化学气相淀积
化学气相淀积的工艺流程
化学气相淀积的工艺流程
化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种通过化学反应在固体表面上生成薄膜的方法。
其工艺流程可以简单描述为以下几个步骤：
1. 基材准备：选择合适的基材，如硅片、玻璃或金属衬底，并进行表面处理，以提供一个干净平整的表面。
2. 反应室装载：将经过准备的基材放置在反应室中，确保其处于适当的位置。
3. 气体进料：将适量的进料气体引入反应室中。
这些气体可能是单一的或混合的，通常包括反应物和携带气体。
反应物气体被选择为具有所需化学反应的材料。
4. 反应：在反应室中加热基材和反应气体，使反应物气体发生化学反应。
通常，化学反应的产物是气态的，由于在基材表面降温，产生固态沉积物。
5. 沉积层生长：经过一段时间的反应，化学反应产物会在基材表面生成一层薄膜。
沉积速率取决于多种因素，如反应温度、气体浓度和反应时间。
6. 淀积物处理：在薄膜生长完毕后，需要对淀积物进行处理。
这可能包括冷却基材，停止进料气体，清洗或退火处理等。
7. 反应室释压和拆卸：在薄膜处理完毕后，需要关闭反应室，并将内部压力降
至大气压。
然后，可以打开反应室并拆卸基材。
需要注意的是，实际的CVD工艺流程可能会因具体材料、设备和应用而有所不同，以上流程仅为一般化概述。
不同的CVD方法还包括低压化学气相沉积（LPCVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等。
化学气相沉积
集成电路芯片工艺化学气相沉积（CVD）化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。
CVD膜的结构可以是单晶、多晶或非晶态，淀积单晶硅薄膜的CVD过程通常被称为外延。
CVD技术具有淀积温度低、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。
利用CVD方这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SiO：、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等。
一：化学气相沉积方法常用的CVD方法主要有三种：常压化学汽相淀积(APCVD)、低压化学汽相淀积(LPCVIi~)和等离子增强化学汽相淀积(PECVD)．APCVD反应器的结构与氧化炉类似，如图1-1所示，该系统中的压强约为一个大气压，因此被称为常压CVD。
气相外延单晶硅所采用的方法就是APCVD。
图1-1APCVD反应器的结构示意图，LPCVD反应器的结构如图1-2所示，石英管采用三温区管状炉加热，气体由一端引入，另一端抽出，半导体晶片垂直插在石英舟上。
由于石英管壁靠近炉管，温度很高，因此也称它为热壁CVD装置，这与利用射频加热的冷壁反应器如卧式外延炉不同．这种反应器的最大特点就是薄膜厚度的均匀性非常好、装片量大，一炉可以加工几百片，但淀积速度较慢．它与APCVD的最大区别是压强由原来的1X10SPa降低到1X102Pa左右。
图1-2LPCVD反应器的结构示意图图1-3平行板型PECVD反应器的结构示意图PECVD是一种能量增强的CVD方法，这是因为在通常CVD系统中热能的基础上又增加了等离子体的能量．图1-3给出了平行板型等离子体增强CVD反应器，反应室由两块平行的金属电极板组成，射频电压施加在上电极上，下电极接地。
射频电压使平板电极之间的气体发生等离子放电。
工作气体由位于下电极附近的进气口进入，并流过放电区。
半导体片放在下电极上，并被加热到100—400；C左右．这种反应器的最大优点是淀积温度低。
原子层沉积和化学气相沉积有什么不同
原子层沉积（Atomiclayer deposition)是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。
原子层沉积与普通的化学沉积有相似之处。
原子层沉积但在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子。
单原子层沉积（atomic layerdeposition，ALD），又称原子层沉积或原子层外延（atomic layer epitaxy），最初是由芬兰科学家提出并用于多晶荧光材料ZnS:Mn以及非晶Al2O3绝缘膜的研制，这些材料是用于平板显示器。
