CVD的原理与工艺课件.ppt

1、第七章 化学气相淀积膜淀积膜淀积 集成电路制造过程中，常需要在衬底上生长固体材料层；集成电路制造过程中，常需要在衬底上生长固体材料层；若固体膜三维尺寸中，某一维尺寸（通常指厚度）远远小于另外若固体膜三维尺寸中，某一维尺寸（通常指厚度）远远小于另外两维上的尺寸，称为两维上的尺寸，称为薄膜薄膜，通常描述薄膜厚度的单位是埃。，通常描述薄膜厚度的单位是埃。薄膜淀积：任何在硅片衬底上物理沉淀聚积一层薄膜的工艺。薄膜淀积：任何在硅片衬底上物理沉淀聚积一层薄膜的工艺。薄膜特性薄膜特性 硅片加工中可接受的膜必须具备一定特性：硅片加工中可接受的膜必须具备一定特性：台阶台阶覆盖能力、深宽比间隙填充能力、覆盖能力、

2、深宽比间隙填充能力、厚度均匀性、可厚度均匀性、可控化学剂量、膜纯度与密度、膜应力、电学特性与控化学剂量、膜纯度与密度、膜应力、电学特性与粘附性等。粘附性等。深宽比间隙填充能力深宽比间隙填充能力 深宽比用于描述小间隙尺寸，高宽深比的膜淀积容深宽比用于描述小间隙尺寸，高宽深比的膜淀积容易产生易产生夹断或空洞夹断或空洞，因此进行无空洞、均匀填充是薄，因此进行无空洞、均匀填充是薄膜淀积工艺的重点。膜淀积工艺的重点。其他性质其他性质厚度均匀性：需淀积处薄膜的厚度均匀一致性，薄膜厚度影厚度均匀性：需淀积处薄膜的厚度均匀一致性，薄膜厚度影响材料电阻，进而影响器件电特性；响材料电阻，进而影响器件电特性；可控化

3、学剂量：化学反应处于动态平衡状态，反应式两端参可控化学剂量：化学反应处于动态平衡状态，反应式两端参与反应物质的量决定了淀积所得膜组分；与反应物质的量决定了淀积所得膜组分；膜纯度和密度：纯度和密度决定影响膜质量的化学元素或原膜纯度和密度：纯度和密度决定影响膜质量的化学元素或原子的多少和膜层中针孔或空洞多少；子的多少和膜层中针孔或空洞多少；膜应力往往会导致硅片变形，造成膜的开裂与分层等；膜的膜应力往往会导致硅片变形，造成膜的开裂与分层等；膜的电特性和粘附性对器件可靠性和膜层质量有重要影响。电特性和粘附性对器件可靠性和膜层质量有重要影响。薄膜生长步骤薄膜生长步骤 膜淀积过程有三个不同阶段：膜淀积过程

4、有三个不同阶段：第一步，晶核的形成：成束的稳定小晶核；第一步，晶核的形成：成束的稳定小晶核；第二步，聚集成束第二步，聚集成束岛生长：岛束沿随机方向生长；岛生长：岛束沿随机方向生长；第三步，形成连续的膜：岛束汇集并延伸铺展；第三步，形成连续的膜：岛束汇集并延伸铺展；膜淀积技术膜淀积技术 硅片的表面淀积会在硅片上形成一层连续的薄硅片的表面淀积会在硅片上形成一层连续的薄膜，成膜物质来自外部源，其中源种类可分为膜，成膜物质来自外部源，其中源种类可分为气气体源和固体源体源和固体源。按淀积工艺涉及的反应方式分为：按淀积工艺涉及的反应方式分为：化学气相淀积化学气相淀积（Chemical Vapor Depo

5、sition，CVD）物理气相淀积物理气相淀积（Physical Vapor Deposition，PVD）化学气相淀积化学气相淀积CVD：在反应室内，气态反应物经化学反应生成固态物：在反应室内，气态反应物经化学反应生成固态物质并淀积在硅片表面的薄膜淀积技术；质并淀积在硅片表面的薄膜淀积技术；PVD：通过蒸发、电离或溅射等过程，产生固态粒子沉：通过蒸发、电离或溅射等过程，产生固态粒子沉积在硅片表面或继续与气体反应得到所需薄膜。积在硅片表面或继续与气体反应得到所需薄膜。CVD的基本特征：的基本特征：1、产生化学变化（化学反应或热分解）；、产生化学变化（化学反应或热分解）；2、膜中所有材料都来源于

