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(s)第六章+化学气相淀积

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化学汽相淀积

化学汽相淀积

薄膜，例如 (1) SiH4 热分解淀积 Poly-Si ，T = 625 oC，p = 0.2 ~ 1 Torr SiH4 Si + 2 H2
(2) SiH4 + NH3 系统淀积 Si3N4 ，T = 825 oC，p = 0.7 Torr 3 SiH4 + 4 NH3 Si3N4 + 12 H2
当用常压 CVD 工艺在 Si 表面淀积 SiO2 膜时，与热氧化 工艺的不同之处有
1、CVD 法 SiO2 膜中的硅来自外加的反应气体，而热氧化
法 SiO2 膜中的硅来自硅衬底本身，氧化过程中要消耗掉一部分 衬底中的硅； 2、CVD 法的反应发生在 SiO2 膜的表面，膜厚与时间始终 成线性关系。而在热氧化法中，一旦 SiO2 膜形成以后，反应剂
导体： Al、Ni、Au、Pt、Ti、W、Mo、WSi2
CVD 的分类 1、按温度，有低温 ( 200 ~ 500oC)、中温 ( 500 ~ 1000oC) 和
高温 ( 1000 ~ 1300oC) CVD 。
2、按压力，有常压 ( APCVD ) 和低压 ( LPCVD ) CVD。 3、按反应室壁温度，有热壁 CVD 和冷壁 CVD 。热壁是
350 ~ 550C
2Al 6CH 4
700 ~ 800C 800C
6TiN 24HCl N 2
2Mo 10HCl
8 铜互连技术与多层布线
随着 IC 集成度的不断提高，互连线面积占整个芯片面积 的比例越来越大。如果互连线的长、宽、高也同器件一样按比 例缩小，则其寄生串连电阻将按同样的比例增大。实际上由于
(3) TEOS + O2 系统淀积 SiO2 ，T = 500 ~ 700 oC Si(OC2H5)4 + 12 O2 SiO2 + 8 CO2 + 10 H2O
第06章化学气相淀积

第06章化学气相淀积

气缺现象
当气体反应剂被消耗而出现的反应剂浓度改变的现象 措施：
在水平方向上逐渐提高温度来加快反应速度，从而提高了淀积 速率
采用分布式的气体入口 增加反应室中的气流速度
常压CVD：一个大气压，101Kpa.
1000℃
低压CVD ：100Pa左右
C 高温CVD（HT~）：1000----
1300℃
按反应器形状分
等离子体增强CVD：既是低温 100~400℃，又是低压（与LPCVD同）
立式，（又可细分为钟罩式和桶式）；
B.卧式。
第25页，共76页。
§6.2 化学气相淀积系统
膜中所有的材料物质都源于外部的源。 化学气相淀积工艺中的反应物必须以气相形式参加反应。
第2页，共76页。
引言
三． CVD工艺优点
设备简单，重复性好。
淀积速率一般高于PVD，效率高。 薄膜的成分精确可控、配比范围大。
淀积膜结构完整、致密，良好的台阶覆盖能力，且与衬底粘附性好。 厚度范围广，由几百埃至数毫米，可以实现厚膜淀积，且能大量生产。
Ea kT
0
低温时，表面化学反应较慢， 反应剂到达表面的速率（数量） 超过了表面化学反应对反应剂 的消耗速率（数量），G由ks控 制。
第15页，共76页。
§6.1 CVD模型
b) 高温时，G由质量输运速率控 制
∵T↑→ks↑ ∴输运到表面的反应剂数量低
于该温度下表面化学反应所需 的数量，则G转为由hg控制， G基本上不随温度变化。
CVD成膜温度远低于体材料的熔点。因此减轻了衬底片的热形变，抑制了缺陷生成。 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。
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


