集成電路工藝基礎(chǔ)——_06_化學氣相淀積

1、電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院Chap 6 CVDv Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院MSI時代nMOS晶體管的各層膜p+ silicon substratep- epi layer場氧化層n+n+p+p+n-wellILD氧化硅墊氧化層氧化硅氮化硅頂層柵氧化層側(cè)

2、墻氧化層金屬前氧化層Poly金屬多晶金屬電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院 從從MSI到到LSI時代，芯片的設(shè)計和加工相對較為直接，上圖時代，芯片的設(shè)計和加工相對較為直接，上圖給出了制作一個早期給出了制作一個早期nMOS所需的淀積層。圖中器件的特征所需的淀積層。圖中器件的特征尺寸遠大于尺寸遠大于1m。如圖所示，硅片上各層并不平坦，這將成。如圖所示，硅片上各層并不平坦，這將成為為VLSI時代所需的多層金屬高密度芯片制造的限制因素。時代所需的多層金屬高密度芯片制造的限制因素。 隨著特征尺寸越來越小，在當今的高級微芯片加工過程中，隨著特征尺寸越來越小，在當今的高級微芯片加工過程中，需要需要6層

3、甚至更多的金屬來做連接，各金屬之間的絕緣就顯層甚至更多的金屬來做連接，各金屬之間的絕緣就顯得非常重要，所以，在芯片制造過程中，淀積可靠的薄膜材得非常重要，所以，在芯片制造過程中，淀積可靠的薄膜材料至關(guān)重要。薄膜制備是硅片加工中的一個重要工藝步驟。料至關(guān)重要。薄膜制備是硅片加工中的一個重要工藝步驟。 電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院ULSI硅片上的多層金屬化鈍化層壓點金屬p+ Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p- Epitaxial layerp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1P

4、oly gaten+p+p+n+n+LI metal電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院芯片中的金屬層電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院薄膜特性v好的臺階覆蓋能力好的臺階覆蓋能力v填充高的深寬比間隙的能力填充高的深寬比間隙的能力v好的厚度均勻性好的厚度均勻性v高純度和高密度高純度和高密度v受控制的化學劑量受控制的化學劑量v高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應力高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應力v好的電學特性好的電學特性v對襯底材料或下層膜好的黏附性對襯底材料或下層膜好的黏附性電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院化學氣相淀積 (Chemical Vapor Deposition) v CVD定義：

5、通過氣態(tài)物質(zhì)的化學反應在襯底上淀定義：通過氣態(tài)物質(zhì)的化學反應在襯底上淀積一層薄膜材料的過程積一層薄膜材料的過程v *它是半導體生產(chǎn)中它是半導體生產(chǎn)中最重要的薄膜淀積方法最重要的薄膜淀積方法，除，除了某些金屬材料之外，基本都用了某些金屬材料之外，基本都用CVD進行淀積。進行淀積。Silicon substrateOxide寬長厚與襯底相比薄膜非常薄電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院化學氣相淀積 (Chemical Vapor Deposition) v CVD技術(shù)特點：技術(shù)特點： 具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復性好、臺階覆

6、蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設(shè)備簡單和重復性好、臺階覆蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設(shè)備簡單等一系列優(yōu)點等一系列優(yōu)點 CVD方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的各方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的種薄膜，例如摻雜或不摻雜的SiO2、多晶硅、非晶、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬鎢、鉬)等等電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院CVD相對于相對于PVD,有什么優(yōu)點？有什么優(yōu)點？v跟材料特性相關(guān)的性質(zhì)跟材料特性相關(guān)的性質(zhì)結(jié)晶性和理想配比都結(jié)晶性和理想配比都比較好比較好v薄膜成分和膜厚容易控制薄膜成分和膜厚容易控制v*淀積溫度低淀積溫度低v*臺階覆蓋性好（臺階覆

7、蓋性好（step coverage) 電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院CVDoutlinev Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院 CVD的薄膜生長原理v 薄膜生長的過程薄膜生長的過程v 生長模型生長模型電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院薄膜生長過程v 1、反應劑

8、氣體混合物以合理的流速被輸運到沉積區(qū)、反應劑氣體混合物以合理的流速被輸運到沉積區(qū)v 2、反應劑氣體由主氣流通過邊界層擴散到襯底表面、反應劑氣體由主氣流通過邊界層擴散到襯底表面v 3、反應劑氣體吸附在襯底表面上、反應劑氣體吸附在襯底表面上v 4、吸附原子（分子）發(fā)生化學反應，生成薄膜基本元素、吸附原子（分子）發(fā)生化學反應，生成薄膜基本元素v 5、副產(chǎn)物分子離開襯底表面，由襯底外擴散到主氣流，排出、副產(chǎn)物分子離開襯底表面，由襯底外擴散到主氣流，排出電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院邊界層理論邊界層理論v 氣體速度受到擾動并按拋物線型變化、同時還存在反應

