化学气相沉积

所以TEOS在表面的迁移能力与再发射能力都很 强
更新时间:2019-10-23 18:38 浏览:145 关闭窗口 打印此页

  化学气相沉积(中文版)2016_化学_自然科学_专业资料。化学气相沉积(CVD) 化学气相沉积(CVD)概念 ? 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition) ? 气体或蒸气在晶圆表面产生化学反应,并 形成固态薄膜的沉积方法.

  化学气相沉积(CVD) 化学气相沉积(CVD)概念 ? 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition) ? 气体或蒸气在晶圆表面产生化学反应,并 形成固态薄膜的沉积方法. 沉积制程 气源分子到达晶圆表面 气源分子在表面移动 气源分子在表面反应 成核作用:岛状 物形成 沉积制程 岛状物成长 岛状物成长, 横截面图 岛状物合并 连续薄膜 CVD制程 ? APCVD:常压化学气相沉积法 ? LPCVD:低压化学气相沉积法 ? PECVD :等离子体增强型化学气相沉 积法 APCVD反应器示意图 N2 制程气体 N2 晶圆 晶圆 加热器 输送带清洁装置 输送带 排气 常压化学气相沉积法(APCVD) ? APCVD制程发生在大气压力常压下,适合在开放 环境下进行自动化连续生产. ? APCVD易于发生气相反应,沉积速率较快,可超 过1000?/min,适合沉积厚介质层. 但由于反应速度较快,两种反应气体在还 未到达硅片表面就已经发生化学反应而产生生 成物颗粒,这些生成物颗粒落在硅片表面,影响 硅片表面的薄膜生长过程,比较容易形成粗糙 的多孔薄膜,使得薄膜的形貌变差. 低压化学气相沉积法(LPCVD) ? 低气压(133.3Pa)下的CVD较长的平均自由路径可 减少气相成核几率,减少颗粒,不需气体隔离,孔 洞少,成膜质量好 ?但是反应速率较低,需要较高的衬底温度 低压化学气相沉积系统 压力计 晶圆 加热线圈 晶圆装 载门 至真空帮 浦 制程气体入口 温度 晶舟 中心区 均温区 石英 管 距离 等离子体增强型化学气相沉积 (PECVD) ? 射频在沉积气体中感应等离子体场以提 高反应效率,因此,低温低压下有高的 沉积速率. ? 表面所吸附的原子不断受到离子与电子 的轰击,容易迁移,使成膜均匀性好,台阶覆 盖性好 等离子体增强型化学气相沉积 (PECVD) 制程反 应室 制程反 应室 晶圆 等离子体 RF功率产生器 副产品被 泵浦抽走 加热板 保形覆盖 ? 保形覆盖是指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沉积有 相同厚度的薄膜 到达角度 180° B A 270° 90° C 薄膜的厚度正比于到达角的取值范围 阶梯覆盖性与保形性 CVD 薄膜 c a 结构 h d b w 基片 严重时会形成空洞 金属 介电质 金属 介电质 空洞 金属 介电质 金属 4 金属层间介电质3 金属 3 金属层间介电质2 影响阶梯覆盖的因素 ? 源材料的到达角度 ? 源材料的再发射 ? 源材料的表面迁移率 黏附系数 黏附系数 ? 源材料原子和基片表面产生一次碰撞的过 程中,能与基片表面形成一个化学键并被 表面吸附的机率 黏附系数 源材料 SiH4 SiH3 SiH2 SiH TEOS WF6 黏附系数 3x10-4至3x10-5 0.04 至 0.08 0.15 0.94 10-3 10-4 CVD 源材料 ? 硅烷 (SiH4) ? 四乙氧基硅烷 (tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS ,Si(OC2H5)4) CVD 源材料: 硅烷 ? 自燃性的 (自己会燃烧), 易爆的, 以及有毒的 ? 打开没有彻底吹除净化的硅烷气体管路, 可能引起火灾或是小爆炸,并形成微细的 二氧化硅粒子使气体管路布满灰尘 硅烷分子结构 H H Si H H H Si H H H CVD源材料吸附: 硅烷 ? 硅烷分子完全对称的四面体 ? 不会形成化学吸附或物理吸附 ? 但硅烷高温分解或等离子体分解的分子碎 片, SiH3, SiH2, or SiH, 很容易与基片表面形 成化学键,黏附系数大 ? 表面迁移率低, 通常会产生悬突和很差的阶 梯覆盖 四乙氧基硅烷(TEOS) H ? 