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1、化学气相淀积定义：化学气相淀积定义：指使一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，指使一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。其英文原名为生长技术。其英文原名为“Chemical Vapour Deposition”，简称为简称为“CVD”。本章主要内容：本章主要内容：CVD薄膜的动力学模型、常用系薄膜的动力学模型、常用系统及制备常用薄膜的工艺。统及制备常用薄膜的工艺。第六章第六章 化学气相淀积化学气相淀积2023/1/261（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。成膜温度远低于体材料的熔点或软点
2、。因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成了缺陷生成;设备简单，重复性好；设备简单，重复性好；（2）薄膜的成分精确可控、配比范围大；）薄膜的成分精确可控、配比范围大；（3）淀积速率一般高于）淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如物理气相淀积，如蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃至数毫蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃至数毫米。且能大量生产；米。且能大量生产；（4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。CVD工艺特点：2023/1/2626.1 CVD模型模型6.1.1 CVD的基本过程的基本过程
3、 图图6.1 1.主要步骤主要步骤 反应剂气体反应剂气体反反应室内（主气流区）室内（主气流区）通通过边界界层到达到达衬底表面（底表面（扩散方式）散方式）成成为吸附原子吸附原子在在衬底表面底表面发生化学反生化学反应，淀，淀积成薄膜。成薄膜。2.满足条件足条件n在淀在淀积温度下，反温度下，反应剂必必须具具备足足够高蒸汽高蒸汽压。n除淀除淀积物外，反物外，反应的其他的其他产物必物必须是是挥发性的。性的。n淀淀积物具有足物具有足够低的蒸汽低的蒸汽压。n薄膜淀薄膜淀积所用所用时间尽量短。尽量短。n淀淀积温度足温度足够低低n化学反化学反应的气的气态副副产物不能物不能进入薄膜中。入薄膜中。n化学反化学反应发
4、生在被加生在被加热的的衬底表面。底表面。2023/1/2633.CVD的激活能来源：热能、光能、等离子体、激的激活能来源：热能、光能、等离子体、激光等。光等。边界层理论边界层理论 2023/1/264边界层边界层1.定义：指速度受到扰动并按抛物线型变化、同时定义：指速度受到扰动并按抛物线型变化、同时还存在反应剂浓度梯度的薄层。也称为附面层、还存在反应剂浓度梯度的薄层。也称为附面层、滞流层等。滞流层等。2.厚度厚度(x)(x)：从速度为零的硅片表面到气流速度为：从速度为零的硅片表面到气流速度为0.99Um0.99Um时的区域厚度。时的区域厚度。3.3.形成机制：图形成机制：图6.36.3所示所示
5、定义从气流遇到平板边界时为坐标原点，则有定义从气流遇到平板边界时为坐标原点，则有 (x)=(x)=（xx/UU）1/21/2-气体的黏滞系数。气体的黏滞系数。-气体的密度气体的密度2023/1/265边界层的平均厚度边界层的平均厚度ReRe气体的雷诺数，表示流体运动中惯性效应与黏气体的雷诺数，表示流体运动中惯性效应与黏滞效应的比。无量纲数。滞效应的比。无量纲数。ReRe2000，气流为平流型，气流为平流型反应室中沿各表面附近反应室中沿各表面附近的气体流速足够慢。的气体流速足够慢。ReRe2000，为湍流。，为湍流。2023/1/2666.1.3 Grove6.1.3 Grove模型模型CVD过
