第6章化学气相淀积.ppt

集成电路制造工艺,东华理工大学 彭新村xcpeng@13687095856,第6章 化学气相淀积 (CVD),6.1 CVD概述6.2 CVD工艺原理6.3 CVD工艺方法6.4 二氧化硅薄膜的淀积6.5 氮化硅薄膜淀积6.6 多晶硅薄膜的淀积6.7 CVD金属及金属化合物薄膜,6.1 CVD概述,化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition, CVD)是把构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气以合理的流速引入反应室，在衬底表面发生化学反应并在衬底上淀积薄膜的工艺方法淀积的薄膜是非晶或多晶态，衬底不要求是单晶，只要是具有一定平整度，能经受淀积温度即可CVD淀积分类,常压化学气相淀积（APCVD, Atmospheric pressure chemical vapor deposition ）低压化学气相淀积（LPCVD, Low pressure chemical vapor deposition ）等离子增强化学气相淀积（PECVD, Plasma enhanced chemical vapor deposition ）金属有机物化学气相淀积（MOCVD, Metal-Organic chemical vapor deposition ）激光诱导化学气相淀积（LCVD , Laser chemical vapor deposition ）微波等离子体化学气相淀积（MWCVD, Microwave assisted chemical vapor deposition ）,6.2 CVD工艺原理,(1)反应剂引入，在衬底表面附近形成“滞留层”(2)反应剂被吸附在硅片表面，并进行化学反应(3) 在硅片表面成核、生长成薄膜(4)反应后的气相副产物排出反应室,CVD的化学反应条件,（1）在淀积温度下，反应剂需有足够高的蒸气压；（2）除淀积物外，反应的其它物质必须是挥发性；（3）淀积物本身必须具有足够低的蒸气压（4）薄膜淀积所用的时间必须足够短----高效率，低成本（5）淀积温度必须足够低----避免对先前工艺影响（6）CVD不允许化学反应的气态副产物进入薄膜（7）化学反应必须在被加热的衬底表面,6.2.2薄膜淀积速率及影响因素,CVD反应室内的流体动力学反应室工作气体是常压或初真空度，分子平均自由程远小于反应室尺寸，气流是粘滞流。

边界层（附面层，滞流层）边界层厚度,图7-2 立式反应器中浮力驱动的再循环流,生长动力学从简单的生长模型出发，用动力学方法研究化学气相淀积推导出生长速率的表达式及其两种极限情况,与热氧化生长稍有不同的是，没有了在SiO2中的扩散流,Jg是反应剂分子的粒子流密度Js代表在衬底表面化学反应消耗的反应剂分子流密度,hg 是质量输运系数（cm/sec）,在稳态，两类粒子流密度应相等这样得到,可得：,假定Jg正比于 反应剂在主气流中的浓度CG与在硅表面处浓度CS之差,假定在表面经化学反应淀积成薄膜的速率正比于 反应剂在表面的浓度CS ，则,ks 是表面化学反应系数（cm/sec）,设,Y ----在气体中反应剂分子的摩尔百分比Cg----每cm3中反应剂分子数CT----在气体中每cm3的所有分子总数,N----形成薄膜的单位体积中的原子数 对硅外延N为5×1022 cm-3,则薄膜淀积速率,Y一定时， G 由hg和ks中较小者决定1、如果hg>>ks，则Cs≈Cg-----表面化学反应速率控制过程，有2、如果hg<>hgG=CThgY/N1,ks<