9、氣體速度受到擾動并按拋物線型變化、同時還存在反應劑濃度梯度的薄層稱為邊界層（附面層、滯留層）劑濃度梯度的薄層稱為邊界層（附面層、滯留層） 氣體分子的平均自由程遠小于反應室的幾何尺寸，可以認為氣體分子的平均自由程遠小于反應室的幾何尺寸，可以認為氣體為黏滯性流動氣體為黏滯性流動 由于氣體的黏滯性，氣體與硅片表面或側(cè)壁存在摩擦力，該由于氣體的黏滯性，氣體與硅片表面或側(cè)壁存在摩擦力，該摩擦力使緊貼硅片表面或者側(cè)壁的氣體流速為零摩擦力使緊貼硅片表面或者側(cè)壁的氣體流速為零 在離硅片表面或者側(cè)壁一定距離處，氣體流速過渡到最大氣在離硅片表面或者側(cè)壁一定距離處，氣體流速過渡到最大氣流流Um電子科技大學中山學院電

10、子科技大學中山學院Grove模型（1）F F1 1：主氣流到襯底表面的反應劑流密度：主氣流到襯底表面的反應劑流密度F F2 2：反應劑在表面反應后淀積成固態(tài)薄膜的流密度：反應劑在表面反應后淀積成固態(tài)薄膜的流密度C Cg g：反應劑在主氣流中的濃度：反應劑在主氣流中的濃度C Cs s：反應劑在硅表面處的濃度：反應劑在硅表面處的濃度電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院Grove模型（2） Grove模型能夠準確預測薄膜淀積速率，認為控制薄膜沉淀模型能夠準確預測薄膜淀積速率，認為控制薄膜沉淀速率的兩個因素為：速率的兩個因素為： 1 氣相輸運過程氣相輸運過程 2 表面化學反應過程表面化學反應過程電

11、子科技大學中山學院電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v（1）F1=hg(Cg Cs) v（2）F2=ksCs其中：其中：hg為氣相質(zhì)量輸運系數(shù)，為氣相質(zhì)量輸運系數(shù)，ks為表面化學反應速率常數(shù)為表面化學反應速率常數(shù)v 穩(wěn)定狀態(tài)：穩(wěn)定狀態(tài)： F1=F2=F Cs=Cg/(1+ks/hg) （1）hg ks時，時，Cs趨向趨向Cg，淀積速率受表面化學反應控制，淀積速率受表面化學反應控制（2）ks hg時，時，Cs趨向趨向0，淀積速率受質(zhì)量輸運速率控制，淀積速率受質(zhì)量輸運速率控制Grove模型（3）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院 結(jié)論結(jié)論： （1 1）淀積速率與）淀

12、積速率與C Cg g（反應劑的濃度）或者（反應劑的濃度）或者Y Y（反應劑的摩爾百（反應劑的摩爾百分比）成正比；分比）成正比；（2 2）在）在C Cg g或者或者Y Y為常數(shù)時，薄膜淀積速率將由為常數(shù)時，薄膜淀積速率將由KsKs和和hghg中較小中較小的一個決定。的一個決定。Grove模型（4）v 薄膜淀積速率薄膜淀積速率（其中（其中N1表示表示形成形成一個單位體積薄膜所需一個單位體積薄膜所需要的原子數(shù)量）：要的原子數(shù)量）：YNChkhkNChkhkNFGTgsgsggsgs111電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院Diffusion and Surface control regions

13、v 對于一個確定的表面反應，當溫度升高到一定程度時，由對于一個確定的表面反應，當溫度升高到一定程度時，由于反應速度的加快，于反應速度的加快，輸運到表面的反應劑數(shù)量輸運到表面的反應劑數(shù)量低于該溫度下低于該溫度下表面化學反應所需要的數(shù)量表面化學反應所需要的數(shù)量，這時的淀積速率將轉(zhuǎn)為由質(zhì)量，這時的淀積速率將轉(zhuǎn)為由質(zhì)量輸運控制，反應速度不再隨溫度變化而變化。輸運控制，反應速度不再隨溫度變化而變化。電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v 增加氣流速率可以提高淀積速率增加氣流速率可以提高淀積速率v 當氣流速率大到一定程度的時候，淀積速率受當氣流速率大到一定程度的時候，淀積速率受表面化學反表面化學反應速

14、率控制應速率控制薄膜淀積速率薄膜淀積速率(1)電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v 升高溫度可以提高淀積速率升高溫度可以提高淀積速率v 但隨著溫度的上升，淀積速率對溫度的敏感度不斷下降；但隨著溫度的上升，淀積速率對溫度的敏感度不斷下降；當溫度高過某個值后，淀積速率受當溫度高過某個值后，淀積速率受質(zhì)量輸運速率質(zhì)量輸運速率控制控制薄膜淀積速率薄膜淀積速率(2)圖圖6.8 6.8 硅膜淀積速率與溫度倒數(shù)的關(guān)系硅膜淀積速率與溫度倒數(shù)的關(guān)系表面化學反應控制：溫度表面化學反應控制：溫度質(zhì)量輸運速率控制：位置質(zhì)量輸運速率控制：位置電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院CVDoutlinev Intr