历史的简短回顾
→古人类取暖或烧烤时熏在岩洞壁或岩石上的黑色碳层 →中国古代炼丹术中的“升炼”（最早的记载） →20世纪50年代，现代CVD技术用于刀具涂层（碳化钨 为基材经CVD氧化铝、碳化钛、氮化钛） →20世纪60、70年代，半导体和集成电路技术、超纯多 晶硅。 →1990年以来我国王季陶，提出激活低压CVD金刚石生 长热力学耦合模型。第一次真正从理论和实验对比上定 量化地证实反自发方向的反应可以通过热力学反应耦合 依靠另一个自发反应提供的能量推动来完成。
化学气相沉积的反应类型 简单热分解和热分解反应沉积
通常ⅢA,ⅣA，ⅤA族的一些低周期元素的氢化物如CH4、 SiH4、GeH4、B2H6、PH3、AsH3等都是气态化合物，而且加 热后易分解出相应的元素。因此很适合用于CVD技术中作 为原料气。其中CH4，SiH4分解后直接沉积出固态的薄 膜，GeH4也可以混合在SiH4中，热分解后直接得Si—Ge 合金膜。例如：
简单热分解和热分解反应沉积
通常金属化合物往往是一些无机盐类．挥发性很低，很 难作为CVD技术的原料气；而有机烷基金属则通常是气体 或易挥发的物质，因此制备金属或金属化合物薄膜时， 常常采用这些有机烷基金属为原料，应地形成了一类金 属有机化学气相沉积(Metal—Organic Chemical Vapor Deposition简称为MOCVD)技术。 其它一些含金属的有机化合物，例如三异丙醇铝 [Al(OC3H7)3] 以及一些β—丙酮酸(或β—二酮)的金属配 合初等不包含C—M键(碳一金属键)．并不真正属于金属 有机化合物，而是金属的有机配合物或含金属的有机化 合物。这些化合物也常常具有较大的挥发性，采用这些 原料的CVD技术，有时也被包含在MOCVD技术之中。
CVD的沉积反应室内部结构及工作原理变化最大，常常根 据不同的反应类型和不同的沉积物要求来专门设计。但 大体上还是可以把不同的沉积反应装置粗分为以下一些 类型。
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
第六章化学气相淀积

第六章化学气相淀积

>2000，湍流型（要尽. 量防止）。
6.1.3 Grove模型
.
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
流密度为： F1=h g(Cg-Cs)
hg-气相质量转移系数， Cg-主气流中反应剂浓度， CS-衬底表面处反应剂浓度；
②表面的化学反应淀积薄膜的速率正比于 Cs，则 流密度为： F2=ksCs
第六章 化学气相淀积
主 讲：毛 维
mwxidian@ 西安电子科技大. 学微电子学院
概述
? 化学气相淀积：CVD——Chemical Vapour Deposition 。 ? 定义：一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬
底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术2H2(g) ，
②掩蔽膜：用于选择性氧化；
③DRAM 电容的绝缘材料；
④MOSFETs 中的侧墙；
⑤浅沟隔离的CMP 停止层。 ? 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；
可作为钝化层的原因
③针孔少；压应力可以很低(PECVD) ；
④介电常数较大：(εSi3N4=6-9,εSiO2 =4.2. ) ,不能作层间的绝缘层。
? 硅烷和N2O（NO） ：PECVD 淀积机理 : SiH 4+N2O 200-400℃ SiO2+N2+H2O
? 原位掺P：形成PSG
淀积机理 : PH 3(g)+5O 2=2P2O5(固)+6H 2 优点： 温度低；反应机理简单。
缺点： 台阶覆盖差。
.
6.4 CVD二氧化硅
②液态TEOS 源：PECVD ? 淀积机理： Si(OC 2H5)4+O 2 250-425℃ SiO 2+H2O+C XHY ? 优点：安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。 ? 缺点：SiO 2膜质量较热生长法差；
微电子工艺----化学气相淀积(共69张PPT)

微电子工艺----化学气相淀积(共69张PPT)

温度控制系统
减压系统
第6章 CVD
17
CVD的源
气态源：SiH4，NH3等----正被液态源取代 液态源：TEOS (正硅酸乙脂: Si(OC2H5)4 ) 送入方式：
冒泡法：用N2/H2/Ar携带； 加热法；
液态源直接注入
6.2.2 CVD反应室热源
CVD过程是在高于室温条件淀积的。
有
质量输运控制，对温度不敏感
F2代表在衬底附表面等化学反离应消子耗的体反应内剂分活子流泼密度的中性原子团与游离基，在表面发生
可用作绝缘层、钝化层，表面平坦化
较反好应的 剂台浓阶度覆对化盖生性长，速学针率孔影反密响度应低，生产量成高 薄膜物质，并不断受到离子和电子轰击，
与不热同氧 的化是生，长没容稍有有了 易迁移、重排，使得淀积薄膜均匀性好，填充小
LPCVD法的主要特点
✓Batch processing：同时100-200片
✓薄膜厚度均匀性好
✓可以精确控制薄膜的成份和结构
✓台阶覆盖性较好 ✓低温淀积过程
✓淀积速率快
✓生产效率高
有时，淀积温度需很低，薄膜质量 要求又很高。如：
在形成的Al层上面淀积介质等。
✓生产成本低
解决办法：等离子增强化学气相淀积 PECVD
Log(v) ks at 760torr
hG at low pressure (LPCVD)
hG at 760torr (APCVD)
1/T
✓增加产率 — 晶片可直插放置许多片（100-200）
✓工艺对温度灵敏,但是采用温度控制好的热壁式系统可解决温度 控制问题
✓气流耗尽仍是影响均匀性的因素，可以设定温差5～25 C，或分段进 气
反座温应度室恒侧定壁T温s。度保持在Tw，放置硅片的基 当加T热w法＝Ts，称热壁式CVD系统；----电阻 T射w灯＜加Ts热称；冷壁式CVD系统----电感或高频辐
化学气相淀积--基本概念

