1、8.3 化学气相沉积（CVD）定义：定义：利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态淀利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态淀积物的过程积物的过程Chemical Vapor Deposition(CVD)，Vapor phase epitaxy(VPE)；不需要高真空；可沉积各种金属，半导体，无机物，不需要高真空；可沉积各种金属，半导体，无机物，有机物；可控制材料的化学计量比；批量生产，半有机物；可控制材料的化学计量比；批量生产，半连续流程；连续流程；1第1页，共164页。CVD技术的在工业生产中的重要性技术的在工业生产中的重要性2第2页，共164页。气体活化方式的不同：普通气体活化
2、方式的不同：普通CVD、等离子体增强、等离子体增强CVD(PECVD)，光，光CVD；金属有机源金属有机源CVD(MOCVD)等等;低压低压CVD(LPCVD,10100Pa)，常压，常压CVD(APCVD,1atm)高温高温CVD(500oC)，低温，低温CVD(500oC)CVD分类：分类：3第3页，共164页。CVD技术沉积薄膜中的气体输运和反应过程技术沉积薄膜中的气体输运和反应过程4第4页，共164页。在主气流区域，反应物从反应器入口到分解区域的质在主气流区域，反应物从反应器入口到分解区域的质量输运；量输运；气相反应产生新的反应物（前驱体）和副产物；气相反应产生新的反应物（前驱体）和副
3、产物；初始反应的反应物和生成物输运到衬底表面；初始反应的反应物和生成物输运到衬底表面；这些组分在衬底表面的吸附；这些组分在衬底表面的吸附；衬底表面的衬底表面的异相催化反应异相催化反应，形成薄膜；，形成薄膜；表面反应产生的挥发性副产物的脱附；表面反应产生的挥发性副产物的脱附；副产物通过对流或扩散离开反应区域直至被排出。副产物通过对流或扩散离开反应区域直至被排出。CVD过程过程5第5页，共164页。Schematic diagram of the chemical,transport,and geometrical complexities involved in modeling CVD pro
4、cesses.6第6页，共164页。化学气相淀积所用的反应体系要符合的基本要求：化学气相淀积所用的反应体系要符合的基本要求：1.能够形成所需要的材料淀积层或材料层的组合，其它反应能够形成所需要的材料淀积层或材料层的组合，其它反应产物均易挥发（需要作产物均易挥发（需要作CVD相图）；相图）；2.反应剂在室温下最好是气态，或在不太高的温度下有相反应剂在室温下最好是气态，或在不太高的温度下有相当的蒸气压，且容易获得高纯品；当的蒸气压，且容易获得高纯品；3.在沉积温度下，沉积物和衬底的蒸汽压要足够低；在沉积温度下，沉积物和衬底的蒸汽压要足够低；4.淀积装置简单，操作方便工艺上重复性好，适于批淀积装置简
5、单，操作方便工艺上重复性好，适于批量生产，成本低廉量生产，成本低廉7第7页，共164页。热分解反应（热分解反应（Pyrolysis）还原反应（还原反应（Reduction）氧化反应氧化反应(Oxidation)反应沉积反应沉积(Compound formation)歧化反应歧化反应(Disproportionation)可逆输运可逆输运主要反应类型：主要反应类型：一、反应类型一、反应类型8第8页，共164页。oooo650 C4(g)(s)2(g)180 C4(g)(s)(g)740 C25422420 C37323362SiHSi+2HNi(CO)Ni+4COSi(OC H)SiO+H O+
6、C-H2Al(OC H)Al O+6C H+3H O 1)热分解反应：气态氢化物、羟基化合物等在炽热热分解反应：气态氢化物、羟基化合物等在炽热基片上热分解沉积。基片上热分解沉积。9第9页，共164页。ooo600 C222800900 C338001000 C33Pt(CO)ClPt+2CO+ClGaClNHGaN+3HClAlClNHAlN+3HCl 10第10页，共164页。2)还原反应（还原反应（Reduction）:用氢气作为还原剂还原气用氢气作为还原剂还原气态的卤化物、羰基卤化物和含氧卤化物。态的卤化物、羰基卤化物和含氧卤化物。4HCl(g)Si(s)(H2SiCl0120024Cg