6、程主要受两步工艺过程控制：过程主要受两步工艺过程控制：气相输运过程；气相输运过程；表面化学反应过程。表面化学反应过程。GroveGrove模型认为控制薄膜淀积速率的两个重要环节：模型认为控制薄膜淀积速率的两个重要环节：反应剂在边界层的输运过程；反应剂在边界层的输运过程；反应剂在衬底表面上的化学反应过程。反应剂在衬底表面上的化学反应过程。GroveGrove模型模型GroveGrove模型的基本原理模型的基本原理 图图6.46.42023/1/267薄膜淀积过程存在两种极限情况：薄膜淀积过程存在两种极限情况：h hg gkks s，C Cs s趋向于趋向于C Cg g，淀积速率受表面化学反应速率
7、控制。，淀积速率受表面化学反应速率控制。反应剂数量：主气流输运到硅片表面的反应剂数量：主气流输运到硅片表面的表面化学反应所需表面化学反应所需要的要的 h hg gkks s，C Cs s趋于趋于0 0，淀积速率受质量输运速率控制。反应，淀积速率受质量输运速率控制。反应剂数量：表面化学反应所需要的剂数量：表面化学反应所需要的主气流输运到硅片表面的主气流输运到硅片表面的2023/1/268结论：结论：图图6.51.淀积速率与下面两个量中的一个成正比：淀积速率与下面两个量中的一个成正比：反应剂的浓度反应剂的浓度Cg；（没有使用稀释气体时适用）；（没有使用稀释气体时适用）在气相反应中反应剂的摩尔百分比
8、在气相反应中反应剂的摩尔百分比Y。（使用稀释气体）。（使用稀释气体）低浓度区域，薄膜生长速率随低浓度区域，薄膜生长速率随Cg增加而加快。增加而加快。2.在在Cg或或Y为常数时，薄膜淀积速率由为常数时，薄膜淀积速率由hg和和ks中较小的一个中较小的一个决定。决定。h hg gkks s G=G=（C CT Tk ks sY Y）/N/N1 1 h hg gkks s G=G=（C CT Th hsgsgY Y）/N/N1 12023/1/269淀积速率与几个参数的关系：淀积速率与几个参数的关系：1.1.淀积速率与温度的关系淀积速率与温度的关系 如图如图6.66.6低温情况下，表面化学反应速率控制
9、低温情况下，表面化学反应速率控制 由由 k ks s=k=k0 0e e-E-EA A/Kt/Kt 淀积速率淀积速率对温度的变化非常敏感。对温度的变化非常敏感。随温度的升高而成指数随温度的升高而成指数增加。增加。高温情况下，质量输运控制高温情况下，质量输运控制 h hg g依赖于气相参数，如气体流速和气体成份等。依赖于气相参数，如气体流速和气体成份等。其输运过程通过气相扩散完成。其输运过程通过气相扩散完成。扩散速度正比于扩散系数扩散速度正比于扩散系数D Dg g及边界层内浓度梯度，及边界层内浓度梯度，D Dg gT1.52.0 淀积速率淀积速率D Dg g基本不随温度变化而变化。基本不随温度变
10、化而变化。2023/1/26102.2.淀积速率与气流速率的关系淀积速率与气流速率的关系 如图如图6.76.7条件：质量输运速率控制条件：质量输运速率控制根据菲克第一定律和式根据菲克第一定律和式6.56.5推导，得到推导，得到气流速率气流速率 1.0L/min1.0L/min，淀积速率与主气流速度，淀积速率与主气流速度UmUm的平的平方根成正比。方根成正比。气流速率，可以气流速率，可以淀积速率。淀积速率。气流速率持续气流速率持续，淀积速率达到一个极大值，与气，淀积速率达到一个极大值，与气流速率无关。流速率无关。气流速率大到一定程度，淀积速率转受表面化学反气流速率大到一定程度，淀积速率转受表面化
