化学气相沉积(中文版)2016年
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化学气相沉积CVD资料
化学气相沉积——基本原理
（1）氢化物
700-1000℃ SiH4 Si + 2H2
H-H键能小，热分解温度低，产物无腐蚀性。
（2）金属有机化合物
420℃ 2Al(OC3H7 )3 Al2O3 + 6C3H6 + 3H2O
三异丙氧基铝
M-C键能小于C-C键，广泛用于沉积金属和氧化物薄膜。 金属有机化合物的分解温度非常低，扩大了基片选择范
化学合成反应是指两种或两种以上的气态反应物在热 基片上发生的相互反应。 (1) 最常用的是氢气还原卤化物来制备各种金属或半导
体薄膜；
(2) 选用合适的氢化物、卤化物或金属有机化合物来制 备各种介质薄膜。 化学合成反应法比热分解法的应用范围更加广泛。 可以制备单晶、多晶和非晶薄膜。容易进行掺杂。
SEIEE
按反应器壁的温度：热壁和冷壁
按反应激活方式：热激活和冷激活
SEIEE
CVD装置的主要部分： 反应气体输入部 分、反应激活能源供应部分和气体排出 部分。
SEIEE
化学气相沉积——基本原理
★ 化学气相沉积的基本原理
化学气相沉积的基本原理是以化学反应为基础
化学气相沉积是利用气态物质通过化学反应在基片表 面形成固态薄膜的一种成膜技术。
化学气相沉积——基本原理
①还原或置换反应
1000 ℃ SiCl 2 H Si 4HCl 4 2
②氧化或氮化反应
℃ SiH4 B2 H6 5O2 400 B2O3 SiO2 5H 2O
③水解反应
2AlCl3 3H 2O Al 2O3 6HCl
热分解反应（吸热反应，单一气源）
该方法在简单的单温区炉中，在真空或惰性气体保护 下加热基体至所需温度后，导入反应物气体使之发生热分 解，最后在基体上沉积出固体涂层。
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。
第四章化学气相沉积
设在生长中的薄膜表面形成了界面层，其厚度为，cg和cs分别为 反应物的原始浓度和其在衬底表面的浓度，则
扩散至衬底表面的反应物的通量为： 衬底表面消耗的反应物通量与Cs成正比
平衡时两个通量相等，得
F1 hg (Cg Cs )
F2 ksCs
F1 F2
Cs
Cg 1 ks
hg
hg为气相质量输运系数，Ks为表面化学反应速率常数
4. 氧化反应 利用氧气作为氧化剂促进反应：
SiH4(g) + O2 = SiO2(s) + H2O(g) (450℃) Si(C2H5O)4 + 8O2 = SiO2 + 10H2O + 8CO2
（Si(C2H5O)4是正硅酸乙酯 简称TEOS）
SiCl4 + O2 = SiO2 + 2Cl2 GeCl4 + O2 = GeO2 + 2Cl2
1) 反应物的
质量传输 气体传送
2) 薄膜先驱 物反应
3) 气体分 子扩散
4) 先驱物 的吸附
CVD 反应室
副产物
7) 副产物的解吸附作用
8) 副产物去除
排气
5) 先驱物扩散 到衬底中
6) 表面反应
连续膜
衬底
第四章 化学气相沉积----4.2 化学气相沉积
二、CVD动力学分析 1、CVD模型（Grove模型）
薄膜的生长过程取决于气体与衬底间界面的相互作用， 可能涉及以下几个步骤： （1）反应气体从入口区域流动到衬底表面的淀积区域 （2）气相反应导致膜先驱物（组成膜最初的原子或分
子）和副产物的形成 （3）膜先驱物附着在衬底表面
第四章 化学气相沉积----4.2 化学气相沉积
化学气相沉积教材
CVD物理化学基础
CVD反应方式：
热分解反应 氧化还原反应 化学合成反应 化学输运反应 等离子增强反应 其他能源增强增强反应
材料科学与工程学院
Cd(CH3 )2 +H2S CdS+2CH4
325~475 C SiH4 +2O2 SiO2 +2H 2O