7、HF(g)6W(s)(H3WF030026 CgHF(g)6Mo(s)(H3MoF030026 Cg11第11页，共164页。3)氧化反应(Oxidation)ooo450 C4(g)2(g)2(s)2(g)1000 C3(g)2(g)2(g)23(s)(g)(g)1500 C4(g)2(g)2(g)2(s)(g)SiH+OSiO+2H2AlCl3H+3COAl O+3CO+6HClSiCl+O+2HSiO+4HCl 12第12页，共164页。4)反应沉积反应沉积(Compound formation)ooo1400 C4(g)4(g)(s)(g)1000 C4(g)4(g)(s)(g)110
8、0 C3(g)3(g)(s)(g)SiCl+CHSiC+4HClTiClCHTiC+4HClBF+NHBN+3HF 4(g)66(g)4(g)38(g)4(g)24(g)4(g)614(g)3(g)4(g)4(g)653(g)33333 22SiCl+C HSiCl+C H,SiBr+C HSiCl+C H,SiHCl+CCl,SiCl+C H CHCH SiCl,CH SiH,(CH)SiCl，SiC可选不同源料：可选不同源料：13第13页，共164页。oo750 C22(g)3(g)34(s)2(g)(g)300 C433423 33(s)4(g)3SiCl H+4NHSi N+6H+6H
9、Cl3SiH+4NHSi N+6H(CH)Ga(g)+AsH(g)GaAs+3CH 14第14页，共164页。5)歧化反应歧化反应(Disproportionation):当当挥发性金属可以形成具有在不同温度范围内稳挥发性金属可以形成具有在不同温度范围内稳定性不同的挥发性化合物定性不同的挥发性化合物时，有可能发生歧化反应。时，有可能发生歧化反应。金属离子呈现两种价态，低价化合物在高温下更金属离子呈现两种价态，低价化合物在高温下更加稳定。加稳定。)()()(242gGeIsGegGeI600 oC 300 oC 15第15页，共164页。Early experimental reactor fo
10、r epitaxial growth of Si films.（歧化反应歧化反应）16第16页，共164页。6）可逆输运）可逆输运采用氯化物工艺沉积采用氯化物工艺沉积GaAs单晶薄膜，单晶薄膜，InP，GaP，InAs，(Ga,In)As,Ga(As,P)所有类型的反应都可写成所有类型的反应都可写成:(g)()(s)(g)AC+DgabBcd1.有些反应是可逆的有些反应是可逆的2.反应的中间产物反应的中间产物3.反应的选择反应的选择)g()s()g(2)g()g(2)g(4HCl6GaAs6H3GaCl6AsAs850 oC 750 oC 17第17页，共164页。18第18页，共164页。二
11、、化学气相沉积过程热力学二、化学气相沉积过程热力学 1)反应热力学判据反应热力学判据(反应能否进行反应能否进行?)考虑如下化学反应的一般形式考虑如下化学反应的一般形式(g)()(s)(g)AC+D(1)gabBcd19第19页，共164页。自由能变化：自由能变化：)bG)-(aGdG(cGGbadc(2)其中其中Gi为为i组元的摩尔自由能组元的摩尔自由能iiiaRT GGln0(3)Gi0为标准状态下的摩尔自由能，为标准状态下的摩尔自由能，ai为为i组元的活度。组元的活度。将（将（3）代入（）代入（2）bBaAdDcCaaaaRTGGln0(4)20第20页，共164页。在平衡状态下在平衡状态
12、下G0生成物和反应物的活度应以平衡态的活度生成物和反应物的活度应以平衡态的活度代替：代替：)()()()(ln00equaequaequaequaRTGbBaAdDcC(5)所以所以 KRTGln0(6)K为平衡常数为平衡常数 RTGK0exp(7)eee21第21页，共164页。以以(4)、(5)、(6)可得非平衡状态下的自由能变化可得非平衡状态下的自由能变化)()()()(lnequaaequaaequaaequaaRTGBBAADDCC(8)(equaaii表示第表示第i组元的过饱和度组元的过饱和度(如比值大于如比值大于1)和和亚饱和度亚饱和度(如比值小于如比值小于1)气相物质的活度可近