由于这一工艺涉及复杂的表面化学过程和低的沉积速度，直至上世纪80年代中后期该技术并没有取得实质性的突破。
但是到了20世纪90年代中期，人们对这一技术的兴趣在不断加强，这主要是由于微电子和深亚微米芯片技术的发展要求器件和材料的尺寸不断降低，而器件中的高宽比不断增加，这样所使用材料的厚度降低值几个纳米数量级[5-6]。
因此原子层沉积技术的优势就体现出来，如单原子层逐次沉积，沉积层极均匀的厚度和优异的一致性等就体现出来，而沉积速度慢的问题就不重要了。
以下主要讨论原子层沉积原理和化学，原子层沉积与其他相关技术的比较，原子层沉积设备，原子层沉积的应用和原子层沉积技术的发展。
原理原子层沉积是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种方法（技术）。
当前驱体达到沉积基体表面，它们会在其表面化学吸附并发生表面反应。
在前驱体脉冲之间需要用惰性气体对原子层沉积反应器进行清洗。
由此可知沉积反应前驱体物质能否在被沉积材料表面化学吸附是实现原子层沉积的关键。
气相物质在原子层沉积基体材料的表面吸附特征可以看出，任何气相物质在材料表面都可以进行物理吸附，但是要实现在材料表面的化学吸附必须具有一定的活化能，因此能否实现原子层沉积，选择合适的反应前驱体物质是很重要的。
原子层沉积的表面反应具有自限制性（self-limiting），实际上这种自限制性特征正是原子层沉积技术的基础。
气相沉积简介
气相沉积简介CVD(Chemical Vapor Deposition,化学气相沉积），指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。
在超大规模集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备。
经过CVD处理后，表面处理膜密着性约提高30%，防止高强力钢的弯曲，拉伸等成形时产生的刮痕。
特点沉积温度低，薄膜成份易控，膜厚与淀积时间成正比，均匀性，重复性好，台阶覆盖性优良。
制备的必要条件1）在沉积温度下，反应物具有足够的蒸气压，并能以适当的速度被引入反应室；2）反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发性的；3）沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压。
PVD是英文Physical Vapor Deposition（物理气相沉积）的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。
涂层技术增强型磁控阴极弧：阴极弧技术是在真空条件下，通过低电压和高电流将靶材离化成离子状态，从而完成薄膜材料的沉积。
增强型磁控阴极弧利用电磁场的共同作用，将靶材表面的电弧加以有效地控制，使材料的离化率更高，薄膜性能更加优异。
过滤阴极弧：过滤阴极电弧(FCA )配有高效的电磁过滤系统，可将离子源产生的等离子体中的宏观粒子、离子团过滤干净，经过磁过滤后沉积粒子的离化率为100%，并且可以过滤掉大颗粒，因此制备的薄膜非常致密和平整光滑，具有抗腐蚀性能好，与机体的结合力很强。
磁控溅射：在真空环境下，通过电压和磁场的共同作用，以被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击，致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出并沉积在基件上形成薄膜。
根据使用的电离电源的不同，导体和非导体材料均可作为靶材被溅射。
离子束DLC：碳氢气体在离子源中被离化成等离子体，在电磁场的共同作用下，离子源释放出碳离子。
第六章 化学气相淀积
6.2 CVD系统
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。
6.6 金属的CVD
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。
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。
