07 第七章：沉积.pptx

第1页：第七章 沉积封面

(化学气相沉积)

第2页：化学气相沉积CVD的概念

• 化学气相沉积CVD的概念（ChemicalVaporDeposition）化学气相沉积是利用电阻加热、等离子体、光辐射等能源使某些气态物质发生化学反应，生成固态物质并在衬底表面形成薄膜的过程。
• 薄膜的概念薄膜是指在衬底上生长的薄固体物质，在三维结构中厚度远远小于长和宽。

第3页：薄膜特性（即集成电路对薄膜的要求）

薄膜特性（即集成电路对薄膜的要求）

1. 台阶覆盖能力好
2. 填充高深宽比间隙的能力好
3. 厚度均匀性好
4. 纯度和密度高

第4页：薄膜特性（即集成电路对薄膜的要求）

薄膜特性（即集成电路对薄膜的要求）

1. 化学剂量受控
2. 结构完整和应力低
3. 电学特性好
4. 对衬底材料或下层膜的粘附性好

第5页：台阶覆盖（a）

台阶覆盖（a）台阶覆盖太差（b）台阶覆盖好

第6页：台阶覆盖硅槽沉积SiO2的SEM照片

台阶覆盖硅槽沉积SiO2的SEM照片

第7页：高深宽比间隙填充

1

第8页：厚度均匀性

• 厚度均匀性好该特性主要依赖于设备的性能，一般≤±5%均匀性不好给刻蚀带来困难，影响器件良率
• 纯度和密度高高纯度意味着没有影响膜质量的化学元素和原子、很少的可动离子沾污和颗粒；高密度意味着薄膜的针孔和空洞少

第9页：化学剂量受控指薄膜的化学组分受控

• 化学剂量受控指薄膜的化学组分受控。沉积中化学反应复杂，工艺目标是所沉积薄膜的组份达到或接近化学反应方程式对应的组份比例（如SiO2、SixNy等）
• 结构完整和应力低结构完整意味着晶粒尺寸一致性好，若晶粒尺寸变化大→影响膜的电学和机械特性。膜应力大→衬底变形，膜分层、开裂。

第10页：电学特性好介质膜

电学特性好介质膜

电绝缘性能好、介电常数：高K↑低K↓金属膜：导电性能好、可靠性高

对衬底材料或下层膜的粘附性好粘附性好的薄膜与下层材料之间不分层、不开裂

第11页：成膜术语

• 成膜术语
• 金属层是电路中元器件的互连线。
• 介质层是硅器件与金属层之间或金属层与金属层的电绝缘层。也称为层间介质ILD（InterLayerDielectric）

第12页：集成电路所需要的各种薄膜在IC制造中

集成电路所需要的各种薄膜在IC制造中，热生长SiO2远远不够，还需要低温SiO2、Si3N4、poly－Si薄膜以及各种金属薄膜。MSI时代CMOS器件的各层薄膜

第13页：ULSI芯片中的各层金属薄膜

ULSI芯片中的各层金属薄膜

第14页：薄膜沉积技术分类

薄膜沉积技术分类、溅射

第15页：CVD生长过程

CVD生长过程

第16页：CVD生长过程

CVD生长过程

1. 质量传输：反应气体从反应腔入口区域传输至硅片表面的沉积区域
2. 膜先驱物的形成：气相反应导致膜先驱物（组成膜最初的原子和分子）和副产物的形成
3. 膜先驱物附着在硅片表面：大量的膜先驱物输运到硅片表面
4. 膜先驱物吸附：膜先驱物粘附在硅片表面成核

第17页：膜先驱物扩散

1. 膜先驱物扩散：膜先驱物向膜生长区域的表面扩散
2. 表面反应、连续成膜：表面化学反应导致膜沉积和副产物的生成
3. 副产物解吸：副产物从表面移除
4. 副产物去除：反应的副产物从沉积区域随气流流动到反应腔出口并排出岛生长成膜

第18页：CVD生长简化过程

CVD生长简化过程

第19页：CVD生长简化过程（平面示意图）

CVD生长简化过程（平面示意图）

第20页：影响CVD生长速率的因素

影响CVD生长速率的因素

1. 质量传输限制（常压CVD-APCVD）
2. 表面反应限制（低压CVD-LPCVD）
3. CVD气流动力学
4. CVD反应中的压力

第21页：CVD过程中的掺杂（原位掺杂）

• CVD过程中的掺杂（原位掺杂）
• 氧化硅掺杂1.生长磷硅玻璃（PSG）（做ILD－1）SiH4＋PH3＋O2 → SiO2＋P＋H2P2O5含量控制≤4％PSG的优点：1）吸附可动离子电荷改善器件表面2）降低玻璃的软化点温度易于平坦化PSG的缺点：易吸潮