δ与移动方向x之间的关系
材料科学与工程学院
现代表面工程技术
CVD技术的热动力学
CVD 反应物从主气流里往基片表面扩
散时反应物在边界层两端所形成的 浓度梯度
材料科学与工程学院 现代表面工程技术
CVD技术的热动力学
显示以TEOS为反应气体的CVDSiO2沉积的沉积速率 与温度之间的关系曲线 现代表面工程技术
材料科学与工程学院 现代表面工程技术
基本概念
CVD技术的分类 低压CVD（LPCVD） 常压CVD（APCVD） 亚常压CVD(SACVD) 超高真空CVD(UHCVD) 等离子体增强CVD(PECVD) 高密度等离子体CVD(HDPCVD
快热CVD(RTCVD) 金属有机物CVD(MOCVD）
材料科学与工程学院 现代表面工程技术
材料科学与工程学院
现代表面工程技术
CVD技术的热动力学
CVD反应过程：
CVD反应是由这五个 主要步骤所构成的 。因为进行这五个 的发生顺序成串联 ，因此CVD反应的速 率取决于步骤，将 由这五个步骤里面 最慢的一个来决定
化学气相沉积的五个主要的机构 (a)反应物已扩散通过界面边界层；(b)反应物吸附 在基片的表面；(c)化学沉积反应发生； (d) 部分 生成物已扩散通过界面边界层；(e)生成物与反应 物进入主气流里，并离开系统
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CVD反应方式：
热分解反应 氧化还原反应 化学合成反应 化学输运反应 等离子增强反应 其他能源增强增强反应
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Cd(CH3 )2 +H2S CdS+2CH4
325~475 C SiH4 +2O2 SiO2 +2H 2O
δ与移动方向x之间的关系
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CVD技术的热动力学
CVD 反应物从主气流里往基片表面扩
散时反应物在边界层两端所形成的 浓度梯度
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CVD技术的热动力学
显示以TEOS为反应气体的CVDSiO2沉积的沉积速率 与温度之间的关系曲线 现代表面工程技术
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基本概念
CVD技术的分类 低压CVD（LPCVD） 常压CVD（APCVD） 亚常压CVD(SACVD) 超高真空CVD(UHCVD) 等离子体增强CVD(PECVD) 高密度等离子体CVD(HDPCVD
快热CVD(RTCVD) 金属有机物CVD(MOCVD）
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现代表面工程技术
CVD技术的热动力学
CVD反应过程：
CVD反应是由这五个 主要步骤所构成的 。因为进行这五个 的发生顺序成串联 ，因此CVD反应的速 率取决于步骤，将 由这五个步骤里面 最慢的一个来决定
化学气相沉积的五个主要的机构 (a)反应物已扩散通过界面边界层；(b)反应物吸附 在基片的表面；(c)化学沉积反应发生； (d) 部分 生成物已扩散通过界面边界层；(e)生成物与反应 物进入主气流里，并离开系统
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化学气相法沉积聚合物
化学气相法沉积聚合物一、化学气相沉积（CVD）原理1. 基本概念- 化学气相沉积是一种通过气态先驱体在高温、等离子体或其他能量源的作用下发生化学反应，在基底表面沉积出固态薄膜的技术。
对于聚合物的化学气相沉积，先驱体通常是含有碳、氢等元素的有机化合物。