室温下为液态 ? 化学性能不活泼 ? 安全 H H H H C H H C H H H O C C O Si O C C H H H H O C H H H H C H H CVD 源材料吸附:四乙氧基硅烷 (TEOS) ? 四乙氧基硅烷 (tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS ,Si(OC2H5)4),也称正硅酸四乙酯 ? 大型有机分子 ? TEOS分子不是完整对称的 ? 可以与表面形成氢键并物理吸附在基片表面 ? 表面迁移率高 ? 好的阶梯覆盖、保形性与间隙填充 ? 广泛使用在氧化物的沉积上 两种主要CVD源材料的主要特点 硅烷成本低,沉积速率较快 因为TEOS比硅烷热分解产物的黏附系数小一个数量 级,所以TEOS在表面的迁移能力与再发射能力都很 强,台阶覆盖性较好. CVD工艺应用 ? ? ? ? ? ? 多晶硅 SiO2 Si3N4 W 硅化钨 TiN 多晶硅的特性与沉积方法 多晶硅薄膜是由小单晶(大约是100nm量级)的晶粒 组成,因此存在大量的晶粒间界 多晶硅薄膜的沉积,通常主要是采用LPCVD工 艺,在580~650下热分解硅烷实现的 ? SiH4(吸附)=Si(固)+2H2(气) 在一般的掺杂浓度下,同样的掺杂浓度下, 多晶硅 的电阻率比单晶硅的电阻率高得多,主要是由于晶粒间 界含有大量的悬挂键,可以俘获自由载流子,但在高掺 杂情况下, 多晶硅的电阻率比单晶硅的电阻相差不大. 高掺杂多晶硅作为栅电极和短程互联线在MOS集 成电路得到广泛应用。 常常将钨、钛、钴(考虑到离子注入后的退火,这里 只能用难熔金属)等硅化物做在多晶硅薄膜上,形成具有 较低的方块电阻(相对于单独的多晶硅而言)。 O3 TEOS BPSG 氮化硅阻擋層 金屬硅化物 多晶硅 二氧化硅的CVD沉积方法 TEOS为源的低温PECVD二氧化硅 ? Si(OC2H5)4+O2→SiO2+副产物 比用气体硅烷源更安全,因为TEOS室温下为液体, 而且化学性能不活泼,所沉积薄膜保形性好。 中温(650~750℃)LPCVD二氧化硅 ? Si(OC2H5)4+O2→SiO2+4C2H4+2H2O 成膜质量好,但如果铝层已沉积,这个温度是不允许的 PE-TEOS 对O3-TEOS 等离子体增强-TEOS 臭氧-TEOS 阶梯覆盖率: 50% 保形性: 87.5% 阶梯覆盖率: 90% 保形性: 100% CVD 氧化层 vs. 加热成长的氧化层 SiO2 Si Si SiO2 Si 热成长薄膜 硅裸片晶圆 CVD沉积薄膜 CVD二氧化硅应用 ? ? ? ? 钝化层 浅沟槽绝缘(STI) 侧壁空间层 金属沉积前的介电质层(PMD) ? 金属层间介电质层(IMD) 浅沟槽绝缘(STI) 成长衬垫氧化层 沉积氮化硅 蚀刻氮化硅 ,氧化硅与 硅基片 成长阻挡氧 化层 CVD USG 沟槽填充 CMP USG USG 退火 剥除氮化硅 与氧化硅 USG Si Si Si USG Si USG Si 浅沟槽绝缘 (STI) 侧壁空间层形成 二氧化硅 多晶硅栅极 二氧化硅侧壁空间层 多晶硅栅极 基片 基片 金属沉积前的介电质层(PMD) ? PMD:金属沉积前的流平层 ? 为降低流平温度,PMD一般为掺杂的氧化物 PSG或BPSG ? PSG(掺磷SiO2,即磷硅玻璃): 可减少硅玻璃 的加热回流温度,可以形成更为平坦的表面. ? BPSG (在PSG基础上掺硼形成的硼磷硅玻璃) :可以进一步减低回流的圆滑温度而磷的浓 度不会过量 PSG在摄氏1100 ° C, N2气氛中退火 20分钟回流圆滑情形 0wt% 2.2wt% 4.6wt% 7.2wt% 资料来源: VLSI Technology, by S.M. Sze 磷越高,回流的温度越低 BPSG在摄氏 850 ° C和N2气氛 中回流圆滑30分钟 PMD制程的发展 尺寸 2 mm PMD PSG BPSG 平坦化 回流圓滑 回流圓滑 再流動溫度 1100 。C 2 - 0.35 mm 0.25 mm 0.18 mm 850 - 900 。C 750 。C - BPSG PSG 回流圓滑+ CMP CMP CMP:化学机械抛光 化学机械抛光 CMP CMP(化学机械抛光)平坦化制程 金属 金属 金属 金属层间介电质层(IMD) ? 