第六章 化学气相淀积
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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
❖ 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
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
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
第六章化学气相沉积-1
优点
➢可制作金属薄膜，也可制作多组分合金薄膜，同一炉中可
放置大量基板或工件；
➢成膜速率高于LPE 和MBE（几微米至几百微米/每秒）
➢CVD反应可在常压或低真空进行，绕射性能好，对于形状
复杂的表面或工件的深孔、细孔等都能均匀覆膜；
➢由于成膜温度高，促进反应气体、反应产物和基体的相互
扩散，使膜的残余应力小，附着力大，且膜致密，结晶良好；
物、碲化物、金属化合物、合金
一、化学气相沉积的基本原理
➢ CVD的化学反应热力学
按热力学原理，化学反应的自由能变化∆ G r 可以用反
应物和生成物的标准自由能来∆ Gf计算，
即CVD热力学分析的主要目的是预测某些特定条件下
某些CVD反应的可行性（化学反应的方向和限度）。
在温度、压强和反应物浓度给定的条件下，热力学计
积过程气相副产物不断被排出，有利于沉积
薄膜的形成；而且工艺易于控制，成膜厚度
均匀，重现性好，工件容易取放，同一装置
可反复使用。
• 开管法通常在常压下进行，但也可在真空下
进行。
2021/6/27
六、CVD方法简介
☞封闭式（闭管沉积系统）CVD
2021/6/27
六、CVD方法简介
☞封闭式（闭管沉积系统）CVD
✓ 沉积薄膜和基体材料必须具有足够低
的蒸气压
2021/6/27
五、 CVD的主要分类
•
•
•
•
CVD技术可按照沉积温度、反应器内的压力、反
应器壁的温度和沉积反应的激活方式进行分类。
（1）按沉积温度可分为低温（200~500℃）、中温
（500~1000℃）和高温（1000~1300℃）CVD。
➢可制作金属薄膜，也可制作多组分合金薄膜，同一炉中可
放置大量基板或工件；
➢成膜速率高于LPE 和MBE（几微米至几百微米/每秒）
➢CVD反应可在常压或低真空进行，绕射性能好，对于形状
复杂的表面或工件的深孔、细孔等都能均匀覆膜；
➢由于成膜温度高，促进反应气体、反应产物和基体的相互
扩散，使膜的残余应力小，附着力大，且膜致密，结晶良好；
物、碲化物、金属化合物、合金
一、化学气相沉积的基本原理
➢ CVD的化学反应热力学
按热力学原理，化学反应的自由能变化∆ G r 可以用反
应物和生成物的标准自由能来∆ Gf计算，
即CVD热力学分析的主要目的是预测某些特定条件下
某些CVD反应的可行性（化学反应的方向和限度）。
在温度、压强和反应物浓度给定的条件下，热力学计
积过程气相副产物不断被排出，有利于沉积
薄膜的形成；而且工艺易于控制，成膜厚度
均匀，重现性好，工件容易取放，同一装置
可反复使用。
• 开管法通常在常压下进行，但也可在真空下
进行。
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六、CVD方法简介
☞封闭式（闭管沉积系统）CVD
2021/6/27
六、CVD方法简介
☞封闭式（闭管沉积系统）CVD
✓ 沉积薄膜和基体材料必须具有足够低
的蒸气压
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五、 CVD的主要分类
•
•
•
•
CVD技术可按照沉积温度、反应器内的压力、反
应器壁的温度和沉积反应的激活方式进行分类。
（1）按沉积温度可分为低温（200~500℃）、中温
（500~1000℃）和高温（1000~1300℃）CVD。
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
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。
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
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
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
第六章化学气相淀积
；台阶覆盖好；效率高、成本低。 缺点：相对淀积速率低；相对温度高。 淀积薄膜： poly-Si、 Si3N4 、 SiO2、PSG、
BPSG、W等。
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。
气体喷头
副产品 Wafer 衬底基片
反应物
强制对流区 边界层
底座
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
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 • 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
②淀积速率与温度的关系 低温下，hg>> ks，
反应控制过程，故 G与T呈指数关系； 高温下，hg<< ks， 质量输运控制过程， hg对T不敏感，故 G趋于平稳。
6.2 CVD系统
CVD系统的组成
①气体源：气态源和液态源； ②气路系统:气体输入管道、阀门等； ③流量控制系统：质量流量计； ④反应室：圆形、矩形； ⑤基座加热系统：电阻丝、石墨； ⑥温度控制及测量系统
Re= ρUL /μ，雷诺数（无量纲） 雷诺数取值：<200，平流型；商业CVD：Re=50-100；
BPSG、W等。
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。
气体喷头
副产品 Wafer 衬底基片
反应物
强制对流区 边界层
底座
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
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 • 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
②淀积速率与温度的关系 低温下，hg>> ks，
反应控制过程，故 G与T呈指数关系； 高温下，hg<< ks， 质量输运控制过程， hg对T不敏感，故 G趋于平稳。
6.2 CVD系统
CVD系统的组成
①气体源：气态源和液态源； ②气路系统:气体输入管道、阀门等； ③流量控制系统：质量流量计； ④反应室：圆形、矩形； ⑤基座加热系统：电阻丝、石墨； ⑥温度控制及测量系统
Re= ρUL /μ，雷诺数（无量纲） 雷诺数取值：<200，平流型；商业CVD：Re=50-100；
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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）
6.1 CVD模型
6.1 CVD模型
