第七章：沉积..

成 3. 膜先驱物附着在硅片表面：大量的膜先驱物输运 核 到硅片表面
4. 膜先驱物吸附：膜先驱物粘附在硅片表面
岛 5. 膜先驱物扩散：膜先驱物向膜生长区域的表面 生 扩散 长 成 膜
6. 表面反应、连续成膜：表面化学反应导致膜沉 积和副产物的生成
7. 副产物从表面移除：移除表面反应的副产物
8. 副产物从反应腔移除：反应的副产物从沉积区


LPCVD（低压CVD）
LPCVD系统

LPCVD工艺 LPCVD SiO2：掺杂和不掺杂的主要用做ILD、浅槽
介质填充和侧墙等。
1）用SiH4沉积SiO2：
SiH4＋O2 →SiO2＋H2
温度：450℃
压力：0.1～5.0Torr
缺点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都差。
2）用TEOS热分解沉积SiO2：
4. 纯度和密度高

薄膜特性（即集成电路对薄膜的要求）
5. 化学剂量受控
6. 结构完整和应力低 7. 电学特性好
8. 对衬底材料或下层膜的粘附性好

台阶覆盖
（a）台阶覆盖太差
（b）台阶覆盖好

台阶覆盖
硅槽沉积SiO2的SEM照片

填充高深宽比间隙
高深宽比的典型值≥3：1

厚度均匀性好
该特性主要依赖于设备的性能，一般≤±5% 均匀性不好给刻蚀带来困难，影响器件良率
第七章：沉 积
(化学气相沉积)
7.1 引 言

化学气相沉积－ＣＶＤ
CVD（Chemical Vapor Deposition）

薄膜的概念
薄膜是指在衬底上生长的薄固体物质，在三维结构
中厚度远远小于长和宽。

薄膜特性（即集成电路对薄膜的要求）
1. 台阶覆盖能力好
2. 填充高深宽比间隙的能力好 3. 厚度均匀性好
化大→影响膜的电学和机械特性。
膜应力大→衬底变形，膜分层、开裂。

ห้องสมุดไป่ตู้
电学特性好
介质膜：电绝缘性能好、介电常数：高K↑低K↓ 金属膜：导电性能好、可靠性高

对衬底材料或下层膜的粘附性好
粘附性好的薄膜与下层材料之间不分层、不开裂

成膜术语

金属层是电路中元器件的互连线。
介质层是硅器件与金属层之间或金属层与 金属层的电绝缘层。也称为层间介质ILD （InterLayer Dielectric）
P2O5和B2O3的含量分别控制≤4％ 、2～6％
BPSG的优点：具备PSG的优点，弥补PSG的缺点


CVD过程中的掺杂（原位掺杂）
氧化硅掺杂
BPSG的优点：降低玻璃的软化点温度易于平坦化
回流温度：800 ℃ ～1000 ℃
（a）回流前
（b）回流后


CVD过程中的掺杂（原位掺杂）
氧化硅掺杂
3. 生长氟硅玻璃（FSG）（做ILD－2及以上）
SiH4 ＋PH3＋O2 → SiO2 ＋P＋H2
P2O5含量控制≤4％
PSG的优点：
1）吸附可动离子电荷改善器件表面
2）降低玻璃的软化点温度易于平坦化
PSG的缺点：易吸潮


CVD过程中的掺杂（原位掺杂）
氧化硅掺杂
2. 生长硼磷硅玻璃（BPSG）（做ILD－1）
SiH4 ＋PH3＋B2H6＋O2 → SiO2 ＋P＋B＋H2


集成电路所需要的各种薄膜
在IC制造中，热生长SiO2远远不够，还需要低温
SiO2、Si3N4、poly－Si薄膜以及各种金属薄膜。
MSI时代CMOS器件的各层薄膜

ULSI芯片中的各层金属薄膜

薄膜沉积技术分类
、溅射
7.2 化学气相沉积原理

化学气相沉积CVD的概念
（Chemical Vapor Deposition）

纯度和密度高
高纯度意味着没有影响膜质量的化学元素和原子、
很少的可动离子沾污和颗粒；高密度意味着薄膜的
针孔和空洞少

化学剂量受控
指薄膜的化学组分受控。沉积中化学反应复杂，工 艺目标是所沉积薄膜的组份达到或接近化学反应方 程式对应的组份比例（如SiO2、SixNy 等）

结构完整和应力低
结构完整意味着晶粒尺寸一致性好，若晶粒尺寸变
7.3 化学气相沉积工艺


APCVD（常压CVD）
APCVD系统

APCVD工艺 APCVD SiO2：掺杂和不掺杂的主要用做ILD、浅 槽介质填充和侧墙等。 1）用2～10％的SiH4沉积SiO2 SiH4＋O2 →SiO2＋H2 温度：450℃～500℃ 压力：760Torr 缺点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都很差。
域随气流流动到反应腔出口并排出

CVD生长简化过程

CVD生长简化过程（平面示意图）

影响CVD生长速率的因素
1. 质量传输限制（常压CVD-APCVD） 2. 表面反应限制（低压CVD-LPCVD）
3. CVD气流动力学
4. CVD反应中的压力


CVD过程中的掺杂（原位掺杂）
氧化硅掺杂
1. 生长磷硅玻璃（PSG）（做ILD－1）
Si（C2H5O4） → SiO2 ＋ H2O ＋ CO2
温度： 650℃～750℃
压力： 0.1～5.0Torr 沉积速率：10～15nm/分（远远小于APCVD） 优点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都好。 LPCVD的优点：膜致密，颗粒少。 LPCVD的缺点：沉积速率慢。
APCVD SiO2和 LPCVD SiO2的比较
化学气相沉积是利用电阻加热、等离子体、
光辐射等能源使某些气态物质发生化学反应，
生成固态物质并沉积在衬底表面形成薄膜的
过程。

CVD生长过程

CVD生长过程
域到硅片表面的沉积区域
1. 气体传输至沉积区域：反应气体从反应腔入口区
2. 膜先驱物的形成：气相反应导致膜先驱物（组成 膜最初的原子和分子）和副产物的形成
2）用TEOS（正硅酸乙酯）+臭氧的方法沉积SiO2 Si（C2H5O4）＋ 8 O3 → SiO2 ＋ 10 H2O ＋ 8CO2
温度：400℃
压力：760Torr
沉积速率：100nm/min
优点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都较好。
APCVD的一大优点：沉积速率快。
APCVD的缺点：膜致密性差，颗粒多。
FSG的优点：做低K介质，降低氧化硅的介电常数
氧化硅SiO2 （SG）的介电常数：3.9
氟化硅（FSG）的介电常数：3.5


CVD过程中的掺杂（原位掺杂）
多晶硅掺杂
（用途：掺杂的多晶硅做MOS晶体管的栅电极）
生长掺磷的多晶硅（Poly－Si）
SiH4 ＋PH3→ Si＋P＋H2

介质掺杂与硅掺杂的区别