上課課件第七章沉積

第七章：沉積(化學(xué)氣相沉積)7.1引言化學(xué)氣相沉積CVD的概念（ChemicalVaporDeposition）化學(xué)氣相沉積是利用電阻加熱、等離子體、光輻射等能源使某些氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)并在襯底表面形成薄膜的過(guò)程。薄膜的概念薄膜是指在襯底上生長(zhǎng)的薄固體物質(zhì)，在三維結(jié)構(gòu)中厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長(zhǎng)和寬。薄膜特性（即集成電路對(duì)薄膜的要求）

1.臺(tái)階覆蓋能力好

2.填充高深寬比間隙的能力好

3.厚度均勻性好

4.純度和密度高

薄膜特性（即集成電路對(duì)薄膜的要求）5.化學(xué)劑量受控

6.結(jié)構(gòu)完整和應(yīng)力低

7.電學(xué)特性好

8.對(duì)襯底材料或下層膜的粘附性好臺(tái)階覆蓋

（a）臺(tái)階覆蓋太差（b）臺(tái)階覆蓋好臺(tái)階覆蓋

硅槽沉積SiO2的SEM照片填充高深寬比間隙

高深寬比的典型值≥3：1厚度均勻性好該特性主要依賴于設(shè)備的性能，一般≤±5%

均勻性不好給刻蝕帶來(lái)困難，影響器件良率純度和密度高

高純度意味著沒有影響膜質(zhì)量的化學(xué)元素和原子、很少的可動(dòng)離子沾污和顆粒；高密度意味著薄膜的針孔和空洞少化學(xué)劑量受控

指薄膜的化學(xué)組分受控。沉積中化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，工藝目標(biāo)是所沉積薄膜的組份達(dá)到或接近化學(xué)反應(yīng)方程式對(duì)應(yīng)的組份比例（如SiO2、SixNy等）結(jié)構(gòu)完整和應(yīng)力低結(jié)構(gòu)完整意味著晶粒尺寸一致性好，若晶粒尺寸變化大→影響膜的電學(xué)和機(jī)械特性。膜應(yīng)力大→襯底變形，膜分層、開裂。

電學(xué)特性好

介質(zhì)膜：電絕緣性能好、介電常數(shù)：高K↑低K↓

金屬膜：導(dǎo)電性能好、可靠性高對(duì)襯底材料或下層膜的粘附性好

粘附性好的薄膜與下層材料之間不分層、不開裂成膜術(shù)語(yǔ)金屬層是電路中元器件的互連線。介質(zhì)層是硅器件與金屬層之間或金屬層與金屬層的電絕緣層。也稱為層間介質(zhì)ILD（InterLayerDielectric）集成電路所需要的各種薄膜

在IC制造中，熱生長(zhǎng)SiO2遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要低溫SiO2、Si3N4、poly－Si薄膜以及各種金屬薄膜。MSI時(shí)代CMOS器件的各層薄膜ULSI芯片中的各層金屬薄膜薄膜沉積技術(shù)分類、濺射CVD生長(zhǎng)過(guò)程7.2化學(xué)氣相沉積原理CVD生長(zhǎng)過(guò)程

1.質(zhì)量傳輸：反應(yīng)氣體從反應(yīng)腔入口區(qū)域傳輸至

硅片表面的沉積區(qū)域

2.膜先驅(qū)物的形成：氣相反應(yīng)導(dǎo)致膜先驅(qū)物（組成膜最初的原子和分子）和副產(chǎn)物的形成

3.膜先驅(qū)物附著在硅片表面：大量的膜先驅(qū)物輸運(yùn)到硅片表面

4.膜先驅(qū)物吸附：膜先驅(qū)物粘附在硅片表面

成核

5.膜先驅(qū)物擴(kuò)散：膜先驅(qū)物向膜生長(zhǎng)區(qū)域的表面擴(kuò)散

6.表面反應(yīng)、連續(xù)成膜：表面化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致膜沉積和副產(chǎn)物的生成

7.副產(chǎn)物解吸：副產(chǎn)物從表面移除

8.副產(chǎn)物去除：反應(yīng)的副產(chǎn)物從沉積區(qū)域隨氣流流動(dòng)到反應(yīng)腔出口并排出島生長(zhǎng)成膜CVD生長(zhǎng)簡(jiǎn)化過(guò)程CVD生長(zhǎng)簡(jiǎn)化過(guò)程（平面示意圖）影響CVD生長(zhǎng)速率的因素

1.質(zhì)量傳輸限制（常壓CVD-APCVD）

2.表面反應(yīng)限制（低壓CVD-LPCVD）

3.CVD氣流動(dòng)力學(xué)

4.CVD反應(yīng)中的壓力CVD過(guò)程中的摻雜（原位摻雜）氧化硅摻雜

1.生長(zhǎng)磷硅玻璃（PSG）（做ILD－1）

SiH4

＋PH3＋O2→SiO2

＋P＋H2P2O5含量控制≤4％PSG的優(yōu)點(diǎn)：1）吸附可動(dòng)離子電荷改善器件表面2）降低玻璃的軟化點(diǎn)溫度易于平坦化PSG的缺點(diǎn)：易吸潮

