第六章化学气相淀积

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2. PECVD
CVD Si3N4
①反应: SiH4 + NH3 (N2) → SixNyHz + H2 ②SiN薄膜中H的危害:阈值漂移
CVD边界层模型
6.1 CVD模型
6.1.2

边界层理论
δ(x)=(μx/ρU)1/2
边界层厚度δ(x):流速小于0.99 Um 的区域;
μ-黏滞系数,x-与基座的距离,ρ-密度,U-边界层流速;

平均厚度
1 2 ( x)dx L L0 3 UL
②表面的化学反应速率正比于Cs,则反应流密度 F2=ksCs ③平衡状态下,F=F1=F2,则 Cs = Cg/(1+ks/hg)
6.1 CVD模型
平衡下,Cs = Cg/(1+ks/hg)
④两种极限: a. hg >> ks时, C s → Cg , 反应控制; b. hg << ks时, Cs → 0, 扩散控制;
CVD过程图示
CVD过程示意
CVD气体的流动
6.1 CVD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(Poisseulle Flow):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;
6.1 CVD模型
⑤薄膜淀积速率G

设形成一个单位体积薄膜所需的原子数为N1, (Si:N1=5x1022cm-3;),则CVD淀积速率为 G=F/N1=G=F2/N1=[kshg/(ks+hg)](Cg/N1) (μm/min)
其中,Cg=YCT,(若反应剂被稀释) Y-反应剂的摩尔百分比,CT-分子总数/cm3;
6.4.1 CVD SiO2的方法 1. 低温CVD





①气态硅烷源 硅烷和氧气: APCVD、LPCVD、PECVD 淀积机理: SiH4+O2 ~400℃ SiO2 + H2 硅烷和N2O(NO) :PECVD 淀积机理: SiH4+N2O 200-400℃ 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。
• 高质量

CVD 氧化硅 • O和Si都来自气态源 • 淀积在衬底表面
• 生长温度低(如PECVD)、生长速率高
CVD介质薄膜的应用

浅槽隔离 (STI, USG)
侧墙隔离 (Sidewall spacer,USG) 金属前介质 (PMD, PSG or BPSG) 金属间介质 (IMD, USG or FSG) 钝化介质 (PD, Oxide/Nitride)
6.4
6.4.3 CVD掺杂SiO2 1. PSG

CVD二氧化硅


工艺:原位掺杂PH3; 组分:P2O5 和 SiO2; 磷硅玻璃回流( P-glass flow )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(1000-1100℃)
2.

BPSG
工艺:原位掺杂PH3 、B2H6; 组分:B2O3-P2O5-SiO2; 回流温度:850 ℃;




PECVD系统
PECVD 系统(电容耦合)
6.3
6.3.1 多晶硅薄膜的特性
CVD多晶硅
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;WHY? ②晶粒尺寸大的薄膜电阻率小。
PSG回流
6.5

CVD Si3N4
Si3N4薄膜的用途:
①最终钝化膜和机械保护膜:淀积温度低;能有效阻挡水、钠 离子及B、P、As、等各种杂质的扩散;有很强的抗划伤能力; ②选择性氧化的掩蔽膜:Si3N4很难氧化; ③MOSFETs中的侧墙:LDD (轻掺杂源漏)结构的侧墙; 自对准硅化物的钝化层侧墙; ④浅槽隔离的CMP停止层。
6.3
6.3.2

CVD多晶硅
CVD多晶硅

工艺:LPCVD; 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)
6.4
6.4.2

CVD二氧化硅
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; ②特殊位置的淀积机理: a)直接入射b)再发射c)表面迁移
6.4
CVD二氧化硅

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
6.3

CVD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(模型)复杂;

实际应用
6.4
CVD二氧化硅
6.5

CVD Si3N4
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; 层 ③针孔少; ④介电常数较大:(εSi3N4=6-9,εSiO2=4.2) 不能作层间的绝缘层。 钝化

淀积方法:根据用途选择;
①DRAM的电容介质:LPCVD; ②最终钝化膜:PECVD(200-400℃)
LPCVD系统
6.2.3

CVD技术
3. PECVD(等离子体增强化学气相淀积)
淀积原理: 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)。
集成电路制造技术
第六章 化学气相淀积
西安电子科技大学
微电子学院
戴显英 2013年9月
本章主要内容



CVD介质薄膜的应用 CVD氧化硅与热生长氧化硅 CVD模型:淀积速率 CVD系统:APCVD、LPCVD、PECVD CVD多晶硅 CVD二氧化硅 CVD氮化硅 CVD金属 CVD与PVD

