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第六章化学气相淀积

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化学气相淀积

化学气相淀积

加热方式：
❖ 电阻直接加热（热壁式和冷壁式） ❖ 电感加热或高能辐射灯加热（多为冷壁式）
常用的几种CVD系统
APCVD系统（Atmospheric Pressure CVD）
❖ 操作简单；较高的淀积速率；适于介质薄膜淀积； ❖ 易发生气相反应，产生颗粒污染；台阶覆盖性和均匀性较差；一
般是质量输运控制，需精确控制各处的反应剂浓度均匀； ❖ 水平式反应系统；连续式淀积系统。
LPCVD系统（Low Pressure CVD）
❖ 污染小；均匀性和台阶覆盖性较好；一般是表面反应控制，精确控 制温度比较容易；
❖ 气缺现象；较低的淀积速率；较高的淀积温度； ❖ 立式淀积系统；管式淀积系统。
PECVD系统（Plasma Enhanced CVD）
❖ 相对最低的淀积温度，最高的淀积速率；淀积的薄膜具 有良好的附着性、低针孔密度、良好的阶梯覆盖、良好 的电学特性、可以与精细图形转移工艺兼容；
X=0
X=L
U
y
? (x) x
dx
L
Grove模型
❖ F1=hg(Cg-Cs) ❖ F2=ksCs ❖ Cs=Cg/(1+ks/hg)
G F kshg Cg N1 ks hg N1
气体
薄膜
Cg Cs
❖ Ks<< hg时，表面反应控制： G= (Cg ks ) /N1
hg << Ks时，质量输运控制： G= (Cg hg ) /N1
§6.2 化学气相淀积系统
CVD系统通常包括： ❖ 气态源或液态源 ❖气体输入管道 ❖气体流量控制 ❖反应室 ❖ 基座加热及控制系统（其他激活方式） ❖ 温度控制及测量系统 ❖ 减压系统（可选）
CVD的气体源
化学气相沉积

化学气相沉积


6.1 CVD概述
除了CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有:
旋涂Spin-on 镀/电镀 electroless plating/electroplati ng
铜互连是由电镀工艺制作
6.1 CVD概述
化学气相淀积（CVD）

CVD技术特点：


具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性 和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单 等一系列优点 CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各 种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶 硅、氮化硅、金属(钨、钼)等



反应室
基座加热及控制系统 温度控制及测量系统 减压系统（LPCVD和PECVD)
6.3 CVD工艺方法

气体源趋向液态

气态源不安全 淀积的薄膜特性不好

液态源的输送
保存在室温下的 液态源，使用时 先注入到气化室 中，气化后直接 输送到反应室中
6.3 CVD工艺方法
质量流量控制系统
金属 氧化硅 场氧化层
p+ n-well
多晶
金属
p+
金属前氧化层 侧墙氧化层
栅氧化层
p- epi layer
p+ silicon substrate
ULSI硅片上的多层金属化
钝化层
ILD-6
压点金属
M-4
ILD-5
ILD-4
M-3 ILD-3 M-2 ILD-2 M-1 Via LI metal n+ p+ n-well Poly gate p+ ILD-1 LI oxide STI n+ p-well n+ p+
硅工艺第6章_化学气相淀积习题参考答案

硅工艺第6章_化学气相淀积习题参考答案


高温情况下hg << ks ，淀积速率 由气相质量输运速率决定； 低温情况下hg >> ks ，淀积速率受表面反应速率控制。
2 列举化学气相淀积技术的三种分类方法。
答：1）按淀积温度分：低温淀积、中温淀积； 2）按反应室内部压力分：常压淀积、低压淀积； 3）按反应室器壁温度分：冷壁式淀积、热壁式淀积； 4）按淀积反应的激活方式分：光激活、等离子体激活 等。
硅烷和氧反应
三大系统均可、氮
SiH4(气) +O2 (气)
气稀释、氧过量、 硅片加热至
SiO2(固) +2H2 (气) 250~450℃
淀积速率与温度、 氧气含量关系；需 致密化。
硅烷和N2O反应 SiH4(气) +2N2O (气)
SiO2 (固) +2N2 (气) + 2H2 (气)
PECVD系统、氩气 稀释、反应温度 200~400 ℃
Si(OC2H5)4 SiO2 + 4C2H4 + 2H2S与臭氧混合 源的SiO2淀积
LPCVD 管状热壁
反应室，淀积温度 675~695 ℃，淀积 速率25nm/min， 足够的氧气。
淀积速率与温度、 TEOS分压的关系；
保形性好。
APCVD
淀积速率显著提高； 具有非常好的保形 性，可有效填充沟 槽及金属间隙
3 简述APCVD、LPCVD、PECVD的特点。
答：
1） APCVD特点
操作简单、淀积速度较高、适合介质薄膜的淀积；易发 生气相反应，产生微粒污染，台阶覆盖性和均匀性较差； 一般由hg控制，需精确控制单位时间到达硅片表面各处 的反应剂数量，保证薄膜的均匀性。
2）LPCVD特点
(s)第六章+化学气相淀积