化学气相淀积--基本概念

化学气相淀积的基本概念薄膜制备-化学气相淀积薄膜淀积种类：导体、半导体、绝缘体物理气相淀积PVD）薄膜淀积：化学气相淀积CVD）化学气相淀积的含义化学气相淀积，简称CVD，它是通过气体混合的化学反应的方式在硅片表面淀积一层固体薄膜的工艺。

化学气相淀积的基本原理1）参加反应的气体混合物被输运到沉积区2）反应物由主气流扩散到衬底表面3）反应物分子吸附在衬底表面上4）吸附物分子间或吸附分子与气体分子间发生化学反应，生成原子和化学反应副产物，原子沿衬底表面迁移并形成薄膜5）反应副产物分子从衬底表面解吸，扩散到主气流中，排出沉积区（a）形成晶核：（b）晶粒聚集:（c）形成连续的膜气体分子成核聚集连续的膜化学气相淀积的过程按工艺条件分APCVD 常压CVDLPCVD 低压CVDPECVD 等离子体增强型CVDHDPCVD 高密度等离子体CVDLCVD 光化学气相淀积按生成膜的性质分金属CVD半导体CVD介质CVD化学气相淀积的分类1）APCVD 常压化学气相淀积连续加工的APCVD反应炉•反应速度和淀积速度较快淀积速度可达1000nm/min）•APCVD淀积膜的均匀性较差•气体消耗量大•台阶覆盖能力差2）LPCVD 低压化学气相淀积LPCVD反应腔•在同样的膜厚均匀性要求下，LPCVD硅片的间距可以更小，使LPCVD的生产效率更高3）PECVD 等离子体增强型化学气相淀积•反应温度低200－400℃）和良好的台阶覆盖能力，可以应用在AL等低熔点金属薄膜上淀积，•缺点是淀积过程引入的粘污本课重点•化学气相淀积的概念•不同化学气相积淀方法的特点和应用THANKS 谢谢。

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

第六章化学气相沉积.ppt

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

化学气相沉积 ppt课件


PPT课件
8
一、化学气相沉积的原理
化学气相沉积反应的物质源 1、气态物质源 如H2、N2、CH4、O2、SiH4等。这种物质源对CVD工艺技术最为方 便 ，涂层设备系统比较简单，对获得高质量涂层成分和组织十分有 利。 2、液态物质源 此物质源分两种：（1）该液态物质的蒸汽压在相当高的温度下 也很低，必须加入另一种物质与之反应生成气态物质送入沉积室，才 能参加沉积反应。(2)该液态物质源在室温或稍高一点的温度就能得 到较高的蒸汽压，满足沉积工艺技术的要求。如：TiCl4、CH3CN、 SiCl4、VCl4、BCl3。 3、固态物质源 如：AlCl3、NbCl5、TaCl5、ZrC积室中。因为 固态物质源的蒸汽压对温度十分敏感，对加热温度和载气量的控制精 度十分严格，对涂层设备设计、制造提出了更高的要求。 9 PPT课件
PPT课件
24
二、化学气相沉积的工艺方法
• CVD技术分类
• 反应器是CVD装置最基本的部件。根据反应器 结构的不同，可将CVD技术分为开放型气流法和封闭型气 流法两种基本类型。 • 1、开放型气流法： • 特点：反应气体混合物能够连续补充，同时废弃的反应 产物能够不断地排出沉积室，反应总是处于非平衡状态。 • 优点：试样容易装卸，工艺条件易于控制，工艺重复性 好。
PPT课件
33
• 常用的基体包括： • 各种难熔金属（钼常被采用）、 • 石英、 • 陶瓷、 • 硬质合金等， • 它们在高温下不容易被反应气体侵蚀。 • 当沉积温度低于700℃时，也可以钢为基体，但对钢的表 面必须进行保护，一般用电镀或化学镀的方法在表面沉 积一薄层镍。
PPT课件
34
三、化学气相沉积的特点与应用
一、化学气相沉积的原理
常见的反应类型

