1、第十章第十章薄膜化學汽相淀積（薄膜化學汽相淀積（CVDCVD）技術）技術10.1. 化學汽相淀積（化學汽相淀積（CVDCVD）原理）原理10.1.1. 薄膜生長的基本過程(與外延相似)外延是一特殊的薄膜生長1)參加反應的氣體混合物被輸運到沉積區2)反應物分子由主氣流擴散到襯底表面3)反應物分子吸附在襯底表面4）吸附物分子間或吸附分子與氣體分子間 發生化學反應，生成化學反應產物和副產物，并沉積在襯底表面（或原子遷移到晶格位置）5）反應副產物分子從襯底表面解吸6）副產物分子由襯底表面外擴散到主氣流 中，然后排出沉積區10.1.2. Grove模型 和質量附面層模型Grove模型 :F1=hG(CG

2、-CS)F2=kSCSG=F/m =kShG/(kS+hG)(CT/ m)YG=hG（CG/ m）為高溫下的質量輸運控制G=kS（CG/ m）為較低溫下的表面反應控制質量附面層（速度界面層）模型:可得：所以：eLmRLvLL3232002323vLLDRLDDhmGeLGGGaGTTDD00KTESekCVD原理的特點？10.2. CVD反應室氣相沉積的反應控制模式主要為質量輸運控制和表面反應控制。質量輸運控制：質量輸運控制：工藝容易控制；反應溫度較高，生成膜的質量較好，但容易引入污染和外延時的自摻雜，可能存在工藝上的不兼容；設備簡單；生長與氣流有關，厚度均勻性不易控制。表面反應控制：表面反應

3、控制：生長反應與氣流無關，因而均勻性好，產量高；生長速率與溫度有關，較難控制；生長溫度低，污染小，但容易產生缺陷。通過降低反應時的總氣壓，可以使DG（hG）增加，從而實現表面反應控制。在這種情況下，生長速率降低，即使在進一步降低反應溫度，也能較好地控制厚度和缺陷。10.2.1 常壓CVD （APCVD）13.5特點：溫度高，不適宜生長某些鈍化膜應用：較厚的膜生長生長速率：m/min10.2.2 低壓CVD （LPCVD）13.6通過降低反應時的總氣壓(0.252.0torr)，可以使DG（hG）增加，從而實現表面反應控制。在這種情況下，生長速率降低（nm/min） ，即使在進一步降低反應溫度(

4、500700C)，也能較好地控制厚度和缺陷。由于溫度低，反應生成的原子、分子的遷移動能低，容易形成堆積缺陷；因而有些介質膜不宜用LPCVD技術。10.2.3 PECVD (13.7)為了進一步提高成膜質量，進一步降低反應溫度和提高生長速率，采用了等離子增強CVD。10.3. 薄膜的性質及其生長10.3.1. SiO2膜CVD生長的SiO2膜的質量遠不如熱氧化SiO2膜。因而主要用于表面鈍化和隔離介質膜工藝。而PSG已逐步成為主要的表面鈍化表面鈍化膜。 CVD生長的SiO2也用于化合物半導體器件。目前在金屬化之前主要采用TEOS-LPCVD，而在金屬化后主要采用PECVD技術(?) 。TEOS（

5、tetraethoxysilane，or Tetraethyl OrthoSilicate）（Si(OC2H5)4）四乙基硅氧化膜的主要特點是臺階覆蓋能力好，但生長溫度較高，介電參數稍差。主要用于抗Al電遷移的“阻擋層”(?)和深槽的“間隙壁”。（page 145 表、146頁圖）10.3.2. PSG和BPSG膜在TEOS氧化中加入少量磷或磷硼源（如：TMPO、TEB等）可形成PSG和BPSG。PSG和BPSG膜的特點：金屬離子吸除作用和低溫熱熔流特性PSG具有比SiO2更好的低溫熔流性而用于平坦化工藝，由于由于PSG的穩定性較差，且對的穩定性較差，且對Al有有腐蝕作用，現多用腐蝕作用，現多

6、用BPSG。 10.3.3. 氮化硅（Si3N4）和SiOxNy膜由于Si3N4非常穩定和雜質掩蔽性，在IC工藝中主要作為掩膜或外層保護膜。1）SiO2膜刻蝕的掩蔽2）離子注入掩蔽膜3）掩蔽SiO2膜不能掩蔽的雜質，如：Ga、Zn4）局部氧化（LOCOS）掩蔽膜5）多層布線金屬間的介質隔離膜6）抗堿金屬擴散但Si3N4/Si界面的應力很大，不宜直接在Si上生長Si3N4膜。SiOxNy膜是解決這一問題的途徑之一。氮化硅有結晶化形和無定形兩種在器件中常希望無定形氮化硅（？）（？）用反應濺射法等物理方法和低溫CVD法可以制備無定形氮化硅膜，但以CVD為好。 （？）（？）常用PECVD法：3SiH2