(s)第六章+化学气相淀积


6.4 CVD二氧化硅
6.4.3 CVD掺杂SiO2 1. PSG 工艺：原位掺杂PH3； 组分：P2O5 和 SiO2； 磷硅玻璃回流（ P-glass flow ）工艺：PSG受热变软易 流动，可提供一平滑的表面，也称高温平坦化 （100-1100℃）。(好处:提高后续淀积的台阶覆盖) 2. BPSG（硼磷硅玻璃） 工艺：原位掺杂PH3 、B2H6； 组分：B2O3-P2O5-SiO2； 回流平坦化温度：850 ℃；
6.4 CVD二氧化硅
6.4.2 台阶覆盖 保形覆盖：所有图形上淀积的薄膜 厚度相同；也称共性 conformal）覆盖。 覆盖模型： ①淀积速率正比于气体分子到达表 面的角度(到达角)； ②特殊位置的淀积机理： a直接入射；b再发射；c表面迁移。 保形覆盖的关键： ①表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比； ②再发射
6.2 CVD系统



6.2.1 气体源 例如CVD二氧化硅：气态源SiH4（与O2或N2O反应）； 液态源TEOS（正硅酸四乙酯分解）. 液态源的优势： ①安全：气压小，不易泄露； ②淀积的薄膜特性好 液态源的输运： ①冒泡法：由N2、H2、Ar2气体携带； ②加热法：直接加热液态源,使之气化； ③直接注入法：液态源先注入到气化室，气化后直接送入 反应室。
两个结论： a.G与Cg(无稀释气体）或Y（有稀释气体）成正比； b.当Cg或Y为常数时，G由ks 、hg中较小者决定： hg >> ks，G=（CTksY)/N1 ，反应控制； hg << ks，G=（CThgY)/N1 ，扩散控制；

6.1 CVD模型
影响淀积速率的因素 ①主气体流速Um ∵ G=（CThgY)/N1 （扩散控制）, F1=Dg(Cg-Cs)/δs (菲克第一定律) D g 3D g hg=Dg/δs= Re (F1前后两式比较所得) 2L Re= ρUL /μ，U≤0.99Um， ∴结论：扩散控制的G与Um1/2成正比 提高G的措施： a.降低δs：缩小基座的长度L； b.增加Um：但Um增大到一定值后→ hg >> ks→转为反应控制→G饱和。
第六章 化学气相沉积

第六章 化学气相沉积


用于CVD化学反应的几种类型


CVD法可制成各种薄膜和形成不同薄膜组成，能制 备出单质、化合物、氧化物和氮化物等薄膜。在 CVD法中应用了许多化学反应。运用各种反应方式， 选择相应的温度、气体组成、浓度、压力等参数就 能得到各种性质的薄膜。 最早采用的 CVD 化学反应方式是用于金属精制的 氢还原、化学输送反应等。现在得到应用的反应方 式有加热分解、氧化、与氨反应、等离子体激发等， 也开发激发的CVD法。下面概述这些反应方式的特 性。
表2.4 CVD和PVD方法的比较
项 目 物质源 激活方法 制作温度 PVD 生成膜物质的蒸气，反应气 体 消耗蒸发热，电离等 250~2000℃（蒸发源） 25℃至合适温度（基片） CVD 含有生成膜元素的化合物蒸 气，反应气体等 提供激活能，高温，化学自 由能
150~2000℃（基片）
成膜速率



由于 CVD 法是利用各种气体反应来制成薄膜，所 以可任意控制薄膜组成，从而制得许多新的膜材。 采用 CVD 法制备薄膜时，其生长温度显著低于薄 膜组成物质的熔点，所得膜层均匀性好，具有台阶 覆盖性能，适宜于复杂形状的基板。 由于其具有淀积速率高、膜层针孔少、纯度高、 致密、形成晶体的缺陷较少等特点，因而化学气相 沉积的应用范围非常广泛。
2 2 WF6 Si SiF4 W 3 3
一、化学气相沉积的基本原理
☞常见的几种CVD反应 化学输运反应 将薄膜物质作为源物质（无挥发性物质），借助 适当的气体介质与之反应而形成气态化合物，这种气 态化合物经过化学迁移或物理输运到与源区温度不同 的沉积区，在基片上再通过逆反应使源物质重新分解 出来，这种反应过程称为化学输运反应。 设源为A，输运剂为B，输运反应通式为：
第6章化学气相淀积

