(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。
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)：