第五章薄膜淀积工艺(中)

b. 气压： 0.2~1.0 Torr 气压： ■ 当气体分压比和泵的抽速不 变，改变总气流量时，淀积 改变总气流量时， 速率与气压成正比关系。 速率与气压成正比关系。 ■ 固定气流量只改变抽速时， 固定气流量只改变抽速时 只改变抽速时， 淀积速率与气压的关系很小。 淀积速率与气压的关系很小。 ■ 为维持稳定的淀积速率，一 为维持稳定的淀积速率， 般采用固定气流量 通过改 般采用固定气流量，通过改 固定气流量， 变抽速来控制气压的方法， 变抽速来控制气压的方法， 的方法 此时淀积的重复性最好 此时淀积的重复性最好。 重复性最好。
■ 冷壁系统：减少壁上淀积 冷壁系统： ■ 热壁系统：装片量大，温度 热壁系统：装片量大，
均匀，壁上淀积严重 均匀，
气压降低 ⇒ 分子平均自由程 和扩散率增加 ⇒ 淀积主要受 表面化学反应速率 表面化学反应速率控制 ⇒ 气 化学反应速率控制 流不是关键参数 气压降低也可减少气相成核 气压降低也可减少气相成核
（BSG） BSG）
■ PSG可以降低玻璃转化点（软化）的温度，采用回流工艺可 PSG可以降低玻璃转化点 软化） 温度， 可以降低玻璃转化点（
改善淀积薄膜的台阶覆盖性，提高硅片表面的平坦度。 改善淀积薄膜的台阶覆盖性，提高硅片表面的平坦度。 淀积薄膜的台阶覆盖性 硅片表面的平坦度
PSG薄膜 PSG薄膜的回流效果示意图 薄膜的回流效果示意图
图13.12 常见LPCVD反应器结构 常见LPCVD反应器结构
整批式热壁 CVD反应器结构图 整批式热壁LPCVD反应器结构图 热壁LP
(3)
LPCVD 的典型应用 LPCVD 的典型应用 SiH4/Ar(He) SiH2Cl2 +NH3 SiH2Cl2 +N2O SiH4+PH3 +O2 SiH4+B2H6 +O2 ∼ 620℃ 620℃ 750~800℃ 750~800℃ ∼ 910℃ 910℃ ∼ 450℃ 450℃ ∼ 450℃ 450℃
(1) 二氧化硅淀积的工艺方法： 二氧化硅淀积的工艺方法： 淀积的工艺方法 也可用
■ LPCVD SiO2 低温（500℃以下） SiH4 +O2 低温（500℃以下） 中温（650 ℃ ～750 ℃） TEOS（正硅酸乙酯）分解 中温（ TEOS（正硅酸乙酯） 高温（～900 ℃） SiH2Cl2 +N2O 高温（～ （～900 ■ PECVD SiO2：TEOS分解、SiH4 +N2O TEOS分解 分解、
(5)
二氧化硅淀积工艺的发展趋势 SiO2 高密度等离子体CVD 高密度等离子体CVD
a. HDP-CVD HDP-
采用ECR等高密度等离子体源，在低压 采用ECR等高密度等离子体源，
（0.01Torr）下提供高密度的等离子体 0.01Torr）
馈气：SiH4，O2 ，Ar (或He) 馈气： (或 化学反应： SiH4+ O2，在硅片表面淀积SiO2 化学反应： 在硅片表面淀积SiO Ar+离子轰击硅片表面，改善台阶覆盖和间隙填充。 Ar+离子轰击硅片表面 改善台阶覆盖 间隙填充。 离子轰击硅片表面， 台阶覆盖和
寄生电容。 寄生电容。
FSG的制备采用PECVD或HDP-CVD工艺。 FSG的制备采用 的制备采用PECVD或HDP-CVD工艺 工艺。 馈气： SiH4，O2 ，SiF4。 馈气：
从0.35µm工艺开始， FSG已经被普遍用于金属－金属间介质。 0.35µ 工艺开始， FSG已经被普遍用于金属 金属间介质。 已经被普遍用于金属－
(2)
多晶硅淀积工艺的控制 温度、气压、硅烷浓度、杂质浓度 温度、气压、硅烷浓度、
a. 温度：575～650 ℃ 温度：575～ ■ 淀积速率随温度增加而快速增加。 淀积速率随温度增加而快速增加。 而快速增加
温度过高，同质反应严重，均匀性差；温度过低，淀 温度过高，同质反应严重，均匀性差；温度过低，
第五章 薄膜淀积工艺 （中）
薄膜淀积（Thin Film Deposition）工艺 Deposition） 薄膜淀积（
■฀ ■฀ ■฀ ■฀ ■฀ 概述 真空技术与等离子体简介 化学气相淀积工艺 物理气相淀积工艺 小结