第6章化学气相淀积


Cs
Cg 1 ks / hg
hg ks ① 淀积速率受表面化学反应速率控制
h k g
s ②淀积速率受质量输运速率控制
G F N1
G F kshg Cg N1 ks hg N1
Cg YCT
G kshg CT Y ks hg N1
G F kshg Cg N1 ks hg N1
• 多晶硅的电学特性 多晶硅的电阻率比单晶硅的电阻率高得多，这主要是由
两个方面引起的： ①在热处理过程中，一些掺杂原子跑到 晶粒间界处（例如，As和P；但是B不会发生这种现象）， 而这些间界处的掺杂原子不能有效地贡献自由载流子，而 晶粒内的掺杂浓度降低了，因此同单晶硅相比，掺杂浓度 虽然相同，但多晶硅的电阻率比单晶硅的电阻率高得多； ②晶粒间界处含有大量的悬挂键，这些悬挂键可以俘获自 由载流子，因此降低了自由载流子的浓度，同时晶粒间界 俘获电荷使得邻近的晶粒耗尽，并且引起多晶硅内部电势 的变化。晶粒间界电势的变化对载流子的迁移非常不利， 同时也使电阻率增大。晶粒间界大约为0.5～1.0nm宽，可以 模型化为独立的、带宽增大的一个非晶区。多晶硅掺杂浓 度和晶粒尺寸对电阻的影响
第六章 化学气相淀积
化学气相淀积
• 化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition） ，简称CVD。
• 是把含有构成薄膜元素的气态反应剂或者液 态反应剂的蒸气，以合理的流速引入反应室 ，在衬底表面发生化学反应并在衬底表面上 淀积薄膜。
• CVD的基本理论主要包括气相化学反应、热力 学、动力学、热传导、流体力学、表面反应 、等离子反应、薄膜物理等。
6.1 CVD模型
化学气相淀积步骤： • (1)反应剂气体以合理的速流被输送到反应室内，气流从入
第六章化学气相沉积.ppt

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如果用N1表示形成一个单位体积薄膜所需要的原子数量(原子/cm3)，在稳态情 况下，F＝Fl＝F2，薄膜淀积速率G就可表示为
G F kshg Cg N1 ks hg N1
在多数CVD过程中，反应剂被惰性气体稀释，气体中反应剂的浓度Cg定义为 Cg YCT
其中，Y是气相中反应剂的摩尔百分比，而CT是单位体积中气体分子数，得 到Grove模型的薄膜淀积速率的一般表达式
边界层：气流速度受到扰动并按抛物线型变化，同时还存在反应剂浓度梯 度的薄层，称为边界层、附面层、滞流层。
边界层厚度δ(x)：定义为从速度为零的硅片表 面到气流速度为0.99 Um的区域厚度。
δ(x)与距离x之间的关系可以表示为
1
δ(x)


μx ρU
2
其中，μ是气体的黏滞系数，ρ为气体的密度，
图中的虚线是气流速度U达到主气流速度Um的 99％的连线，也就是边界层的边界位置。
设L为基片的长度，边界层的平均厚度可以表示为
1
L

(x)dx

2L(

1
)2
L0
3 UL
或者 2L
ห้องสมุดไป่ตู้3 Re
其中
Re UL
Re为气体的雷诺数，无量纲，它表示流体运动中惯性效应与黏滞效应的比。
两种极限情况：
①当hg>>ks时，Cs趋向于Cg，从主气流输运到硅片表面的反应剂数量大于在 该温度下表面化学反应需要的数量，淀积速率受表面化学反应速率控制。
②当hg<<ks时， Cs趋向于0，表面化学反应所需要的反应剂数量大于在该温 度下由主气流输运到衬底表面的数量，淀积速率受质量输运速率控制。
第六章化学气相淀积CVD

第六章化学气相淀积CVD

厚度的均匀性
薄膜厚度要求均匀性，材料的电阻会随膜厚度的 变化而变化，同时膜层越薄，就会有更多的缺陷，如 针孔，这会导致膜本身的机械强度降低，因此我们希 望薄膜有好的表面平坦度来尽可能减小台阶和缝隙。
高纯度和高密度
高纯度的膜意味着膜中没有那些会影响膜质量的 化学元素或者原子。要避免沾污物和颗粒。 膜的密度也是膜质量的重要指标，它显示了膜层中针 孔和空洞的多少。
原位掺杂
杂质原子在薄膜淀积的同时被结合到薄膜 中，一步完成薄膜淀积和掺杂 薄膜厚度、掺杂的均匀性淀积速度的控制 复杂

6.4 CVD SiO2
1.SiO2的用途
淀积
淀积
•非掺杂SiO2: 用于离子注入或扩散的掩蔽膜， 多层金属化层之间的绝缘，增加场区氧化层之 间的厚度。 •掺杂SiO2: 用于器件钝化，磷硅玻璃回流，掺 杂扩散源,与非掺杂SiO2结合作为多层金属化层 之间的绝缘层。

采用一条带或传输装置来传送硅片，通过流 动在反应器中部的反应气体。
应用:用于SiO2的淀积和掺杂的氧化 硅(PSG、BSG等)
SiH4+O2=SiO2 +H2O
100mm：10片，125mm:8片 Time:15min Temp:380～450℃6℃ 厚度均匀：< 5％
APCVD缺点
淀积温度℃ 平均晶粒直径(nm) 600 55 635 62 650 72 675 74 700 78 725 86
6.3 .2多晶硅的化学气相淀积


多晶硅的化学气相淀积采用LPCVD，因为 LPCVD淀积的薄膜均匀性好、高纯度等优点。
反应方程式：SiH4 → Si+2H2 550~650℃ 由N2或Ar携带SiH4 20％＋ N2 80％ 淀积速率：100~200Å/min
第六章CVD技术介绍

