(s)第六章+化学气相淀积

第六章化学气相淀积主讲：毛维[e-mail]西安电子科技大学微电子学院概述化学气相淀积：CVD——ChemicalVapourDeposition。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。6.1.1CVD的基本过程①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；②吸附：反应剂吸附在表面；③化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产物；④淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜；⑤脱吸：副产物脱离吸附；⑥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。6.1CVD模型CVD传输和反应步骤图CVD反应室Substrate连续膜8)副产物去除1)反应物的质量传输副产物2)薄膜先驱物反应3)气体分子扩散4)先驱物的吸附5)先驱物扩散到衬底中6)表面反应7)副产物的解吸附作用排气气体传送6.1CVD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（PoisseulleFlow）：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；6.1CVD模型6.1.2边界层理论边界层厚度δ（x）(流速小于0.99Um的区域)：δ（x）=（μx/ρU)1/2μ-气体黏滞系数，x-距基座边界的距离，ρ-气体密度，U-边界层流速；平均厚度Re=ρUL/μ,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：2000，平流型；商业CVD：50-100；2000，湍流型（要尽量防止）。2/1032)(1LULLdxxLRe32L6.1.3Grove模型6.1CVD模型6.1.3Grove模型①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；②表面的化学反应淀积薄膜的速率正比于Cs，则流密度为：F2=ksCs③平衡状态下，F1=F2(=F)，则Cs=Cg/(1+ks/hg)6.1.3Grove模型Cs=Cg/(1+ks/hg)④两种极限：a.hgks时，Cs→Cg，反应控制；b.hgks时，Cs→0，扩散控制；6.1CVD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；6.1CVD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、hg中较小者决定：hgks，G=（CTksY)/N1，反应控制；hgks，G=（CThgY)/N1，扩散控制；Re23LDDgg6.1CVD模型影响淀积速率的因素①主气体流速Um∵G=（CThgY)/N1（扩散控制）,F1=Dg(Cg-Cs)/δs(菲克第一定律)hg=Dg/δs=(F1前后两式比较所得)Re=ρUL/μ，U≤0.99Um，∴结论：扩散控制的G与Um1/2成正比提高G的措施：a.降低δs：缩小基座的长度L；b.增加Um：但Um增大到一定值后→hgks→转为反应控制→G饱和。6.1CVD模型②淀积速率与温度的关系低温下，hgks，反应控制过程，故G与T呈指数关系；高温下，hgks，质量输运控制过程，hg对T不敏感，故G趋于平稳。6.1CVD模型6.2CVD系统CVD系统的组成：①气体源：气态源和液态源；②气路系统:气体输入管道、阀门等；③流量控制系统：质量流量计；④反应室：圆形、矩形；⑤基座加热及控制系统：电阻丝、石墨；⑥温度控制及测量系统6.2CVD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：①安全：气压小，不易泄露；②淀积的薄膜特性好液态源的输运：①冒泡法：由N2、H2、Ar2气体携带；②加热法：直接加热液态源,使之气化；③直接注入法：液态源先注入到气化室，气化后直接送入反应室。6.2CVD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；6.2.4CVD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6.2.4CVD技术2.LPCVD（低压CVD）定义：在27－270Pa压力下进行化学气相淀积。淀积机理：表面反应控制过程。优点：均匀性好（±3－5％，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6.2.4CVD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（200－350℃）；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（Si3N4、SiO2）。等离子体化学气相淀积二、各种CVD方法6.3CVD多晶硅6.3.1多晶硅薄膜的特性1.结构特性①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）－－110。②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①电阻率远高于单晶硅；②晶粒尺寸大的薄膜电阻率小。6.2.4CVD技术6.3.2CVD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：①吸附：SiH4（g)→SiH4（吸附)②热分解：SiH4（吸附)=SiH2（吸附)+H2(g)SiH2（吸附)=Si（吸附)+H2（g)③淀积：Si（吸附)=Si（固)④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)6.3CVD多晶硅特点：①与Si及SiO2的接触性能更好；②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①扩散：电阻率低；温度高；②离子注入:电阻率是扩散的10倍；③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)6.4CVD二氧化硅6.4CVD二氧化硅6.4.1CVDSiO2的方法1.低温CVD①气态硅烷源硅烷和氧气：APCVD、LPCVD、PECVD淀积机理:SiH4+O2~400℃SiO2（固）+H2硅烷和N2O（NO）：PECVD淀积机理:SiH4+N2O200-400℃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。6.4CVD二氧化硅②液态TEOS源：PECVD淀积机理：Si(OC2H5)4+O2250-425℃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LPCVDSiO2温度：680-730℃化学反应：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。6.4CVD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：①淀积速率正比于气体分子到达表面的角度(到达角)；②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：①表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比；②再发射6.4CVD二氧化硅6.4.3CVD掺杂SiO21.PSG工艺：原位掺杂PH3；组分：P2O5和SiO2；磷硅玻璃回流（P-glassflow）工艺：PSG受热变软易流动，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℃；6.5CVDSi3N4Si3N4薄膜的用途：①最终钝化膜和机械保护层；②掩蔽膜：用于选择性氧化；③DRAM电容的绝缘材料；④MOSFETs中的侧墙；⑤浅沟隔离的CMP停止层。Si3N4薄膜的特性：①扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧；②对底层金属可保形覆盖；可作为钝化层的原因③针孔少；压应力可以很低(PECVD)；④介电常数较大：(εSi3N4=6-9,εSiO2=4.2),不能作层间的绝缘层。6.5CVDSi3N4CVDSi3N4薄膜工艺1.LPCVD①反应剂：SiH2Cl2+NH3→Si3N4+H2+HCl②温度：700-800℃；③速率：与总压力（或SiH2Cl2分气压)成正比；④特点：密度高；不易被稀HF腐蚀；化学配比好；保形覆盖；⑤缺点：应力大；2.PECVD①反应：SiH4+NH3（或N2）→SixNyHz+H2②温度：200-400℃；③H的危害：阈值漂移。H危害的解决：N2代替NH3；6.6金属的CVD常用的CVD金属薄膜：Al、W、Ti、Cu6.6.1钨的CVDW的特性：①热稳定性高：熔点3410℃；②应力低：③保形覆盖好；④抗电迁移强；⑤耐腐蚀；⑥体电阻率较小(相比于Ti和Ta)。W的缺点：①电阻率相对较高：是Al的一倍；②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：①特征尺寸小于1μm的接触孔和通孔填充——钨插塞；②局部互连。钨LI钨塞钨LI和钨塞的SEM显微照片6.6.1钨的CVD1.CVDW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+6H22.覆盖式CVDW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CVDWSi2薄膜的应用：①形成polycide多层栅结构；②IC存储器中的字线与位线；③覆盖式钨的附着层。化学反应：WF6+2SiH4→WSi