13、似的用气相物质的分压代替；气相物质的活度可近似的用气相物质的分压代替；固相物质，在最简单的情况下可以把活度近似看成固相物质，在最简单的情况下可以把活度近似看成是是1.22第22页，共164页。对对CVD所依赖的化学反应，方程式所依赖的化学反应，方程式(1)的生成物至少的生成物至少有一个为固相有一个为固相(薄膜形式薄膜形式)，其余为气相。，其余为气相。气相物质的活度可近似的用气相物质的分压代替；固气相物质的活度可近似的用气相物质的分压代替；固相物质，在最简单的情况下可以把活度近似看成是相物质，在最简单的情况下可以把活度近似看成是1。假如反应物过饱和而生成物亚饱和，那从假如反应物过饱和而生成物亚饱
14、和，那从(8)式可看出式可看出G 0，反应不，反应不能进行。能进行。23第23页，共164页。依据上述的化学热力学原理，不仅可以判断选定的依据上述的化学热力学原理，不仅可以判断选定的CVD反应是否可以进行，而且还可判定反应是否可以进行，而且还可判定CVD反应能够进行的趋势和反应能够进行的趋势和程度，并计算出达到平衡状态时各气相物质的分压。程度，并计算出达到平衡状态时各气相物质的分压。在实际应用状态下，在实际应用状态下，ai和在标准状态下的活度相差不大，和在标准状态下的活度相差不大，对于纯物质可看成是对于纯物质可看成是1。因此从因此从(4)可以得出可以得出0GG在计算手册中列出了在在计算手册中列
15、出了在1atm，25C下物质的下物质的Go和其他相关热和其他相关热力学数据力学数据(比热容、熵和焓等比热容、熵和焓等)，据此可以计算一个给定的化，据此可以计算一个给定的化学反应在任何温度下的学反应在任何温度下的Go。24第24页，共164页。成核率：成核率：N=N*A*wN*：临界晶核数目：临界晶核数目A*:临界晶核的截面积临界晶核的截面积w:原子入射速率原子入射速率N*exp(/)snG kT1/2()/(2)VSAwPP NMRT21/2()exp(/)4(2)VSAsPP NNnG kTrMRT1、反应要进行，必须、反应要进行，必须G hghg ks2/ghDTTT低温下低温下hg ks
16、高温下高温下ks hg78第78页，共164页。Deposition rate of Si from four different precursor gases as a function of temperature.79第79页，共164页。4、热力学影响：、热力学影响：pGGHTSHTTpGHGTT lnGRTk 022lndkHHdTRTRT00H放热反应，温度上升,k减小00H吸热反应，温度上升,k增加0211211ln()()kHkRTT()()()()cdCDabABaequ aequkaequ aequ80第80页，共164页。81第81页，共164页。Chemical re
17、action energetics,(a)Activation energy for forward exothermic reaction is less than for reverse endothermic reaction,(b)Activation energy for forward endothermic reaction is greater than for reverse exothermic reaction.4、热力学影响：、热力学影响：82第82页，共164页。五、热五、热CVD过程过程热热CVD:利用热能激活反应气体以利用热能激活反应气体以 及气固相反应及气固相反
18、应等离子体等离子体CVD:等离子体激活反应气体等离子体激活反应气体热热CVD：高温和低温：高温和低温CVD，常压和低压，常压和低压CVD，冷壁和热壁冷壁和热壁CVD，封闭和开放式，封闭和开放式CVD热热CVD系统的组成：系统的组成：1.配气和流量测量系统配气和流量测量系统2.加热系统加热系统3.反应副产物和剩余气体的反应副产物和剩余气体的排出系统排出系统83第83页，共164页。1、常压高温、常压高温CVD：外延外延Si沉积设备沉积设备TiC，TiN，Al2O3等沉等沉积设备积设备84第84页，共164页。SiO2的沉积（低温的沉积（低温CVD）:两个不同的反应过程两个不同的反应过程o450
19、C4(g)2(g)2(s)2(g)SiH+OSiO+2H o700 C2542Si(OC H)SiO.批量制备批量制备85第85页，共164页。2、低压、低压CVD：可同时更大批量生长；可同时更大批量生长；高沉积速率；高沉积速率；改善薄膜厚度均匀性；改善薄膜厚度均匀性；改善覆盖均匀性；改善覆盖均匀性；更好地控制薄膜的化学计量比和污染；更好地控制薄膜的化学计量比和污染；材料质量高材料质量高(pinhole)RPCVD(1100 torr);LPCVD(110 mtorr);UVCVD(10-7 torr)1/21/ReghDpReL气体扩散速率提高气体扩散速率提高86第86页，共164页。3、激