第22页：CVD过程中的掺杂（原位掺杂）

• CVD过程中的掺杂（原位掺杂）
• 氧化硅掺杂2.生长硼磷硅玻璃（BPSG）（做ILD－1）SiH4＋PH3＋B2H6＋O2 → SiO2＋P＋B＋H2P2O5和B2O3的含量分别控制≤4％、2～6％BPSG的优点：具备PSG的优点，弥补PSG的缺点

第23页：CVD过程中的掺杂（原位掺杂）

CVD过程中的掺杂（原位掺杂）

氧化硅掺杂BPSG的优点

降低玻璃的软化点温度易于平坦化回流温度：800℃～1000℃（a）回流前（b）回流后

第24页：CVD过程中的掺杂（原位掺杂）

• CVD过程中的掺杂（原位掺杂）
• 氧化硅掺杂3.生长氟硅玻璃（FSG）（做ILD－2及以上）FSG的优点：做低K介质，降低氧化硅的介电常数氧化硅SiO2（SG）的介电常数：3.9氟化硅（FSG）的介电常数：3.5

第25页：CVD过程中的掺杂（原位掺杂）

CVD过程中的掺杂（原位掺杂）

多晶硅掺杂（用途

掺杂的多晶硅做MOS晶体管的栅电极）生长掺磷的多晶硅（Poly－Si）SiH4＋PH3→ Si＋P＋H2

介质掺杂与硅掺杂的区别

第26页：APCVD（常压CVD）

• APCVD（常压CVD）
• APCVD系统

第27页：APCVD工艺

APCVD工艺

APCVD SiO2

掺杂和不掺杂的主要用做ILD、浅槽介质填充和侧墙等。1）用2～10％的SiH4沉积SiO2SiH4＋O2→SiO2＋H2温度：450℃～500℃压力：760Torr缺点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都很差。

第28页：2）用TEOS

用TEOS（正硅酸乙酯）+臭氧的方法沉积SiO2Si（C2H5O4）＋8 O3→ SiO2＋10 H2O＋8CO2温度：400℃压力：760Torr沉积速率：100nm/min优点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都较好。APCVD的一大优点：沉积速率快。APCVD的缺点：膜致密性差，颗粒多。

第29页：LPCVD（低压CVD）

• LPCVD（低压CVD）
• LPCVD系统

第30页：LPCVD工艺

LPCVD工艺

LPCVD SiO2

掺杂和不掺杂的主要用做ILD、浅槽介质填充和侧墙等。1）用SiH4沉积SiO2：SiH4＋O2→SiO2＋H2温度：450℃压力：0.1～5.0Torr缺点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都差。

第31页：2）用TEOS热分解沉积SiO2

用TEOS热分解沉积SiO2：Si（C2H5O4）→SiO2＋H2O＋CO2温度：650℃～750℃压力：0.1～5.0Torr沉积速率：10～15nm/分（远远小于APCVD）优点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都好。LPCVD的优点：膜致密，颗粒少。LPCVD的缺点：沉积速率慢。

第32页：APCVD与LPCVD SiO2工艺比较

第33页：LPCVD Si3N4

LPCVD Si3N4

LPCVD Si3N4的用途

1. 在局部氧化（LOCOS）中，做氧化阻挡层
2. 做硬掩膜用于浅槽隔离
3. 用做电容介质

工艺

SiH2Cl2＋4 NH3→ Si3N4＋6 HCl＋6 H2温度：700℃～800℃压力：0.1～5.0Torr

第34页：影响Si3N4薄膜质量的主要因素

影响Si3N4薄膜质量的主要因素

1. 总反应压力
2. 反应物浓度
3. 沉积温度和温度梯度

第35页：LPCVD Poly－Si（多晶硅）

LPCVD Poly－Si（多晶硅）

LPCVD Poly－Si的用途

1. 掺杂的Poly－Si在MOS器件中用做栅电极
2. 掺杂的Poly－Si做多晶电阻及桥联
3. PIP电容的上下电极

工艺

SiH4→ Si＋2 H2温度：575℃～650℃压力：0.2～1.0Torr沉积速率：10～20nm/分

第36页：掺杂的Poly－Si做栅电极的原因

掺杂的Poly－Si做栅电极的原因

1. 通过掺杂可得到特定的电阻
2. 与SiO2有优良的界面特性
3. 和后续高温工艺的兼容性
4. 比金属电极（如Al）更高的可靠性
5. 在陡峭的结构上沉积的均匀性