化学气相沉积

起反应室内的微粒或
微尘，使沉积薄膜的
品质受到影响
2、CVD技术的热动力学原理
输送现象：
动量传递
以“雷诺数”作为流体以何种
方式进行流动的评估依据：
Re
d v

流速与流向均
平顺者称为“层
流”；
其中，d为流体流经的管径，ρ为流体的密度，
流动过程中产
生扰动等不均
匀现象的流动
形式，则称为
“湍流”。
21
4.2 化学气相沉积原理
二、化学气相沉积法原理
2、CVD技术的热动力学原理
输送现象：
质量传递
反应气体或生成物通过边界层是以扩散的方式来进行的，而使气体分子进
行扩散的驱动力则是来自于气体分子局部的浓度梯度。CVD反应的质量传递用
Fick第一扩散定律描述：
扩散流量 = = −(
22

)
Si 4 HCl
1150~12000 C
10
4.2 化学气相沉积原理
化学合成反应：
由两种或两种以上的反应原料气在沉积反应器中相互作用合成得到所需要的
无机薄膜或其它材料形式的方法。与热分解法比，这种方法的应用更为广泛，
因为可用于热分解沉积的化合物并不很多，而无机材料原则上都可以通过合
适的反应合成得到。
在气体中生成粒子。
3
4.2 化学气相沉积原理
一、基本概念
CVD技术要求：
反应剂在室温或不太高的温度下最好是气态或有较高的蒸气压而易于挥发成
蒸汽的液态或固态物质，且有很高的纯度；
通过沉积反应易于生成所需要的材料沉积物，而其他副产物均易挥发而留在
气相排出或易于分离；
反应易于控制。

化学气相淀积

低温淀积是PECVD的一个突出优点，其淀积的薄膜具有 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、可以与精确图形转移工艺兼容。
受表面化学反应控制，精确控制衬底的温度，可得到均 匀的薄膜。
PECVD的特点
等离子体中的电子从电场中获得足够高的能量，当与反 应气体的分子碰撞时，这些分子将分解成多种成份：离子、 原子以及活性基团，这些活性基团不断吸附在基片表面上， 吸附在表面上的活性基团之间的化学反应生成薄膜层。
边界层理论
在CVD反应室中，由于其内的气体分子的平均自由程远 小于反应室的几何尺寸，可以认为气体是黏滞性流动的。
泊松流 如果假设沿主气流方向没有速度梯度，而沿垂直气流方向
的流速为抛物线型变化，这就是泊松流（如下页图所示）。
边界层
如果假设沿主气流方向没有速度梯度，而沿垂直气流方 向的流速为抛物线型变化，同时还存在反应剂浓度梯度的薄 层被称为边界层，也称为附面层、滞留层。
特点 相比于APCVD，在均匀性和台阶覆盖等方面具有优越性。
对温度比较敏感，温度相对来说较易控制，对反应室结构要求 不高，可放置较多的硅片，但具有相对低的淀积速率相对高的 工作温度。
在中等温度和真空条件下，LPCVD的淀积速率受表面 反应控制(ks<<hg）
hg D G But DGPt1otal
eg.Ptotal:1atm1torr. DG will go up 760 times at 1 torr, while δ increases by about 7 times. Thus hG will increase by about 100 times.
边界层理论
边界层的平均厚度
xL 10 Lxdx2 3 U L 1232R Le

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）
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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。
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APCVD系统示意图
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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。
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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：

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。

化学气相淀积定义指使一种或数种物质的气体以某种方

入法 冒泡法：通过控制携带气体的流速和源瓶的温度，
间接达到控制进入到反应室的反应剂浓度。 存在问题：较难控制反应剂的浓度；
低气压下反应剂容易凝聚。 工艺改进：直接气化系统，液态源直接注入法
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6.2.2 质量流量控制系统—直接控制气流流量
包括质量流量计和阀门，位于气体源和反应室之间
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N1-单位体积薄膜所需要的原子数量（原子/cm3）
薄膜淀积速率G=
F N1
=
kshg ks+hg
Cg N1
没有使用稀释气体
=
kshg ks+hg
CT N1
Y
使用稀释气体
结论： 图6.5
1.淀积速率与下面两个量中的一个成正比：
①反应剂的浓度Cg；（没有使用稀释气体时适用） ②在气相反应中反应剂的摩尔百分比Y。（使用稀释气体）
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6.3.1 多晶硅薄膜的性质
1.多晶硅的物理结构以及力学特性
多晶硅薄膜—由小单晶（100nm量级）的晶粒组 成，存在大量的晶粒间界。
晶粒间界：具有高密度缺陷和悬挂键
多晶硅的两个重要特性：
扩散系数--晶粒间界处》晶粒内部 杂质分布—高温时存在于晶粒内的杂质，低温发
生分凝作用，使杂质从晶粒内部运动到晶粒间 界，在高温下又会返回到晶粒内。
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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。 思考：为什么在LPCVD反应系统中，硅片可紧密排 列？
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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。
G=F/N1=F2/N1=[kshg/(ks+hg)](Cg/N1)
其中，Cg=YCT,(多数CVD过程，反应剂被惰气稀释) Y-反应剂的摩尔百分比，CT-单位体积的分子总 数/cm3；
6.1 CVD模型