11、学反应速率控制，且与温度遵循指数关系。应速率控制，且与温度遵循指数关系。2023/1/2611总结总结Grove模型是一个简化的模型：模型是一个简化的模型：忽略了忽略了1.反应产物的流速；反应产物的流速；2.温度梯度对气相物质输运的影响；温度梯度对气相物质输运的影响；认为认为 3.反应速度线性依赖于表面浓度。反应速度线性依赖于表面浓度。但成功预测了：但成功预测了：薄膜淀积过程中的两个区域（物质输运速率薄膜淀积过程中的两个区域（物质输运速率限制区域和表面反应控制限制区域），同时也提限制区域和表面反应控制限制区域），同时也提供了从淀积速率数据中对供了从淀积速率数据中对h hg g和和k ks s
12、值的有效估计。值的有效估计。2023/1/26126.2 6.2 化学气相淀积系统化学气相淀积系统气态源或液态源气态源或液态源气体输入管道气体输入管道气体流量控制气体流量控制反应室反应室基座加热及控制系统基座加热及控制系统温度控制及测量系统温度控制及测量系统2023/1/26136.2.1 6.2.1 CVDCVD的气体源的气体源1.1.气态源：已被取代。气态源：已被取代。2.2.液态源：更安全（但氯化物除外）液态源：更安全（但氯化物除外）输送方式：输送方式：冒泡法冒泡法，加热液态源，液态源直接注，加热液态源，液态源直接注入法入法冒泡法：通过控制携带气体的流速和源瓶的温度，冒泡法：通过控制携带
13、气体的流速和源瓶的温度，间接达到控制进入到反应室的反应剂浓度。间接达到控制进入到反应室的反应剂浓度。存在问题：较难控制反应剂的浓度；存在问题：较难控制反应剂的浓度；低气压下反应剂容易凝聚。低气压下反应剂容易凝聚。工艺改进：直接气化系统，液态源直接注入法工艺改进：直接气化系统，液态源直接注入法2023/1/26146.2.2 6.2.2 质量流量控制系统质量流量控制系统直接控制气流流量直接控制气流流量包括质量流量计和阀门，位于气体源和反应室之间包括质量流量计和阀门，位于气体源和反应室之间每分钟每分钟1cm1cm3 3的气体流量的气体流量温度为温度为273K273K、1 1个标准大气压下，每个标准
14、大气压下，每分钟通过体积的分钟通过体积的1cm1cm3 3气体。气体。6.2.3 CVD6.2.3 CVD反应室的热源反应室的热源热壁式热壁式CVDCVD系统：系统：T TW W=T=TS S冷壁式冷壁式CVDCVD系统：系统：T TW WT TS Sn电阻加热法：电阻加热法：利用缠绕在反应管外侧的电阻丝加热，形成热壁系统。利用缠绕在反应管外侧的电阻丝加热，形成热壁系统。由表面反应速度控制由表面反应速度控制 对放置硅片的基座进行加热，形成冷壁系统。对放置硅片的基座进行加热，形成冷壁系统。n电感加热或高能辐射灯加热电感加热或高能辐射灯加热 均为直接加热硅片和基座，形成冷壁系统均为直接加热硅片和基
15、座，形成冷壁系统 不同：电感加热，通过射频电源在基座上产生涡流，导致不同：电感加热，通过射频电源在基座上产生涡流，导致硅片和基座的温度升高。高能辐射灯加热，通过辐射射线硅片和基座的温度升高。高能辐射灯加热，通过辐射射线加热淀积室侧壁。加热淀积室侧壁。2023/1/26156.2.4 6.2.4 CVDCVD系统的分类系统的分类3化学淀积方法化学淀积方法:1.常压化学气相淀积常压化学气相淀积APCVD2.低压化学气相淀积低压化学气相淀积LPCVD3.等离子化学气相淀积等离子化学气相淀积PCVD2023/1/26161.常压化学气相淀积常压化学气相淀积适用于介质薄膜的淀积适用于介质薄膜的淀积420
16、23/1/2617特点特点:用于用于SiO2的淀积，由质量输运控制淀积速率，的淀积，由质量输运控制淀积速率，因此必须精确控制在单位时间内到达每个硅片表面因此必须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。及同一表面不同位置的反应剂数量。nPWS5000：SiH4+O2=SiO2+H2 O 100100mmmm：1010片片，125125mm:8mm:8片片Time:15minTime:15minTemp:380450Temp:380450 66厚度均匀：厚度均匀：5 52023/1/26182.低压化学气相淀积低压化学气相淀积52023/1/2619特点：气压较低（特点
