半导体制造工艺第5章-化学气相淀积.ppt

半导体制造工艺第5章-化学气相淀积 第5章　化学气相淀积 第5章　化学气相淀积 5.1　概述5.2　化学气相淀积5.3　化学气相淀积系统5.4　外延5.5　CVD质量检测5.6　淀积工艺模拟 5.1　概述 5.1.1　薄膜淀积的概念 　　所谓薄膜，是指一种在硅衬底上生长的薄固体物质。薄膜与硅片表面紧密结合，在硅片加工中，通常描述薄膜厚度的单位是纳米（nm）。半导体制造中的薄膜淀积是指在硅片衬底上增加一层均匀薄膜的工艺。在硅片衬底上淀积薄膜有多种技术，主要的淀积技术有化学气相淀积（CVD）和物理气相淀积（PVD），其他的淀积技术有电镀法、旋涂法和分子束外延法。化学气相淀积(CVD)是通过混合气体的化学反应生成固体反应物并使其淀积在硅片表面形成薄膜的工艺。而物理气相淀积（PVD）是不需通过化学反应，直接把现有的固体材料转移至硅片表面形成薄膜的工艺。电镀法是制备铜薄膜时主要采用的淀积技术。旋涂法采用的设备是标准的旋转涂胶机，比CVD工艺更经济，通常用于制备低k（k指介电常数）绝缘介质膜。 5.1　概述 分子束外延法是一种制备硅外延层的较先进的淀积技术。5.1.2　常用的薄膜材料　　在半导体制造中所包含的薄膜材料种类很多，早期的芯片大约含有数十种，而随着集成电路结构和性能的发展，芯片中薄膜材料种类也越来越多，如图5?1所示，这些薄膜材料在器件中都起到了非常重要的作用。总的来说，薄膜材料的种类可分为金属薄膜层、绝缘薄膜层和半导体薄膜层三种。 图5-1　早期和现代MOS结构中的各层薄膜 5.1　概述 1) 金属薄膜层在半导体制造中的应用主要是制备金属互连线。2) 常见的绝缘薄膜材料有二氧化硅(SiO2)、掺杂二氧化硅(如PSG、BPSG)、氮化硅(Si3N4)等。3) 半导体薄膜材料主要有多晶硅、外延硅层等。5.1.3　半导体制造中对薄膜的要求　　在图5?1中给出了制作一个早期NMOS管所需的淀积层。图中器件的特征尺寸远大于。由于特征高度的变化，硅片上的各层薄膜并不平坦，质量不高。这成为超大规模集成电路时代所需的多层金属、高密度芯片制造的限制因素。随着硅片加工向更高的芯片密度发展，特征尺寸缩小到0．18μm甚至更小，而且需要用到6层甚至更多层金属来做连接。这使得在硅片上可靠地沉积符合要求的薄膜材料至关重要。 5.1　概述 1.良好的台阶覆盖能力2. 填充高的深宽比间隙的能力 图5-2　薄膜的台阶覆盖 5.1　概述 图5-3　高深宽比通孔填充效果比较 5.1　概述 3. 良好的厚度均匀性 4. 高纯度和高密度5. 高度的结构完整性和低的膜应力 图5-4　薄膜中晶粒的成核与生长过程 图5-5　膜应力导致硅片衬底发生变形 6. 对衬底材料或下层膜良好的粘附性 5.2　化学气相淀积 5.2.1　化学气相淀积的概念　　化学气相淀积（CVD）是通过混合气体的化学反应生成固体反应物并使其淀积在硅片表面形成薄膜的工艺。反应产生的其他副产物为挥发性气体，离开硅片表面并被抽出反应腔。硅片表面及其邻近的区域被加热以向反应系统提供附加的能量。 5.2　化学气相淀积 5.2.2　化学气相淀积的原理 　　化学气相淀积工艺的反应在炉管反应腔内进行，同时必须使化学反应发生在硅片表面或者非常接近表面的区域（表面催化），这样可以生成高质量的薄膜。而如果反应发生在距离硅片表面较远的地方，会导致反应物粘附性差、密度低和缺陷多，这是必须避免的。例如：利用硅烷和氧气经过化学反应淀积SiO2膜，其反应的生成物SiO2淀积在硅片表面，同时生成了气态的副产物氢气，氢气经排气系统排出炉管外。反应式如下： 图5-6　CVD的主要反应过程 5.2　化学气相淀积 ① 气态反应剂被输送至反应腔，以平流形式向出口流动。② 反应剂从主气流区以扩散方式通过边界层到达硅片表面。③ 反应剂被吸附到硅表面。④ 被吸附到硅表面的原子(分子)在衬底表面发生化学反应，生成固态物质淀积成膜。⑤ 反应产生的气态副产物和未反应的反应剂离开衬底，排出系统。 5.3　化学气相淀积系统 5.3.1　APCVD常压化学气相淀积（APCVD）是指在一个大气压下进行的一种化学气相淀积的方法，这是最初采用的CVD方法。这种方法工艺系统简单，工艺温度是400~600℃，反应速度和淀积速度快（淀积速度可达1000 nm/min），但其淀积的薄膜均匀性较差，气体消耗量大，且台阶覆盖能力差，因此APCVD常被用于淀积相对较厚的介质层（如PSG或BPSG等）。 图5-7　APCVD系统 5.3　化学气相淀积系统 1. SiO2的淀积1)硅烷(SiH4)法是用O2氧化SiH4来淀积SiO2。2)TEOS-O3法是使用正硅酸乙酯(TEOS)与O3反应淀积SiO2。2. 掺杂SiO2的淀积 图5-8