三、化学气相淀积工艺
■฀ ■฀ ■฀ ■฀ 引言 CVD工艺原理 CVD工艺原理 CVD技术分类及设备简介 CVD技术分类及设备简介 典型物质（材料）的CVD工艺 典型物质（材料） CVD工艺
(3) 淀积二氧化硅的性质 淀积二氧化硅的性质
源自文库
(4)
淀积法制备二氧化硅的优缺点
■ 优势： 优势： 淀积速率快，温度较低 淀积速率快， 可制备掺杂二氧化硅 可制备掺杂 掺杂二氧化硅 台阶覆盖性和间隙填充能力好฀ 台阶覆盖性 间隙填充能力好 覆盖性和 ■ 不足： 不足： 与热二氧化硅相比，绝缘性能较差，与硅的界面性能差 与热二氧化硅相比，绝缘性能较差，与硅的界面性能差 工艺中使用有毒有害气体，设备成本高 工艺中使用有毒有害气体 设备成本高 有毒有害气体，
■ 加入磷烷（PH3）可形成磷 加入磷烷 磷烷（ 可形成磷
硅玻璃（PSG） 硅玻璃（PSG）。 问题： 问题： 气体喷嘴处的淀积造成 硅片上的颗粒沾污 硅片上的颗粒沾污 图13.9 连续供片式APCVD系统 连续供片式APCVD系统
图13.11 用于使喷嘴处淀积最小化的喷头设计 用于使喷嘴处淀积 使喷嘴处淀积最小化的喷头设计
APCVD工艺 APCVD工艺
(2) 掺杂二氧化硅的淀积工艺： 掺杂二氧化硅的淀积工艺： 的淀积工艺
■ 加入PH3、POCl3、PO(CH3O)3（TMP） 等掺杂剂，可制 加入PH TMP） 等掺杂剂，
作磷硅玻璃（PSG） 磷硅玻璃（PSG）
■ 加入B2H6、B(C2H5O)3（TMB）等掺杂剂，可制作硼硅玻璃 加入B TMB）等掺杂剂，可制作硼硅玻璃
在一个DRAM工艺流程 在一个DRAM工艺流程中，大约需要进行4～6次多晶淀积工艺。 工艺流程中 大约需要进行4 次多晶淀积工艺。
b. 多晶硅工艺：多片式热壁LPCVD工艺淀积： 多晶硅工艺：多片式热壁 热壁LPCVD工艺淀积： 工艺淀积 575～650℃ 575～650℃，0.2~1.0 Torr，淀积速率大约在100～1000埃/分钟 Torr，淀积速率大约在100～1000埃 速率大约在
错误，因为淀积速率不仅取决于总压强 错误，因为淀积速率不仅取决于总压强，还受分压强影响 不仅取决于总压强，
3. 等离子体化学气相淀积（PECVD） 等离子体化学气相淀积（PECVD） 化学气相淀积
■ 特点：在低温下（<400℃）进行，适于金属层间介质及钝化 特点：在低温下（<400℃ 进行，
保护层的淀积。 保护层的淀积。 Si3N4: SiH2Cl2 +NH3 PSG: SiH4 +PH3 +O2 PECVD的反应能量来源于 等离子体 PECVD的反应能量来源于RF等离子体，同时等离子体也使反应 的反应能量来源于RF等离子体， 物质的表面扩散长度增加，从而改善厚度均匀性和台阶覆盖。 均匀性和 物质的表面扩散长度增加，从而改善厚度均匀性 台阶覆盖。
同时降低氧化层的介电常数 同时降低氧化层的介电常数，造成高温下的放气（Outgas） 降低氧化层的介电常数， Outgas） 现象，影响金属淀积工艺。 现象，影响金属淀积工艺。 可采用SiO PSG— 可采用SiO2—PSG—SiO2结构来减轻上述问题 主要用于多晶 第一层金属之间的绝缘介质 主要用于多晶—第一层金属之间的绝缘介质 多晶—
参考资料： 参考资料： 《微电子制造科学原理与工程技术》第13章 微电子制造科学原理与工程技术》 13章 （电子讲稿中出现的图号是该书中的图号） 电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）
（三）CVD 技术分类及设备简介 技术分类 设备简介 分类及
1. 常压化学气相淀积 常压化学气相淀积 APCVD， APCVD，Atmospheric Pressure CVD 低压化学气相淀积 2. 低压化学气相淀积 LPCVD， LPCVD，Low Pressure CVD 3. 等离子体增强化学气相淀积 等离子体增强化学气相淀积 PECVD， PECVD，Plasma Enhanced CVD 4. 其他特殊的CVD工艺：金属CVD，RTCVD，…… 其他特殊的CVD工艺 金属CVD，RTCVD， 工艺：