17、：气压较低（133.3Pa133.3Pa），淀积速率受表面反应控制，），淀积速率受表面反应控制，要精确控制温度（要精确控制温度（0.5C0.5C）,保证各个硅片表面上的反应保证各个硅片表面上的反应剂浓度相同。剂浓度相同。应用情况：应用情况：多晶硅多晶硅：SiHSiH4 4/Ar(He)620/Ar(He)620SiSi3 3N N4 4:SiH:SiH2 2ClCl2 2+NH+NH3 3 750800 750800PSGPSG:SiH:SiH4 4+PH+PH3 3+O+O2 2 450 450 BSGBSG:B:B2 2H H6 6+O+O2 2 450 450 SiOSiO2 2:SiH
18、:SiH2 2ClCl2 2+NO+NO2 2 910910气缺现象：当气体反应剂被消耗而出现的反应剂浓度改变的气缺现象：当气体反应剂被消耗而出现的反应剂浓度改变的现象。针对只有一端输入的反应室。现象。针对只有一端输入的反应室。避免方法：避免方法：水平方向上逐渐提高温度来加快反应速度；水平方向上逐渐提高温度来加快反应速度；采用分布式的气体入口；采用分布式的气体入口；增加反应室中气流速度。增加反应室中气流速度。缺点：相对低的淀积速率和相对高的工作温度。缺点：相对低的淀积速率和相对高的工作温度。2023/1/26203.等离子体化学气相淀积等离子体化学气相淀积n叙述其他策略n列出每项的优势和劣势n
19、叙述每项所需的消耗62023/1/2621PECVDPECVD：Plasma-enhanced CVDPlasma-enhanced CVD 利用非热能源的利用非热能源的RF等离子体来激活和维持化学反应。等离子体来激活和维持化学反应。特点：温度低特点：温度低 200350200350，表面反应速率控制。表面反应速率控制。通常情况下：通常情况下：6.665 666.5Pa,6.665 666.5Pa,频率频率50k13.6MHz50k13.6MHz适用于布线隔离适用于布线隔离SiSi3 3N N4 4:SiH:SiH2 2ClCl2 2+NH+NH3 3PSG:SiHPSG:SiH4 4+PH+
20、PH3 3+O+O2 22023/1/26226.3 CVD6.3 CVD多晶硅特性和淀积方法多晶硅特性和淀积方法硅的三种形态：单晶硅、多晶硅和非晶硅。硅的三种形态：单晶硅、多晶硅和非晶硅。2023/1/2623单晶硅（单晶硅（SCSSCS）：晶格规则排列。）：晶格规则排列。加工方法：加工方法：1 1）通过高温熔融）通过高温熔融/再结晶生长单晶硅圆片；再结晶生长单晶硅圆片；2 2）外延生长硅薄膜；）外延生长硅薄膜；3 3）通过全部加热或局部加热，）通过全部加热或局部加热，使多晶硅或非晶硅再结晶。使多晶硅或非晶硅再结晶。多晶硅（多晶硅（PolysiPolysi）：有多种晶畴。每个晶畴里，晶格）：
21、有多种晶畴。每个晶畴里，晶格规则排列。但相邻区域晶向不同。晶界（畴壁）对于规则排列。但相邻区域晶向不同。晶界（畴壁）对于决定电导率、机械刚度和化学刻蚀特性很重要。决定电导率、机械刚度和化学刻蚀特性很重要。加工方法：加工方法：1 1）通过）通过LPCVDLPCVD生长；生长；2 2）通过全部加热或）通过全部加热或局部加热，使多晶硅或非晶硅再结晶。局部加热，使多晶硅或非晶硅再结晶。非晶硅：晶格不规则排列。非晶硅：晶格不规则排列。加工方法：加工方法：1 1）通过）通过CVDCVD生长。生长。2023/1/26246.3.1 多晶硅薄膜的性质多晶硅薄膜的性质1.多晶硅的物理结构以及力学特性多晶硅的物理
