∴
hg=Dg/δs=
Dg


3D g 2L
Re
，以及
Re=ρUL/μ，U≤0.99Um，则 对扩散控制：G=（CThgY)/N1，故 结论：扩散控制的G与Um1/2与成正比 提高G的措施： a.降低δs：减小基座的长度L； b.增加Um：Um增大到一定值后，hg >> ks，转为反应控制， G饱和
淀积速率与气流速率关系
第六章 化学气相淀积

化学气相淀积：CVD，Chemical Vapour Deposition。
通过气态物质的化学反应，在衬底上淀积一层薄膜的工 艺过程。

CVD薄膜：集成电路工艺所需的几乎所有薄膜，如SiO2、 Si3N4、PSG、BSG（绝缘介质）多晶硅、金属（互连线/接 触孔/电极）、单晶硅（外延）等。 CVD特点：淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀 性和重复性好、台阶覆盖好、适用范围广、设备简单等
6.5

CVD Si3N4
Si3N4薄膜的特性：
①扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧； ②对底层金属可保形覆盖； 层 ③针孔少； ④介电常数较大：(εSi3N4=6-9,εSiO2=4.2) 不能作层间的绝缘层。 钝化

淀积方法：根据用途选择；
①DRAM的电容介质：LPCVD； ②最终钝化膜：PECVD（200-400℃）
集成电路制造技术
第六章 化学气相淀积
西安电子科技大学
微电子学院
戴显英 2013Байду номын сангаас9月
本章主要内容



CVD介质薄膜的应用 CVD氧化硅与热生长氧化硅 CVD模型：淀积速率 CVD系统：APCVD、LPCVD、PECVD CVD多晶硅 CVD二氧化硅 CVD氮化硅 CVD金属 CVD与PVD
6.4
6.4.3 CVD掺杂SiO2 1. PSG

CVD二氧化硅


工艺：原位掺杂PH3； 组分：P2O5 和 SiO2； 磷硅玻璃回流（ P-glass flow ）工艺：PSG受热变软易流动， 可提供一平滑的表面；也称高温平坦化（1000-1100℃）
2.

BPSG
工艺：原位掺杂PH3 、B2H6； 组分：B2O3-P2O5-SiO2； 回流温度：850 ℃；
• 高质量

CVD 氧化硅 • O和Si都来自气态源 • 淀积在衬底表面
• 生长温度低（如PECVD）、生长速率高
CVD介质薄膜的应用

浅槽隔离 (STI, USG)
侧墙隔离 (Sidewall spacer,USG) 金属前介质 (PMD, PSG or BPSG) 金属间介质 (IMD, USG or FSG) 钝化介质 (PD, Oxide/Nitride)

常用CVD技术
①常压CVD（APCVD）②低压CVD（LPCVD） ③等离子体CVD（PECVD）
CVD系统
6.2
6.2.1

CVD系统
气体源


例如CVD二氧化硅：气态源SiH4；液态源TEOS（正硅酸四 乙酯）。 液态源的优势： ①安全：气压小，不易泄露； ②淀积的薄膜特性好 液态源的输运（传输）： ①冒泡法：由N2、H2、Ar2气体携带； ②加热法：直接加热气化液态源； ③直接注入法：液态源先注入到气化室，气化后直接送入 反应室。
6.4.1 CVD SiO2的方法 1. 低温CVD





①气态硅烷源 硅烷和氧气： APCVD、LPCVD、PECVD 淀积机理: SiH4+O2 ~400℃ SiO2 + H2 硅烷和N2O（NO） ：PECVD 淀积机理: SiH4+N2O 200-400℃ SiO2 + N2 + H2O 原位掺P：形成PSG 淀积机理: PH3(g)+5O2=2P2O5(固)+6H2 优点：温度低；反应机理简单。 缺点：台阶覆盖差。
LPCVD系统
6.2.3

CVD技术
3. PECVD（等离子体增强化学气相淀积）
淀积原理: RF激活气体分子（等离子体），使其在低温 （室温）下发生化学反应，淀积成膜。 淀积机理：表面反应控制过程。 优点：温度低（200－350℃）；更高的淀积速率； 附着性好；台阶覆盖好；电学特性好； 缺点：产量低； 淀积薄膜：金属化后的钝化膜（ Si3N4 ）；多层布 线的介质膜（ Si3N4 、SiO2）。




CVD介质薄膜的应用
浅槽隔离 (STI)
CVD介质薄膜的应用
侧墙隔离（Sidewall spacer）
思考题:小尺寸器为什么要LDD（轻掺杂源漏）？
基本应用
CVD介质层的应用实例
6.1 CVD模型
6.1.1 CVD的基本过程
①传输：反应剂从气相经附面层 （边界层）扩散到（Si）表面； ②吸附：反应剂吸附在表面； ③化学反应：在表面进行化学反 应，生成薄膜分子及副产物； ④淀积：薄膜分子在表面淀积成 薄膜； ⑤脱吸：副产物脱离吸附； ⑥逸出：脱吸的副产物从表面扩 散到气相，逸出反应室。
2. PECVD
CVD Si3N4
①反应： SiH4 + NH3 （N2） → SixNyHz + H2 ②SiN薄膜中H的危害：阈值漂移
6.4
6.4.2