②淀积速率与温度的关系 低温下，hg>> ks， 反应控制过程，故 G与T呈指数关系； 高温下，hg<< ks， 质量输运控制过程， hg对T不敏感，故 G趋于平稳。
6.2 CVD系统
CVD系统的组成： ①气体源：气态源和液态源； ②气路系统:气体输入管道、阀门等； ③流量控制系统：质量流量计； ④反应室：圆形、矩形； ⑤基座加热及控制系统：电阻丝、石墨； ⑥温度控制及测量系统
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。
边界层厚度δ（x）(流速小于0.99 Um 的区域)：
δ（x）=（μx/ρU)1/2
μ-气体黏滞系数，x-距基座边界的距离， ρ-气体密度，U-边界层流速； 1/ 2 L 平均厚度 1 2
( x)dx 3 L UL L
0
3 Re Re= ρUL /μ,称为雷诺数(无量纲),表示流体惯性力与黏滞力之比 雷诺数取值：<2000，平流型；商业CVD：50-100； >2000，湍流型（要尽量防止）。
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。
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： 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； 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；
6.1.3 Grove模型
Cs = Cg/(1+ks/hg)
④两种极限： a. hg >> ks时， Cs → Cg ， 反应控制； b. hg << ks时， Cs → 0， 扩散控制；
6.1 CVD模型
⑤薄膜淀积速率G的一般表达式 设形成一个单位体积薄膜所需的原子数为N1， （Si:N1=5x1022cm-3），则稳态下（平衡状态）,由 F=F1=F2 ，F2=ksCs 及Cs = Cg/(1+ks/hg)，得
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）。
2L
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=hg(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 ③平衡状态下，F1=F2 (= F)，则 Cs = Cg/(1+ks/hg)
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
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。
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。
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
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℃； H危害的解决：N2代替NH3； ③H的危害：阈值漂移。
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。
6.4 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 ℃；
6.2.4 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)
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）
6.1 CVD模型
6.1 CVD模型
②淀积速率与温度的关系 低温下，hg>> ks， 反应控制过程，故 G与T呈指数关系； 高温下，hg<< ks， 质量输运控制过程， hg对T不敏感，故 G趋于平稳。
6.2 CVD系统
CVD系统的组成： ①气体源：气态源和液态源； ②气路系统:气体输入管道、阀门等； ③流量控制系统：质量流量计； ④反应室：圆形、矩形； ⑤基座加热及控制系统：电阻丝、石墨； ⑥温度控制及测量系统
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。
边界层厚度δ（x）(流速小于0.99 Um 的区域)：
δ（x）=（μx/ρU)1/2
μ-气体黏滞系数，x-距基座边界的距离， ρ-气体密度，U-边界层流速； 1/ 2 L 平均厚度 1 2
( x)dx 3 L UL L
0
3 Re Re= ρUL /μ,称为雷诺数(无量纲),表示流体惯性力与黏滞力之比 雷诺数取值：<2000，平流型；商业CVD：50-100； >2000，湍流型（要尽量防止）。
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。
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： 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； 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；
6.1.3 Grove模型
Cs = Cg/(1+ks/hg)
④两种极限： a. hg >> ks时， Cs → Cg ， 反应控制； b. hg << ks时， Cs → 0， 扩散控制；
6.1 CVD模型
⑤薄膜淀积速率G的一般表达式 设形成一个单位体积薄膜所需的原子数为N1， （Si:N1=5x1022cm-3），则稳态下（平衡状态）,由 F=F1=F2 ，F2=ksCs 及Cs = Cg/(1+ks/hg)，得
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）。
2L
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=hg(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 ③平衡状态下，F1=F2 (= F)，则 Cs = Cg/(1+ks/hg)
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
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。
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。
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
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℃； H危害的解决：N2代替NH3； ③H的危害：阈值漂移。
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。
6.4 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 ℃；
6.2.4 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)