化學氣相淀積教學目的：1 了解化學氣相淀積概念 2 了解化學氣相淀積系統(tǒng)和方法 3 了解外延的概念和生成方法 4 掌握CVD質(zhì)量檢測教學重點：化學氣相淀積系統(tǒng)和方法、外延的概念和生成方法、CVD質(zhì)量檢測教學難點：外延的概念教學過程：5.1引言 5.1.1 薄膜淀積的概念 所謂薄膜，是指一種在硅襯底上生長的薄固體物質(zhì)。薄膜與硅片表面緊密結(jié)合，在硅片加工中，通常描述薄膜厚度的單位是納米（nm）。半導體制造中的薄膜淀積是指在硅片襯底上增加一層均勻薄膜的工藝。在硅片襯底上淀積薄膜有多種技術，主要的淀積技術有化學氣相淀積（CVD）和物理氣相淀積（PVD），其他的淀積技術有電鍍法、旋涂法和分子束外延法?；瘜W氣相淀積(CVD)是通過混合氣體的化學反應生成固體反應物并使其淀積在硅片表面形成薄膜的工藝。而物理氣相淀積（PVD）是不需通過化學反應，直接把現(xiàn)有的固體材料轉(zhuǎn)移至硅片表面形成薄膜的工藝。電鍍法是制備銅薄膜時主要采用的淀積技術。旋涂法采用的設備是標準的旋轉(zhuǎn)涂膠機，比CVD工藝更經(jīng)濟，通常用于制備低k（k指介電常數(shù)）絕緣介質(zhì)膜。 分子束外延法是一種制備硅外延層的較先進的淀積技術。5.1.2 常用的薄膜材料 在半導體制造中所包含的薄膜材料種類很多，早期的芯片大約含有數(shù)十種，而隨著集成電路結(jié)構和性能的發(fā)展，芯片中薄膜材料種類也越來越多，如圖51所示，這些薄膜材料在器件中都起到了非常重要的作用?？偟膩碚f，薄膜材料的種類可分為金屬薄膜層、絕緣薄膜層和半導體薄膜層三種。早期和現(xiàn)代MOS結(jié)構中的各層薄膜1) 金屬薄膜層在半導體制造中的應用主要是制備金屬互連線。 2) 常見的絕緣薄膜材料有二氧化硅(SiO2)、摻雜二氧化硅(如PSG、BPSG)、氮化硅(Si3N4)等。 3) 半導體薄膜材料主要有多晶硅、外延硅層等。 5.1.3 半導體制造中對薄膜的要求 在圖51中給出了制作一個早期NMOS管所需的淀積層。圖中器件的特征尺寸遠大于。由于特征高度的變化，硅片上的各層薄膜并不平坦，質(zhì)量不高。這成為超大規(guī)模集成電路時代所需的多層金屬、高密度芯片制造的限制因素。隨著硅片加工向更高的芯片密度發(fā)展，特征尺寸縮小到018m甚至更小，而且需要用到6層甚至更多層金屬來做連接。這使得在硅片上可靠地沉積符合要求的薄膜材料至關重要。 1.良好的臺階覆蓋能力 2. 填充高的深寬比間隙的能力薄膜的臺階覆蓋高深寬比通孔填充效果比較3. 良好的厚度均勻性 4. 高純度和高密度 5. 高度的結(jié)構完整性和低的膜應力薄膜中晶粒的成核與生長過程膜應力導致硅片襯底發(fā)生變形6. 對襯底材料或下層膜良好的粘附性 5.2 化學氣相淀積 5.2.1 化學氣相淀積的概念 化學氣相淀積（CVD）是通過混合氣體的化學反應生成固體反應物并使其淀積在硅片表面形成薄膜的工藝。反應產(chǎn)生的其他副產(chǎn)物為揮發(fā)性氣體，離開硅片表面并被抽出反應腔。硅片表面及其鄰近的區(qū)域被加熱以向反應系統(tǒng)提供附加的能量。 5.2.2 化學氣相淀積的原理 化學氣相淀積工藝的反應在爐管反應腔內(nèi)進行，同時必須使化學反應發(fā)生在硅片表面或者非常接近表面的區(qū)域（表面催化），這樣可以生成高質(zhì)量的薄膜。而如果反應發(fā)生在距離硅片表面較遠的地方，會導致反應物粘附性差、密度低和缺陷多，這是必須避免的。例如：利用硅烷和氧氣經(jīng)過化學反應淀積SiO2膜，其反應的生成物SiO2淀積在硅片表面，同時生成了氣態(tài)的副產(chǎn)物氫氣，氫氣經(jīng)排氣系統(tǒng)排出爐管外。反應式如下：CVD的主要反應過程 氣態(tài)反應劑被輸送至反應腔，以平流形式向出口流動。 反應劑從主氣流區(qū)以擴散方式通過邊界層到達硅片表面。 反應劑被吸附到硅表面。 被吸附到硅表面的原子(分子)在襯底表面發(fā)生化學反應，生成固態(tài)物質(zhì)淀積成膜。 反應產(chǎn)生的氣態(tài)副產(chǎn)物和未反應的反應劑離開襯底，排出系統(tǒng)。 5.3 化學氣相淀積系統(tǒng)5.3.1 APCVD 常壓化學氣相淀積（APCVD）是指在一個大氣壓下進行的一種化學氣相淀積的方法，這是最初采用的CVD方法。