15、oductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院CVD Equipment化學氣相淀積系統(tǒng)化學氣相淀積系統(tǒng)n氣態(tài)源或液態(tài)源氣態(tài)源或液態(tài)源 氣體輸入管道氣體輸入管道 氣體流量控制系統(tǒng)氣體流量控制系統(tǒng) 反應室反應室 基座加熱及控制系統(tǒng)基座加熱及控制系統(tǒng) 溫度控制及測量系統(tǒng)溫度控制及測量系統(tǒng) 減壓系統(tǒng)（

16、減壓系統(tǒng)（LPCVD和和PECVD)電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院6.2.1 CVD的氣體源v 氣體源趨向液態(tài)氣體源趨向液態(tài) 氣態(tài)源不安全氣態(tài)源不安全 淀積的薄膜特性不好淀積的薄膜特性不好v液態(tài)源的輸送液態(tài)源的輸送 保存在室溫下的保存在室溫下的液態(tài)源，使用時液態(tài)源，使用時先注入到氣化室先注入到氣化室中，氣化后直接中，氣化后直接輸送到反應室中輸送到反應室中電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v 冒泡法中反應劑濃度控制：冒泡法中反應劑濃度控制： 攜帶氣體的流速攜帶氣體的流速 源瓶的溫度源瓶的溫度v 氣體的流速由氣體流量控制系統(tǒng)控制氣體的流速由氣體流量控制系統(tǒng)控制電子科技大學中山學院電

17、子科技大學中山學院6.2.2 質(zhì)量流量控制系統(tǒng)質(zhì)量流量控制系統(tǒng)v 進入反應室的氣體流量精確可控進入反應室的氣體流量精確可控 控制反應室的氣壓控制反應室的氣壓 直接控制氣體流量，質(zhì)量流量控制系統(tǒng)直接控制氣體流量，質(zhì)量流量控制系統(tǒng) 質(zhì)量流量計質(zhì)量流量計 閥門閥門v 氣體流量單位氣體流量單位:體積體積/單位時間單位時間 溫度為溫度為273K，一個標準大氣壓下，每分鐘通過，一個標準大氣壓下，每分鐘通過的氣體體積的氣體體積電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院6.2.3 CVD反應室的熱源反應室的熱源Kamins 2000v 薄膜是在高于室溫的溫度薄膜是在高于室溫的溫度下淀積的。下淀積的。 熱壁系統(tǒng)：

18、熱壁系統(tǒng)：Tw=Ts 冷壁系統(tǒng)：冷壁系統(tǒng)：Tw1000A/min）。）。 易氣相成核，均勻性不好，材料利用率低。易氣相成核，均勻性不好，材料利用率低。 質(zhì)量輸運控制淀積速率。質(zhì)量輸運控制淀積速率。 均勻性好，臺階覆蓋性好，污染少。對反應室結(jié)構(gòu)要求均勻性好，臺階覆蓋性好，污染少。對反應室結(jié)構(gòu)要求低。裝片量大。低。裝片量大。 淀積速度低，工作溫度高。淀積速度低，工作溫度高。 表面反應控制淀積速率。表面反應控制淀積速率。電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院 反應溫度低，附著性好，良好的階梯覆蓋，良好的反應溫度低，附著性好，良好的階梯覆蓋，良好的電學特性可以與精細圖形轉(zhuǎn)移工藝兼容，薄膜應力電學特性

19、可以與精細圖形轉(zhuǎn)移工藝兼容，薄膜應力低，主流工藝。低，主流工藝。 具備具備LPCVD的優(yōu)點的優(yōu)點 high deposition rate at relatively low temperature Improve film quality and stress control through ion bombardment（炮擊，轟擊）（炮擊，轟擊） 表面反應控制淀積速率表面反應控制淀積速率電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院CVDoutlinev Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Po

20、ly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v多晶硅的優(yōu)點（多晶硅的優(yōu)點（ Al的熔點為的熔點為659 ）：）： 多晶硅與隨后的高溫熱處理工藝有很好的兼容性多晶硅與隨后的高溫熱處理工藝有很好的兼容性 與與Al柵相比，多晶硅與熱生長二氧化硅的接觸性能更好柵相比，多晶硅與熱生長二氧化硅的接觸性能更好 在陡峭的臺階上淀積多晶硅時能夠獲得很好的保形性在陡峭的臺階上淀積多晶硅時能夠獲得很好的保形性v應用：應用： 柵電極柵電極 互聯(lián)引