6.1.1 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。
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
化学气相沉积简介
• CVD Process Overview • PECVD Process Overview • PECVD Process Recipe And Clean Recipe Overview • PECVD Equipment Overview
CVD Process Overview
CVD Process Overview
PECVD中plasma的特点：
➢ Plasma组分：包括电子、离子、未电离的中性粒子，电离度小于0.01；属 于低温plasma（非平衡态的等离子体），电子温度(104K)>>粒子体温度 (300~500K)；
➢ Plasma中的碰撞（collision）过程： 1）弹性碰撞（elastic collision）：没有能量交换的碰撞，它是plasma 中最频繁发生的，但也是没有重要意义的碰撞； 2）非弹性碰撞（inelastic collision）：发生能量交换的，有新的成分 产生的碰撞，其中三个比较重要： ➢ 离子化（Ionization） e-+A(atom\molecule)->A++2e➢ 激发与跃迁（excitation-relaxation） e-+A(atom\molecule)->A*+eA*->A+hv(photons) ➢ 离解（dissociation） e-+AB->A+B+e-
稳定性； 缺点：设备比较复杂，需要TEOS传输系统；厚膜下容易发生discolor；
wafer整体range较大；
P1E）CVDOxPirdoec（essPOEvesrivlieawne oxide and PE TEOS oxide
化学气相淀积的基本原理
化学气相淀积的基本原理宝子们！今天咱们来唠唠化学气相淀积这个超有趣的东西哦。
化学气相淀积呢，简单来说，就像是一场超级微观世界里的魔法表演。
想象一下啊，在一个小小的反应空间里，各种气体分子就像一群调皮的小精灵，它们到处跑来跑去呢。
这里面有一些特殊的气体，它们可是这场魔法的关键角色。
比如说，我们有一些含有我们想要淀积元素的气态化合物。
这些气体被送进反应室，反应室就像是它们的大舞台啦。
这个反应室的环境是可以被精确控制的哦，就像舞台上的灯光和音效一样。
温度、压力这些条件都被调整到刚刚好。
在这个反应室里，气体分子们开始发生奇妙的反应。
那些气态化合物会在能量的作用下分解或者相互作用。
就好比小精灵们突然开始组队做游戏一样。
它们可能会丢掉一些多余的部分，然后剩下的部分就组合在一起，慢慢地在基底材料上形成一层薄膜。
这基底材料就像是小舞台的地面，是这场魔法表演的基础呢。
打个比方吧，如果我们想要淀积一层硅薄膜。
那我们可能会送进去像硅烷这种气体。
硅烷在反应室里，在高温或者其他能量的作用下，硅烷分子就开始“变魔术”啦。
它会分解出硅原子，这些硅原子就像一个个小砖头，慢慢地在基底上堆砌起来，一层一层的，最后就形成了我们想要的硅薄膜。
而且哦，这个过程还特别讲究平衡呢。
就像走钢丝一样，各种反应的速度、气体的流量都得刚刚好。
如果气体流量太大了，就像是一下子涌进来太多小精灵，它们可能会乱成一团，导致淀积出来的薄膜质量不好，可能会有很多缺陷，就像小砖头没有砌整齐一样。
要是温度控制不好呢，这个魔法表演可能就演砸了，要么反应太快，薄膜长得不均匀，要么反应太慢，等得人花都谢了还没长好。
再说说那些反应产生的副产物吧。
它们就像是表演结束后留在舞台上的杂物一样。
得想办法把它们清理出去呢，不然也会影响下一轮的魔法表演。
所以反应室里还有专门的装置来处理这些副产物，就像舞台工作人员打扫卫生一样。
化学气相淀积在很多地方都超级有用哦。
在半导体制造里，它可是大功臣。
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❖ 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
❖ 气态源（SiH4）
许多气体有毒、易燃、腐蚀 性强。
❖ 液态源（TEOS，TetraEthyl-Oxy-Silane）