20、光增强、激光增强LECVD：两种机制：两种机制：热解机制热解机制光分解机制光分解机制容易有碳污染容易有碳污染87第87页，共164页。(a)Pyrolytic and(b)photolytic laser-induced chemical-vapor deposition of films88第88页，共164页。4、等离子体增强、等离子体增强PECVD：Low temperature，RF，E=110 eV89第89页，共164页。Reinberg-type cylindrical radial-flow plasma reactor for the deposition of silico
21、n-nitride films.90第90页，共164页。ECR plasma deposition reactor.91第91页，共164页。热壁反应器热壁反应器5.冷、热壁冷、热壁CVD（hot-and cold-wall CVD reactors）92第92页，共164页。热壁热壁CVDCVD反应器反应器热壁CVD优点：操作简单；可容纳几个基体；可在一定的压力和温度范围内操作；基体相对于气流的方向可以不同；主要缺点：沉积不仅发生在基体上也发生在反应器壁上；膜层会从器壁上脱落并污染基体；被膜层覆盖的器壁表面积分数在实验期间以及从一个实验到另一个实验会发生变化，导致沉积条件的重复性问题；93
22、第93页，共164页。热壁热壁CVD的应用：的应用：由于上述原因，热壁反应器主要被用于实验室研究给定前由于上述原因，热壁反应器主要被用于实验室研究给定前驱体做驱体做CVD的可行性。的可行性。因为巨大的受热表面积能完全消耗前驱体并提供高的反因为巨大的受热表面积能完全消耗前驱体并提供高的反应产物产率，因此，热壁应产物产率，因此，热壁CVD也常常用于确定反应产物也常常用于确定反应产物的分布。的分布。热壁反应器通常不在工业上使用或者用于反应动力学热壁反应器通常不在工业上使用或者用于反应动力学的定量测量；然而，却广泛用于具有高蒸气压前驱体的定量测量；然而，却广泛用于具有高蒸气压前驱体的半导体和氧化物的的
23、半导体和氧化物的CVD。94第94页，共164页。冷壁反应器冷壁反应器95第95页，共164页。冷壁反应器的特点及应用：冷壁反应器的特点及应用：冷壁反应器冷壁反应器CVD被广泛用于实验室和工业生产；被广泛用于实验室和工业生产；尽管冷壁反应器相对于气流不同的方向通常仅容纳尽管冷壁反应器相对于气流不同的方向通常仅容纳一片半导体晶片，但是可以控制压力和温度，可以一片半导体晶片，但是可以控制压力和温度，可以使用等离子体，反应器壁上不会发生沉积，不易发使用等离子体，反应器壁上不会发生沉积，不易发生同质反应生同质反应(homogeneous reactions)，能获得比热壁，能获得比热壁反应器高的沉积速
24、率；反应器高的沉积速率；由于易于实现表面反应控制的动力学由于易于实现表面反应控制的动力学(surface-reaction-limited kinetics)，冷壁反应器也被用于测量动，冷壁反应器也被用于测量动力学参数；力学参数；对于生产应用通常选择单一晶片冷壁反应器，因为对于生产应用通常选择单一晶片冷壁反应器，因为这样能更好地控制涂层性能。这样能更好地控制涂层性能。96第96页，共164页。6.选择性选择性CVD(selective CVD)金属的选择性金属的选择性CVDCVD的某些代表性研究结果的某些代表性研究结果97第97页，共164页。MBE过程过程98第98页，共164页。Simpl
25、ified schematic of a III-V MOCVD system showing the gas delivery system and vertical rotating disk reactor.MOCVD过程过程99第99页，共164页。100第100页，共164页。液相外延生长液相外延生长101第101页，共164页。6.选择性选择性CVD(selective CVD)对区域选择性对区域选择性CVD（area-selective CVD）:一种金属或者半导一种金属或者半导体（例如体（例如Si）作为生长表面，而）作为生长表面，而SiO2作为非生长表面作为非生长表面;机理:1
