化学气相淀积技术在线视频

诸位同学大家好

那我们今天学习这个第四章

薄膜制备技术中的第二节CVD技术

所谓CVD技术就是

Chemical Vapor Deposition

化学气相沉积的意思

CVD技术的这个

是利用气态的这个反应物

在这个衬底表面

反应生成固态的薄膜的

这样的一个过程

那么我们集成电路里

经常用的有这么几种

一种你譬如说用硅烷和氧气

那么产生反应

生成固态的二氧化硅

那么放出氢气

那么也可以用硅烷

与氨气反应

生成氮化硅那么放出氢气

那么也可以用硅烷

它本身的热分解

那么产生固体的硅

和这个氢气

那么如果我们需要制备

金属薄膜的时候

可以用氢气来还原六氟化钨

生成这个钨和这个氟化氢气体

那么CVD的整个过程的话

从反应动力学的角度

来看的话

有这么几个过程

一个是反应气体

通过这个宏观的流动

输运到这个沉积区

那么这个区呢到了

这个区之后呢

它要通过扩散

到这个晶片的这个表面

那么到了表面之后呢

那么这个反应气体呢

要吸附到这个晶体表面

也就是在固体表面吸附

吸附之后呢

它要产生这个相应的化学反应

那么也可以是分解反应

也可以是一种合成的反应

那么然后呢

它要通过表面的

迁移和吸附

到一个能量比较低的位置

然后呢第五步呢

这个副产物往往是一个气体

要解吸附

而且副产物

要扩散到回主流的

气体流里头然后带走

那么之后呢

排出到这个反应区之外

那么整个的这几步反应呢

是串联的进行的

那么往往是最慢的

一个步骤呢

决定了整个过程的速度

那么从一般的话

那么我们为了促成

这样的一个化学反应的话

施加的这个激励是温度

那么一般如果要是在

低温区域的话

那么它的这个整个的过程

往往受化学反应的

速度的限制

也就是说在低温区的话

是化学反应速度

限制了整个CVD的过程

但是如果要是给的温度足够高

也就是化学反应速度

足够快的话

那么整个的过程

往往靠是由质量输运

来控制的

你譬如说气体

能够带来多少新鲜的源

来控制

那么所以你看这张图

那么它在这个低温区的话

它的反应速度

往往是一个线性的

随着温度的升高是线性的

那么到了由质量传输控制的

这个区域

也就是比较高温的区域去的话

那么它的这个随温度的变化

就呈一个饱和的

这样的一个状态

那么所以呢就是说

在这个低温区

淀积的这个速率

与温度是很敏感的

那么在这个高温的区的话

它实际上是与流量比较敏感的

这样的一个物理过程

那么CVD技术里头

很重要的一个概念

就是所谓的conformation

就是说保角特性

保角特性的这个意思呢是这样

如果要是CVD技术

完全是各向异性的

那么就像这张图

这个展示的这个情况

就是说一个图形的

这个底面和表面

淀积着这个薄膜

侧面是没有的

那么还有一种可能性呢

就是说薄膜的电极

是四周各向同性的

那么也就是说表面 底面

以及侧壁它的这个淀积速率

是相同的

这种这个情况呢

我们叫conformation

就是保角性

那么我们实际的淀积过程

那么往往是这两个的折中

是中间的一种状态

也就是说它的底面和表面

那么往往淀积速度是比较快的

拐角的地方会形成堆积

侧壁是比较薄的

这样的一个状态

所以呢对于这个

有图形的这个衬底的话

那么我们往往有这几个参数

来描述这个情况

一个是所谓的AR

Accept Recial

就是这个深宽比

那么我们用这个宽度和深度的比

那么来描述器件的

需要覆盖的这个台阶的这个

有多深

另外呢我们很重视的

就是CVD的它台阶的覆盖性

有的时候呢我们希望

它对整个台阶的覆盖

是conformation特性的

也就是说各向同性的

那么为了达到各向同性的

这样的一个覆盖呢

我们往往需要

希望在这个反应的黏附系数要适当

那么也就是说

这个反应生成物