22、结构以及力学特性多晶硅薄膜多晶硅薄膜由小单晶（由小单晶（100nm量级）的晶粒组量级）的晶粒组成，存在大量的晶粒间界。成，存在大量的晶粒间界。晶粒间界：具有高密度缺陷和悬挂键晶粒间界：具有高密度缺陷和悬挂键多晶硅的两个重要特性：多晶硅的两个重要特性：扩散系数扩散系数-晶粒间界处晶粒间界处晶粒内部晶粒内部杂质分布杂质分布高温时存在于晶粒内的杂质，低温发高温时存在于晶粒内的杂质，低温发生分凝作用，使杂质从晶粒内部运动到晶粒间生分凝作用，使杂质从晶粒内部运动到晶粒间界，在高温下又会返回到晶粒内。界，在高温下又会返回到晶粒内。2023/1/2625半导体性质、结构和掺杂有关。半导体性质、结构和掺杂有关
23、。a)同样的掺杂浓度（一般），电阻率：多晶硅同样的掺杂浓度（一般），电阻率：多晶硅单单晶硅晶硅原因如下：原因如下：热处理过程中，跑到晶粒间界处的掺杂原子（热处理过程中，跑到晶粒间界处的掺杂原子（As和和P）不能有效地贡献自由载流子，造成晶粒内）不能有效地贡献自由载流子，造成晶粒内掺杂浓度降低。掺杂浓度降低。晶粒间界处大量的悬挂键可俘获自由载流子：晶粒间界处大量的悬挂键可俘获自由载流子：自由载流子的浓度并使邻近的晶粒耗尽；自由载流子的浓度并使邻近的晶粒耗尽；引起多晶硅内部电势的变化。（对迁移不利）引起多晶硅内部电势的变化。（对迁移不利）2.2.多晶硅的电学特性多晶硅的电学特性2023/1/262
24、6b)多晶硅电阻的变化与掺杂浓度和晶粒尺寸间的关系多晶硅电阻的变化与掺杂浓度和晶粒尺寸间的关系同样掺杂浓度：晶粒尺寸大，电阻率较低；同样掺杂浓度：晶粒尺寸大，电阻率较低；晶粒尺寸的大小和掺杂浓度相互作用，决定着每一个晶粒耗晶粒尺寸的大小和掺杂浓度相互作用，决定着每一个晶粒耗尽的的程度。尽的的程度。高阻区：晶粒尺寸很小或掺杂很低高阻区：晶粒尺寸很小或掺杂很低晶粒完全耗尽。晶粒完全耗尽。低阻区：低阻区：晶粒尺寸很大或掺杂很高。晶粒尺寸很大或掺杂很高。6.3.2 化学气相淀积多晶硅化学气相淀积多晶硅采用采用LPCVD工艺，在工艺，在580650C下热分解硅烷。下热分解硅烷。淀积过程：淀积过程：硅烷被
25、吸附在衬底表面上：硅烷被吸附在衬底表面上：SiH4（吸附）（吸附）=SiH2（吸附）（吸附）+H2（气）（气）SiH2（吸附）（吸附）=Si（固）（固）+H2（气）（气）硅烷的热分解，中间产物：硅烷的热分解，中间产物：SiH2和和 H2，SiH4（吸附）（吸附）=Si（固）（固）+2 H2（气）（气）2023/1/26272023/1/2628n三三族族元元素素，如如硼硼，掺掺杂杂使使将将增增加加空空穴穴，它它的的表表面面吸吸附附有有助助于于表表面面呈呈现现正正电电性性，因因而而将将促促进进多晶硅的淀积。多晶硅的淀积。n五五族族元元素素，如如磷磷、砷砷的的掺掺杂杂，将将有有助助于于表表面面的的
26、电电子子积积累累，从从而而减减少少分分子子的的吸吸附附，减减少少浓浓度度，因而将降低多晶硅的淀积率。因而将降低多晶硅的淀积率。2023/1/26296.3.3 6.3.3 淀积条件对多晶硅结构及淀积速率的影响淀积条件对多晶硅结构及淀积速率的影响n淀积温度、压力、掺杂类型、浓度及随后的热处淀积温度、压力、掺杂类型、浓度及随后的热处理过程理过程n580 580 CC 非晶态薄膜非晶态薄膜n 580 580 CC 多晶薄膜多晶薄膜n晶向优先方向：晶向优先方向：n580-600 580-600 CC ，晶向的晶粒占主导晶向的晶粒占主导n625 625 CC 左右，左右，晶向的晶粒占主导晶向的晶粒占主导
27、n675 675 CC 左右，左右，晶向的晶粒占主导晶向的晶粒占主导n 675 675 CC ，晶向的晶粒占主导晶向的晶粒占主导n低温下淀积的非晶态薄膜：低温下淀积的非晶态薄膜：900-1000 900-1000 CC 重新重新晶化时，更倾向于晶化时，更倾向于晶向结构晶向结构2023/1/2630温度：温度：600650，6252023/1/2631压力压力2023/1/26322023/1/2633硅烷浓度硅烷浓度600度2023/1/26342023/1/26356.3.4 6.3.4 多晶硅的掺杂技术多晶硅的掺杂技术主要有三种工艺：扩散、离子注入、原位掺杂主要有三种工艺：扩散、离子注入、