■ 为进一步降低回流温度（850 ℃ ），可采用同时掺磷和硼的 为进一步降低回流温度 降低回流温度（ 可采用同时掺磷和硼的
含量各占5 wt%） BPSG（ BPSG（B，P含量各占5 wt%）。 主要用于多晶硅化物 第一层金属之间的 主要用于多晶硅化物—第一层金属之间的绝缘介质 多晶硅化物— 之间的绝缘介质
■ PSG的回流（Reflow）工艺：1000～1100℃，N2/O2/H2O PSG的回流（Reflow）工艺：1000～1100℃ ■ PSG中磷含量的控制： （4～8 wt%） PSG中磷含量的控制 的控制： wt%） 磷含量过低，回流温度高，回流效果不好。 磷含量过低，回流温度高，回流效果不好。 磷含量过高时，吸附水汽，形成磷酸，腐蚀铝金属层， 磷含量过高时 吸附水汽，形成磷酸，腐蚀铝金属层，
(5)
二氧化硅淀积工艺的发展趋势
b. 掺氟的SiO2（FSG） 掺氟的SiO FSG）
作为金属层间介质，SiO2引入的寄生电容会影响IC的 作为金属层间介质 金属层间介质， 引入的寄生电容会影响IC的
工作速度，并造成串扰（cross-talk ）。 工作速度，并造成串扰（cross-
在SiO2中掺入F，可以将介电常数降低到3.2，从而减小 中掺入F 可以将介电常数降低到3.2，
2、多晶硅（Poly-Si）的淀积 多晶硅（Poly-Si）
(1) 多晶硅工艺及应用
■
多晶硅在CMOS工艺中用做器件栅极； 多晶硅在CMOS工艺中用做器件栅极； 工艺中用做器件栅极
a. 用途
■ 在DRAM中，多晶硅用做沟槽电容的极板； DRAM中 多晶硅用做沟槽电容的极板 极板； ■
多晶硅也可用于高值电阻 局部互连线等 多晶硅也可用于高值电阻、局部互连线等。 高值电阻、
多晶硅 Si3N4 SiO2 PSG BSG
(4) LPCVD的问题：淀积温度较高、淀积速率偏低、颗粒沾污 LPCVD的问题：淀积温度较高 淀积速率偏低 温度较高、 速率偏低、 APCVD气压： APCVD气压：1atm 气压 LPCVD气压： LPCVD气压：~ 0.001atm 气压 淀积速率下降1000倍 淀积速率下降1000倍？
1. 常压化学气相淀积（APCVD） 常压化学气相淀积（APCVD） 化学气相淀积
特点： 大气压下进行，设备简单，反应速率快，适于介质淀积 特点：在大气压下进行，设备简单，反应速率快，适于介质淀积。 淀积。 进行 SiO2淀积工艺： 淀积工艺：
■ O2与SiH4气体流量比大于 气体流量比 流量比大于 3:1时，可获得化学配比的 3:1时 SiO2。 ■ N2用做稀释气体。 用做稀释气体 稀释气体。
积速率过慢，不能实用。 积速率过慢，不能实用。
一般采用温度梯度来控制淀积速率的均匀性。 一般采用温度梯度来控制淀积速率 均匀性。 温度梯度来控制淀积速率的
后端温度升高，补偿硅烷消耗 后端温度升高，
■ 温度不同，淀积薄膜的形态不同：温度提高，多晶晶粒尺寸 温度不同，淀积薄膜的形态不同 温度提高， 形态不同： 变大。 变大。
2.低压化学气相淀积（LPCVD） 2.低压化学气相淀积（LPCVD） 低压化学气相淀积
(1) 特点：在低气压下（0.1~1Torr）进行，淀积均匀性好， 特点： 低气压下 0.1~1Torr）进行，淀积均匀性好 均匀性好， 适于介质 半导体材料的淀积。 适于介质和半导体材料的淀积。 介质和 的淀积 (2) 反应器结构： 反应器结构：
冷壁平行板PECVD 冷壁平行板PECVD
热壁平行板PECVD 热壁平行板PECVD
（四）典型物质（材料）的CVD工艺 典型物质（材料） CVD工艺
1、二氧化硅的淀积
■ 淀积二氧化硅可分为非掺杂二氧化硅和掺杂二氧化硅。 淀积二氧化硅可分为非掺杂二氧化硅 掺杂二氧化硅。 非掺杂二氧化硅和 ■ 淀积二氧化硅的应用： 淀积二氧化硅的应用： 扩散掩蔽层 侧壁（Spacer）介质 侧壁（Spacer） 多晶－金属间介质 多晶－ 金属－金属间介质 金属－ 钝化层