表面化学反应控制CVD中，温度均匀性很重要；对反应剂浓度控制不必很严格在反应剂浓度较低时Grove模型和实测结果吻合得较好，浓度较高则不然忽略了反应产物的解吸、流速影响忽略了温度梯度对气相物质输运的影响,6.2.3薄膜质量控制,台阶覆盖特性薄膜内应力薄膜致密性薄膜厚度均匀性薄膜附着性,台阶覆盖（保形性）,保形覆盖：无论衬底表面有什么样的倾斜图形，在所有图形上面都能淀积有相同厚度的薄膜在质量输运控制的淀积过程，衬底表面上任何一点所淀积的薄膜厚度取决于到达该点的反应剂数量----由工艺过程压力和吸附原子的迁移性决定,吸附原子的迁移率与吸附原子的种类、能量、衬底温度、离子对吸附原子的轰击有关：高温，LPCVD----高保形性低温，APCVD----非保形性,到达角（arrival angle）在二维空间内，对表面任一点在θ~ θ+dθ角度内到达该点的反应剂数量为P(θ)d(θ)常压，气体分子之间的相互碰撞使速度矢量完全随机化，则 P(θ)为 常数 当P(θ) ≠0，薄膜厚度正比于到达角的取值范围,一般到达角θ越大淀积速率越大,遮蔽（Shadowing）效应----反应剂分子平均自由程很长，在衬底上迁移能力低，薄膜最终厚度随沟槽深度的增加而降低,,,再发射机制是决定保形覆盖的关键因素TEOS粘滞系数比硅烷小，再发射率高，保形覆盖更好。

三种机制影响反应气体分子到衬底表面的特殊位置：入射；再发射；表面迁移,薄膜内应力,薄膜沉积在衬底上以后，薄膜处于应变状态，若以薄膜应力造成衬底弯曲形变方向区分，可分为拉应力 (tensile stress) 和压应力 (compressive stress)，,6.3 CVD工艺方法,6.3.1常压化学汽相淀积 6.3.2低压化学气相淀积6.3.3等离子体的产生6.3.4等离子增强化学气相淀积6.3.5淀积工艺方法的进展,CVD淀积系统设备,CVD源气体输入管道及气体流量控制系统反应室及反应激活装置（基座加热或其它引入反应激活能）温度控制系统减压系统,CVD的源,气态源：SiH4，NH3等----正被液态源取代液态源：TEOS (正硅酸乙脂: Si(OC2H5)4 )送入方式： 冒泡法：用N2/H2/Ar携带； 加热法； 液态源直接注入,CVD反应室热源,CVD过程是在高于室温条件淀积的反应室侧壁温度保持在Tw，放置硅片的基座温度恒定Ts当Tw＝Ts，称热壁式CVD系统；----电阻加热法Tw＜Ts称冷壁式CVD系统----电感或高频辐射灯加热； 即使在冷壁系统中，其侧壁温度也高于室温。

6.3.1 APCVD,操作简单，淀积速率较高，适于介质薄膜的淀积缺点：易于发生气相反应、产生微粒污染，台阶覆盖性和均匀性比较差APCVD由质量输运控制淀积速率，可精确控制在单位时间内到达每个硅片表面及同一表面不同位置的反应剂数量----薄膜均匀性,三种APCVD系统原理图,反应激活能由电阻丝或射频线圈提供，可淀积不同薄膜,受热移动盘或传输带上的硅片连续通过淀积区和非淀积区（通过流动的惰性气体隔离）,APCVD,反应剂和屏蔽气体N2同时从冷却喷嘴中注入，反应空间只有几毫米，可减少气相反应；喷嘴、传送带以及基座需要经常清理,斜率与激活能Ea成正比,APCVD的主要问题：低产率（throughput）高温淀积：硅片需水平放置低温淀积：反应速率低,6.3.2 LPCVD Low PressureCVD,与APCVD相比增加了真空系统，气压在1-10-2Torr之间，分子自由程长，竖放基片，是电阻热壁式，效率高，经济但淀积速率低，温度较高淀积速率受表面反应控制，对温度非常敏感，气体分压，气流速对淀积速率也有影响可淀积多晶硅、氮化硅、二氧化硅、PSG、BPSG、W等,卧式反应器,立式反应器,一个入气口的反应室，沿气流方向反应剂不断消耗．浓度降低，因此，膜厚不均。