21、線互聯(lián)引線 導體和電阻（高電阻值）導體和電阻（高電阻值） 填充介質(zhì)隔離技術(shù)中的深槽填充介質(zhì)隔離技術(shù)中的深槽6.3 CVD多晶硅的特性和淀積方法多晶硅的特性和淀積方法電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院6.3.1 多晶硅薄膜的性質(zhì)（物理）多晶硅薄膜的性質(zhì)（物理）v 物理結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu) 由小單晶組成，多晶界由小單晶組成，多晶界 淀積薄膜為非晶或多晶（取決于工藝），非晶經(jīng)熱處理淀積薄膜為非晶或多晶（取決于工藝），非晶經(jīng)熱處理可轉(zhuǎn)為多晶?？赊D(zhuǎn)為多晶。 晶粒表面原子周期性排列受到破壞，所以晶粒間界具有晶粒表面原子周期性排列受到破壞，所以晶粒間界具有高密度缺陷和懸掛鍵高密度缺陷和懸掛鍵 晶界處的擴散系數(shù)

22、明顯高于晶粒內(nèi)部的擴散系數(shù)晶界處的擴散系數(shù)明顯高于晶粒內(nèi)部的擴散系數(shù) 高溫時存在于晶粒內(nèi)的雜質(zhì)在低溫時由于分凝作用會運動高溫時存在于晶粒內(nèi)的雜質(zhì)在低溫時由于分凝作用會運動到晶界到晶界電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v電學特性電學特性 多晶硅的電阻率高于單晶硅的電阻率多晶硅的電阻率高于單晶硅的電阻率 摻雜原子在熱處理過程中易到晶粒間界處，不能有摻雜原子在熱處理過程中易到晶粒間界處，不能有效的貢獻自由載流子效的貢獻自由載流子 例如：例如：As和和P；B不會發(fā)生這種現(xiàn)象；不會發(fā)生這種現(xiàn)象； 晶粒間界處的懸掛鍵俘獲自由載流子晶粒間界處的懸掛鍵俘獲自由載流子,由此降低載流由此降低載流子的濃度子的

23、濃度 晶粒尺寸大的多晶硅的電阻率低，因為晶粒間晶粒尺寸大的多晶硅的電阻率低，因為晶粒間界密度小界密度小多晶硅薄膜的性質(zhì)（電學）多晶硅薄膜的性質(zhì)（電學）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院6.3.2 CVD多晶硅多晶硅v 一般是用一般是用LPCVD，在，在580650下熱分解硅下熱分解硅烷實現(xiàn)烷實現(xiàn) SiH4發(fā)發(fā)生氣相反應，生成粗糙多孔硅層，不適合生氣相反應，生成粗糙多孔硅層，不適合IC的要求。的要求。 當氣體中的當氣體中的Si的濃度較大，容易發(fā)生氣相反應的濃度較大，容易發(fā)生氣相反應 氣體稀釋硅烷，用氣體稀釋硅烷，用H2可以抑制氣相反應可以抑制氣相反應 LPCVD時的氣缺現(xiàn)象時的氣缺現(xiàn)象 分

24、布式入口的分布式入口的LPCVD反應室反應室242HSiSiH電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院 溫度溫度 580 , 多晶多晶 625 晶向的晶粒占主導晶向的晶粒占主導 675 晶向的晶粒占主導晶向的晶粒占主導 更高溫度更高溫度 晶向的晶粒占主導晶向的晶粒占主導 壓力、溫度壓力、溫度(P156 圖圖6.14） 溫度一定，壓力增大，淀積速率增大溫度一定，壓力增大，淀積速率增大 壓力一定，溫度增大，淀積速率增大壓力一定，溫度增大，淀積速率增大6.3.3 淀積條件對多晶硅結(jié)構(gòu)及淀積速率的影響淀積條件對多晶硅結(jié)構(gòu)及淀積速率的影響電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v多晶硅的摻雜技術(shù)多晶硅的

25、摻雜技術(shù)v擴散摻雜擴散摻雜 在淀積完成之后在在淀積完成之后在較高的溫度下較高的溫度下進行摻雜進行摻雜 優(yōu)點：能夠在多晶硅薄膜中優(yōu)點：能夠在多晶硅薄膜中摻入濃度很高的雜質(zhì)摻入濃度很高的雜質(zhì)。同時完成摻雜和退火工藝同時完成摻雜和退火工藝 缺點：溫度較高、薄膜表面粗糙程度增加缺點：溫度較高、薄膜表面粗糙程度增加6.3.4 多晶硅的摻雜技術(shù)（多晶硅的摻雜技術(shù)（1）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v多晶硅的摻雜技術(shù)多晶硅的摻雜技術(shù)v 離子注入（最常用）離子注入（最常用） 淀積后的離子注入和退火淀積后的離子注入和退火 優(yōu)點：可精確控制摻入雜質(zhì)的數(shù)量，優(yōu)點：可精確控制摻入雜質(zhì)的數(shù)量，適合于不需要太適

26、合于不需要太高摻雜濃度的多晶硅薄膜高摻雜濃度的多晶硅薄膜 特點：形成的高摻雜多晶硅電阻率約為擴散形成的電特點：形成的高摻雜多晶硅電阻率約為擴散形成的電阻率的阻率的10倍倍6.3.4 多晶硅的摻雜技術(shù)（多晶硅的摻雜技術(shù)（2）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v多晶硅的摻雜技術(shù)多晶硅的摻雜技術(shù)v 原位摻雜（原位摻雜（in-situ) 邊淀積邊摻雜邊淀積邊摻雜 簡單，但薄膜厚度、摻雜均勻性及淀積速率會隨著摻簡單，但薄膜厚度、摻雜均勻性及淀積速率會隨著摻雜氣體的加入變得復雜雜氣體的加入變得復雜 較少采用較少采用6.3.4 多晶硅的摻雜技術(shù)（多晶硅的摻雜技術(shù)（3）電子科技大學中山學院電子科技大學中