CVD過(guò)程中的摻雜（原位摻雜）氧化硅摻雜

2.生長(zhǎng)硼磷硅玻璃（BPSG）（做ILD－1）

SiH4

＋PH3＋B2H6＋O2→SiO2

＋P＋B＋H2P2O5和B2O3的含量分別控制≤4％、2～6％BPSG的優(yōu)點(diǎn)：具備PSG的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)PSG的缺點(diǎn)

CVD過(guò)程中的摻雜（原位摻雜）氧化硅摻雜

BPSG的優(yōu)點(diǎn)：降低玻璃的軟化點(diǎn)溫度易于平坦化回流溫度：800℃～1000℃

（a）回流前（b）回流后CVD過(guò)程中的摻雜（原位摻雜）氧化硅摻雜

3.生長(zhǎng)氟硅玻璃（FSG）（做ILD－2及以上）

FSG的優(yōu)點(diǎn)：做低K介質(zhì)，降低氧化硅的介電常數(shù)氧化硅SiO2（SG）的介電常數(shù)：3.9氟化硅（FSG）的介電常數(shù)：3.5CVD過(guò)程中的摻雜（原位摻雜）多晶硅摻雜（用途：摻雜的多晶硅做MOS晶體管的柵電極）

生長(zhǎng)摻磷的多晶硅（Poly－Si）SiH4

＋PH3→Si＋P＋H2介質(zhì)摻雜與硅摻雜的區(qū)別7.3化學(xué)氣相沉積工藝APCVD（常壓CVD）APCVD系統(tǒng)

APCVD工藝APCVDSiO2：摻雜和不摻雜的主要用做ILD、淺槽介質(zhì)填充和側(cè)墻等。

1）用2～10％的SiH4沉積SiO2

SiH4＋O2→SiO2＋H2

溫度：450℃～500℃

壓力：760Torr

缺點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋能力和間隙填充能力都很差。2）用TEOS（正硅酸乙酯）+臭氧的方法沉積SiO2

Si（C2H5O4）＋8O3→SiO2＋10H2O＋8CO2

溫度：400℃

壓力：760Torr

沉積速率：100nm/min

優(yōu)點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋能力和間隙填充能力都較好。

APCVD的一大優(yōu)點(diǎn)：沉積速率快。

APCVD的缺點(diǎn)：膜致密性差，顆粒多。LPCVD（低壓CVD）LPCVD系統(tǒng)LPCVD工藝LPCVDSiO2：摻雜和不摻雜的主要用做ILD、淺槽介質(zhì)填充和側(cè)墻等。1）用SiH4沉積SiO2：

SiH4＋O2→SiO2＋H2

溫度：450℃

壓力：0.1～5.0Torr

缺點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋能力和間隙填充能力都差。

2）用TEOS熱分解沉積SiO2：

Si（C2H5O4）

→SiO2＋H2O＋CO2

溫度：650℃～750℃

壓力：0.1～5.0Torr

沉積速率：10～15nm/分（遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于APCVD）

優(yōu)點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋能力和間隙填充能力都好。

LPCVD的優(yōu)點(diǎn)：膜致密，顆粒少。

LPCVD的缺點(diǎn)：沉積速率慢。APCVDSiO2和

LPCVDSiO2的比較工藝優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)APCVDSiO2（用TEOS）

沉積速率高臺(tái)階覆蓋和間隙填充較好沉積溫度低表面顆粒多用氣量大成本高薄膜應(yīng)力大LPCVDSiO2（用TEOS）臺(tái)階覆蓋和間隙填充很好膜致密均勻性好設(shè)備成本低沉積速率低沉積溫度偏高LPCVDSi3N4LPCVDSi3N4的用途：

1.在局部氧化（LOCOS）中，做氧化阻擋層

2.做硬掩膜用于淺槽隔離

3.用做電容介質(zhì)工藝：

SiH2Cl2＋4NH3→Si3N4＋6HCl＋6H2

溫度：700℃～800℃

壓力：0.1～5.0Torr影響Si3N4薄膜質(zhì)量的主要因素：

1.總反應(yīng)壓力

2.反應(yīng)物濃度

3.沉積溫度和溫度梯度LPCVDPoly－Si（多晶硅）LPCVDPoly－Si的用途：

1.摻雜的Poly－Si在MOS器件中用做柵電極

2.摻雜的Poly－Si做多晶電阻及橋聯(lián)