7、Cl2+7NH3Si3N4+3NH4Cl+HCl+6H2用SiH2Cl2比用SiH4生長的膜致密。刻蝕：氫氟酸、磷酸、氟基等離子體Si3N4膜SiO2膜Si濃HF中的腐蝕速率（埃/分） 15050000緩沖HF中的腐蝕速率（埃/分）151000磷酸中的腐蝕速率（埃/分）100105氟基等離子體腐蝕速率（埃/分）110206010.3.4. Al2O3膜特點：存在負電荷效應（可制Al2O3-SiO2復合柵結構MAOS）（？）抗輻照能力強抗堿金屬遷移耐腐蝕性好（包括NaOH）Al2O3膜也有結晶化形和無定形兩種CVD：2AlCl3+3CO2+3H2Al2O3+3CO+6HCl腐蝕：磷酸、氟基等離子

8、體Al2O3膜的缺點：應力大、工藝穩定性差、 可光刻性差10.3.4. 多晶硅膜Poly-Si1）半絕緣多晶硅膜（SIPOS）的特性和器件工藝作用是一種近于電中性的半導體材料；與Si的界面上的界面態少；有獨特機理的表面鈍化作用：a）表面離子沾污的靜電屏蔽b）提高器件的耐壓水平利用SIPOS膜的微弱導電性，p+區所加的負電位傳到n區的表面；與SiO2膜中的正電荷作用相反，這種負電位使Si表面附近的電子濃度減少，從而使耗盡區的表面電場被削弱。（功率器件的終端技術之一）2）SIPOS膜的生長工藝LPCVD：SiH4Si+2H2 600650C分解 a）工藝難點：純度的保證高阻半絕緣性106 cm膜的

9、均勻致密b）生長時適當加入一定濃度的氧（15%），形成的O-SIPOS膜的電阻率可提高（ 108 cm）c）摻入氮（N-SIPOS）可提高抗金屬離子和水汽的浸蝕d）SIPOS膜的表面通常覆蓋一層SiO2膜e）加入PH4、AsH4和BH4等可生長出高電導的摻雜多晶硅3）摻雜多晶硅在器件中的作用a）MOS柵的自對準工藝 b）MOS感應柵可讀寫和閃存器件10.3.5. 金屬材料CVD金屬膜的生長以物理濺射為基本方法，但由于其方向性，使其臺階覆蓋能力不好；合金膜和硅化物的組成配比較難控制。1）金屬硅化物的CVD如LPCVD：2WF6+SiH42WSix+3SiF4+14H2 6TiCl4+NH36Ti

10、N+24HCl+N2Dep-Etch-Dep ProcessFilm deposited with PECVD creates pinch-off at the entrance to a gap resulting in a void in the gap fill.Key-hole defectBread-loaf effectMetalSiO2The solution begins here1) Ion-induced deposition of film precursors2) Argon ions sputter-etch excess film at gap entrance r

11、esulting in a beveled appearance in the film.3) Etched material is redeposited. The process is repeated resulting in an equal “bottom-up” profile.Cap2）金屬膜的CVDa）鎢鎢插塞：多層金屬布線間的互連覆蓋能力強、內應力小、附著力好工藝： （閱讀） b）鋁AlC4H93TIBA 250C分解 CH32C2H5N:AlH3DMEAA 200C分解High Aspect Ratio GapPhotograph courtesy of Integrate

12、d Circuit Engineering10.3.5. 光學與光電子學薄膜薄膜生長小結薄膜生長小結半導體器件制造中的薄膜主要有a) 外延層薄膜（主要用CVD技術生長，新技術有MOCVD和MBE等，某些材料需要用液相外延，替代技術有注氧隔離，直接鍵合等）b）金屬與合金薄膜（主要用蒸發和濺射兩種物理方法，某些金屬用CVD和電化學方法）c）介質材料薄膜和多晶硅薄膜（主要用CVD技術生長）2）薄膜材料生長的基本技術與原理a) 物理方法（蒸發和濺射的基本原理，技術特點和工藝特點，主要的工藝控制條件，襯底加熱的工藝作用，后快速熱處理的工藝作用，MBE是一種高精度蒸發技術）b）CVD技術（CVD的基本原理，技術特點和工藝特點，主要的工藝控制條件，源材料的選擇，外延是一種特殊的CVD薄膜）c）“過度層”薄膜的作用d）臺