天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理Chap.6化學(xué)氣相淀積（CVD）CVD基本概念、特點(diǎn)及應(yīng)用1CVD基本模型及控制原因23CVD多晶硅和氮化硅方法45CVDSiO2特征和方法CVD系統(tǒng)組成和分類化學(xué)氣相淀積課件第1頁1/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理CVD基本概念化學(xué)氣相淀積（ChemicalVaporDeposition）：

——把含有組成薄膜元素氣態(tài)反應(yīng)劑或者液態(tài)反應(yīng)劑蒸氣，以合理流速引入反應(yīng)室，并以某種方式激活后在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在淀積成膜一個(gè)方法?；瘜W(xué)氣相淀積課件第2頁2/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理CVD氧化膜與熱生長氧化膜化學(xué)氣相淀積課件第3頁3/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理CVD工藝特點(diǎn)CVD成膜溫度遠(yuǎn)低于襯底熔點(diǎn)或軟點(diǎn)，減輕了對(duì)襯底熱形變，降低了沾污，抑制了缺點(diǎn)生成，減輕了雜質(zhì)再分布，適合于制造淺結(jié)分離器件及VLSI電路，而且設(shè)備簡單，重復(fù)性好；薄膜成份準(zhǔn)確可控，配比范圍大；淀積速率普通高于PVD，厚度范圍廣，由幾百埃到數(shù)毫米，且能大量生產(chǎn)；淀積薄膜結(jié)構(gòu)完整，致密，與襯底粘附性好，且臺(tái)階覆蓋性能很好；薄膜純度較差，普通用于制備介質(zhì)膜。化學(xué)氣相淀積課件第4頁4/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理CVD薄膜應(yīng)用淺槽隔離（STI，USG）側(cè)墻掩蔽（Sidewall,USG）前金屬化介質(zhì)層（PMD，PSG、BPSG）金屬間介質(zhì)層（IMD，USG、FSG）鈍化保護(hù)層（PD，Oxide/Nitride）抗反射涂層（ARC，SiON）化學(xué)氣相淀積課件第5頁5/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理化學(xué)氣相淀積課件第6頁6/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理淺槽隔離（STI）化學(xué)氣相淀積課件第7頁7/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理側(cè)墻掩蔽化學(xué)氣相淀積課件第8頁8/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理§6.1CVD模型化學(xué)氣相淀積課件第9頁9/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理化學(xué)氣相淀積課件第10頁10/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理CVD基本過程反應(yīng)劑在主氣流中輸送；反應(yīng)劑從主氣流中擴(kuò)散經(jīng)過邊界層抵達(dá)襯底表面；反應(yīng)劑在表面被吸附；吸附反應(yīng)劑在表面發(fā)生反應(yīng)，淀積成膜；反應(yīng)副產(chǎn)物和未反應(yīng)劑離開襯底表面，排除?；瘜W(xué)氣相淀積課件第11頁11/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理能用于CVD化學(xué)反應(yīng)必須滿足條件淀積溫度下，反應(yīng)劑必須具備足夠高蒸氣壓；除淀積物外，反應(yīng)其它產(chǎn)物必須是揮發(fā)性；淀積物本身必須含有足夠低蒸氣壓；化學(xué)反應(yīng)速率必須足夠快以縮短淀積時(shí)間；淀積溫度必須足夠低以預(yù)防對(duì)先前工藝產(chǎn)生影響；化學(xué)反應(yīng)應(yīng)該發(fā)生在被加熱襯底表面，假如在氣相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將造成過早核化，降低薄膜附著性和密度，增加缺點(diǎn)?；瘜W(xué)氣相淀積課件第12頁12/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理邊界層理論黏滯性流動(dòng)：當(dāng)氣壓較高時(shí)（平均自由程遠(yuǎn)小于反應(yīng)室尺寸），氣體與固體間摩擦力使緊貼固體表面氣流速度降為零，假如沿氣流方向沒有速度梯度，而沿垂直氣流方向流速為拋物線型改變，則稱為泊松流。邊界層（附面層、滯流層）概念：當(dāng)氣體流過硅片表面時(shí)，存在著一個(gè)速度受到擾動(dòng)并按拋物線型改變，同時(shí)還存在反應(yīng)劑濃度梯度薄層被稱為邊界層，也稱為附面層、滯流層?；瘜W(xué)氣相淀積課件第13頁13/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理邊界層厚度：雷諾數(shù)：