第六章CVD技术介绍


第三节 化学气相沉积的装置
气源控制部分 沉积反应室 沉积温控部件 真空系统 压力控制系统 其他（增强或激活设备）
半导体超纯多晶硅的沉积生产装置
常压单晶外延和多晶薄膜沉积装置
等离子体增强CVD装置
控制面板
O2
MFC
O2
Cooling Water
Microwav e
微波
发生 器
ECR
第六章 CVD技术简介
第一节 化学气相沉积技术的发展历史
化学气相沉积是利用气态或蒸汽态的物质在气相或气 固界面上反应生成固态沉积物的技术．
化学气相沉积原意为化学蒸汽沉积(Chemical Vapor Deposition, For Short CVD)
２０世纪６０年代该项技术的另一名称为蒸汽镀 根据沉积过程分为PVD和CVD PVD包括：真空蒸发、溅射、离子镀 直接依靠气体反应或等离子体放电增强气体反应的称
为CVD或PCVD or PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)
20世纪50年代注重于刀具涂层的应用。
20世纪60~70年代注重于半导体和集成 电路技术发展和生产需求，CVD技术成 为超纯硅原料的唯一生产方法和Ⅲ~Ⅴ族 半导体、Ⅱ~Ⅵ族半导体单晶外延的基本 生产方法。
CVD技术的要求
反应原料是气态或易于挥发成蒸汽的液 态或固态物质
反应易于生成所需要的沉积物而其它副 产物保留在气相中排出或易分离
整个操作较易于控制
化学气相沉淀的反应类型
简单热分解和热分解反应沉积 氧化还原反应沉积 合成反应沉积 化学输运反应沉积 等离子体增强的反应沉积 其他能源（激光）增强的反应沉积
20世纪80年代低压CVD金刚石薄膜
第六章 化学气相沉积PPT课件

第六章 化学气相沉积PPT课件


结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败 也是伟大的，所以不要放弃，坚持 就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
感谢你的到来与聆听
学习并没有结束，希望继续 努力
Thanks for listening, this course is expected to bring you value and help
❖ 最早采用的CVD化学反应方式是用于金属精制的 氢还原、化学输送反应等。现在得到应用的反应方 式有加热分解、氧化、与氨反应、等离子体激发等 ，也开发激发的CVD法。下面概述这些反应方式的 特性。
（1）热分解反应
❖ 现在热分解法制备薄膜的典型应用是半导体中的 外延薄膜制备、多晶硅薄膜制备等。甲硅烷（ SiH4）在低温下容易分解，可在基片上形成硅薄 膜。
❖ 在既无合适的气态源又无具有较高蒸气压的液态 源的情况下，就只得采用固体或低蒸气压的液体为 源物质了，通常是选择合适的气态物质与之发生气固或气-液反应，形成适当的气态组分向沉积区输送 。
（3）重要的工艺参数
❖ CVD中影响薄膜质量的主要工艺参数有反应气体组 成、工作气压、基板温度、气体流量及原料气体的 纯度等。其中温度是最重要的影响因素。

SiH2 Si 2H2
（2）还原反应
a.氢还原反应
❖ 氢还原反应的典型应用是半导体技术中的外延生 长。使用氢还原反应可以从相应的卤化物制作出硅、 锗、钼、钨等半导体和金属薄膜。
❖ 氢还原反应不同于热分解反应，是可逆的。因而， 反应温度、氢与反应气体的浓度比、压力等都是很 重要的反应参数。
第6章CVD化学气相淀积

第6章CVD化学气相淀积


2019/8/24
1
CVD工艺特点：
（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。 因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制 了缺陷生成; 设备简单，重复性好； （2）薄膜的成分精确可控、配比范围大； （3）淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如 蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃至数毫 米。且能大量生产； （4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。
10
2.淀积速率与气流速率的关系 如图6.7 条件：质量输运速率控制 根据菲克第一定律和式6.5推导，得到
hg=Dg/δg
hgL Dg
=
3 Re 2
气流速率﹤1.0L/min，淀积速率与主气流速度Um的 平方根成正比。↑气流速率，可以↑淀积速率。 气流速率持续↑，淀积速率达到一个极大值，与气 流速率无关。 气流速率大到一定程度，淀积速率转受表面化学反 应速率控制，且与温度遵循指数关系。
2019/8/24
11
总结
Grove模型是一个简化的模型： 忽略了1.反应产物的流速；
2.温度梯度对气相物质输运的影响； 认为 3.反应速度线性依赖于表面浓度。 但成功预测了：
薄膜淀积过程中的两个区域（物质输运速率 限制区域和表面反应控制限制区域），同时也提 供了从淀积速率数据中对hg和ks 值的有效估计。
3.形成机制：图6.3所示
定义从气流遇到平板边界时为坐标原点，则有 δ (x)=（μ x/ρ U）1/2
μ -气体的黏滞系数。ρ -气体的密度
2019/8/24
5
边界层的平均厚度
δ=
1 L
∫0Lδ(ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ)dx
2 =3
L(ρμUL)1/2
或
δ= 2L/(3 Re)