金属层间介电质层(IMD)主要起绝缘作用 ? 一般为未掺杂的硅玻璃 (USG) 或 FSG ? 温度受限于铝金属熔化 –通常是 400 °C ? 等离子体增强-四乙氧基硅烷, 臭氧-四 乙氧基硅烷 和 高密度等离子体 CVD氮化硅的特性与沉积方法 ? 很适合于作钝化层,因为 ? 它有非常强的抗扩散能力,尤其是钠和水 汽在氮化硅中的扩散系数很小; ?另外,还可以作PSG 或 BPSG的扩散阻挡层 CVD氧化硅与CVD氮化硅的特性 氧化硅 (SiO 2) 高介电强度, 1 x 107 V/cm 低介电常数, k = 3.9 对水气与可移动离子的阻挡性 不佳(Na+) 紫外线可穿透 可以被P或B掺杂 氮化硅 (Si 3N4) 高介电强度, 1 x 107 V/cm 高介电常数, k = 7.0 对水气与可移动离子的阻挡性佳(Na+) 氮化物紫外线-TEOS BPSG间隙填充 O3 TEOS BPSG 氮化硅阻擋層 金屬硅化物 多晶硅 具有深宽比4:1 的0.25 mm 间隙 LPCVD氮化硅薄膜 SiCl2H2(气)+4NH3 (气) →Si3N4 (固)+ 6HCl (气)+ 6H2 (气) 需要较高的沉积温度(700~800℃),可用作电容的介质层, 不适合作钝化层 PECVD氮化硅薄膜 SiH4(气)+NH3 (或N2气) →SixNy Hx+H2 (气) 沉积温度低(200~400℃),适合作钝化层 金属的化学气相沉积 ? 钨的电阻率比铝合金要大,但是比相应 的难熔金属硅化物及氮化物的电阻率要 低,其主要作用为: ? 钨塞(钨栓):当接触孔和通孔的最小 尺寸大于1μm时,用Al膜可以实现很好的 填充,但是对于特征尺寸小于1μm的工艺 ,Al无法完全填充接触孔和通孔,但 CVD钨则能完全填充。 ? 钨的另一用途为局部短程互联线 用钨填充接触孔和通孔的主要工 艺: ? (1)沉积接触层:通常是用Ti作接触层, 因为Ti与硅有更小的接触电阻; ? (2)沉积附着/阻挡层:通常是TiN,因为 钨对TiN有较好的附着性 ? (3)覆盖式化学气相沉积钨:典型工艺是两步沉 积,首先使用硅烷还原反应形成一薄层钨,大 约几十个纳米左右, 2WF6 (气)+ SiH4(气) →W(固)+3SiF4 (气) +6H2 (气) 然后用氢气还原反应沉积剩余的钨膜; 2WF6 (气)+ 3H2(气) →W(固)+6HF(气) 因为直接用氢气还原反应沉积的钨膜,在TiN表 面不能很好附着. ? (4)钨膜的回刻; ? (5)附着层与接触层的回刻。 硅化钨的化学气相沉积 ? 常常将钨、钛、钴等硅化物做在多晶硅薄膜上, 形成多层栅结构,以具有较低的方块电阻(相 对于单独的多晶硅而言)。 WF6 (气)+2SiH4(气) →WSi2(固)+6HF(气) +H2 (气) O3-TEOS BPSG间隙填充 O3 TEOS BPSG 氮化矽阻擋層 金屬矽化物 多晶矽 具有深宽比4:1 的0.25 mm 间隙 TiN的化学气相沉积 ? 钨的附着层 ? 阻挡层 ? 用CVD法制备的TiN,保形好, 6TiCl4 (气)+8NH3(气) →6TiN(固)+24HCl(气) +N2 (气) 上述方法需要在600℃以上的温度下进行, 只适合于接触孔的沉积 6Ti[N(CH3 )2] 4(气)+8NH3(气) →6TiN(固)+24HN(CH3)2(气) +N2 (气) 上述方法可以在400℃以下的温度下进行, 适合于接触孔和互联线通孔的沉积 介电质薄膜在CMOS电路的应用 金属硅化物 氮化硅 氧化硅 金属互连层 Metal 2, Al?Cu 抗反射 层ARC 金属沉积前 流平层PMD 氮化硅 防扩散层 侧壁空间层 SiO2 多晶硅栅 栅氧化层 STI W USG 金属 1, Al?Cu W n+ n+ BPSG USG p+ p+ P型井区 N型井区 P型外延层 P型晶圆 Al?Cu 第二钝化层 PD2 第一钝化层 PD1 多层金属间 绝缘层IMD W柱 改善W与SiO2 附着力的TiN 浅沟槽绝缘 层STI 改善接触电 阻的Ti 膜 作业 1、简述PVD的含义,PVD成膜主要有哪两种方法?简述各自的原理。 2、简述CVD的含义?简述APCVD、LPCVD和PECVD各自的主要特点。

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