当气体反应剂被消耗而出现的反应剂浓度改变的现象为气缺现象,气缺现象解决方法,在水平方向上逐渐提高温度来加快反应速度，从而提高淀积速率，补偿气缺效应的影响，减小各处淀积厚度差别采用分布式的气体入口，就是反应剂气体通过一系列气体口注入列反应室中需要特殊设计的淀积室来限制注入气体所产生的气流交叉效应增加反应室中的气流速度低压化学气相淀积 （LPCVD）,因此低压可以大大提高hg的值例如在压力为1 torr时，Dg可以提高760倍，而ds只提高约7倍，所以hg可以提高100倍气体在界面不再受到传输速率限制在质量输运控制区域：,增加产率 — 晶片可直插放置许多片（100-200）工艺对温度灵敏,但是采用温度控制好的热壁式系统可解决温度控制问题气流耗尽仍是影响均匀性的因素，可以设定温差5～25 C，或分段进气,,无光放电区：极少量原子受到高能宇宙射线激发而电离；电流微弱、，且不稳定,汤生放电区：电压升高，电子、离子的能量逐渐升高，α作用；γ作用；,辉光放电：气体放电击穿；负阻现象；阴极电流密度一定，有效放电面积随电流增加而增大；,反常辉光放电：阴极全部成为有效放电区域，只有增加功率才可增加阴极电流密度,电弧放电：随电流增加，放电电压再次大幅下降,6.3.3等离子体的产生,直流气体辉光放电,反常辉光放电区,暗区，相当于离子和电子从电场获取能量的加速区；辉光区，相当于不同离子发生碰撞、复合、电离的区域。

负辉区，是最亮区域图7-15 直流辉光放电各参量分布,等离子体及其特点,等离子体（Plasma）是指具有一定导电能力的气体，它由正离子、电子、光子以及原子、原子团、分子及它们的激发态所组成的混合气体，宏观上呈现电中性辉光放电构成的等离子体中粒子能量、密度较低，放电电压较高其特点是质量较大的重粒子，包括离子、中性原子和原子团的能量远远低于电子的能量，是一种非热平衡状态的等离子体等离子鞘层,电子：等离子体中电子平均动能2eV，对应温度T=23000K;平均运动速度 v=9.5*105 m/s离子及中性原子处于低能状态，对应温度在T=300-500K；平均速度vAr=5*102m/s等离子鞘层：电子与离子具有不同速度，结果是形成所谓的等离子鞘层，即任何处于等离子中的物体相对于等离子体来讲都呈现出负电位，且在物体表面附近出现正电荷积累辉光放电中的碰撞过程,弹性碰撞 无激发、电离或复合非弹性碰撞 动能转变为内能 维持了自持放电,等离子体中高速运动的电子与其它粒子的碰撞是维持气体放电的主要微观机制射频气体辉光放电,国际上采用的射频频率多为美国联邦通讯委员会(Fcc)建议的13.56MHz在一定气压条件下，在阴阳电极之间加交变电压频率在射频范围时，会产生稳定的射频辉光放电。

射频放电的激发源,E型放电：高频电场直接激发H型放电：高频磁场感应激发,射频辉光放电与直流放电很不相同：电场周期性改变方向，带电粒子不容易到达电极和器壁，减少了带电粒子的损失在两极之间不断振荡运动的电子可从高频电场中获得足够能量，使气体分子电离，电场较低就可维持放电阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿必要条件射频电场可由容抗或感抗耦合进淀积室电极可以是导体，也可是绝缘体高密度等离子体的产生,高密度等离子体（high density Plasma, HDP）技术是在上世纪80年代末90年代初发展起来的新一代等离子体技术 高密度等离子体是指其离子浓度超过1011ions/cm3HDP系统一般都是在简单等离子体发生器上增设电场和磁场，用横向电场和磁场来增加电子在等离子体中的行程，从而使电子和原子（或分子）之间碰撞更加频繁，以增加等离子体中的离子和活性基团电感耦合HDP 磁控HDP 电子回旋共振（ECR）HDP技术,。