27、山學院CVDoutlinev Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院二氧化硅的用途二氧化硅的用途電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院6.4 CVD二氧化硅的特性和淀積方法二氧化硅的特性和淀積方法v要求要求 厚度均勻、結(jié)構(gòu)性能好，離子和化學玷污要低，與襯底厚度均勻、結(jié)構(gòu)性能好，

28、離子和化學玷污要低，與襯底之間有良好的黏附性，具有較小的應力以防止碎裂，完之間有良好的黏附性，具有較小的應力以防止碎裂，完整性要好以獲得較高的介質(zhì)擊穿電壓，較好的臺階覆蓋整性要好以獲得較高的介質(zhì)擊穿電壓，較好的臺階覆蓋以滿足多層互聯(lián)的要求，針孔密度要低，以滿足多層互聯(lián)的要求，針孔密度要低，較低的較低的K值值以以獲得高性能器件和較高的產(chǎn)率獲得高性能器件和較高的產(chǎn)率。v衡量二氧化硅薄膜質(zhì)量指標衡量二氧化硅薄膜質(zhì)量指標 折射系數(shù)與熱氧化的折射系數(shù)折射系數(shù)與熱氧化的折射系數(shù)1.46相比相比 大于大于1.46，富硅，富硅 小于小于1.46，低密度多孔薄膜，低密度多孔薄膜電子科技大學中山學院電子科技大學中

29、山學院6.4.1 CVD SiO2的方法的方法v CVD SiO2的方法的方法 低溫低溫CVD SiO2 ：低于：低于500 中溫中溫LPCVD SiO2：500800 TEOS與臭氧混合源的與臭氧混合源的SiO2淀積：低于淀積：低于500 高溫高溫LPCVD淀積淀積電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v Silane Based LPCVD or APCVD (250 450 ) 低溫淀積生成的低溫淀積生成的SiO2薄膜的密度低于熱生長二氧化薄膜的密度低于熱生長二氧化硅，折射系數(shù)為硅，折射系數(shù)為1.44，較易腐蝕。可在，較易腐蝕?？稍?001000 溫度范圍內(nèi)進行熱處理，以實現(xiàn)致密化。溫

30、度范圍內(nèi)進行熱處理，以實現(xiàn)致密化。 致密化致密化是一個減少是一個減少SiO2玻璃體中玻璃體中H2O的成分，增加的成分，增加橋鍵氧數(shù)目的過程。橋鍵氧數(shù)目的過程。22242HSiOOSiH低溫低溫CVD氧化層（氧化層（1）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院低溫低溫CVD氧化層（氧化層（2）v Silane Based PECVD （200 400 ） 可用可用N2O： SiH4 的比值來控制生成物的成分的比值來控制生成物的成分 稀釋的稀釋的HF溶液對溶液對SiO2薄膜的腐蝕速率可以非常精薄膜的腐蝕速率可以非常精確的反應薄膜的配比和密度。確的反應薄膜的配比和密度。 高密度等離子體（高密度等離子

31、體（HDP）CVD可在可在120 的低溫的低溫下淀積質(zhì)量很好的下淀積質(zhì)量很好的SiO2薄膜。薄膜。22224222NHSiOONSiH電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v TEOS（正硅酸四乙酯（正硅酸四乙酯Si(OC2H5)4 based PECVD （250-425 ） TEOS + O2 SiO2 + Products 淀積的薄膜具有更好的臺階覆蓋和間隙填充特淀積的薄膜具有更好的臺階覆蓋和間隙填充特性，淀積溫度低，可用來性，淀積溫度低，可用來形成多層布線中金屬形成多層布線中金屬層之間的絕緣層淀積。層之間的絕緣層淀積。 可在淀積源中加入摻雜源進行摻雜可在淀積源中加入摻雜源進行摻雜 加

32、硼酸三甲酯（加硼酸三甲酯（TMB)可摻硼可摻硼 加磷酸三甲酯（加磷酸三甲酯（TMP)可摻磷可摻磷低溫低溫CVD氧化層（氧化層（3）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院中溫中溫LPCVD淀積淀積SiO2v LPCVD TEOS (675 695 ) TEOS SiO2 + Productsv TEOS代替代替SiH4 安全安全 淀積的薄膜具有更好的保形性淀積的薄膜具有更好的保形性 原因：反應物淀積后在臺階表面快速遷移原因：反應物淀積后在臺階表面快速遷移 應用：作為金屬淀積之前的絕緣層（多晶硅和金屬應用：作為金屬淀積之前的絕緣層（多晶硅和金屬層之間的絕緣層）；形成隔離層（層之間的絕緣層）；形成