化学气相淀积

High Density Plasma Deposition Chamber Photograph courtesy of Applied Materials, Ultima HDPCVD Centura
CVD三种方法比较
淀积方法
优点
缺点
应用
APCVD (常压CVD)
设备简单，淀积速率大（大于1000A/min）。
薄膜淀积速率
hg对温度不敏感
高温情况下， ks>>hg，淀积速率通常由质量输运控制；
低温情况下， ks<<hg，淀积速率通常由表面化学反应控制。
化学气相淀积系统
CVD系统通常包含以下子系统：
气态源或液态源
气体输入管道
气体流量控制系统
反应室
基座加热及控制系统
温度控制及测量系统
减压系统（LPCVD和PECVD)
LPCVD Reactor
CVD的气体源
此方法适用于： 对蒸气压和温度敏感的反应剂 加热下易分解的反应剂
冒泡法
2
加热液态源，使其气化
3
液态源的输送方法：冒泡法、加热液态源、液态源直接注入法。
4
液态源比气态源安全，目前主要使用液态源。
5
气体流量控制由质量流量控制系统实现，主要包括质量流量计和阀门。
6
--气相质量传输系数,表示单位时间内由气相传输到单位面积生长表面上的反应剂粒子数，具有速度量纲。
假设流密度F1正比于反应剂在主气流中的浓度Cg与硅表面处的浓度Cs之差，则：
假设在表面经化学反应淀积成薄膜的速率正比于反应剂在表面的浓度Cs，则流密度F2可表示为：
ks--表面化学反应速率常数
Grove模型
定义

化学气相沉淀CVD


1.
2.
3.
PECVD原理 微波功率从微波源输出后，传输到等 离子体反应腔，在高压击穿的情况下 激发携带气体或低压反应气体。气体 分子一旦被加热，X和Y间的振动就会 变得剧烈。当振动能超过结合能时， 就会使用分子离解。如：Si-H键，NH键（以微波为例说明） 若碰撞电子的能量足够高，分子中绕 核运动的低能电子，就会在碰撞中获 得充足的能量，使其脱离核的束缚而 成为自由电子，即分子发生了电离。 沉积方式与CVD类似．
3SiH 4 NH Si N 12H
4 3 350 ℃ 3 4 2
等离子体
3SiH SiH SiH
4 350 ℃ 3
等离子体
2 2
SiH 6 H
3

2 NH NH NH 3H
2 3 350 ℃ 2
等离子体

PECVD沉积的SiN膜有什么优势？
1. 2.
3.
等离子体在太阳能电池中的其他应用？
等离子体在太阳电池中的另一个主要应用是对硅片的边缘刻蚀 原理 • 采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子 或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻 蚀材料进行反应，形成挥发性反应物而被去除。 1. 首先，母体分子CF4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中 性基团或离子。
Ge薄膜的制备，早期外延硅膜的生产
CVD系统分类
APCVD（常压） LPCVD（低压） PECVD（等离子体）

PECVD的特点 低温 优良的薄膜组成 台阶覆盖能力
太阳电池中的CVD技术
PECVD法制备减反膜
PECVD沉积膜原理
• • PECVD名词 化学全名：Microwave Remote Plasma Enhance Chemical Vapour Deposition 中文解释：微波间接等离子增强化学气相沉积

化学气相淀积

6
薄膜生长的步骤
1.成核
2.核的生长 聚集成束， 也称为岛生长
3.连续的薄膜
7
气体分子
成核
凝聚
连续的膜
Substrate
8
淀积主要有两大类：
化学气相淀积 （Chemical Vapor Deposition：CVD）
物理气相淀积 （Physical Vapor Deposition: PVD）
化学气相淀积
1
基本上，集成电路是由数层材质不同的薄 膜组成，而使这些薄膜覆盖在硅晶片上的技 术，便是所谓的薄膜沉积及薄膜成长技术－ －薄膜淀积
淀积：就是指薄膜材料的沉积和生长等技 术，指一种材料以物理方式沉积在晶圆表面 上的工艺过程。
所淀积的薄膜可以是导体、绝缘材料或者 半导体材料。比如二氧化硅（SiO2）、氮化 硅（Si3N4）、多晶硅以及金属（Cu、W）
28
1.常压化学气相淀积
(NPCVD Normal Pressure CVD) (APCVD Atmosphere Pressure)
常压化学气相淀积(APCVD/NPCVD)是指 在大气压下进行的一种化学气相淀积的方法， 这是化学气相淀积最初所采用的方法。
29
APCVD系统示意图
4
30
APCVD的缺点： 1.硅片水平放置，量产受限，易污染。 2.反应速度受多种因素影响，反应室尺寸、
按反应器壁温可分为：
热壁；冷壁。
按反应器形状分：
A.立式，（又可细分为钟罩式和桶式）；
B.卧式。
23
1.Si3N4淀积原理
化学气相淀积Si3N4 ，一般是使含硅的化合物蒸汽在 高温下发生化学反应，并在基片表面淀积一层Si3N4 膜，常用的几种化合物反应如下： 硅烷和氨气反应：