- 在CVD过程中，气态先驱体被输送到反应室中，在基底表面或靠近基底的区域发生分解、聚合等反应，从而形成聚合物薄膜。
2. 反应条件- 温度：不同的先驱体和反应体系需要不同的温度条件。
一般来说，较高的温度有助于先驱体的分解和反应的进行，但对于一些对温度敏感的基底或聚合物结构，需要精确控制温度以避免基底的损坏或聚合物的过度分解。
例如，某些有机硅先驱体在300 - 500°C的温度范围内可以有效地沉积硅基聚合物薄膜。
- 压力：反应室中的压力也是一个关键因素。
低压CVD（LPCVD）和常压CVD （APCVD）是常见的两种压力条件。
LPCVD通常在较低的压力（1 - 100 Pa）下进行，能够提供较好的薄膜均匀性和纯度，因为在低压下，气态分子的平均自由程较长，反应产物更容易扩散离开反应区域。
APCVD则在常压（约101.3 kPa）下进行，设备相对简单，但可能会存在薄膜均匀性较差的问题。
- 载气：载气用于将气态先驱体输送到反应室中。
常用的载气有氮气（N₂）、氩气（Ar）等惰性气体。
载气的流速会影响先驱体在反应室中的浓度分布，进而影响聚合物的沉积速率和薄膜质量。
二、聚合物沉积的先驱体1. 有机硅先驱体- 如四甲基硅烷（Si(CH₃)₄）等有机硅化合物是常用的先驱体。
在CVD过程中，四甲基硅烷在高温下会发生分解反应，硅 - 碳键断裂，释放出甲基基团，然后硅原子之间相互连接形成硅基聚合物的骨架结构。
反应式大致为：Si(CH₃)₄→Si + 4CH₃（高温分解），随后硅原子发生聚合反应形成聚合物。
- 有机硅先驱体沉积得到的聚合物具有良好的热稳定性、化学稳定性和电绝缘性等特点，在电子、航空航天等领域有广泛的应用。
化学气相沉积(中文版)2016
CVD 源材料
• 硅烷 (SiH4) • 四乙氧基硅烷 (tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS ,Si(OC2H5)4)
CVD 源材料: 硅烷
• 自燃性的 (自己会燃烧), 易爆的, 以及有毒的 • 打开没有彻底吹除净化的硅烷气体管路， 可能引起火灾或是小爆炸，并形成微细的 二H
• 室温下为液态 • 化学性能不活泼 • 安全
H H H H C H H C H H H O
C C O Si O C C H
H H H O C H H H H C H H
CVD 源材料吸附:四乙氧基硅烷 (TEOS)
• 四乙氧基硅烷 (tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS ,Si(OC2H5)4)，也称正硅酸四乙酯 • 大型有机分子 • TEOS分子不是完整对称的 • 可以与表面形成氢键并物理吸附在基片表面 • 表面迁移率高 • 好的阶梯覆盖、保形性与间隙填充 • 广泛使用在氧化物的沉积上
–通常是 400 °C
• 等离子体增强-四乙氧基硅烷, 臭氧-四 乙氧基硅烷 和 高密度等离子体
CVD氮化硅的特性与沉积方法
• 很适合于作钝化层,因为 • 它有非常强的抗扩散能力,尤其是钠和水 汽在氮化硅中的扩散系数很小; •另外，还可以作PSG 或 BPSG的扩散阻挡层
CVD氧化硅与CVD氮化硅的特性
• Si(OC2H5)4+O2→SiO2+4C2H4+2H2O
成膜质量好,但如果铝层已沉积,这个温度是不允许的
PE-TEOS 对O3-TEOS
等离子体增强-TEOS 臭氧-TEOS
阶梯覆盖率: 50% 保形性: 87.5%
阶梯覆盖率: 90% 保形性: 100%
化学气相沉积 ppt课件
PPT课件
8
一、化学气相沉积的原理