33、隔離層（MOSFETs的的LDD）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院TEOS與臭氧混合源的與臭氧混合源的SiO2淀積淀積v特點特點(APCVD或或LPCVD) ： 高的淀積速率高的淀積速率 很好的保形性，很好的保形性，Good gapfill properties the process is very sensitive to surface composition,淀積淀積前先用前先用PECVD法淀積薄層法淀積薄層SiO2，保證相同的淀積速度，保證相同的淀積速度 Film is porous and contains lots of OH，易于與空氣中易于與空氣中的水汽反應，故最上層

34、用的水汽反應，故最上層用PECVD法淀積法淀積SiO2層作為保層作為保護護 故故TEOS/O3淀積的氧化層就像淀積的氧化層就像三明治三明治一樣夾在由兩層一樣夾在由兩層PECVD的氧化層結(jié)構(gòu)。形成三層絕緣結(jié)構(gòu)。的氧化層結(jié)構(gòu)。形成三層絕緣結(jié)構(gòu)。電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院高溫高溫LPCVD淀積淀積電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院6.4.2 CVD SiO2薄膜的臺階覆蓋薄膜的臺階覆蓋共形臺階覆蓋共形臺階覆蓋非共形臺階覆蓋非共形臺階覆蓋均勻厚度均勻厚度v 臺階覆蓋：淀積薄膜的表面幾何形貌與半導體表臺階覆蓋：淀積薄膜的表面幾何形貌與半導體表面

35、的各種臺階形狀的關(guān)系。面的各種臺階形狀的關(guān)系。 保形覆蓋：無論襯底表面有什么樣的傾斜圖形，在所保形覆蓋：無論襯底表面有什么樣的傾斜圖形，在所有圖形的上面都能淀積相同厚度的薄膜有圖形的上面都能淀積相同厚度的薄膜 原因：反應物在吸附、反應時有顯著的表面遷移原因：反應物在吸附、反應時有顯著的表面遷移電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v 決定吸附原子遷移率的因素決定吸附原子遷移率的因素 吸附原子的種類、能量吸附原子的種類、能量 襯底溫度襯底溫度 離子對吸附原子的轟擊離子對吸附原子的轟擊 高溫高溫 LPCVD的的Poly Si和和Si3N4 中溫中溫LPCVD TEOS淀積的淀積的SiO2薄膜薄膜

36、 低溫低溫 PECVD 淀積薄膜淀積薄膜x 低溫低溫 APCVD SiH4和和O2生成生成SiO2x 大部分經(jīng)蒸發(fā)和濺射方法得到的材料大部分經(jīng)蒸發(fā)和濺射方法得到的材料臺階覆蓋性臺階覆蓋性電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院Basic Film Properties: Step Coveragev Step Coverage Properties determines gapfill capabilities電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院臺階覆蓋性臺階覆蓋性v 舉例舉例 在在APCVD中，以中，以SiH4和氧氣為反應劑沉淀和氧氣為反應劑沉淀SiO2 因因SiH4的黏滯系數(shù)很大，淀積

37、速率正比于氣體分子到達的黏滯系數(shù)很大，淀積速率正比于氣體分子到達表面時的角度范圍表面時的角度范圍v 到達角到達角 反應物到達半導體表面時有不同的角度反應物到達半導體表面時有不同的角度 在一個陡峭的臺階處，在一個陡峭的臺階處，APCVD SiO2時，薄膜在臺階頂時，薄膜在臺階頂部處最厚，在拐角處最薄部處最厚，在拐角處最薄。 SiO2薄膜在拐角處的斜率大于薄膜在拐角處的斜率大于90o，使得，使得隨后的薄膜淀積隨后的薄膜淀積和各項異性刻蝕變得非常困難和各項異性刻蝕變得非常困難。電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院臺階覆蓋性臺階覆蓋性電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v遮蔽效應遮蔽效應 LP

38、CVD工藝、工藝、PVD中的蒸發(fā)和濺射中的蒸發(fā)和濺射 反應劑分子的反應劑分子的平均自由程平均自由程很長，且在襯底表面很長，且在襯底表面上的上的遷移能力又很低遷移能力又很低的情況下，則會發(fā)生掩蔽的情況下，則會發(fā)生掩蔽效應，受到掩蔽的點處的膜厚小于沒受到掩蔽效應，受到掩蔽的點處的膜厚小于沒受到掩蔽的點處的膜厚的點處的膜厚臺階覆蓋性臺階覆蓋性電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v 磷硅玻璃磷硅玻璃 在淀積在淀積SiO2的氣體中同時摻入的氣體中同時摻入PH3 ，就可形成就可形成磷硅玻璃（磷硅玻璃（PSG) PSG對水汽的阻擋能力不強，故在高磷情況下有很對水汽的阻擋能力不強，故在高磷情況下有很強的吸