第六章化学气相淀积


6.4 CVD二氧化硅
优点：温度低；反应机理简单。 缺点：台阶覆盖差。 ②液态TEOS源：PECVD 250-425℃ 淀积机理： Si(OC2H5)4+O2 250-425 SiO2+H2O+CXHY 优点：安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。 缺点:SiO2膜质量较热生长法差； SiO2膜含C、有机原子团。
6.4 CVD二氧化硅
2. 中温LPCVD SiO2 温度：680-730℃ 化学反应：Si(OC2H5)4 → SiO2+2H2O+4C2H4 优点：较好的保形覆盖。
6.4 CVD二氧化硅
6.4.2 台阶覆盖 保形覆盖：所有图形上淀积 的薄膜厚度相同；也称共性 （conformal）覆盖。 覆盖模型： ①淀积速率正比于气体 分子到达表面的角度； ②特殊位置的淀积机理： a直接入射b再发射c表面迁移
二、各种CVD方法
6.3 CVD多晶硅
6.3.1 多晶硅薄膜的特性 1. 结构特性 ①由无数生长方向各不相同的小晶粒(100nm量级）组 成；主要生长方向（优选方向）－－<110>。 ②晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键。 2. 物理特性：扩散系数明显高于单晶硅； 3. 电学特性 ①电阻率远高于单晶硅； ②晶粒尺寸大的薄膜电阻率小。
6.2.4 CVD技术
3. PECVD（等离子体增强化学气相淀积）
淀积原理: RF激活气体分子（等离子体），使其在低温 （室温）下发生化学反应，淀积成膜。 淀积机理：表面反应控制过程。 优点：温度低（200－350℃）；更高的淀积速率；附 着性好；台阶覆盖好；电学特性好； 缺点：产量低； 淀积薄膜：金属化后的钝化膜（ Si3N4 ）；多层布 线的介质膜（ Si3N4 、SiO2）。

化学气相淀积

化学气相淀积化学气相淀积(ChemicalVaporDeposition,CVD)是一种通过将其他化合物以气态状态溶解于试管中，利用热和加热力学过程将化合物变成固态沉积在某种物质表面上的方法。

CVD技术在工业中也被称为气相沉积(GPD)。

主要用于制造陶瓷、金属层和石墨烯等复杂材料，以及电子、量子级材料等。

CVD的施工过程一般包括反应气的选择、催化剂的加入、温度控制、真空装置的调节等步骤。

反应气的选择常常以某一种有机溶剂为主。

由于气相反应温度较低，容易控制，催化剂常常用来加速反应，提高沉积速率。

它们可以用各种方式加入反应流中，比如采用分子供体的方式、旋流分散的方式、熔盐的方式等。

沉积的温度是控制CVD反应的重要参数之一，它的高低会影响到CVD沉积物的性能和表面形貌。

一般而言，随着温度的升高，反应速度也会增加，沉积物一般具有较好的性能；然而，过高或过低的温度则会使沉积物变质或变性，导致性能变差。

真空系统是CVD反应的基本组成，真空度的好坏，直接关系到反应产物的质量，一般真空度可以达到10-3 Pa，以上真空度可以控制减少污染物和气体分子的含量，从而提高反应效率，避免污染。

CVD技术在多个领域有着广泛的应用，如电子设备、军事技术、量子信息学、航空航天等。

它的优势在于可以制作出高性能的薄膜、薄层或金属层，这些薄层可以用于传感器、隔振件、芯片以及太阳能电池等，有着十分重要的应用价值。

作为一项重要的技术，CVD工艺制备的材料特性复杂，其特性有时候还受到操作条件的影响，以及材料本身的性质。

目前，研究表明，特别是在室温下，CVD沉积技术可以生产出石墨烯、碳纳米管、金属和金属氧化物、有机聚合物、表面化学及涂层等，其应用可以用于新型芯片、传感器、电子器件等领域。

从现在的研究结果看，化学气相淀积技术是一种重要的技术，其中最重要的特点是可以在低温下，通过气体淀积物质，利用反应和传输过程，制造出精密薄膜、薄层和金属层，以及用于电子、量子材料等方面的材料。

化学汽相淀积

反应气体输入
SiH4 (1%浓度)
反应室 Si
废气排出
2H2
加热
如果反应是在硅片上方的气体中发生的，称为 同质反应。 如果反应是在硅片表面处发生的，则称为 异质反应。在上图的 系统中，硅烷（SiH4）先通过同质反应产生气态的亚甲硅基 （ SiH2 ），然后亚甲硅基吸附在硅片表面通过异质反应生成
固体硅。一般不希望由同质反应直接生成固体硅。
CVD 过程中与淀积速率有关的两个主要步骤是 1、反应气体以扩散方式穿过滞流层到达硅片表面，并被 吸附于衬底表面。这称为质量输运过程。扩散流密度为
(Cg Cs ) dC J1 Dg Dg hg (Cg Cs ) dy Dg 式中， hg T a 称为 气相质量转移系数，a = 1.75 ~ 2。
射频源
阴极
阳极 工作气体
加热器
PECVD 的 优点 1、淀积温度低，通常为 300 ~ 350 oC ，特别适宜于在浅结 器件上和在金属布线上作钝化层之用； 2、所淀积的薄膜易于进行等离子体刻蚀； 3、所淀积的薄膜的针孔密度小，台阶覆盖性更好；
4、通过改变气流可以使薄膜组分由氧化物连续地变化到氮
化物，使技术上实现层叠及缓变薄膜成为可能。
于化学反应的薄膜淀积方法。以气体形式提供的反应物质， 在
热能、等离子体、紫外光等的作用下，在衬底表面经化学反应
（分解或合成）形成固体物质的淀积。
CVD 工艺的特点
1、CVD工艺的温度低，可减轻硅片的热形变，抑制缺陷 的生成，减轻杂质的再分布，适于制造浅结器件及 VLSI ；
2、薄膜的成分精确可控、配比范围大，重复性好；
Cg
hg T a
ks e