28、原位掺杂1.1.多晶硅的扩散掺杂多晶硅的扩散掺杂 实现温度：实现温度：9001000C9001000C n n型掺杂，掺杂剂：型掺杂，掺杂剂：POClPOCl3 3,PH,PH3 3等含磷气体等含磷气体2.2.多晶硅的离子注入掺杂多晶硅的离子注入掺杂 可精确控制掺入杂质的数量。可精确控制掺入杂质的数量。3.3.多晶硅的原位掺杂多晶硅的原位掺杂 杂质原子在薄膜淀积的同时被结合到薄膜中，杂质原子在薄膜淀积的同时被结合到薄膜中，即一步完成薄膜淀积和对薄膜的掺杂。即一步完成薄膜淀积和对薄膜的掺杂。2023/1/2636SiOSiO2 2的用途的用途6.4 CVD6.4 CVD二氧化硅的特性和淀积方法二
29、氧化硅的特性和淀积方法2023/1/2637CVDSiOCVDSiO2 2薄膜的折射系数薄膜的折射系数n n与热生长的折射系数与热生长的折射系数1.461.46的偏差作为衡量其质量的一个指标。的偏差作为衡量其质量的一个指标。n n 1.461.46：该薄膜富硅；：该薄膜富硅；n n1.461.46：该薄膜低密度多孔：该薄膜低密度多孔6.4.1 6.4.1 淀积淀积SiOSiO2 2的方法的方法:1.1.低温低温CVDCVD ：500 500温度、压力、反应剂浓度、掺杂及反应腔形状都温度、压力、反应剂浓度、掺杂及反应腔形状都影响淀积速度影响淀积速度1)1)硅烷为源硅烷为源 A A）和氧反应）和氧
30、反应:（钝化层（钝化层SiOSiO2 2）SiH SiH4 4(气气)+O+O2 2(气气)SiO SiO2 2(固固)+2H+2H2 2(气气)2023/1/2638B B）和和N N2 2O O反应反应:SiHSiH4 4(气气)+2N)+2N2 2O(O(气气)SiO)SiO2 2(固固)+2N)+2N2 2(气气)+)+2H2H2 2(气气)C)C)生长磷硅玻璃生长磷硅玻璃PSGPSG（APCVDAPCVD）4PH 4PH3 3(气气)+5O+5O2 2(气气)2P 2P2 2O O5 5 (固固)+6H+6H2 2(气气)n加入磷烷加入磷烷PHPH3 3，生长磷硅玻璃生长磷硅玻璃PS
31、GPSGn加入乙硼烷加入乙硼烷B B2 2H H6 6，生长硼硅玻璃生长硼硅玻璃BSGBSGn掺杂掺杂P P含量：含量：5 51515（或三氯氧磷）（或三氯氧磷）n回流回流P P含量：含量：2 28 8钝化膜钝化膜 磷含量过高：腐蚀铝，吸附水汽磷含量过高：腐蚀铝，吸附水汽 磷含量过低：太硬，台阶覆盖不好磷含量过低：太硬，台阶覆盖不好4002023/1/2639（2）以正硅酸四乙脂（）以正硅酸四乙脂（TEOS）为源为源 450C Si(OCSi(OC2 2H H5 5)4 4+O O2 2 SiOSiO2 2+副产物副产物优点：薄膜具有更好的台阶覆盖和间隙填充特性优点：薄膜具有更好的台阶覆盖和间
32、隙填充特性 淀积温度可相对降低。淀积温度可相对降低。缺点：随着金属线间距的减小，可能会形成空隙。缺点：随着金属线间距的减小，可能会形成空隙。应用：形成多层布线中金属层间的绝缘层淀积。应用：形成多层布线中金属层间的绝缘层淀积。实现掺杂的方法：实现掺杂的方法：1 1SiOSiO2 2淀积源中加入淀积源中加入TMBTMB实现实现B B的掺杂。的掺杂。2 2SiOSiO2 2淀积源中加入淀积源中加入TMPTMP实现实现P P的掺杂。的掺杂。2023/1/26402.2.中温中温LPCVDLPCVD ：以以TEOSTEOS为反应剂为反应剂 S Si i(OC(OC2 2H H5 5)4 4 SiOSiO