CVD二氧化硅
台阶覆盖
保形覆盖：所有图形上淀积 的薄膜厚度相同，也称共性 （conformal）覆盖。

覆盖模型：
①淀积速率正比于气体分子到达 表面的角度； ②特殊位置的淀积机理： a)直接入射b)再发射c)表面迁移
6.4
CVD二氧化硅

保形覆盖的关键：
①表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比； ②再发射




PECVD系统
PECVD 系统（电容耦合）
6.3
6.3.1 多晶硅薄膜的特性
CVD多晶硅
1. 结构特性 ①由无数生长方向各不相同的小晶粒(100nm量级）组成；主 要生长方向（优选方向）－－<110>。 ②晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键。 2. 物理特性：扩散系数明显高于单晶硅； 3. 电学特性 ①电阻率远高于单晶硅；WHY? ②晶粒尺寸大的薄膜电阻率小。
6.3

CVD多晶硅

特点： ①与Si及SiO2的接触性能更好； ②台阶覆盖性好。 缺点： SiH4易气相分解。 用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。 多晶硅掺杂 ①扩散：电阻率低；温度高； ②离子注入:电阻率是扩散的10倍； ③原位掺杂：淀积过程（模型）复杂；

实际应用
6.4
CVD二氧化硅
CVD系统：常压CVD（APCVD）、低压CVD（LPCVD）和等离 子增强CVD（PECVD）


CVD氧化层与热生长氧化层的比较
热氧化处理 CVD
热生长氧化层
裸硅片
CVD氧化层
CVD氧化硅vs.热生长氧化硅

热生长氧化硅
• O来源于气源，Si来源于衬底 • 氧化物生长消耗硅衬底

氧化温度高、氧化速率慢
L
1/ 2
或


2L 3 Re

Re= ρUL /μ，雷诺数（无量纲） 雷诺数取值：<200，平流型；商业CVD：Re=50-100； >2100，湍流型（要避免）。
6.1 CVD模型

6.1.3
Grove模型
①假定边界层中反应剂的浓度梯度为线性近似，则扩散流密度 F1=hg(Cg-Cs)
hg - 气相质量转移系数， Cg- 主气流中反应剂浓度， Cs - 表面处反应剂浓度；
CVD过程图示
CVD过程示意
CVD气体的流动
6.1 CVD模型
6.1.2

边界层理论
CVD气体的特性：平均自由程远小于反应室尺寸，具有黏滞性； 平流层：主气流层，流速Um 均一； 边界层（附面层、滞留层）：流速受到扰动的气流层； 泊松流（Poisseulle Flow）：沿主气流方向（平行Si表面）没 有速度梯度，沿垂直Si表面存在速度梯度的流体；
CVD边界层模型
6.1 CVD模型
6.1.2

边界层理论
δ（x）=（μx/ρU)1/2
边界层厚度δ（x）：流速小于0.99 Um 的区域；
μ-黏滞系数，x-与基座的距离，ρ-密度，U-边界层流速；

平均厚度
1 2 ( x)dx L L0 3 UL

一般表达式：G=[kshg/(ks+hg)](CT/N1)Y 两种极限情况 ①反应控制：hg >> ks，则 G=（CTksY)/N1 ； ②扩散控制：hg << ks，则 G=（CThgY)/N1 ；
6.1 CVD模型

影响淀积速率的因素
①主气体流速Um ∵ F1=hg(Cg-Cs)= Dg(Cg-Cs)/δs，
6.5
CVD Si3N4薄膜工艺 1. LPCVD
CVD Si3N4
①反应剂： SiH2Cl2 + NH3 → Si3N4+H2+HCl ②温度：700-900 ℃； ③速率：与总压力（或pSiH2Cl2)成正比； ④特点：密度高；不易被稀HF腐蚀； 化学配比好；保形覆盖； ⑤缺点：应力大；
6.5
6.3
6.3.2

CVD多晶硅
CVD多晶硅

工艺：LPCVD； 气体源：气态SiH4； 淀积过程： ①吸附：SiH4（g)→ SiH4（吸附) ②热分解： SiH4（吸附) = SiH2（吸附)+H2(g) SiH2（吸附) = Si（吸附)+H2（g) ③淀积： Si（吸附)= Si（固) ④脱吸、逸出： SiH2、H2脱离表面，逸出反应室。 总反应式： SiH4（吸附) = Si（固体)+2H2(g)