集成电路制造工艺作者刘新彭勇蒲大雁主编第7章化学气相淀积课件.pptVIP

第7章 化学气相淀积 本章的学习目标： 1.了解薄膜的特性。 2.掌握化学气相淀积的原理及反应过程。 3.了解几种常用的化学气相淀积系统。 4.掌握二氧化硅淀积方法。 5.掌握氮化硅淀积方法。 6.掌握多晶硅淀积方法。 7.了解几种金属的化学气相淀积方法。 7.1 薄膜 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。 1. 半导体制造中对薄膜的要求 （1）良好的台阶覆盖能力 （2）高的深宽比间隙填充能力 图7-1 薄膜的台阶覆盖 图7-2膜淀积的深宽比 （3）良好的厚度均匀性 良好的厚度均匀性要求硅片表面各处薄膜厚度一致，厚度均匀性可分为片内均匀性、片见均匀性和批间均匀性。 （4）高纯度和高密度 薄膜淀积需要避免玷污物（如可移动离子玷污）和颗粒，这需要洁净的薄膜淀积和高纯度的材料。 （5）高度的结构完整性和低的膜应力 图7-4 膜应力导致硅片衬底发生形 （6）对衬底材料或下层膜良好的粘附性 良好的粘附性是薄膜必须具备的重要特性之一。粘附性是为了避免薄膜分层和开裂，开裂的薄膜导致膜表面粗糙并且容易在开裂处引入杂质。对于起隔离做作用的膜，开裂会导致电路短路或者漏电流。 7.2 化学气相淀积的原理 化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition, CVD）是将构成薄膜的反应剂以蒸气的形式进入反应腔，在反应腔发生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。 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。 化学气相淀积主要的反应过程主要包括以下5个步骤： （1）气态反应剂（或被惰性气体稀释的反应剂）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，成为吸附原子（分子）。 （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。 图7-5 CVD的主要反应过程 SiH4+O2→SiO2+2H2↑ 完成薄膜的淀积，CVD的化学反应还必须满足： （1）在淀积温度下，反应剂具备足够高的蒸气压； （2）除淀积物外，反应的其他产物是挥发性的； （3）淀积物本身具有足够低的蒸气压，保证在整个淀积过程中，薄膜能够始终存留在衬底表面； （4）薄膜淀积所用的时间应尽量短，以满足高效率和低成本的要求； （5）淀积温度必须足够低，以避免对以往工艺产生影响； （6）尽量避免化学反应的气态副产物进入薄膜之中； （7）化学反应发生在加热的衬底表面，如果在气相发生化学反应，将导致过早核化，降低薄膜的附着性和密度，增加薄膜的缺陷，降低淀积速率，浪费反应气体。 化学气相淀积涉及的化学反应主要有热解反应、氢还原反应、复合还原反应、金属还原反应、氧化反应和水解反应以及生成氮化物和碳化物的反应等。 （1）热解反应 热解反应是化学气相淀积中最简单的反应方式。在热解反应过程中，利用热能使输入气体分子分解成为原子或分子。典型的例子为氢化物分解、金属有机化合物分解和卤化物分解： SiH4（气）→Si（固）+2H2 ↑ CH3SiCl3(气)→SiC+3HCl (气) WF6→W+3F2 ↑ （2）氢还原反应 氢还原反应的优点在于反应温度明显低于热解反应，其典型应用是半导体技术中的硅外延生长。 SiCl4(气)+2H2（气）→Si（固）+4HCl （3）复合还原 复合还原反应主要用于二元化合物薄膜的淀积，如氧化物、氮化物、硼化物、硅化物薄膜的淀积。典型例子为TiB2薄膜的制备，反应方程式为 TiCl4（气）+2BCl3（气）+5H2（气）→TiB2（固）+10HCl（气） （4）金属还原反应 TiI4（气）+2Zn→Ti（固）+2ZnI2（气） （5）氧化反应和水解反应 氧化反应和水解反应主要用来淀积氧化物薄膜，所用的氧化剂主要有O2、H2O和CO2。近年来，还有研究用O3作为氧化剂来制备SiO2。典型的氧化反应和水解反应有