Ea kT
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∴
hg=Dg/δs=
Dg


3D g 2L
Re
，以及
Re=ρUL/μ，U≤0.99Um，则 对扩散控制：G=（CThgY)/N1，故 结论：扩散控制的G与Um1/2与成正比 提高G的措施： a.降低δs：减小基座的长度L； b.增加Um：Um增大到一定值后，hg >> ks，转为反应控制， G饱和
淀积速率与气流速率关系
第六章 化学气相淀积

化学气相淀积：CVD，Chemical Vapour Deposition。
通过气态物质的化学反应，在衬底上淀积一层薄膜的工 艺过程。

CVD薄膜：集成电路工艺所需的几乎所有薄膜，如SiO2、 Si3N4、PSG、BSG（绝缘介质）多晶硅、金属（互连线/接 触孔/电极）、单晶硅（外延）等。 CVD特点：淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀 性和重复性好、台阶覆盖好、适用范围广、设备简单等
6.5

CVD Si3N4
Si3N4薄膜的特性：
①扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧； ②对底层金属可保形覆盖； 层 ③针孔少； ④介电常数较大：(εSi3N4=6-9,εSiO2=4.2) 不能作层间的绝缘层。 钝化

淀积方法：根据用途选择；
①DRAM的电容介质：LPCVD； ②最终钝化膜：PECVD（200-400℃）
集成电路制造技术
第六章 化学气相淀积
西安电子科技大学
微电子学院
戴显英 2013Байду номын сангаас9月
本章主要内容



CVD介质薄膜的应用 CVD氧化硅与热生长氧化硅 CVD模型：淀积速率 CVD系统：APCVD、LPCVD、PECVD CVD多晶硅 CVD二氧化硅 CVD氮化硅 CVD金属 CVD与PVD
6.4
6.4.3 CVD掺杂SiO2 1. PSG

CVD二氧化硅


工艺：原位掺杂PH3； 组分：P2O5 和 SiO2； 磷硅玻璃回流（ P-glass flow ）工艺：PSG受热变软易流动， 可提供一平滑的表面；也称高温平坦化（1000-1100℃）
2.

BPSG
工艺：原位掺杂PH3 、B2H6； 组分：B2O3-P2O5-SiO2； 回流温度：850 ℃；
• 高质量

CVD 氧化硅 • O和Si都来自气态源 • 淀积在衬底表面
• 生长温度低（如PECVD）、生长速率高
CVD介质薄膜的应用

浅槽隔离 (STI, USG)
侧墙隔离 (Sidewall spacer,USG) 金属前介质 (PMD, PSG or BPSG) 金属间介质 (IMD, USG or FSG) 钝化介质 (PD, Oxide/Nitride)

常用CVD技术
①常压CVD（APCVD）②低压CVD（LPCVD） ③等离子体CVD（PECVD）
CVD系统
6.2
6.2.1

CVD系统
气体源


例如CVD二氧化硅：气态源SiH4；液态源TEOS（正硅酸四 乙酯）。 液态源的优势： ①安全：气压小，不易泄露； ②淀积的薄膜特性好 液态源的输运（传输）： ①冒泡法：由N2、H2、Ar2气体携带； ②加热法：直接加热气化液态源； ③直接注入法：液态源先注入到气化室，气化后直接送入 反应室。
6.4.1 CVD SiO2的方法 1. 低温CVD





①气态硅烷源 硅烷和氧气： APCVD、LPCVD、PECVD 淀积机理: SiH4+O2 ~400℃ SiO2 + H2 硅烷和N2O（NO） ：PECVD 淀积机理: SiH4+N2O 200-400℃ SiO2 + N2 + H2O 原位掺P：形成PSG 淀积机理: PH3(g)+5O2=2P2O5(固)+6H2 优点：温度低；反应机理简单。 缺点：台阶覆盖差。
LPCVD系统
6.2.3

CVD技术
3. PECVD（等离子体增强化学气相淀积）
淀积原理: RF激活气体分子（等离子体），使其在低温 （室温）下发生化学反应，淀积成膜。 淀积机理：表面反应控制过程。 优点：温度低（200－350℃）；更高的淀积速率； 附着性好；台阶覆盖好；电学特性好； 缺点：产量低； 淀积薄膜：金属化后的钝化膜（ Si3N4 ）；多层布 线的介质膜（ Si3N4 、SiO2）。