這種方法工藝系統(tǒng)簡單，工藝溫度是400600，反應速度和淀積速度快（淀積速度可達1000 nm/min），但其淀積的薄膜均勻性較差，氣體消耗量大，且臺階覆蓋能力差，因此APCVD常被用于淀積相對較厚的介質(zhì)層（如PSG或BPSG等）。APCVD1. SiO2的淀積1)硅烷(SiH4)法是用O2氧化SiH4來淀積SiO2。 2)TEOS-O3法是使用正硅酸乙酯(TEOS)與O3反應淀積SiO2。 2. 摻雜SiO2的PSG回流后表面平坦化氣體分子的運動軌跡LPCVD1. SiO2的淀積 2. Si3N4淀積 3. 多晶硅淀積多晶硅柵自對準工藝示意圖4. 典型的LPCVD工藝設備操作1)做好淀積前的準備工作，包括按流程卡確認程序、工藝、設備及硅片數(shù)量。 2)硅片清洗。 3)選擇程序。 4)系統(tǒng)充氣。 5)裝片。 6)按“START”鍵，設備將按設定的程序進爐。 7)程序結(jié)束，自動出舟，同時發(fā)出報警聲，此時按面板上的“ACK”鍵，報警聲消除。 8)經(jīng)10min冷卻后，取下正片或測試片，放入傳遞盒待檢驗和測試。 5.3.3 等離子體輔助CVD等離子體又叫做電漿，是被電離后的氣體，即以離子態(tài)形式存在的氣體(正離子和電子組成的混合物 )。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除固、液、氣之外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。在自然界里，火焰、閃電、太陽等都是等離子體。等離子體有以下兩個特點： 等離子體呈現(xiàn)出高度不穩(wěn)定態(tài)，有很強的化學活性。等離子體輔助CVD就是利用了這個特點。 等離子體是一種很好的導電體，利用經(jīng)過設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。這兩個特點在后面的等離子體刻蝕工藝中得到了很好的利用。等離子體產(chǎn)生方法有輝光放電、射頻放電和電暈放電等。 1)有更低的工藝溫度(250450)。 2)對高的深寬比間隙有好的填充能力(用高密度等離子體CVD)。 3)淀積的膜對硅片有優(yōu)良的粘附能力。 4)有較高的淀積速率。 5)有較少的針孔和空洞，因而有較高的膜密度。 6) 腔體可利用等離子體清洗。 1. 等離子體增強CVDPECVD的反應腔示意圖1)清洗。 2)裝片。3)選擇菜單。 4)卸片。 5)測量。 2. 高密度等離子體CVD (1)同步淀積和刻蝕 HDPCVD的一個突破創(chuàng)新之處就在于在同一個反應腔中同步地進行淀積和刻蝕的工藝。同步淀積和刻蝕(2)淺槽隔離(STI)對于特征尺寸在0.35m以上的器件，通常采用局部氧化(LOCOS)技術來隔離，如圖5-14b所示。兩MOS器件間的隔離2. 多腔集成CVD設備多腔集成CVD設備5.4外延 5.4.1 外延的概念、作用、原理 外延(EPI)工藝是指在單晶襯底上生長一層跟襯底具有相同晶向的單晶薄膜材料，該單晶薄膜層稱為外延層。外延層除晶向必須與襯底一致外，其單晶材料、摻雜類型、摻雜濃度和厚度都可以按設計要求與襯底不同。若在硅襯底上生長單晶硅外延層稱為同質(zhì)外延層；若在硅襯底上生長鍺外延層稱為異質(zhì)外延層；若在重摻雜襯底上生長輕摻雜外延層稱為正外延；在輕摻雜襯底上生長的重摻雜外延層稱為反外延。外延層的摻雜厚度、濃度、輪廓等屬性容易控制而不受硅襯底影響，因此這為設計者在優(yōu)化器件性能方面提供了很大的靈活性。外延層的用途5.4.2 外延生長方法 外延生長有兩個重要條件:一是必須去除表面的自然氧化層及硅片表面的雜質(zhì)。如果表面有一層薄的二氧化硅、非晶態(tài)層表面或污染物，則會影響外延生長原子的正確定位，結(jié)果導致薄膜結(jié)構為多晶硅或形成缺陷較多的單晶。二是襯底的表面溫度足夠高（氣相外延時），只有在高溫的情形下，淀積在襯底上的硅原子才有足夠的動能移動到適當?shù)奈恢门c襯底形成一致晶向的單晶，而低溫淀積形成的薄膜為多晶。 1.氣相外延臥式、立式和桶式反應爐示意圖1)清潔。 2)換氣。 3)裝爐。 4)原位拋光。 5)外延生長。 6)取片。 2. 分子束外延MBE系統(tǒng)設備示意圖1)超高真空工藝可以制備高質(zhì)量(良好的均勻性、純度和較低的晶體缺陷等)單晶薄膜。 2)低溫生長，減少自摻雜。 3)薄膜厚度、成分和濃度可嚴格控制，可實現(xiàn)厚度在原子層級別的超薄薄膜沉積。 4)系統(tǒng)加入薄膜生長質(zhì)量分析儀，可進行原位觀察，實時反饋以控制生長。 5.4.3 硅外延工藝 1. 雙極型晶體