第六章化学气相淀积
合集下载
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
(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
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
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
∴
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)