化学气相沉积反应的物质源 1、气态物质源 如H2、N2、CH4、O2、SiH4等。这种物质源对CVD工艺技术最为方 便 ，涂层设备系统比较简单，对获得高质量涂层成分和组织十分有 利。 2、液态物质源 此物质源分两种：（1）该液态物质的蒸汽压在相当高的温度下 也很低，必须加入另一种物质与之反应生成气态物质送入沉积室，才 能参加沉积反应。(2)该液态物质源在室温或稍高一点的温度就能得 到较高的蒸汽压，满足沉积工艺技术的要求。如：TiCl4、CH3CN、 SiCl4、VCl4、BCl3。 3、固态物质源 如：AlCl3、NbCl5、TaCl5、ZrC积室中。因为 固态物质源的蒸汽压对温度十分敏感，对加热温度和载气量的控制精 度十分严格，对涂层设备设计、制造提出了更高的要求。 9 PPT课件
PPT课件
24
二、化学气相沉积的工艺方法
• CVD技术分类
• 反应器是CVD装置最基本的部件。根据反应器 结构的不同，可将CVD技术分为开放型气流法和封闭型气 流法两种基本类型。 • 1、开放型气流法： • 特点：反应气体混合物能够连续补充，同时废弃的反应 产物能够不断地排出沉积室，反应总是处于非平衡状态。 • 优点：试样容易装卸，工艺条件易于控制，工艺重复性 好。
PPT课件
33
• 常用的基体包括： • 各种难熔金属（钼常被采用）、 • 石英、 • 陶瓷、 • 硬质合金等， • 它们在高温下不容易被反应气体侵蚀。 • 当沉积温度低于700℃时，也可以钢为基体，但对钢的表 面必须进行保护，一般用电镀或化学镀的方法在表面沉 积一薄层镍。
PPT课件
34
三、化学气相沉积的特点与应用
一、化学气相沉积的原理
常见的反应类型
化学气相沉积
Ⅳ 激光(诱导)化学气相沉(LCVD)
LCVD是指利用激光束的光子能量激发和促进化 学反应，实现薄膜沉积的化学气相沉积技术。
按激光作用机制，可分为激光热解沉积和激光光 解沉积两种。 热解机制：光子加热使在衬底上的气体热 解发生沉积 光解机制：靠光子能量直接使气体分解 （单光 子吸收）
要求衬底对激光 吸收系数较高
• 绝缘薄膜的PCVD沉积 在低温下沉积氮化硅、氧
化硅或硅的氮氧化物一类的绝缘薄膜，对于超大规模集 成芯片（VLSI）的生产是至关重要的。
• 非晶和多晶硅薄膜的PCVD沉积 • 金刚石和类金刚石的PCVD沉积 • 等离子体聚合 等离子体聚合技术正越来越广泛的应
用于开发具有界电特征、导电特性、感光特性、光电转 换功能或储存器开关功能的等离子体聚合膜和一些重要 的有机金属复合材料。
活体粒子在基体表面发 生化学反应，形成膜 层
反反应应沉沉积 积成成膜膜
3、PCVD的特点
成膜温度低 沉积速率高 膜层结合力高 膜层质量好 能进行根据热力学规律难以发生的反应
4、PCVD与CVD装置结构相近， 只是需要增加能产生等离子体 的反应器。用于激发CVD反应 的等离子体有：
直流等离子体
射频等离子体
化学气相沉积作为一种非常有效的材料表 面改性方法,具有十分广阔的发展应用前景。 随着工业生产要求的不断提高, CVD 的工艺 及设备得到不断改进, 现已获得了更多新的 膜层, 并大大提高了膜层的性能和质量，它
对于提高材料的使用寿命、改善材料的性
能、节省材料的用量等方面起到了重要的 作用,下一步将向着沉积温度更低、有害生
此外，还有等离子体激发、光和激光激发等反应。
4、CVD装置
CVD设备
混合气体中某些成分分解后可以 单独沉积在基体表面形成薄膜， 或混合气体中某些成分分解后与基体
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可能引起火灾或是小爆炸，并形成微细的 二氧化硅粒子使气体管路布满灰尘
硅烷分子结构
H H
Si H
H
H H Si H
H
CVD源材料吸附: 硅烷
• 硅烷分子完全对称的四面体 • 不会形成化学吸附或物理吸附 • 但硅烷高温分解或等离子体分解的分子碎
片, SiH3, SiH2, or SiH, 很容易与基片表面形 成化学键，黏附系数大 • 表面迁移率低, 通常会产生悬突和很差的阶 梯覆盖
• 射频在沉积气体中感应等离子体场以提 高反应效率，因此，低温低压下有高的 沉积速率.