第37页：原位掺杂Poly－Si

原位掺杂Poly－Si

AsH3、PH3、B2H6

非原位掺杂Poly－Si

也可在沉积后进行扩散或离子注入掺杂

第38页：PECVD（等离子增强CVD）

• PECVD（等离子增强CVD）
• PECVD（PlasmaEnhancedCVD）
• PECVD的概念PECVD是在真空腔中，通过给反应气体施加等离子体能量（即通常施加射频功率几百瓦，频率几百千赫），使反应气体激发产生化学活性很强的分子、原子，加速化学反应沉积成膜。

第39页：PECVD系统

PECVD系统

第40页：PECVD设备

PECVD设备美国TRION公司的MINI型设备

第41页：PECVD SiO2工艺

PECVD SiO2工艺

1）用SiH4＋O2沉积SiO2：SiH4＋O2→SiO2＋H2温度：350℃压力：0.1～1.0Torr沉积速率：50～60nm/min缺点：颗粒较多

第42页：2）用SiH4＋N2O沉积SiO2

用SiH4＋N2O沉积SiO2：SiH4＋2N2O→SiO2＋2N2＋2H2温度：350℃压力：0.1～1.0Torr沉积速率：50～60nm/min优点：颗粒少

第43页：PECVD SiO2的特点

PECVD SiO2的特点

1. 成膜温度低（通常在300℃～400℃）
2. 沉积速率高
3. 冷壁反应，产生颗粒少
4. 与APCVD SiO2比更均匀，针孔少

PECVD SiO2的用途

1. 用做ILD、浅槽介质填充和侧墙等
2. 做顶层的钝化层

第44页：PECVD氮化硅工艺

PECVD氮化硅工艺SiH4＋NH3→ SixNYHZ＋H2SiH4＋N2→ SixNYHZ＋H2温度：350℃压力：0.1～1.0Torr沉积速率：20～30nm

第45页：PECVD氮化硅的特点

PECVD氮化硅的特点

1. 冷壁反应，产生颗粒少
2. 氮化硅膜的成分不成化学比
3. 应力比较大

PECVD氮化硅的用途

主要做芯片顶层的钝化层

第46页：各种CVD工艺特点比较

第47页：介电常数（K）

介电常数（K）

是指材料在电场影响下存储电势能的有效性，是代表隔离材料作为电容的能力。在先进IC技术中，高K、低K介质并用。

互连延迟

IC的集成度不断提高，互连线宽度减小使得传输信号导线电阻（R）增大，且导线间距也缩小使导线间的寄生电容（C）增加，最终增加了RC信号延迟降低芯片速度。

第48页：器件隔离

器件隔离

在IC制造中的器件隔离技术为硅片上的器件提供了电学隔离。

MOS IC的隔离原理

在IC制造中，消除寄生MOS晶体管效应。

介质隔离技术

1. 局部氧化（LOCOS）－≥0.35μm器件
2. 浅槽隔离（STI）－≤0.25μm器件

第49页：STI的优点

STI的优点

1. 隔离面积小
2. 抗闩锁能力强NMOS阈值电压公式

第50页：外延的概念

• 外延的概念外延是在单晶衬底上生长与衬底晶格结构、晶向完全相同的单晶薄膜的过程。
• 硅气相外延VPE（VaporPhaseEpitaxy）：是利用硅的气态化合物（例如通常是SiCl4、SiH2Cl2）和H2在真空腔中加热反应沉积在单晶衬底上。

第51页：外延VPE工艺

• 外延VPE工艺
• VPE是化学气相沉积（CVD）技术之一，其工艺如下：SiCl4＋H2→ Si＋HCl（用于常压外延）SiH2Cl2＋H2→ Si＋HCl（用于低压外延）反应温度：1100～1200℃射频感应加热反应压力：60～150Torr生长速率：300nm/min外延设备：国内外现流行桶式反应炉

第52页：外延掺杂在反应腔通入AsH

外延掺杂在反应腔通入AsH3、PH3、B2H6可实现砷、磷、硼等杂质在外延中的掺杂，形成不同掺杂浓度的N型硅外延层或P型硅外延层。

第53页：外延自掺杂现象

自掺杂现象通常的硅外延基片是高浓度掺杂的衬底，在高温外延过程中，衬底中的杂质向外延层中扩散的过程称为自掺杂现象。自掺杂现象影响外延质量，给外延层掺杂带来困难。低压外延可大大减轻自掺杂现象。

第54页：外延的特点

外延的特点根据要求控制导电类型、电阻率、厚度等且与衬底的掺杂种类、掺杂浓度无关，基于此能做出性能优良的IC器件。例如双极工艺及BCD工艺。

第55页：本章作业

1. 请回答化学气相沉积CVD的概念
2. 描述CVD生长的简化过程。写出影响CVD生长速率的因素
3. 沉积多晶硅采用什么CVD工具？写出掺杂的Poly－Si做栅电极的6个原因