26、、前驱体在非生长表面上的反应速率比其在生长表面和生长膜上的反应速率慢；2、生长表面（即，Si）作为一种还原剂而且是选择性的，被一种前驱体（例如WF6 or MoF6）牺牲性地消耗，而非生长表面提供一种较慢的反应速率，因为没有还原剂存在。3、在生长表面(即某一种金属)上，而不是在邻近非生长表面上（SiO2 or metal oxide）发生一种化学反应，例如，某一种反应物（一种还原剂，H2）的分解。102第102页，共164页。4、通过辐射（常常上光化学驱动反应）增加生长表面上、通过辐射（常常上光化学驱动反应）增加生长表面上的速率，而非辐射的非生长表面提供一种慢的热驱动的速率，而非辐射的非生长表
27、面提供一种慢的热驱动反应。反应。5、非生长表面的选择性钝化在非生长表面上阻止前驱体的、非生长表面的选择性钝化在非生长表面上阻止前驱体的吸附和反应，而吸附和反应易于在生长表面上发生。吸附和反应，而吸附和反应易于在生长表面上发生。6、反应在生长和非生长表面上都进行，但是存在一个自由、反应在生长和非生长表面上都进行，但是存在一个自由能障碍，从而抑制在非生长表面上的成核，而在起始能障碍，从而抑制在非生长表面上的成核，而在起始的生长表面上存在一个较小的障碍允许物理吸附发生。的生长表面上存在一个较小的障碍允许物理吸附发生。103第103页，共164页。MOCVD系统系统其它相关问题其它相关问题104第10
28、4页，共164页。105第105页，共164页。106第106页，共164页。107第107页，共164页。Epigress CVD products VP508R&D system 系统实例系统实例108第108页，共164页。浙江大学硅材料国家重点实验室浙江大学硅材料国家重点实验室立式高真空立式高真空MOCVD系统系统生长生长GaN中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司109第109页，共164页。110第110页，共164页。6x3=18片片从单片至三片是一个突破，从三片结构，可以很方便地扩展到六片或更多片系统公转和自转机构示意图公转和自转机构示意图 公转和
29、自转可独立控制，石公转和自转可独立控制，石英支架传递动力同时将高温区和英支架传递动力同时将高温区和齿轮部件隔开。用磁流体轴承密齿轮部件隔开。用磁流体轴承密封。封。111第111页，共164页。112第112页，共164页。加热方式 The disc heating system(emcore)-the electric resistance -the rf113第113页，共164页。漂浮衬底漂浮衬底114第114页，共164页。试验型单室反应器115第115页，共164页。116第116页，共164页。化学气相沉积台化学气相沉积台117第117页，共164页。CVD傳輸及反應步驟圖傳輸及反應
30、步驟圖 CVD反應器反應器基板基板連續薄膜連續薄膜 8)8)副產物移除副產物移除 1)1)反應物之反應物之質量傳輸質量傳輸副產物副產物 2)2)薄膜先前薄膜先前 物反應物反應 3)3)氣體分子氣體分子 擴散擴散 4)4)先前物吸附先前物吸附 5)5)先前物擴散進先前物擴散進入基板入基板 6)6)表面反應表面反應 7)7)副生成物的吸解副生成物的吸解 出口出口 氣體輸送氣體輸送圖圖 11.8118第118页，共164页。CVD之氣體流之氣體流 氣體流氣體流沈積之薄膜沈積之薄膜矽基板矽基板反應產物反應產物反應物擴散反應物擴散圖圖 11.9119第119页，共164页。晶圓表面上之氣流動態晶圓表面上
31、之氣流動態 氣體流氣體流邊界層邊界層氣體流氣體流滯留層滯留層圖圖 11.10120第120页，共164页。CVD沈積系統沈積系統 CVD設備設計 CVD反應器加熱 CVD反應器構造 CVD反應器摘要 常壓CVD(APCVD)低壓CVD(LPCVD)電漿CVD電漿增強CVD(PECVD)高密度電漿CVD(HDPCVD)121第121页，共164页。CVD反應器形式反應器形式 C CV VD D 反反應應器器形形式式 常常壓壓 低低壓壓 整整批批 單單一一晶晶圓圓 熱壁式 冷壁式 連續動作式 磊晶式 充滿式 噴嘴式 直桶式 冷壁平面式 電漿式 垂直流量等溫式 圖圖 11.11122第122页，共1