6、外部的源；、膜中所有材料都来源于外部的源；3、CVD工艺中反应物必须以气相形式参与反应；工艺中反应物必须以气相形式参与反应；CVD化学过程化学过程CVD包括的五种基本化学反应过程：包括的五种基本化学反应过程：1、高温分解：、高温分解：无氧条件下加热分解化合物（化学键断裂）；无氧条件下加热分解化合物（化学键断裂）；2、光分解：、光分解：利用辐射能使化合物化学键断裂；利用辐射能使化合物化学键断裂；3、还原反应：、还原反应：化合物分子与氢气发生的反应；化合物分子与氢气发生的反应；4、氧化反应：、氧化反应：反应物与氧发生的反应；反应物与氧发生的反应；5、氧化还原反应：、氧化还原反应：氧化与还原反应的组

7、合，生成两种新化合物氧化与还原反应的组合，生成两种新化合物选择依据：选择依据：淀积温度、膜特性和加工设备要求淀积温度、膜特性和加工设备要求等因素。等因素。CVD化学原理与步骤化学原理与步骤原理：气相反应物中生长晶体的复相物理原理：气相反应物中生长晶体的复相物理-化学过程化学过程第一步：气体传输至淀积区域第一步：气体传输至淀积区域第二步：膜先驱物的形成与输运第二步：膜先驱物的形成与输运第三步：膜先驱物粘附与扩散第三步：膜先驱物粘附与扩散第四步：表面反应，导致膜淀积和副产物的形成第四步：表面反应，导致膜淀积和副产物的形成第五步：副产物的移除（表面和反应腔）第五步：副产物的移除（表面和反应腔）CVD

8、传输和反应步骤传输和反应步骤CVD反应控制要点反应控制要点 温度与反应速率的限制：温度升高，表面反应速度增加，温度与反应速率的限制：温度升高，表面反应速度增加，过程速率最慢环节过程速率最慢环节决定整个淀积过程的速度。决定整个淀积过程的速度。常压下，常压下，CVD速率不会超过主气体流质量传输速率速率不会超过主气体流质量传输速率-质量传输限制淀积工艺质量传输限制淀积工艺。低压下，表面反应速度较低，淀积速度受表面反应低压下，表面反应速度较低，淀积速度受表面反应速度限制速度限制-反应速度限制反应速度限制CVD工艺工艺 CVD气体流动对淀积膜的均匀性有较大影响，要求有气体流动对淀积膜的均匀性有较大影响，

9、要求有足够量的分子在合适的时间出现在合适的反应区域。足够量的分子在合适的时间出现在合适的反应区域。CVD气体流动气体流动CVD方法分类方法分类 不同的不同的CVD工艺具有不同的反应腔设计，工艺具有不同的反应腔设计，CVD反应依据反应依据反应腔中的压力可分为反应腔中的压力可分为常压常压CVD（APCVD）和减压）和减压CVD，其中减压其中减压CVD又分为低压又分为低压CVD（LPCVD）、等离子增强减）、等离子增强减压压CVD（PECVD）及高密度等离子增强）及高密度等离子增强CVD。各类各类CVD反应的区别主要在于反应的区别主要在于环境压力的高低和输入能环境压力的高低和输入能量方式的不同量方式

10、的不同。APCVD属于质量传输限制属于质量传输限制CVD工艺的一种，必须保证工艺的一种，必须保证反应气体能等量到达每片硅片。反应气体能等量到达每片硅片。APCVDLPCVD LPCVD属于属于反应速度限制反应速度限制CVD工艺工艺的一种，在减压的条的一种，在减压的条件下，增加反应气体扩散以获得更高的气体质量传输不再件下，增加反应气体扩散以获得更高的气体质量传输不再影响影响CVD反应速度，严格控制温度可在大量硅片表面淀积反应速度，严格控制温度可在大量硅片表面淀积形成均匀的膜。形成均匀的膜。由于低压，由于低压，LPCVD中的边界层距离硅片表面更远，边界中的边界层距离硅片表面更远，边界层分子密度低，使得反应气体很容易通过边界层，使硅片层分子密度低，使得反应气体很容易通过边界层，使硅片表面接触足够的反应气体分子：表面接触足够的反应气体分子：反应速度限制工艺反应速度限制工艺。LPCVD