3.PIP電容的上下電極工藝：

SiH4→Si＋2H2

溫度：575℃～650℃

壓力：0.2～1.0Torr

沉積速率：10～20nm/分摻雜的Poly－Si做柵電極的原因

1.通過(guò)摻雜可得到特定的電阻

2.與SiO2有優(yōu)良的界面特性

3.和后續(xù)高溫工藝的兼容性

4.比金屬電極（如Al）更高的可靠性

5.在陡峭的結(jié)構(gòu)上沉積的均勻性

6.實(shí)現(xiàn)柵的自對(duì)準(zhǔn)工藝原位摻雜Poly－Si：AsH3、PH3、B2H6非原位摻雜Poly－Si：也可在沉積后進(jìn)行擴(kuò)散或離子注入摻雜PECVD（等離子增強(qiáng)CVD）PECVD（Plasma

Enhanced

CVD）PECVD的概念

PECVD是在真空腔中，通過(guò)給反應(yīng)氣體施加等離子體能量（即通常施加射頻功率幾百瓦，頻率幾百千赫），使反應(yīng)氣體激發(fā)產(chǎn)生化學(xué)活性很強(qiáng)的分子、原子，加速化學(xué)反應(yīng)沉積成膜。PECVD系統(tǒng)PECVD設(shè)備美國(guó)TRION公司的MINI型設(shè)備■PECVDSiO2工藝：

1）用SiH4＋O2

沉積SiO2：

SiH4＋O2→SiO2＋H2

溫度：350℃

壓力：0.1～1.0Torr

沉積速率：50～60nm/min

缺點(diǎn)：顆粒較多

2）用SiH4＋N2O沉積SiO2：

SiH4＋2N2O→SiO2＋2N2

＋2H2

溫度：350℃

壓力：0.1～1.0Torr

沉積速率：50～60nm/min

優(yōu)點(diǎn)：顆粒少■

PECVDSiO2的特點(diǎn)：

1.成膜溫度低（通常在300℃～400℃）

2.沉積速率高

3.冷壁反應(yīng)，產(chǎn)生顆粒少

4.與APCVDSiO2比更均勻，針孔少■

PECVDSiO2的用途：

1.用做ILD、淺槽介質(zhì)填充和側(cè)墻等

2.做頂層的鈍化層■

PECVD氮化硅工藝

SiH4＋NH3→SixNYHZ＋H2

SiH4＋N2→SixNYHZ＋H2

溫度：350℃

壓力：0.1～1.0Torr

沉積速率：20～30nmPECVD氮化硅的特點(diǎn)：

1.冷壁反應(yīng)，產(chǎn)生顆粒少

2.氮化硅膜的成分不成化學(xué)比

3.應(yīng)力比較大■

PECVD氮化硅的用途：

主要做芯片頂層的鈍化層

各種CVD的特點(diǎn)比較種類沉積膜種類反應(yīng)能量提供方式沉積溫度（℃）沉積速率nm/分特點(diǎn)APCVDSiO2（包括PSG、BPSG）電阻加熱熱壁400（TEOS）100膜均勻性差、針孔多、顆粒多、臺(tái)階覆蓋較好、沉積速率高、用氣量大成本高LPCVDSiO2（包括PSG、BPSG）電阻加熱熱壁650～750（TEOS）10～15膜均勻性好、顆粒少、臺(tái)階覆蓋很好、成本低國(guó)內(nèi)外普遍采用Si3N4電阻加熱熱壁700～80010～15同上Poly－Si電阻加熱熱壁575～65015～20同上PECVDSiO2（包括PSG、BPSG）等離子體冷壁250～400（SiH4）50～60膜均勻性好、顆粒少、臺(tái)階覆蓋好、沉積溫度低、沉積速率較高、成本低SiXNYHZ等離子體冷壁250～40020～30膜均勻性好、顆粒少、應(yīng)力偏大、成分不成化學(xué)比7.4介質(zhì)及其性能介電常數(shù)（K）：是指材料在電場(chǎng)影響下存儲(chǔ)電勢(shì)能的有效性，是代表隔離材料作為電容的能力。

在先進(jìn)IC技術(shù)中，高K、低K介質(zhì)并用?；ミB延遲：IC的集成度不斷提高，互連線寬度減小使得傳輸信號(hào)導(dǎo)線電阻（R）增大，且導(dǎo)線間距也縮小使導(dǎo)線間的寄生電容（C）增加，最終增加了RC信號(hào)延遲降低芯片速度。器件隔離：在IC制造中的器件隔離技術(shù)為硅片上的器件提供了電學(xué)隔離。MOSIC的隔離原理：在IC制造中，消除寄生MOS晶體管效應(yīng)。介質(zhì)隔離技術(shù)：

1.局部氧化（LOCOS）－≥0.35μm器件

2.淺槽隔離（STI）－≤0.25μm器件STI的優(yōu)點(diǎn)：

1.隔離面積小

2.抗閂鎖能力強(qiáng)NMOS閾值電壓公式7.5外延外延的概念外延是在單晶襯底上生長(zhǎng)與襯底晶格結(jié)構(gòu)、晶向完全相同的單晶薄膜的過(guò)程。硅氣相外延VPE

（VaporPhaseEpitaxy）：是利用硅的氣態(tài)化合物（例如通常是SiCl4、S