完整性和低的膜应力。⑦好的电学特性⑧对衬底材料或下层膜有好的粘附性2、CVD流体动力学基础CVD基本理论涉及数多方面：气相化学反应学；热力学；动力学；热传导；流体力学；表面反应；等离子体；薄膜物理等。流体动力学基本概念边界层(滞留层）概念边界层（滞留层）的厚度L2/1)/()(Uxxρμδ=)Re3/(2)(32)(12/10LULLdxxLL===∫ρμδδμρ/ReUL=Re雷诺数，无量刚参数，惯性与粘稠性之比。小时为平流，过大为湍流。Grove模型1966年Grove建立了一个简单的CVD淀积速率模型；虽然简单，但Gvove模型解释了CVD过程中的许多现象并准确地预测了薄膜淀积速率。将CVD过程简化成两个部分：1）气相过程（反应剂在边界层中的输运）2）表面过程（反应剂在表面的化学反应）CgCsSiF1F2气体边界层)(1sggCChF−=ssCkF=21)1(−+=gsgshkCCNChkhkNFvggsgs+==（1）淀积速率正比于气体浓度，（2）两个极端情况：(a)kshg，Cs→0受质量输运速率控制，(b)kshg，Cg→Cs受表面化学反应速率控制。NChkhkNFvggsgs+==NChvgg≅NCkvgs≅讨论：kTEsAekk/0−=2/3Thg∝讨论：淀积速率与温度的关系kTEsAekk/0−=2/3Thg∝LTHThg与扩散系数Dg和气体流速U已知F1＝hg（Cg－Cs）和Fick第一定律：F1＝Dg（Cg－Cs）/δs所以：hg＝Dg/δsRe23LDDhggg==δμρ/ReUL=NChvgg≅Uv∝Uv∝Grove模型的重要结论：1．表面反应控制的CVD温度均匀性为重要参数，质量转移系数不重要。即不需要硅片表面有相同气流分布，可紧密排列硅片。2．质量输运控制的CVD对温度参数要求不严格，但气流分布的均匀性相当重要。要求平放硅片，并对气流进行专门设计。NChkhkNFvggsgs+==Uv∝薄膜的台阶覆盖率和保形性Sidewallstepcoverage=b/aBottomstepcoverage=d/aConformity=b/cOverhang=(c-b)/bAspectratio=h/wabcdSubstrateStructureCVDthinfilmhw影响台阶覆盖率的因素•反应体到达时，衬底的接收角度•反应腔压力（质量输运控制或表面反应控制）•被吸附反应体在衬底表面的迁移率接收角度因素•顶角A:270°,顶角C:90°•A能接收更多的先驱体•淀积生成物更多•形成悬垂凸起•悬垂凸起会造成孔内空洞的产生ABC270°90°180°空洞产生的机理MetalDielectricDielectricDielectricVoidMetalMetal压力和表面迁移率因素高压无表面迁移低压无表面迁移高表面迁移率填孔工艺•PMD:不允许有空洞产生–金属会在这些空洞处沉积下来–造成短路•IMD:一定程度上允许空洞的存在–降低介电常数–后期空洞内工艺气体的逸出会造成可靠性问题•无空洞填孔技术–保形性淀积–淀积/回刻/再淀积保形性淀积填孔淀积/回刻/再淀积填孔Al·CuAl·CuAl·CuUSGUSGUSGDep.Dep.Etch3、化学气相淀积系统CVD系统包含：a)反应剂源：气态、液态（安全）b)气体输入管道c)气体流量控制系统(MFC和阀门）d)反应室：热壁（电阻丝加热）冷壁（射频加热、辐照）e)基座加热及控制f)温度测量主要反应剂源：（1）硅烷（SiH4）HSiHHHSiHHHH•硅烷分子的结构是完全对称的•非饱和硅烷分子,如SiH3,SiH2,或SiH,可以很容易地与衬底表面形成化学键•表面迁移率较低，容易形成悬垂突起，台阶覆盖率较差主要反应剂源：（2）TEOS,[tetra-ethyl-oxy-silane,Si(OC2H5)4]正硅酸乙脂z大分子有机物分子zTEOS分子不具有完全的对称z能与衬底表面形成氢键，属于物理吸附z表面迁移率较高z台阶覆盖、保形性和填孔性较好z用于STI,sidewallspacer,PMD和IMD等z大部分介质CVD工艺基于TEOS工艺LFCProcesschamberPumpMFCCarriergasInjectionvalveLiquidTEOSPressurizegasLiquidTEOSflowHeatedgasline,TEOSvaporandcarriergas•室温下是液态，常压下沸点是168°C•需要导入系统，把TEOS蒸气送入反应腔•气化系统,喷口和注入系统TEOS导入系统•热壁式：反应室墙壁与硅片及支撑件同时加热。一般为电阻丝加热，可精确控制反应腔温度和均匀性。适合对温度控制要求苛刻的化学反应控制（kshg）淀积系统，腔内各处都发生薄膜生长。•冷壁式：仅对硅片和支撑件加热。一般采用辐照加热和射频加热。升降温快速，但温度均匀性差，适合对温度要求不高的质量输运控制（kshg）CVD系统。反应室结构：4、CVD的种类：IC工艺常用的有三类：(1)APCVD－AtmospherePressureCVD常压（大气压）化学气相淀积(2)LPCVD－LowPressureCVD低压化学气相淀积(3)PECVD－PlasmaEnhancedCVD等离子体增强化学气相淀积（1）APCVD（常压CVD）特点：常压下，扩散系数小，hg小。质量输运控制（hgks）；NChvgg≅反应气体浓度Cg大，淀积速率快（100nm/min）；操作简单；缺点：台阶覆盖性差；膜厚均匀性差；效率低APCVD反应腔结构NChvgg≅APCVD反应腔结构APCVD反应腔结构（2）LPCVD（低压CVD）特点：由于低压工作使扩散率增加，因此hg变大，使得（hgks）。导致：（1）生长速率受表面化学反应控制，与气流均匀性无关，硅片可竖直紧密排列。容量大。（2）均匀性、台阶覆盖性好、污染少。缺点：淀积速率慢，生长温度较高。淀积速率慢的原因是Cg（低压）较小。（3）PECVD（等离子增强CVD）特点：低压，反应气体呈现等离子状态，含有大量活性很强的自由基。从而使得化学反应更容易发生，导致：反应温度低；淀积速率高；台阶覆盖性好。另外可利用离子轰击来改善薄膜的引力和结构，以及填充深缝。缺点：成膜质量差（有颗粒）淀积温度比较直流或电容耦合RF－PECVD示意图等离子体吸盘dcorac硅片直流电源：衬底须导电平板等离子源的局限性•是电容耦合的等离子源•不能产生高密度等离子体•在低压力(几毫托）和磁铁下，很难产生等离子体.–电子平均自由程太长没有足够的离化碰撞.•不能独立地控制离子流和离子的能量，两者都与射频功率有直接关系•好的工艺控制要求有能够独立两者的等离子源高密度等离子体(HDP)•要求在低压下产生高密度等离子体•更高的密度，更多的离子和自由基团–增强化学反应–增加离子轰击•对CVD工艺,原位HDP工艺,即同时淀积/刻蚀/再淀积,能增强填缝性。