32、64页。CVD反應器形式及其主要特性反應器形式及其主要特性 製程 優點 缺點 應用 APCVD(常壓 CVD)反應器簡單、沈積快速且低溫。階梯覆蓋不佳、微粒污染及底產能。低溫氧化層(摻雜及未摻雜)。LPCVD(低壓 CVD)優異的純度及均勻性、階梯覆蓋佳及大的晶圓產能。高溫、低沈積速率、須更強的維護及需真空系統。高溫氧化矽(摻雜及未摻雜)、氮化矽、多晶矽以及 WSi2。電漿 CVD 電漿增加 CVD(PECVD)高密度電漿 CVD(HDPCVD)低溫、沈積快速、階梯覆蓋佳及好的填溝。需 RF系統、成本高、應力很高為張力及含化學物(如H2)及微粒污染。高深寬比填溝，金屬上方之低溫氧化物、ILD-
33、1、ILD、雙鑲嵌之銅晶種層及保護層(氮化物)。表表 11.2123第123页，共164页。連續製程的連續製程的APCVD反應器反應器 晶圓晶圓薄膜薄膜反應氣體反應氣體2 2反應氣體反應氣體1 1鈍氣鈍氣(a)(a)氣體注入形式氣體注入形式N2反應氣體反應氣體加熱器加熱器 N2N2N2N2N2晶圓晶圓 (b)(b)架構形式架構形式圖圖 11.12124第124页，共164页。APCVD TEOS-O3之改善的階梯覆蓋之改善的階梯覆蓋 圖圖 11.3Liner oxidep Silicon substratep Epitaxial layern-wellp-wellTrench CVD oxid
34、eTEOS-O3Trench fill by chemical vapor depositionNitride-+以化學氣相沈積充填溝渠以化學氣相沈積充填溝渠溝渠溝渠CVD氧化物氧化物氮化氮化物物n井井 p井井 內側氧化層內側氧化層p 磊晶層磊晶層p+矽基板矽基板125第125页，共164页。PSG再熱流後之平坦表面再熱流後之平坦表面 再熱流後再熱流後PSG再熱流前再熱流前 PSG金屬或多晶矽金屬或多晶矽圖圖 11.14126第126页，共164页。晶圓表面之邊界層晶圓表面之邊界層 連續氣體流連續氣體流沈積之薄膜沈積之薄膜矽基板矽基板邊界層邊界層反應物擴散反應物擴散圖圖 11.15127第12
35、7页，共164页。LPCVD反應室反應室 三區段加熱線圈三區段加熱線圈尖峰熱電偶尖峰熱電偶(外部、控制外部、控制)壓力閥壓力閥由真空幫浦抽出由真空幫浦抽出氣體進入氣體進入輪廓熱電偶輪廓熱電偶(內部內部)圖圖 11.16128第128页，共164页。用用TEOS LPCVD的氧化物沈積的氧化物沈積 壓力控制器壓力控制器加熱器加熱器TEOSN2O2真空幫浦真空幫浦氣體流控制器氣體流控制器LPCVD爐管三爐管三區段加區段加熱器熱器 電腦端操作介面電腦端操作介面爐管微控制器爐管微控制器抽出抽出 圖圖 11.17溫度控制器溫度控制器129第129页，共164页。MOS元件經摻雜的多晶矽元件經摻雜的多晶矽
36、作為閘極電極作為閘極電極 之重要原因之重要原因1.電阻率可由摻雜而定。2.和SiO2的介面品質佳。3.可適合於後續的高溫製程。4.比金屬電極(如鋁)可靠度高。5.於陡峭外形上沈積均勻。6.可用於自我對準閘極製程(見第12章)。130第130页，共164页。摻雜的多晶矽作為閘極電極摻雜的多晶矽作為閘極電極 n-wellp-wellp-Epitaxial layerp+Silicon substratePolysilicon gatep+p+p+n+n+n+圖圖 11.18 多晶矽閘極多晶矽閘極 n n井井 p p井井 p 磊晶層磊晶層p p 矽基板矽基板131第131页，共164页。在在CVD中
37、使用電漿的優點中使用電漿的優點 1.低的製程溫度(250至450)。2.對於高深寬比間隙有很好的填溝(使用 高密度電漿)。3.對晶圓有好的薄膜附著。4.高的沈積速率。5.由於針孔及孔洞小，有高的薄膜密度。6.由於製程溫度低，應用範圍廣。132第132页，共164页。電漿電漿CVD之薄膜形成之薄膜形成 PEVCD反應器反應器連續薄膜連續薄膜8.8.副產物副產物去除去除1.反應物進入反應室反應物進入反應室基板基板 2.藉由電場將藉由電場將 反應物分解反應物分解3.薄膜先前物薄膜先前物 形成形成 4.先前物吸附先前物吸附5.5.先前物先前物擴擴 散入基散入基板板6.6.表面反應表面反應7.副產物吸解
38、副產物吸解抽出抽出 氣體傳送氣體傳送RFRF產生器產生器副產物副產物電極電極電極電極RF場場圖圖 11.19 133第133页，共164页。一般一般PECVD構造構造 製程氣體製程氣體氣體流量控制器氣體流量控制器壓力控制器壓力控制器粗抽幫浦粗抽幫浦渦輪渦輪幫浦幫浦氣體盤氣體盤RF產生器產生器匹配之網路匹配之網路微控制器微控制器操作介面操作介面抽出抽出 氣體傳播氣體傳播遮幕遮幕電極電極圖圖 11.20 134第134页，共164页。性質 LPCVD PECVD 沈積溫度()700 800 300 400 組成 Si3N4 SixNyHz 階梯覆蓋 正確 均勻 於 23在 Si 上之應力(達因/c