39、潮性；強的吸潮性； PSG可以吸收堿性離子、吸收雜質(zhì)；可以吸收堿性離子、吸收雜質(zhì)； PSG在高溫下（在高溫下（10001100）可以流動，使隨后可以流動，使隨后淀積的薄膜有更好的臺階覆蓋。淀積的薄膜有更好的臺階覆蓋。CVD摻雜摻雜SiO2（1）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院磷硅玻璃回流（磷硅玻璃回流（P-glass flow）v 在金屬層間，一般需淀積在金屬層間，一般需淀積表面平滑的二氧化硅表面平滑的二氧化硅作作為絕緣層。若為絕緣層。若氧化膜有凹陷氧化膜有凹陷，容易使得上層金屬，容易使得上層金屬膜淀積時有缺口產(chǎn)生而導致膜淀積時有缺口產(chǎn)生而導致電路斷路電路斷路。v 低溫淀積的磷硅玻璃受

40、熱后變得較軟易流動，可低溫淀積的磷硅玻璃受熱后變得較軟易流動，可提供一平滑的表面，所以常作為鄰近兩金屬層間提供一平滑的表面，所以常作為鄰近兩金屬層間的絕緣層，此工藝稱為的絕緣層，此工藝稱為磷硅玻璃回流磷硅玻璃回流。v下頁圖顯示在多晶硅柵極上淀積四種不同磷硅玻下頁圖顯示在多晶硅柵極上淀積四種不同磷硅玻璃的掃描電子顯微鏡橫截面照片。璃的掃描電子顯微鏡橫截面照片。電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v 硼磷硅玻璃硼磷硅玻璃 在淀積在淀積SiO2的反應氣體中摻入的反應氣體中摻入PH3、B2H6 BPSG玻璃回流平坦化，可實現(xiàn)對襯底上陡峭臺階的玻璃回流平坦化，可實現(xiàn)對襯底上陡峭臺階的良好覆蓋良好覆蓋

41、 BPSG (850 ) 可以在可以在較低的溫度下實現(xiàn)回流平坦化較低的溫度下實現(xiàn)回流平坦化，從而降低淺結(jié)中的雜質(zhì)擴散，取代從而降低淺結(jié)中的雜質(zhì)擴散，取代PSG。 應用：金屬淀積之前的絕緣、金屬層間的絕緣、應用：金屬淀積之前的絕緣、金屬層間的絕緣、DRAM中電容的介質(zhì)中電容的介質(zhì)CVD摻雜摻雜SiO2（2）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院CVDoutlinev Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and

42、Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院氮化硅的化學氣相淀積（氮化硅的化學氣相淀積（1）v 應用：應用： 鈍化層和機械保護層鈍化層和機械保護層 鈉和水汽在氮化硅中的擴散速度非常慢，即擁有很鈉和水汽在氮化硅中的擴散速度非常慢，即擁有很強的掩蔽能力強的掩蔽能力 硅選擇性氧化的掩蔽膜硅選擇性氧化的掩蔽膜 氮化硅氧化速度非常慢（氮化硅氧化速度非常慢（LOCOS工藝基于此）工藝基于此） 二氧化硅緩沖層二氧化硅緩沖層電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院氮化硅的化學氣相淀積（氮化硅的化學氣相淀積（2）v 應用：應用：

43、 電容中的絕緣材料電容中的絕緣材料（高（高K介質(zhì)，介質(zhì)，79） 作為作為MOSFETs的側(cè)墻的側(cè)墻 用于用于LDD結(jié)構(gòu)的側(cè)墻結(jié)構(gòu)的側(cè)墻 不能用于導體之間的絕緣層不能用于導體之間的絕緣層 高的介電常數(shù)，會形成較大的寄生電容高的介電常數(shù)，會形成較大的寄生電容電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v 中等溫度中等溫度(700800)的的LPCVD 作為選擇氧化的掩蔽膜作為選擇氧化的掩蔽膜 DRAM中電容的介質(zhì)層中電容的介質(zhì)層 優(yōu)點：薄膜密度比較高，比優(yōu)點：薄膜密度比較高，比PECVD Si3N4有更好的化有更好的化學配比，氫的含量比學配比，氫的含量比PECVD Si3N4低，臺階覆蓋性好低，臺階覆

44、蓋性好 缺點：溫度高、速率低（缺點：溫度高、速率低（700時時10nm/min）；氣缺）；氣缺現(xiàn)象現(xiàn)象2433223643HHClNSiNHHSiCl氮化硅的化學氣相淀積（氮化硅的化學氣相淀積（3）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院氮化硅的化學氣相淀積（氮化硅的化學氣相淀積（3）v 低溫低溫(300) PECVD方法淀積方法淀積 鈍化層，因鈍化層，因Al的存在的存在 SiH4-NH3 淀積速率高，薄膜擊穿電壓高，臺階覆蓋性好淀積速率高，薄膜擊穿電壓高，臺階覆蓋性好 氫的含量高（無正確的化學組成比）氫的含量高（無正確的化學組成比） SiH4-N2 淀積速率低，薄膜擊穿電壓低，臺階覆蓋性差淀