Grove模型一般表达式： G=[kshg/(ks+hg)](CT/N1)Y，（Cg=YCT）
6.2 CVD系统
6.2.2 质量流量控制系统 1.质量流量计 作用：精确控制气体流量（ml/s)； 操作：单片机程序控制； 2.阀门 作用：控制气体输运；
6.2.4 CVD技术
1. APCVD（常压 CVD ） 定义：气相淀积在1个大气压下进行； 淀积机理：气相质量输运控制过程。


优点：均匀性好（±3－5％，APCVD： ±10％）； 台阶覆盖好；效率高、成本低。 缺点：淀积速率低；温度高。 可淀积的薄膜： poly-Si、 Si3N4 、 SiO2、PSG、 BPSG、W等。
低压化学气相淀积
6.2.4 CVD技术
3. PECVD（等离子体增强CVD）


定义: 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）。


优点：淀积速率高（100nm/min）；操作简便； 缺点：均匀性差；台阶覆盖差； 易发生气相反应，产生微粒污染。 可淀积的薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄 膜。
常压化学气相淀积
6.2.4 CVD技术
2. LPCVD（低压 CVD ） 定义：在27－270Pa压力下进行化学气相淀积。 淀积机理：表面反应控制过程。

6.5 CVD Si3N4
CVD Si3N4薄膜工艺 1. LPCVD ①反应剂： SiH2Cl2 + NH3 → Si3N4+H2+HCl ②温度：700-800 ℃； ③速率：与总压力（或SiH2Cl2分气压)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； 2. PECVD ①反应： SiH4 + NH3 （或N2） → SixNyHz + H2 ②温度：200-400℃； ③H的危害：阈值漂移。 H危害的解决：N2代替NH3；


等离子体化学气相淀积
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
6.3.2 CVD多晶硅 工艺：LPCVD热分解（通常主要采用）； 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)
6.1.1 CVD的基本过程
①传输：反应剂从气相(平流主气流区)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：脱吸的副产物和未反应的反应剂从表面扩散到气 相(主气流区)，逸出反应室。

6.4 CVD二氧化硅
6.4 CVD二氧化硅
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 （固）+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。



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；
6.1 CVD模型
6.1.2 边界层理论
概述

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；
3、淀积速率一般高于物理淀积，厚度范围大； 4、膜的结构完整致密，与衬底粘附好，台阶覆盖性好。


6.1 CVD模型
第六章 化学气相淀积
主 讲：毛 维
mwxidian@ 西安电子科技大学微电子学院
概述



化学气相淀积：CVD——Chemical Vapour Deposition。 定义：一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬 底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。 例如： 热分解SiH4， SiH4 = Si（多晶)+2H2(g) ， SiH4+O2 = SiO2 （薄膜）+2H2 CVD薄膜：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） CVD系统：常压CVD（APCVD） 低压CVD（LPCVD） 等离子CVD（PECVD）
6.4 CVD二氧化硅
②液态TEOS源：PECVD 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。 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； 缺点：只能在Al层淀积之前进行。
6.5 CVD Si3N4
Si3N4薄膜的用途： ①最终钝化膜和机械保护层； ②掩蔽膜：用于选择性氧化； ③DRAM电容的绝缘材料； ④MOSFETs中的侧墙； ⑤浅沟隔离的CMP停止层。 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； 可作为钝化层的原因 ③针孔少；压应力可以很低(PECVD)； ④介电常数较大：(εSi3N4=6-9,εSiO2=4.2) ,不能作层间的绝缘层。
6.3 CVD多晶硅
特点：Байду номын сангаас①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； 多晶硅淀积之后 ②离子注入:电阻率是扩散的10倍； 进行(实际中采 用该方法) ③原位掺杂：淀积过程复杂；

边界层厚度δ（x）(流速小于0.99 Um 的区域)：