Re=ρUL/μ

雷諾數(shù)表示流體運(yùn)動(dòng)中慣性效應(yīng)與粘滯效應(yīng)比值，Re較低時(shí)，氣流為平流型，Re較大時(shí)，氣流為湍流型化學(xué)氣相淀積課件第14頁14/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理

Grove模型F1=hg(Cg-Cs)F2=ksCsCs=Cg/(1+ks/hg)Ks<<hg時(shí)，表面反應(yīng)控制：

G=(Cgks)

/N1hg<<Ks時(shí)，質(zhì)量輸運(yùn)控制：

G=(Cghg)

/N1化學(xué)氣相淀積課件第15頁15/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理決定ks主要原因：溫度

ks＝k0exp(-EA/kT)決定hg主要原因：氣體流速，氣體成份，系統(tǒng)壓力

hg=Dg/δs；所認(rèn)為了確保統(tǒng)一淀積速率，就必須：對(duì)于表面反應(yīng)控制，保持處處恒定溫度對(duì)于質(zhì)量輸運(yùn)控制，保持處處恒定反應(yīng)劑濃度化學(xué)氣相淀積課件第16頁16/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理淀積速率與溫度關(guān)系化學(xué)氣相淀積課件第17頁17/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理§6.2化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)CVD系統(tǒng)通常包含：氣態(tài)源或液態(tài)源氣體輸入管道氣體流量控制反應(yīng)室基座加熱及控制系統(tǒng)（其它激活方式）溫度控制及測量系統(tǒng)減壓系統(tǒng)（可選）化學(xué)氣相淀積課件第18頁18/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理CVD氣體源

氣態(tài)源（SiH4）

許多氣體有毒、易燃、腐蝕性強(qiáng)。液態(tài)源（TEOS，Tetra-Ethyl-Oxy-Silane）液體氣壓低，危險(xiǎn)性小，運(yùn)輸方便，淀積薄膜特征好。冒泡法（溫度）加熱液態(tài)源液態(tài)源直接注入法化學(xué)氣相淀積課件第19頁19/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理冒泡法液態(tài)源化學(xué)氣相淀積課件第20頁20/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理CVD中常采取源化學(xué)氣相淀積課件第21頁21/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理CVD反應(yīng)室熱源CVD反應(yīng)室熱源：熱壁式：Tw=Ts，氣流穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，側(cè)壁淀積嚴(yán)重；冷壁式：Tw<Ts，側(cè)壁淀積少，降低了顆粒剝離污染，降低了反應(yīng)劑損耗加熱方式：電阻直接加熱（熱壁式和冷壁式）電感加熱或高能輻射燈加熱（多為冷壁式）化學(xué)氣相淀積課件第22頁22/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理慣用幾個(gè)CVD系統(tǒng)APCVD系統(tǒng)（AtmosphericPressureCVD）操作簡單；較高淀積速率；適于介質(zhì)薄膜淀積；易發(fā)生氣相反應(yīng)，產(chǎn)生顆粒污染；臺(tái)階覆蓋性和均勻性較差；普通是質(zhì)量輸運(yùn)控制，需準(zhǔn)確控制各處反應(yīng)劑濃度均勻；水平式反應(yīng)系統(tǒng)；連續(xù)式淀積系統(tǒng)?；瘜W(xué)氣相淀積課件第23頁23/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理LPCVD系統(tǒng)（LowPressureCVD）污染?。痪鶆蛐院团_(tái)階覆蓋性很好；普通是表面反應(yīng)控制，準(zhǔn)確控制溫度比較輕易；氣缺現(xiàn)象；較低淀積速率；較高淀積溫度；立式淀積系統(tǒng)；管式淀積系統(tǒng)。逐漸提高溫度；采用分布式的氣體入口；增加反應(yīng)室中的氣流速度化學(xué)氣相淀積課件第24頁24/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理

PECVD系統(tǒng)（PlasmaEnhancedCVD）相對(duì)最低淀積溫度，最高淀積速率；淀積薄膜含有良好附著性、低針孔密度、良好階梯覆蓋、良好電學(xué)特征、能夠與精細(xì)圖形轉(zhuǎn)移工藝兼容；設(shè)備較復(fù)雜，影響原因多：溫度、氣流速度、壓力、射頻功率等；可能污染較多；冷壁平行板；熱壁平行板?；瘜W(xué)氣相淀積課件第25頁25/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理化學(xué)氣相淀積課件第26頁26/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理§6.3CVD多晶硅特征和淀積方法多晶硅性質(zhì)多晶硅=單晶硅顆粒（100nm數(shù)量級(jí)）+晶粒間界相同摻雜濃度下，晶粒尺寸大薄膜有較低電阻率多晶硅作用