39、m2)1.2 1.8 1010(張力)1 8 109(張力或壓縮力)LPCVD和和PECVD氮化矽性質氮化矽性質 表表 11.3 135第135页，共164页。高密度電漿沈積反應室高密度電漿沈積反應室 (Photo courtesy of Applied Materials,Inc.)照片照片 11.4 1900年代中期被廣泛使用 高密度的混合氣體朝向晶圓表面 所沈積的薄膜可充填高深寬比間隙有各種不同高密度電漿源 晶圓偏壓及熱負載同時沈積及蝕刻 136第136页，共164页。沈積蝕刻沈積製程沈積蝕刻沈積製程 PECVD沈積薄膜在沈積薄膜在間隙口夾止形成孔洞間隙口夾止形成孔洞主洞缺陷主洞缺陷上面
40、堆積效應上面堆積效應 金屬金屬 SiO2從這裡開始解決從這裡開始解決 1.1.薄膜先前物之離子感應沈薄膜先前物之離子感應沈積積2.2.薄膜於間隙開口處因氬離薄膜於間隙開口處因氬離子濺鍍蝕刻過度而呈現斜子濺鍍蝕刻過度而呈現斜形形3.3.蝕刻材料再沈積，重複此製程蝕刻材料再沈積，重複此製程使底部上部輪廓相等使底部上部輪廓相等蓋層蓋層圖圖 11.21 137第137页，共164页。HDPCVD製程的製程的 5 個步驟個步驟 1.1.離子感應沈積離子感應沈積 2.2.濺鍍蝕刻濺鍍蝕刻 3.3.再沈積再沈積 4.4.熱中性熱中性CVD 5.5.反射反射 138第138页，共164页。在在HDPCVD中晶
41、圓在渦輪幫浦之頸部中晶圓在渦輪幫浦之頸部 至粗抽幫浦至粗抽幫浦微波微波 2.45 GHz電磁鐵電磁鐵渦輪幫浦渦輪幫浦閘閥閘閥氣體注入源氣體注入源晶圓在靜電平盤上晶圓在靜電平盤上圖圖 11.22 139第139页，共164页。介電質及特性介電質及特性v介電常數填溝晶片特性低K介電質要求高K介電常數v元件隔離區域氧化淺溝渠隔離 140第140页，共164页。介電質填溝的三個步驟介電質填溝的三個步驟 2)2)PECVD蓋層蓋層 蓋層蓋層1)1)HDPCVD填溝填溝 SiO2鋁鋁 3)3)化學機械平坦化化學機械平坦化 圖圖 11.23 141第141页，共164页。有 潛 力 的 低 k 介 電 質
42、介電常數(k)填溝(m)溫度()註解 FSG(氟 氧 化 矽，SixOFy)3.4 至 4.1 0.35 無 問 題 FSG 的 k 值 和 SiO2相 近。氟會 侵 襲 及 腐 蝕 鉭 阻 障 層 金屬。HSQ(氫 倍 半 矽 氮烷)2.9 0.10 350 至 450 以 矽 為 主 的 樹 脂 高 分 子 可 用於 旋 塗 流 動 性 氧 化 物(FOX)。可 能 需 表 面 保 護 以 降 低 水 氣吸 附。其 修 補 是 在 氮 氣 下 操作。奈 米 多 孔 矽 1.3 至 2.5 0.25 400 無 機 材 質，其 介 電 常 數 可 依多 孔 密 度 調 整。增 加 多 孔 密
43、度 降 低 機 械 完 整 性 多 孔材 料 必 須 抗 研 磨、蝕 刻 及 熱處 理 且 特 性 不 退 化。聚 芳 烯 醚 (PAE)2.6 至 2.8 0.15 375 至 425 旋 塗 的 自 動 高 分 子 具 有 優 越的 附 著 性 適 於 CMP 研 磨。aCF(摻 氟 之 非 晶碳 或 FLAC)*2.8 0.18 250 至 350 用 高 密 度 電 漿 CVD(HDPCVD)以 產 生 熱 穩 定 性及 附 著 性 佳 之 薄 膜。聚 對 二 甲 苯 2.5 0.18 420 至 450 CVD 薄 膜 符 合 附 著 力 和 介 質孔 電 阻 要 求 需 要 於 2
44、00 控 制氣 體 傳 送，以 控 制 聚 對 二 甲苯 先 前 物 之 流 量。用於用於ULSI內連接內連接ILD有潛力的低有潛力的低k材料材料 表表 11.4142第142页，共164页。內連線延遲內連線延遲(RC)RC)和大小尺度和大小尺度(m)m)圖圖 11.24 2.52.01.51.00.500.51.01.52.0大小尺寸大小尺寸 (m)內連線延遲內連線延遲(RC)閘極延遲閘極延遲延遲時間延遲時間 (10 9秒秒)143第143页，共164页。總內連線電容總內連線電容 7654321000.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0K=4K=3K=2K=1Redrawn with