在衬底的表面

能够在一定程度上的迁徙

另外呢我们希望

整个的这个反应

是反应控制的而不是流量控制的

那么我们刚才讲了

在温度相对比较低的情况下

它是靠反应速度来控制

整个这个过程的

那么在温度比较高的时候呢

它实际上是流量传输来控制的

那么另外呢

我们一般希望形成的

这个CVD膜它的质量比较好

那么质量比较好呢

我们希望整个的这个化学反应

它的成核点是在芯片的表面

而不是在整个反应腔内

那么反应腔内如果成核之后

是掉落到这个芯片表面的话

那么它的这个膜

质量就不是很好

所以我们希望整个的

反应过程能够合理的控制

反应的环境

使得成核点在芯片的表面

那么从CVD的

制备技术的角度来讲

大概有这么几种

一种是在常压下

也就是APCVD

在常压下来实现

化学沉积过程

那么第二种

我们也可以在低压下

就是在整个的这个

化学反应过程

是在一个高真空下

在一个比较低的气压下

那么来完成这些CVD过程

那就是我们所说的LPCVD

在此以外呢

我们还可以不仅仅这两个

APCVD和LPCVD

它的激励源都是靠温度

那么除了靠温度以外

我们也可以引入其他的激励源

你譬如说用等离子体

那么等离子体的介入呢

可以大幅度的增强

化学反应的这个活性

那么提高化学反应的速度

那么引进等离子体的目的

是希望能够降低

反应的温度

那么使得呢

我们用更小的Thermal budget

来实现这个CVD

那么从器件

设备的结构可以看

那么如果是低压CVD

因为在高真空(低压)下

那么气体的自由程

是比较大的

这样的话

我们可以把需要

加工的硅片

那么竖直紧密的排列起来

这样同样因为气体的自由程

比较大

这样的话我即使是

紧密排列的话

那么硅片各个地方的表面

它接触到反应气体的

概率也还是一样的

这样的话可以使得

整个的产能（through put）

可以做得比较大

那么另外呢

我们刚才说了为了减小

Thermal budget

我也可以引入除了

温度以外可以引入这个

等离子体的这个增强

那么所谓的PECVD

那么在PECVD的情况下

那么我的整个的硅片

就要平放

这样的话使得

每一个硅片

那么接受等离子体的

状态是一样的

那么LPCVD和PECVD的

特点的对比

我们可以大概总结如下

一个是LPCVD

就是低压CVD呢

那么刚才讲了

由于这个气体稀薄

它的这个自由程比较大

这样的话我硅片可以密排

这样可以实现批量的加工

而且它的

整个反应是靠温度来推动

那么反应的温度比较高

这样沉积物的致密性比较好

它的缺点呢就是

工艺温度比较高

另外呢它的这个

整个的这个反应的这个设备

是一个热壁的系统

也就是说它通过一个

一个炉管那么加热整个的

这个石英壁

那么这样的话

整个的反应

容易在石英壁上首先产生

刚才我讲的为了实现

比较好的这个淀积

我们希望它的成核点

在衬底上

那么从这个意义上讲

那么适应壁上的沉积物

会使得变成后续工艺中的一个

颗粒的引入

那么PECVD的主要的好处

就是引入了等离子体增强之后

它整个的淀积温度可以降低很多

那么整个的这个工艺的Thermal budget

可以小很多

但是呢它的缺点呢是

淀积物的致密性比较差

因为它的整个工艺的激励

除了温度以外

还有等离子体

那么等离子体呢

它有轰击电压

等离子体密度

以及等离子体的均匀性等等

多个参数影响这样一个工艺

所以PECVD的工艺控制方面

就要更复杂一些

那么在这个集成电路里头

那么有一些典型的材料

你譬如说多晶硅的栅

就是用这个CVD的办法来制备的

那么它的整个的过程

大概是我们用硅烷和氮气

还有氢气来实现这样一个

化学反应过程

那么这个硅烷首先

通过这个气体传输到

晶片表面

然后吸附到晶片表面

之后在氢气的这个作用下

那么分解成二氢硅和氢气