33、2 2+4+4C C2 2H H4 4+2+2H H2 2O O注意：要加入足够的氧。注意：要加入足够的氧。S Si i(OC(OC2 2H H5 5)4 4 含有含有C C和和H H，与，与氧发生氧化反应生成氧发生氧化反应生成C CO O和和H H2 2O O，降低了氧的数量。，降低了氧的数量。可作为绝缘层和隔离层。可作为绝缘层和隔离层。3.TEOS/O3.TEOS/O3 3混合源的二氧化硅淀积混合源的二氧化硅淀积 臭氧臭氧O O3 3可提高淀积速率。可提高淀积速率。应用：淀积非掺杂二氧化硅（应用：淀积非掺杂二氧化硅（USGUSG）薄膜或）薄膜或BPSGBPSG。问题：问题：淀积速率依赖于薄
34、膜淀积的表面材料；淀积速率依赖于薄膜淀积的表面材料；淀积的氧化层中含有淀积的氧化层中含有S Si i-O OH H键，易吸收水汽。键，易吸收水汽。解决办法：解决办法：SiOSiO2 2层层+TEOS/OTEOS/O3 3氧化氧化层层+SiOSiO2 2保护层。保护层。2023/1/26413.SiO2薄膜性质薄膜性质2023/1/26426.4.2 CVDSiO6.4.2 CVDSiO2 2薄膜的台阶覆盖薄膜的台阶覆盖n保形覆盖：无论衬底表面有什么样的倾斜图形，在所有图形的上面都能淀积有相同厚度的薄膜。n台阶覆盖模型 到达角 很小：薄膜的厚度正比于到达角的取值范围。薄膜在台阶顶部处最厚，在拐角
35、处最薄。较长：薄膜厚度随沟槽深度的增加而降低；2023/1/2643衬底表面衬底表面CVDCVD反应气体分子输运机制反应气体分子输运机制n三种机制：入射角：与相关 再发射：在黏滞系数1时出现的传输过程。表面迁移：反应物分子在被黏附之前在表面发生的迁移。到达角越大，黏滞系数越小，表面迁移能力越强，保形覆盖越好。2023/1/26446.5 CVD6.5 CVD氮化硅的特性及淀积方法氮化硅的特性及淀积方法1.氮化硅薄膜在集成电路中的主要应用氮化硅薄膜在集成电路中的主要应用,有三个方面有三个方面:(1)用作为硅选择氧化和等平面氧化的氧化掩膜；用作为硅选择氧化和等平面氧化的氧化掩膜；(2)钝化膜；钝化
36、膜；(3)电容介质。电容介质。2023/1/26452.2.低压化学气相淀积氮化硅薄膜低压化学气相淀积氮化硅薄膜A、氮化硅的低压淀积方程式氮化硅的低压淀积方程式：氮化硅的低压化学气相淀积主要通过硅烷、二氯氮化硅的低压化学气相淀积主要通过硅烷、二氯二氢硅、四氯化硅与氨在二氢硅、四氯化硅与氨在700-8500C温度范围内温度范围内反应生成。主要反应式如下：反应生成。主要反应式如下：3SiO2+4NH3Si3N4+12H2 （式一）式一）3SiH2Cl2+4NH3Si3N4+6HCl+6H2 （式二）式二）3SiCl4+4NH3SiN4+12HCl （式三）式三）其中以（式三）硅烷与氨反应最为常用。
37、其中以（式三）硅烷与氨反应最为常用。2023/1/2646B、淀积过程的主要控制参量：淀积过程的主要控制参量：低压化学气相淀积过程主要控制参量：低压化学气相淀积过程主要控制参量：压力、温度和温度梯度以及反应气体浓度和比例。压力、温度和温度梯度以及反应气体浓度和比例。常用系统的典型淀积条件为：常用系统的典型淀积条件为：温度温度T=825T=8250 0C C；压力：压力：p=0.9*10p=0.9*102 2PaPa；反应物反应物SiHSiH4 4:NH:NH3 3=1:6=1:6n以氢气作为载气以氢气作为载气2023/1/26473.3.等离子体增强化学气相淀积氮化硅薄膜等离子体增强化学气相淀
38、积氮化硅薄膜A、等离子淀积优点及方程式：等离子淀积优点及方程式：优点：淀积温度低，最常用的温度是优点：淀积温度低，最常用的温度是3003500C。方程式：等离子体增强化学气相淀积氮化硅，常方程式：等离子体增强化学气相淀积氮化硅，常由由SiH4与氨在氩等离子气氛下或与氨在氩等离子气氛下或SiH4在氮等离子在氮等离子气氛下反应生成，其反应式如下：气氛下反应生成，其反应式如下：SiH4+NH3 SixNyHz+3H2 (式四式四)SiH4+N2 2 SixNyHz+3H2 (式五式五)B、淀积过程的控制参量：淀积薄膜的性质与具体淀积过程的控制参量：淀积薄膜的性质与具体淀积条件密切相关，例如工作频率、