45、 permission from Semiconductor International,September 1998圖圖 11.25 間距間距 (m)電容電容 (10 12 farads/cm)144第144页，共164页。電性 機械性 熱性 化學性 製程 金屬化 低介電常數 附著性 熱穩定 抗酸及鹼 圖案化能力 接觸電阻低 低介電損耗 低收縮 熱延展係數低 選擇性蝕刻 填溝佳 低電遷移(腐蝕)低漏電 抗破裂 高傳導率 雜質低 平坦化 低應力 高可靠度 低應力 無腐蝕性 針孔少 小丘(平滑表面)硬度佳 低水氣吸收 微粒少 適於阻障層金屬(Ta,TaN,TiN等)儲存有效期長 低低k介電質薄膜
46、之要求介電質薄膜之要求 表表 11.5 145第145页，共164页。一般一般DRAM堆疊式電容之圖形堆疊式電容之圖形 SiOSiO2 2介電質介電質經摻雜的經摻雜的多晶矽電容板多晶矽電容板經摻雜的經摻雜的多晶矽電容板多晶矽電容板埋入式接觸擴散埋入式接觸擴散SiOSiO2 2介電質介電質經摻雜的經摻雜的多晶矽電容板多晶矽電容板經摻雜的經摻雜的多晶矽電容板多晶矽電容板埋入式接觸擴散埋入式接觸擴散圖圖 11.26 146第146页，共164页。淺溝渠隔離淺溝渠隔離 (Micrograph courtesy of Intergrated Circuit Engineering)照片照片 11.5 閘
47、極氧化物閘極氧化物溝渠氧化物溝渠氧化物多晶矽化物多晶矽化物147第147页，共164页。旋塗式介電質旋塗式介電質 旋塗式玻璃(SOG)旋塗式介電質(SOD)磊晶磊晶成長方法 氣相磊晶(VPE)有機金屬CVD(MOCVD)分子束磊晶(MBE)CVD品質測量 CVD問題解決 148第148页，共164页。以旋塗式玻璃以旋塗式玻璃 (SOG)填溝填溝 2)2)處理後之處理後之SOG 1)1)初始初始SOG填溝填溝 3)3)CVD氧化層蓋層氧化層蓋層 蓋層蓋層圖圖 11.27 149第149页，共164页。主要操作 製程步驟 參數 轉速 50 rpm 最大轉速 8001500 rpm 背側清洗 800
48、 rpm,5 sec 上側邊緣珠滴去除 1000 rpm,10 sec 旋轉塗佈 旋乾 1000 rpm,5 sec 初始軟烤處理 200,60sec,N2清洗 處理 內部處理 475,60 sec,N2氣體下 HSQ低低k介電質製程參數介電質製程參數 表表 11.6 150第150页，共164页。磊晶磊晶 磊晶成長模式磊晶成長方法氣相磊晶(VPE)有機金屬CVD(MOCVD)分子束磊晶(MBE)151第151页，共164页。矽晶圓上之矽磊晶成長矽晶圓上之矽磊晶成長 SiSiClClHHSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiClHClH化學反應化學反應副產物副產物 沈積之矽沈積之矽磊晶層
49、磊晶層單一矽基板單一矽基板圖圖 11.28 152第152页，共164页。氣相磊晶圖氣相磊晶圖 摻質摻質(AsH3或或B2 H3)H2SiH2 Cl2 RF RF感應加熱線圈感應加熱線圈 承座承座 晶圓晶圓真空幫浦真空幫浦圖圖 11.29 153第153页，共164页。矽氣相磊晶反應器矽氣相磊晶反應器 抽出抽出 抽出抽出 抽出抽出 RF加熱加熱 RF加熱加熱 氣體進入氣體進入 氣體進入氣體進入水平式反應器水平式反應器直桶式反應器直桶式反應器垂直式反應器垂直式反應器圖圖 11.30 154第154页，共164页。金屬階梯覆蓋ILD之主洞缺陷 (a)以以PECVD沈積沈積SiO2 (b)SiO2平
50、坦平坦化化 (c)下一層鋁沈積下一層鋁沈積由由SiO2主洞缺陷造成金屬孔洞主洞缺陷造成金屬孔洞SiO2層間介電質層間介電質中主洞缺陷中主洞缺陷鋁鋁 圖圖 11.31 155第155页，共164页。156第156页，共164页。350RPM700RPM1400RPM气流气流温度温度157第157页，共164页。158第158页，共164页。159第159页，共164页。160第160页，共164页。161第161页，共164页。162第162页，共164页。163第163页，共164页。关于边界条件和连续介质流动方程等内容的深入讨论请参见下列文献：1.M.L.Hitchman,K.F.Jense