然后二氢硅又分解成硅

最后氢气解吸附

那你譬如说在这个过程中

实际上是最后一步

就是氢气的解吸附

它的速度是最慢的

所以整个CVD

多晶硅的过程

它的反应速度

实际上是受之后的

这个氢气的解吸附过程

限制的

那么典型的多晶硅的

这个淀积过程

我们是用LPCVD来做

那么它的典型的工艺温度

大概是500到600度左右

那么往往呢我们在做

掺杂着多晶硅的用作栅的时候

我们同时通磷烷或者砷烷

或者硼烷等等这些

掺杂的气体

那么同时完成原位的掺杂

那么另外我们可以看一下

在各种这个互连线

里头的介质

那么起绝缘特性的

那么它的制备方法呢

实际上有很多种

你譬如说除了热氧化以外

那么制备呢

还有这个譬如说LPCVD

也可以用PECVD来做

而且在LPCVD里头

我们这张表里头也看到

可以用不同的源

譬如可以用硅烷

也可以用TEOS

也可以用二氯二氢硅

那么不同的这个源

同样是这个LPCVD

那么它的工艺温度

可能就是不一样的

你譬如说硅烷

它的工艺温度是450度

TEOS是700度

那么二氯二氢硅要900度

如果我要是加上

这个等离子体增强的话

那么工艺温度

就可以降到200度

那么不同的工艺温度

它做出来的效果

也是不一样的

你譬如说二氯二氢硅

它做出来的效果

就有很好的保角特性

那么包括TEOS也有

比较好的保角特性

而它的击穿场强

也可以做得很高到10兆伏

这样的一个量级

但是用Plasma enhance（等离子体增强）

或者是用硅烷的热分解

做出来的膜的质量

就稍微差一点

做出来的保角性

也稍微差一点

但是它的好处

就是工艺温度比较低

那么所以可以看到

不同的制备技术

制备出来的

膜的特性是不一样的

而且它的制备条件

也有比较大的差别

那我们在应用中

会根据不同应用的要求

来选择适合的工艺条件

那么还有你譬如

我们CVD可以制备

氮化硅薄膜

往往有的时候

我们需要二氧化硅和氮化硅

不同的理化特性

来形成这样的一个加工

那么制备氮化硅薄膜

实际上LPCVD和PECVD

都可以应用

那么也是一样

那么LPCVD呢

它的工艺温度比较高

那么往往要七八百度

那么PECVD呢

要制备氮化硅呢

往往只需要250度到350度的

这样的一个工艺温度

这张表给出了

各种这个介质薄膜

也包括后面还有金属薄膜的

那个典型的制备技术

那么这里头呢

你包括你比如说

钝化的膜

包括这个金属层间连线的

介质

包括栅的spacer（侧墙）

还有包括等等

还有Gap filling（间隙填充）等等

不同的要求

在集成电路里头

典型的那么制备方法

那么它有可能是用

热氧化的办法来制备

也可能用PECVD的办法来制备

也可能用LPCVD的办法制备等等

那么这些呢

同学们有时间呢可以看一下

了解一下典型的

集成电路制备

各种薄膜的CVD技术

有哪些

我想再强调一下就是说

这张表给出的

仅仅是集成电路里头

针对集成电路的要求

它选择的一些

制备的技术

也包括选择的源

如果我们要做其他的器件

那么我们要根据

我们要做的器件里头的

介质膜的具体的要求

来优化我们自己的工艺

手段

来优化我们自己的工艺

选择的反应气体

那么选择的这个激励的条件

激励的方式等等

那么刚才讲到

CVD里头

很重要的一个就是

它的保角特性

也就是填充特性

那么这张图给出了一个

在金属互连线

因为集成电路的金属互连线

它的已经是很密集了

它的这个高宽比也很大

那么在这种情况下的话

如果它的保角特性不好的话

就会形成左边这个图

这里头的一些空洞

这个空洞呢就会对它的

整个电路的可靠性

造成不好的影响

所以我们在这个

介质填充的环境下

很重要的就是要

优化这个CVD的Gap filling

也就是保角特性