MOS結(jié)構(gòu)中多晶硅柵；局部互連材料；多晶硅發(fā)射極化學(xué)氣相淀積多晶硅熱壁式LPCVD：

SiH4(吸附)Si(固)+2H2(氣)580~650℃分解化學(xué)氣相淀積課件第27頁27/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理淀積條件對(duì)多晶硅結(jié)構(gòu)及淀積速率影響

淀積溫度、壓力、摻雜類型、熱處理化學(xué)氣相淀積課件第28頁28/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理§6.4CVD二氧化硅特征和淀積方法低溫CVDSiO2（300~450℃）

1）硅烷為源低溫CVDSiO2SiH4（氣）+O2（氣）SiO2（固）+2H2（氣）（APCVD）

SiH4（氣）+2N2O（氣）SiO2（固）+2H2（氣）+2N2（氣）（PECVD）

2）TEOS為源低溫PECVDSiO2

Si(OC2H5)4+O2SiO2+副產(chǎn)物（PECVD）中溫LPCVDSiO2（650~750℃）

Si(OC2H5)4SiO2+4C2H4+2H2O（LPCVD）化學(xué)氣相淀積課件第29頁29/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理TEOS與臭氧混合源SiO2淀積（最好臺(tái)階覆蓋能力）CVDSiO2薄膜臺(tái)階覆蓋：入射（抵達(dá)角）；表面遷移（淀積系統(tǒng)）；再發(fā)射（氣體性質(zhì)）化學(xué)氣相淀積課件第30頁30/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理TEOSSiH4化學(xué)氣相淀積課件第31頁31/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理硅烷（SiH4）含有完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，不易在襯底表面發(fā)生物理吸附，只能分解之后在襯底表面發(fā)生化學(xué)吸附，而化學(xué)吸附作用力大，使之表面遷移能力和再發(fā)射能力很低，所以臺(tái)階覆蓋性能較差；四乙氧基硅烷（TEOS）結(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱，輕易在襯底表面經(jīng)過氫鍵發(fā)生物理吸附，而物理吸附作用力相對(duì)較小，因而表面遷移能力和再發(fā)射能力較強(qiáng)，因而臺(tái)階覆蓋性能好。化學(xué)氣相淀積課件第32頁32/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理CVDSiO2摻雜（磷硅玻璃，硼硅玻璃）

SiO2摻雜能夠在制備過程中加入摻雜劑實(shí)現(xiàn)原位摻雜。PSG在高溫下能夠流動(dòng)，從而能夠形成更平坦表面，階梯覆蓋也有所改進(jìn)，慣用于平坦化工藝作為PMD?；瘜W(xué)氣相淀積課件第33頁33/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理化學(xué)氣相淀積課件第34頁34/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理淀積-回刻-淀積制備平坦IMD表面共形覆蓋化學(xué)氣相淀積課件第35頁35/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理化學(xué)氣相淀積課件第36頁36/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理§6.5CVD氮化硅特征和淀積方法Si3N4特征及其在IC中作用:最終鈍化層和機(jī)械保護(hù)層選擇性氧化掩蔽膜（LOCOS工藝）O-N-O疊層介質(zhì)絕緣材料MOSFET柵極側(cè)墻溝槽隔離CMP終止層Si3N4淀積方法:

LPCVD：3SiCl2H2(氣)+4NH3(氣)Si3N4(固)＋6HCl(氣)＋6H2(氣)

PECVD：SiH4(氣)+NH3(或N2)(氣)SixNyHz(固)+H2(氣)化學(xué)氣相淀積課件第37頁37/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理§6.6金屬化學(xué)氣相淀積難熔金屬（W,Ti,Mo）及其化合物電阻率高，主要用于接觸孔填充材料和局部互連材料化學(xué)氣相淀積課件第38頁38/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理為何要用鎢塞(plug)？化學(xué)氣相淀積課件第39頁39/42天津工業(yè)大學(xué)集成電路工藝原理CVD淀積鎢鎢源普通采取WF6，有兩種還原方法：WF6(氣)+3H2(氣)