化学反应，将导致过早核化，降低薄膜的附着性和密度， 增加缺陷。
边界层理论
❖ 黏滞性流动：当气压较高时（平均自由程远小于反应室尺寸），
气体与固体间的摩擦力使紧贴固体表面的气流速度降为零，如果沿 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， 则称为泊松流。
❖ 边界层（附面层、滞流层）概念：当气体流过硅片表面时，
❖ 设备较复杂，影响因素多：温度、气流速度、压力、射 频功率等；可能的污染较多；
❖ 冷壁平行板；热壁平行板。
§6.3 CVD多晶硅的特性和淀积方法
❖ 多晶硅的性质
多晶硅=单晶硅颗粒（100nm数量级）+晶粒间界
相同掺杂浓度下，晶粒尺寸大的薄结构中的多晶硅栅；局部互连材料；多晶硅发射极
F1
F2
❖ 决定ks的主要因素：温度
ks＝k0exp(-EA/kT)
❖ 决定hg的主要因素：气体流速，气体成分，系统压力
hg=Dg/δs；
(x) x/U
所以为了保证统一的淀积速率，就必须： ❖ 对于表面反应控制，保持处处恒定的温度 ❖ 对于质量输运控制，保持处处恒定的反应剂浓度
淀积速率与温度的关系
浅槽隔离（STI）
侧墙掩蔽
§6.1 CVD模型
CVD的基本过程
❖ 反应剂在主气流中的输送； ❖ 反应剂从主气流中扩散通过边界层到达衬底表面； ❖ 反应剂在表面被吸附； ❖ 吸附的反应剂在表面发生反应，淀积成膜； ❖ 反应的副产物和未反应剂离开衬底表面，排除。
主气流区
反应室
气流入口
边界层
气流出口
CVD的基本概念
化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition）： ——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，并以某种方式激活后 在衬底表面发生化学反应并在淀积成膜的一种方法。
CVD氧化膜与热生长氧化膜
CVD的工艺特点
❖ CVD成膜温度远低于衬底的熔点或软点，减轻了对衬 底的热形变，减少了沾污，抑制了缺陷的生成，减轻 了杂质的再分布，适合于制造浅结分离器件及VLSI电 路，而且设备简单，重复性好；
硅片 基座及加热装置
能用于CVD的化学反应必须满足的条件
❖ 淀积温度下，反应剂必须具备足够高的蒸气压； ❖ 除淀积物外，反应的其他产物必须是挥发性的； ❖ 淀积物本身必须具有足够低的蒸气压； ❖ 化学反应速率必须足够快以缩短淀积时间； ❖ 淀积温度必须足够低以避免对先前工艺产生影响； ❖ 化学反应应该发生在被加热的衬底表面，如果在气相发生
存在着一个速度受到扰动并按抛物线型变化，同时还存在反应剂浓 度梯度的薄层被称为边界层，也称为附面层、滞流层。
❖ 边界层厚度：
(x) x/U
气流
2L/(3 Re)
❖ 雷诺数：
Re= ρUL / μ
雷诺数表示流体运动中惯性效应与粘滞 效应的比值，Re较低时，气流为平流 型，Re较大时，气流为湍流型
平流层 边界层
液体气压低，危险性小，运 输方便，淀积的薄膜特性好。
❖ 冒泡法（温度） ❖加热液态源 ❖ 液态源直接注入法
冒泡法液态源
CVD中常采用的源
CVD反应室热源
CVD反应室热源：
❖ 热壁式：Tw=Ts，气流稳定，结构简单，侧壁淀积严重； ❖ 冷壁式： Tw<Ts，侧壁淀积少，降低了颗粒剥离的污染，
减少了反应剂的损耗
❖ 化学气相淀积多晶硅
热壁式LPCVD：
SiH4(吸附)
580~650℃ 分解
Si(固)+2H2(气)
❖ 淀积条件对多晶硅结构及淀积速率的影响
淀积温度、压力、掺杂类型、热处理
§6.4 CVD二氧化硅的特性和淀积方法
❖ 低温CVD SiO2 （300~450℃）
1）硅烷为源的低温CVD SiO2
SiH4（气）+O2（气） SiO2（固） +2H2（气） （APCVD）
❖ 薄膜的成分精确可控，配比范围大； ❖ 淀积速率一般高于PVD，厚度范围广，由几百埃到数
毫米，且能大量生产； ❖ 淀积薄膜结构完整，致密，与衬底粘附性好，且台阶
覆盖性能较好； ❖ 薄膜纯度较差，一般用于制备介质膜。
CVD薄膜的应用
❖ 浅槽隔离（STI，USG） ❖ 侧墙掩蔽（Sidewall, USG） ❖ 前金属化介质层（PMD，PSG、BPSG） ❖ 金属间介质层（IMD，USG、FSG） ❖ 钝化保护层（PD，Oxide/Nitride） ❖ 抗反射涂层（ARC，SiON）