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+



气体分子的平均自由程远小于反应室的几何尺寸，可以 认为气体为黏滞性流动 由于气体的黏滞性，气体与硅片表面或侧壁存在摩擦力 ，该摩擦力使紧贴硅片表面或者侧壁的气体流速为零 在离硅片表面或者侧壁一定距离处，气体流速过渡到最 大气流Um
6.2 CVD工艺原理
Grove模型
从简单的生长模型出发，用 动力学方法研究化学气相淀 积推导出生长速率的表达式 及其两种极限情况。
当工作在高温区,质量控制为主导，hG是常数， 此时反应气体通过边界层的扩散很重要，即反 应腔的设计和晶片如何放置显得很重要。
关键两点：
ks 控制的淀积 主要和温度有关 hG 控制的淀积 主要和反应腔体几何形状有关
6.3 CVD工艺方法
化学气相淀积系统

气态源或液态源 气体输入管道 气体流量控制系统


Tw：反应室的侧壁温度 Ts：放置硅片的基座温度

热壁和冷壁淀积室各有优缺 点，根据需要进行选择。
6.3 CVD工艺方法
6.3 CVD工艺方法

常压化学气相淀积(APCVD) 低压化学气相淀积(LPCVD) 等离子增强化学气相淀积(PECVD)


6.3 CVD工艺方法
APCVD反应器的结构示意图
生产效率高 生产成本低
6.3 CVD工艺方法
等离子体增强化学气相淀积 （PECVD）



最常用 反应激活能：通过非热能源的射频（RF）等离子体来激 活和维持化学反应。 低温淀积 应用：在Al上淀积二氧化硅或氮化硅 较高的淀积速率 表面反应速率控制淀积速率，精确控制衬底的温度，可 得到均匀的薄膜。
kT 平均自由程 2r 2 p
33/40
反比于气体压强
r为气体分子的半径
分子自由程变长，反应气体质量迁移速率相对于表面反应速率
大大增加，这就克服了质量传输限制，使淀积薄膜的厚度均匀性 提高，也便于采用直插密集装片
降低气体压力，气体分子的自由程加长，气相反应中容易生成
亚稳态的中间产物，从而降低了反应激活能，因此，在不改变淀积
s
x s ( x) U
6.3 CVD工艺方法
支座倾斜可以促使s(x)沿x变化减小。
原理：由于支座倾斜后，气流的流过的截面积下降，
导致气流速度的增加，进而导致s(x)沿x减小和hG的 增加。从而用加大hG的方法来补偿沿支座长度方向的 气源的耗尽而产生的淀积速率的下降。尤其对质量传 输控制的淀积至关重要，如APCVD法外延硅。
6.1 CVD概述
CVD相对于PVD,有什么优点？

跟材料特性相关的性质——结晶性和理想配 比都比较好 薄膜成分和膜厚容易控制

*淀积温度低
*台阶覆盖性好（step coverage)
6.1 CVD概述
化学气相淀积（CVD）
单晶 (外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜 半导体、介质、金属薄膜

进入反应室的气体流量精确可控

控制反应室的气压 直接控制气体流量，质量流量控制系统

质量流量计 阀门

气体流量单位:体积/单位时间

温度为273K，一个标准大气压下，每分钟 通过的气体体积
6.3 CVD工艺方法
CVD反应室的热源

薄膜是在高于室温的温度 下淀积的。 热壁系统：Tw=Ts 冷壁系统：Tw<Ts
6.1 CVD概述
两类主要的淀积方式
1）物理气相淀积 — Physical Vapor Deposition (PVD) 利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移 到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。 例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering 2）化学气相淀积 — Chemical Vapor Deposition (CVD) 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。 例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD
6.3 CVD工艺方法
低压化学气相淀积 （LPCVD）
在质量输运控制区域：
hG
DG
s
DG
Ptotal
1
因此低压可以大大提高hG的值。 例如在压力为1 torr时，DG可以提高760倍， 而s只提高约7倍，所以hG可以提高100倍。气 体在界面不再受到传输速率限制。
6.3 CVD工艺方法
速率的情况下，淀积温度就可以低于APCVD的淀积温度
6.3 CVD工艺方法
低压化学气相淀积 （LPCVD）
LPCVD反应器的结构示意图
6.3 CVD工艺方法
低压化学气相淀积 （LPCVD）
6.3 CVD工艺方法
低压化学气相淀积 （LPCVD）

表面反应速率控制淀积速率


原因：在较低的气压下，气体的扩散速率比在一个大气 压下高出很多倍。 结果：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。 增加产率 — 晶片可直插放置许多片（100-200） 污染少，均匀性和台阶覆盖性较APCVD好 相对低的淀积速率，相对高的工作温度
6.3 CVD工艺方法
6.3 CVD工艺方法
APCVD


操作简单，淀积速率高，适合介质薄膜的 淀积。 易发生气相反应，产生污染 台阶覆盖性和均匀性比较差 质量输运控制淀积速率，对反应室结构和 气流模式提出高的要求
6.3 CVD工艺方法
APCVD的主要问题：低产率（throughput） 高温淀积：硅片需水平放置 低温淀积：反应速率低
与热氧化生长稍有 不同的是，没有了 在SiO2中的扩散流 F1：主气流到衬底表面的反应剂流密度
F2：反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜的流密度 Cg：反应剂在主气流中的浓度
Cs：反应剂在硅表面处的浓度
6.2 CVD工艺原理
F1 hG (CG C S )
Grove模型
F2 ksCS
其中：hG 是质量输运系数， ks 是表面化学反应系数
常压化学气相淀积（APCVD），低压CVD
(LPCVD)，等离子体增强淀积（PECVD）等
CVD反应必须满足三个挥发性标准
在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压 除淀积物质外,反应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
6.2 CVD工艺原理
化学气相淀积的基本过程
以硅外延为例（1 atm，APCVD）
外延硅淀积往往是 在高温下进行，以 确保所有硅原子淀 积时排列整齐，形 成单晶层。为质量 输运控制过程。此 时对温度控制要求 不是很高，但是对 气流要求高。
hG 常数
Ea 值相同
多晶硅生长是在低 温进行，是表面反 应控制，对温度要 求控制精度高。
6.2 CVD工艺原理

淀积的薄膜均匀性良好，具有填充小尺寸 结构的 能力。
6.3 CVD工艺方法 CVDຫໍສະໝຸດ 三种方法比较APCVD

设备简单，淀积速率大（ >1000A/min）。 易气相成核，均匀性不好，材料利用率低。 质量输运控制淀积速率。
第六章 化学气相沉积
6.1 CVD概述 6.2 CVD工艺原理 6.3 CVD工艺方法 6.4 二氧化硅薄膜的淀积 6.5 氮化硅薄膜淀积 6.6 多晶硅薄膜淀积 6.7 金属及金属化合物薄膜
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MSI时代nMOS晶体管的各层膜
氮化硅 顶层
氧化硅
垫氧化层 ILD
Poly n+ n+
斜率与激活 能Ea成正比
6.3 CVD工艺方法
单晶硅外延要采用图中的卧式反应设备， 放置硅片的石墨舟为什么要有倾斜?
6.3 CVD工艺方法
界面层厚度s是x方向平板长度的函数。
hG
DG
为气体粘度； 为气体密度；
U为气体速度； a. 随着x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀 积受质量传输控制，则淀积速度会下降； b. 沿支座方向反应气体浓度的减少, 同样导致淀 积速度会下降。