方法：‹IC（电感耦合）RF－PCVD‹ECR（电子回旋共振）MW－PCVDIC（电感耦合）RF－PCVD氦射频偏压硅片静电吸盘等离子体电感线圈射频源腔体陶瓷盖射频偏压控制离子的能量；源功率控制离子流量可独立控制离子流和离子能量背面的氦冷却系统控制硅片的温度工作于低压力下（几毫托）电感耦合示意图线圈中的射频电流射频磁场感应电场ECRMW－PCVD氦射频偏压磁力线微波（MW）磁场线圈ECR等离子体硅片静电吸盘mqB=Ω‹当微波角频率等于电子回旋频率Ω时发生电子回旋共振‹电子从微波获得能量，带能量电子与其它的原子或分子发生碰撞，离化碰撞产生更多的电子‹电子围绕磁力线旋转，在很低的压力下也能发生很多碰撞高的深宽比，间隙的填充，金属上低温氧化硅，钝化氮化硅要求RF系统，高成本，化学物质和颗粒玷污低温，快速淀积，好的台阶覆盖的能力，好的间隙填充能力PECVD高温SiO2（掺杂或不掺杂）、Si3N4、多晶硅、W、WSi2高温、低的淀积速度，需要更多的维护，要求真空系统支持高纯度和均匀性，一致的台阶覆盖能力，大的硅片容量,表面反应控制LPCVD低温SiO2（掺杂或不掺杂）台阶覆盖能力差，有颗粒玷污，低产出率，质量输运反应简单，淀积速度快，低温APCVD应用缺点优点工艺各种CVD比较5、主要CVD薄膜多晶硅二氧化硅氮化硅氮氧化硅多晶硅薄膜的淀积：用于MOS器件中的栅电极材料、深槽填充、互连等；双极型器件的发射极扩散源。并可用来制作高阻负载等。淀积方法：设备：LPCVD；温度：580℃~650℃；化学反应：硅烷分解反应式：SiH4→SiH2＋H2SiH2→Si＋H2特点：均匀性好，高纯度，保形覆盖好。多晶硅薄膜结构与生长条件580ºC以下为非晶态580～600ºC晶粒晶向倾向于311625ºC左右晶粒晶向倾向与110675ºC左右晶粒晶向倾向与100更高温度下晶粒晶向倾向与110由非晶高温处理获得的多晶倾向于111.多晶硅薄膜淀积速率与生长条件多晶硅薄膜的掺杂传统方法：淀积后扩散或离子注入原位掺杂：in-situdoping，一步完成淀积和掺杂。z输入含有杂质的反应气体，边淀积边掺杂。z过程复杂，两类不同的反应同时发生，不易控制z掺磷或砷（磷烷或砷烷）降低淀积速率，而掺硼（乙硼烷）相反。特点：掺杂均匀，界面处浓度高抑制PDE多晶硅薄膜的性质多晶硅是多晶向的，即由许多被晶粒边界分隔的小的单晶组成结构特点：长程无序，短程有序，存在大量晶粒间界生长条件对晶粒影响：生长温度高晶粒变大，580℃以下为非晶，退火可成大晶粒；生长越厚，晶粒越大杂质扩散：晶粒间界处存在大量缺陷和悬挂键，扩散快（使整个多晶硅的杂质扩散快）。电学特性：掺杂剂量相同，多晶硅电阻单晶硅电阻原因：（1）晶粒间界处杂质不提供电子、空穴（2）晶粒间界处陷阱俘获自由载流子，降低其浓度（3）晶粒间界处产生势垒，降低载流子迁移率。增大晶粒尺寸可以降低电阻率。高掺杂时，电阻差别不大。二氧化硅薄膜的淀积应用：多层布线中金属层之间的绝缘层；扩散源和离子注入的掩蔽；钝化层特点：生长温度低，质量比热氧化二氧化硅差，密度较低。可通过RTA退火使薄膜致密衡量标准：折射率n（二氧化硅的n为1.46，硅为3.87，空气为1）n1.46富硅；n1.46低密度多孔硅生长方法：APCVD；LPCVD；PECVD均可。APCVD二氧化硅（1）源：SiH4（易燃，故尽量少用）SiH4＋O2→SiO2＋2H2（250～450度）掺杂：4PH3＋5O2→2P2O5＋6H22B2H6＋3O2→2B2O3＋6H2形成磷硅玻璃、硼硅玻璃或硼磷硅玻璃特定：又称LTO。生长速率高；质量差、保形性差；传统上用作层间介质IL