常用CVD技术
①常压CVD(APCVD)②低压CVD(LPCVD) ③等离子体CVD(PECVD)
CVD系统
6.2
6.2.1

CVD系统
气体源


例如CVD二氧化硅:气态源SiH4;液态源TEOS(正硅酸四 乙酯)。 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(传输): ①冒泡法:由N2、H2、Ar2气体携带; ②加热法:直接加热气化液态源; 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。
L
1/ 2



2L 3 Re

Re= ρUL /μ,雷诺数(无量纲) 雷诺数取值:<200,平流型;商业CVD:Re=50-100; >2100,湍流型(要避免)。
6.1 CVD模型

6.1.3
Grove模型
①假定边界层中反应剂的浓度梯度为线性近似,则扩散流密度 F1=hg(Cg-Cs)
hg - 气相质量转移系数, Cg- 主气流中反应剂浓度, Cs - 表面处反应剂浓度;
6.5
CVD Si3N4薄膜工艺 1. LPCVD
CVD Si3N4
①反应剂: SiH2Cl2 + NH3 → Si3N4+H2+HCl ②温度:700-900 ℃; ③速率:与总压力(或pSiH2Cl2)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;
6.5

hg=Dg/δs=
Dg


3D g 2L
Re
,以及
Re=ρUL/μ,U≤0.99Um,则 对扩散控制:G=(CThgY)/N1,故 结论:扩散控制的G与Um1/2与成正比 提高G的措施: a.降低δs:减小基座的长度L; b.增加Um:Um增大到一定值后,hg >> ks,转为反应控制, G饱和
来自百度文库积速率与气流速率关系
6.2
CVD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;
6.2.3
1.

CVD技术
APCVD

定义:气相淀积在1个大气压下进行; 淀积机理:气相传输控制过程。 优点:淀积速率高(100nm/min);操作简便; 缺点:高温;均匀性差;台阶覆盖差;易发生气相反应, 产生微粒污染。 淀积薄膜:Si外延薄膜;SiO2、poly-Si、Si3N4薄膜。

一般表达式:G=[kshg/(ks+hg)](CT/N1)Y 两种极限情况 ①反应控制:hg >> ks,则 G=(CTksY)/N1 ; ②扩散控制:hg << ks,则 G=(CThgY)/N1 ;
6.1 CVD模型

影响淀积速率的因素
①主气体流速Um ∵ F1=hg(Cg-Cs)= Dg(Cg-Cs)/δs,
第六章 化学气相淀积

化学气相淀积:CVD,Chemical Vapour Deposition。
通过气态物质的化学反应,在衬底上淀积一层薄膜的工 艺过程。

CVD薄膜:集成电路工艺所需的几乎所有薄膜,如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)等。 CVD特点:淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀 性和重复性好、台阶覆盖好、适用范围广、设备简单等
APCVD系统
6.2.3
2.

CVD技术
LPCVD



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:温度相对低;均匀性好(±3-5%,常压:±10%) ;台阶覆盖好;效率高、成本低。 缺点:相对淀积速率低。 淀积薄膜: poly-Si、 Si3N4 、 SiO2、PSG、 BPSG、W等。




CVD介质薄膜的应用
浅槽隔离 (STI)
CVD介质薄膜的应用
侧墙隔离(Sidewall spacer)
思考题:小尺寸器为什么要LDD(轻掺杂源漏)?
基本应用
CVD介质层的应用实例
6.1 CVD模型
6.1.1 CVD的基本过程
①传输:反应剂从气相经附面层 (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:脱吸的副产物从表面扩 散到气相,逸出反应室。
CVD系统:常压CVD(APCVD)、低压CVD(LPCVD)和等离 子增强CVD(PECVD)


CVD氧化层与热生长氧化层的比较
热氧化处理 CVD
热生长氧化层
裸硅片
CVD氧化层
CVD氧化硅vs.热生长氧化硅

热生长氧化硅
• O来源于气源,Si来源于衬底 • 氧化物生长消耗硅衬底

氧化温度高、氧化速率慢
淀积速率与温度关系
②淀积速率与温度的关系

低温下,hg>> ks, 反应控制过程,故
G与T呈指数关系;

高温下,hg<< ks, 质量输运控制过程,
hg对T不敏感,故
G趋于平稳。
6.2

CVD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基座加热系统:电阻丝、石墨; ⑥温度控制及测量系统
6.4
②液态TEOS源:PECVD

CVD二氧化硅
250-425℃
淀积机理: Si(OC2H5)4+O2
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LPCVD SiO2
温度:680-730℃ 化学反应:Si(OC2H5)4 → SiO2+2H2O+4C2H4 优点:较好的保形覆盖。
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