45、積速率低，薄膜擊穿電壓低，臺階覆蓋性差 氫的含量低，薄膜致密氫的含量低，薄膜致密2234)HHNSiNNHSiHzyx（或電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院CVDoutlinev Introductionv Principles of CVDv CVD Equipmentv CVD deposited films Poly silicon Silicon oxide Silicon nitride and Oxynitrides Metal and Other Dielectric Films電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院W的的CVD（1）v 鎢的用途鎢的用途 鎢栓塞（鎢栓塞（

46、plug）:CVD鎢比鎢比PVD鋁有更好的通孔鋁有更好的通孔填充能力填充能力 Contact Via 局部互連材料局部互連材料 短程互聯(lián)（電導率較低）短程互聯(lián)（電導率較低） 全局互聯(lián)（全局互聯(lián)（Al、Cu）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院W的的CVD（2）v 鎢廣泛用于互連的原因鎢廣泛用于互連的原因 體電阻率?。w電阻率?。?12uQ.cm) 熱穩(wěn)定性好（熔點最高）熱穩(wěn)定性好（熔點最高） 應力低，保形性好；應力低，保形性好； 抗電遷移能力和抗腐蝕性強抗電遷移能力和抗腐蝕性強v 缺點缺點 電阻率相對鋁高電阻率相對鋁高 在氧化物和氮化物上附著力差在氧化物和氮化物上附著力差 鎢與硅在鎢與硅在

47、600以上接觸時，會形成鎢的硅化物以上接觸時，會形成鎢的硅化物熔點熔點 Al 660 Al 660 Cu 1083 Cu 1083 W 3380 W 3380 Mo 2600 Mo 2600 電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v CVD W的化學反應（一般用的化學反應（一般用LPCVD來淀積）來淀積）v 鎢的淀積方法鎢的淀積方法 覆蓋式覆蓋式（過程復雜，費用高，但比較成熟）（過程復雜，費用高，但比較成熟） 選擇式（存在問題，如選擇性差、橫向擴展、選擇式（存在問題，如選擇性差、橫向擴展、空洞形成）空洞形成）),(),(244426HSiFHFSiFWSiHHSiWFW的的CVD（3）電子科

48、技大學中山學院電子科技大學中山學院v覆蓋式化學氣相淀積鎢與回刻覆蓋式化學氣相淀積鎢與回刻 表面原位預清潔表面原位預清潔 去掉接觸孔及鋁通孔內(nèi)的氧化層去掉接觸孔及鋁通孔內(nèi)的氧化層 淀積接觸層淀積接觸層 與與TiN相比相比Ti與硅襯底的接觸電阻比較小與硅襯底的接觸電阻比較小 淀積附著層淀積附著層/阻擋層阻擋層TiN TiN與鎢及其它介質(zhì)層的附著性能好與鎢及其它介質(zhì)層的附著性能好W的的CVD（4）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v 覆蓋式化學氣相淀積鎢與回刻覆蓋式化學氣相淀積鎢與回刻 淀積鎢，分成兩步淀積鎢，分成兩步 首先，硅烷還原反應形成一薄層鎢，大約幾十首先，硅烷還原反應形成一薄層鎢，大

49、約幾十nm 臺階覆蓋性不是很好臺階覆蓋性不是很好 然后，氫氣還原反應淀積剩余厚度的鎢膜然后，氫氣還原反應淀積剩余厚度的鎢膜 氫氣還原反應淀積氫氣還原反應淀積W不能在不能在TiN上穩(wěn)定地凝聚上穩(wěn)定地凝聚 回刻回刻 附著層附著層/阻擋層的刻蝕阻擋層的刻蝕W的的CVD（5）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院v CVD 鎢膜的應力鎢膜的應力 鎢栓應力不必考慮鎢栓應力不必考慮 互聯(lián)鎢層應力必須考慮互聯(lián)鎢層應力必須考慮v 鎢栓的電阻鎢栓的電阻 對于深亞微米工藝，鎢栓電阻對總電阻影響過對于深亞微米工藝，鎢栓電阻對總電阻影響過大，考慮用鋁栓或銅栓代替。大，考慮用鋁栓或銅栓代替。W的的CVD（6）電子科技大學中山學院電子科技大學中山學院CVD 硅化物（硅化物（1）v LPCVD（300400）v 增大增大SiH4的流量，才能保證淀積的是的流量，才能保證淀積的是WSix而不是而不是W。v 當當x2.0時在淀積的硅化鎢薄膜中將含有過量的硅，可以時在淀積的硅化鎢薄膜中將含有過量的硅，可以避免薄膜碎裂剝離。避免薄膜碎裂剝離。v WSix薄膜中含有較高濃度的氟，當該薄膜用到厚度低于薄膜中含有較高濃度的氟，當該薄膜用到厚度低于20nm的柵氧上的時候，會使柵氧擊穿電壓降低和較明顯的柵氧上的時候，會使柵氧擊穿電壓降低和較明顯的閾值電壓漂移。的