39、功率、压力、样淀积条件密切相关，例如工作频率、功率、压力、样品温度、反应气体分压、反应器的几何形状、电极空品温度、反应气体分压、反应器的几何形状、电极空间、电极材料和抽率。间、电极材料和抽率。2023/1/264812023/1/26496.6 6.6 金属的金属的CVDCVD6.6.1 6.6.1 钨的钨的CVDCVD用途：用途：作为填充（钨插塞）（作为填充（钨插塞）（plug）用作局部互连材料（电阻率较低）用作局部互连材料（电阻率较低）CVDWCVDW薄膜的工艺：薄膜的工艺：选择性淀积和覆盖性淀积选择性淀积和覆盖性淀积CVDWCVDW广泛用于互联的难熔金属的原因：广泛用于互联的难熔金属的原
40、因：a.体电阻率小；体电阻率小；b.较高的热稳定性；较高的热稳定性；c.较低的应力、很好的保形台阶覆盖能力，且热较低的应力、很好的保形台阶覆盖能力，且热扩散系数和硅相近；扩散系数和硅相近；d.很强的电迁移能力和抗腐蚀性能。很强的电迁移能力和抗腐蚀性能。2023/1/26501.CVDW1.CVDW 的化学反应的化学反应设备：冷壁低压系统设备：冷壁低压系统反应源：反应源：WF6，WCl6，W(CO)6.与与Si反应反应 2WF6(气气)+3Si(固固)2W(固固)+3SiF4(气气).与与H2反应反应 WF6(气气)+3H2(气气)W(固固)+6HF(气气).与与SiH4反应反应 2WF6(气气
41、)+3SiH4(气气)2W(固固)+3SiF4(气气)+6H2(气气)3004503002023/1/26512.2.覆盖式覆盖式CVDWCVDW 与回刻与回刻用用W W 填充接触孔和通孔的工艺步骤：填充接触孔和通孔的工艺步骤：表面原位预清洁处理；表面原位预清洁处理；淀积一个接触层（溅射或淀积一个接触层（溅射或CVDCVD形成的形成的TiTi膜膜）；）；淀积一个附着淀积一个附着/阻挡层（溅射或阻挡层（溅射或CVDCVD形成的形成的TiNTiN膜）；膜）；覆盖式覆盖式CVDWCVDW（两步淀积）；（两步淀积）；第一步：在较低气压下与第一步：在较低气压下与SiH4反应生成几十个纳米的薄钨层；反应生
42、成几十个纳米的薄钨层；第二步：在较高气压下与第二步：在较高气压下与H2反应淀积剩余厚度钨膜。反应淀积剩余厚度钨膜。钨膜的回刻；钨膜的回刻；附着层和接触层的刻蚀。附着层和接触层的刻蚀。2023/1/2652常见问题：常见问题：（1 1）CVDCVD钨膜的应力：导致硅片弯曲；钨膜的应力：导致硅片弯曲；（2 2）在晶片背面和侧边的钨淀积；）在晶片背面和侧边的钨淀积；（3 3）CVDCVD钨过程中形成的微粒；钨过程中形成的微粒；（4 4）接触孔及通孔的钨拴的电阻：）接触孔及通孔的钨拴的电阻：钨膜电阻率钨膜电阻率10u10u.cm.cm 1um 1um接触孔接触孔 0.5 0.5电阻电阻 0.3um 0
43、.3um接触孔接触孔 5 5电阻电阻（5 5）覆盖式钨淀积过程中出现的失效情况。）覆盖式钨淀积过程中出现的失效情况。2023/1/26536.6.2 6.6.2 硅化钨的硅化钨的CVDCVDnWSiX WF6(气气)+2SiH4(气气)2WSi2(固固)+6HF(气气)+H2(气气)反应条件：气压：反应条件：气压：50-300托托 温度：温度：300-400度度.若若x2.0，高温过程中，易于从多晶硅上碎，高温过程中，易于从多晶硅上碎裂剥离；裂剥离；.若若x2.0，硅化物薄膜中含有过量硅，可避免，硅化物薄膜中含有过量硅，可避免碎裂剥离，避免损耗下方的多晶材料。碎裂剥离，避免损耗下方的多晶材料。2023/1/2654