那么使得它整个的

填充能够没有这样的一些空洞

那么类似的事情

不仅仅是在介质沉积中需要

那么在金属沉积中也是一样

你譬如说一个典型的应用就是

钨plug里头也就是说

层间的互连

连接的连接柱

那么它也是同样是一个深宽比

很高的这样的一个场合

那么我们这个钨塞

也是用CVD技术来沉积的

那么我们也需要

优化CVD的工艺

使得它的保角特性很好

能够填充实整个plug

你譬如说这张图

右面这个图

它的填充性不好

就会使得这个钨plug里头

产生很多所谓的key-hole

就是针孔

这个针孔

对后续互连的可靠性

产生不良的影响

那么这张图就给出了一个

填充很好的

一个钨plug

的断面的照片

所以这些都是靠

优化CVD的工艺

来实现的

那么我们概括一下

那么我们可以看

CVD主要有大概

三种

一种这个所谓的APCVD

就是常压的CVD

还有这个LPCVD

低压的CVD

那么这两类CVD

它主要的激励源

都是靠热量靠温度

那么另外我们还可以

引入第二种激励源

可以用等离子体激励源

就是所谓的PECVD

这个表里

给出了一些不同的

APCVD LPCVD跟PECVD的

性质

它制备的介质膜的特性

那么总的来说

APCVD

因为它的整个的反应过程

是受大量的

它的好处就是

因为有

大量的气体过来嘛

这样的话

气体的输运能够比较充分

那么所以呢它的through put（产能）比较大

比较大

它的坏处就是

台阶覆盖性不好

LPCVD它的台阶覆盖性很好

但是它的坏处就是

反应温度往往比较高

那么PECVD呢

它的反应温度可以比较低

也就是Thermal budget比较小

但是它的坏处

是往往台阶覆盖性不是很好

再有就是制备的膜比较疏松

在这个实际的设备方面

一般这个CVD

往往和不同

材料的CVD

以及包括刻蚀的这个腔体

把它联合的做成一种

就所谓Cluster Tools

就是说不同的反应腔

包括CVD的

包括刻蚀的

因为刻蚀的反应腔

从结构上来讲的话

和CVD的实际上是大同小异的

中间呢是靠一个

真空的传输系统

来把它做成一个

连锁的Cluster Tools

这样的话使得wafer（硅片）

在不同的这个CVD的过程中

以及包括CVD之后的

刻蚀的过程中

不出真空环境

这样的话可以使得

层间的界面特性

能够得到大幅度的改善

那么避免其他环境方面的沾污

这一节我们小结一下

这节我们主要讲了

CVD的动力学过程

以及薄膜的理化性质

那么这里头

同学们需要了解的一个是

输运和成核的理化过程

以及它的两个极端

一个是在这个激励

比较弱的时候

你譬如说在比较低的温度下

它的整个反应过程

反应速度是受反应温度控制的

那么另外一个就是在激励

比较充分的情况下

那么也就是说反应温度较高

的情况下

反应速率实际上是受

气体的能够带来多少

新鲜的反应物控制的

也就是说受质量传输控制的

那么第二个知识点

希望同学们比较重视

就是CVD的过程

CVD很重视对下层衬底是

非平面结构的时候的

表面的覆盖

这里头包括台阶的覆盖

和孔的填充的问题

这样的话

要达到一个比较好的

CVD的填充特性

往往要从这两方面入手

一方面要适当地选择

整个化学反应的体系

使得它的黏附系数

能够比较好

另外一个就是说

整个的反应过程

要把它控制在

由反应温度控制的区域内

这样的话

而不是靠质量传输来

控制整个反应过程

这样的话是比较有利于

薄膜的台阶覆盖的

那么我们从制备技术的

角度来讲的话

主要有所谓的APCVD（常压CVD）

LPCVD（低压CVD）

和PECVD

也就是等离子增强的

CVD这几种

不同的设备种类

那么我们需要的各种介质

包括一些金属

你譬如说钨

都可以通过CVD的办法来制备

那么谢谢大家