CVD介质薄膜的应用
浅槽隔离 (STI)
CVD介质薄膜的应用
侧墙隔离（Sidewall spacer）
思考题:小尺寸器为什么要LDD（轻掺杂源漏）？
基本应用
CVD介质层的应用实例
6.1 CVD模型
6.1.1 CVD的基本过程
①传输：反应剂从气相经附面层 （边界层）扩散到（Si）表面； ②吸附：反应剂吸附在表面； ③化学反应：在表面进行化学反 应，生成薄膜分子及副产物； ④淀积：薄膜分子在表面淀积成 薄膜； ⑤脱吸：副产物脱离吸附； ⑥逸出：脱吸的副产物从表面扩 散到气相，逸出反应室。
2. PECVD
CVD Si3N4
①反应： SiH4 + NH3 （N2） → SixNyHz + H2 ②SiN薄膜中H的危害：阈值漂移
6.4
6.4.2

CVD二氧化硅
台阶覆盖
保形覆盖：所有图形上淀积 的薄膜厚度相同，也称共性 （conformal）覆盖。

覆盖模型：
①淀积速率正比于气体分子到达 表面的角度； ②特殊位置的淀积机理： a)直接入射b)再发射c)表面迁移
6.4
CVD二氧化硅

保形覆盖的关键：
①表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比； ②再发射




PECVD系统
PECVD 系统（电容耦合）
6.3
6.3.1 多晶硅薄膜的特性
CVD多晶硅
1. 结构特性 ①由无数生长方向各不相同的小晶粒(100nm量级）组成；主 要生长方向（优选方向）－－<110>。 ②晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键。 2. 物理特性：扩散系数明显高于单晶硅； 3. 电学特性 ①电阻率远高于单晶硅；WHY? ②晶粒尺寸大的薄膜电阻率小。
6.3

CVD多晶硅

特点： ①与Si及SiO2的接触性能更好； ②台阶覆盖性好。 缺点： SiH4易气相分解。 用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。 多晶硅掺杂 ①扩散：电阻率低；温度高； ②离子注入:电阻率是扩散的10倍； ③原位掺杂：淀积过程（模型）复杂；

实际应用
6.4
CVD二氧化硅
CVD系统：常压CVD（APCVD）、低压CVD（LPCVD）和等离 子增强CVD（PECVD）


CVD氧化层与热生长氧化层的比较
热氧化处理 CVD
热生长氧化层
裸硅片
CVD氧化层
CVD氧化硅vs.热生长氧化硅

热生长氧化硅
• O来源于气源，Si来源于衬底 • 氧化物生长消耗硅衬底

氧化温度高、氧化速率慢
L
1/ 2
或


2L 3 Re

Re= ρUL /μ，雷诺数（无量纲） 雷诺数取值：<200，平流型；商业CVD：Re=50-100； >2100，湍流型（要避免）。
6.1 CVD模型

6.1.3
Grove模型
①假定边界层中反应剂的浓度梯度为线性近似，则扩散流密度 F1=hg(Cg-Cs)
hg - 气相质量转移系数， Cg- 主气流中反应剂浓度， Cs - 表面处反应剂浓度；
CVD过程图示
CVD过程示意
CVD气体的流动
6.1 CVD模型
6.1.2

边界层理论
CVD气体的特性：平均自由程远小于反应室尺寸，具有黏滞性； 平流层：主气流层，流速Um 均一； 边界层（附面层、滞留层）：流速受到扰动的气流层； 泊松流（Poisseulle Flow）：沿主气流方向（平行Si表面）没 有速度梯度，沿垂直Si表面存在速度梯度的流体；
CVD边界层模型
6.1 CVD模型
6.1.2

边界层理论
δ（x）=（μx/ρU)1/2
边界层厚度δ（x）：流速小于0.99 Um 的区域；
μ-黏滞系数，x-与基座的距离，ρ-密度，U-边界层流速；

平均厚度
1 2 ( x)dx L L0 3 UL

一般表达式：G=[kshg/(ks+hg)](CT/N1)Y 两种极限情况 ①反应控制：hg >> ks，则 G=（CTksY)/N1 ； ②扩散控制：hg << ks，则 G=（CThgY)/N1 ；
6.1 CVD模型

影响淀积速率的因素
①主气体流速Um ∵ F1=hg(Cg-Cs)= Dg(Cg-Cs)/δs，
6.5
CVD Si3N4薄膜工艺 1. LPCVD
CVD Si3N4
①反应剂： SiH2Cl2 + NH3 → Si3N4+H2+HCl ②温度：700-900 ℃； ③速率：与总压力（或pSiH2Cl2)成正比； ④特点：密度高；不易被稀HF腐蚀； 化学配比好；保形覆盖； ⑤缺点：应力大；
6.5
6.3
6.3.2

CVD多晶硅
CVD多晶硅

工艺：LPCVD； 气体源：气态SiH4； 淀积过程： ①吸附：SiH4（g)→ SiH4（吸附) ②热分解： SiH4（吸附) = SiH2（吸附)+H2(g) SiH2（吸附) = Si（吸附)+H2（g) ③淀积： Si（吸附)= Si（固) ④脱吸、逸出： SiH2、H2脱离表面，逸出反应室。 总反应式： SiH4（吸附) = Si（固体)+2H2(g)