• 表面所吸附的原子不断受到离子与电子 的轰击,容易迁移,使成膜均匀性好,台阶覆 盖性好
等离子体增强型化学气相沉积 (PECVD)
制程反 应室
制程反 应室
晶圆
RF功率产生器 等离子体
副产品被 泵浦抽走
加热板
保形覆盖
四乙氧基硅烷(TEOS)
H
• 室温下为液态 • 化学性能不活泼 • 安全
HC H
HC H
HH
O
HH
H C C O Si O C C H
HH
O
HH
HC H
HC H
H
CVD 源材料吸附:四乙氧基硅烷 (TEOS)
• 四乙氧基硅烷 (tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS ,Si(OC2H5)4)，也称正硅酸四乙酯
0.04 至 0.08 0.15 0.94 10-3 10-4
CVD 源材料
• 硅烷 (SiH4) • 四乙氧基硅烷 (tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS ,Si(OC2H5)4)
CVD 源材料: 硅烷
• 自燃性的 (自己会燃烧), 易爆的, 以及有毒的 • 打开没有彻底吹除净化的硅烷气体管路，
O3 TEOS BPSG
氮化硅阻擋層
金屬硅化物
多晶硅
二氧化硅的CVD沉积方法
TEOS为源的低温PECVD二氧化硅
• Si(OC2H5)4+O2→SiO2+副产物
比用气体硅烷源更安全,因为TEOS室温下为液体, 而且化学性能不活泼,所沉积薄膜保形性好。
中温(650~750℃)LPCVD二氧化硅
• Si(OC2H5)4+O2→SiO2+4C2H4+2H2O
化学气相沉积(CVD)
化学气相沉积(CVD)概念
• 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)
• 气体或蒸气在晶圆表面产生化学反应，并 形成固态薄膜的沉积方法.
沉积制程
气源分子到达晶圆表面 气源分子在表面移动
气源分子在表面反应
成核作用：岛状 物形成
沉积制程
岛状物成长 岛状物合并
• APCVD易于发生气相反应,沉积速率较快,可超 过1000Å/min,适合沉积厚介质层.
但由于反应速度较快,两种反应气体在还 未到达硅片表面就已经发生化学反应而产生生 成物颗粒,这些生成物颗粒落在硅片表面,影响 硅片表面的薄膜生长过程,比较容易形成粗糙 的多孔薄膜,使得薄膜的形
• 低气压(133.3Pa)下的CVD较长的平均自由路径可 减少气相成核几率,减少颗粒,不需气体隔离,孔 洞少，成膜质量好
•但是反应速率较低,需要较高的衬底温度
晶圆装 载门
低压化学气相沉积系统
压力计
晶圆
加热线圈
至真空帮 浦
制程气体入口 温度
晶舟 中心区 均温区
石英 管
距离
等离子体增强型化学气相沉积 (PECVD)
在一般的掺杂浓度下,同样的掺杂浓度下, 多晶硅 的电阻率比单晶硅的电阻率高得多,主要是由于晶粒间 界含有大量的悬挂键,可以俘获自由载流子,但在高掺 杂情况下, 多晶硅的电阻率比单晶硅的电阻相差不大.
高掺杂多晶硅作为栅电极和短程互联线在MOS集 成电路得到广泛应用。
常常将钨、钛、钴(考虑到离子注入后的退火,这里 只能用难熔金属)等硅化物做在多晶硅薄膜上,形成具有 较低的方块电阻（相对于单独的多晶硅而言）。
金属 3
金属层间介电质2
影响阶梯覆盖的因素
• 源材料的到达角度 • 源材料的再发射 • 源材料的表面迁移率
黏附系数
黏附系数
• 源材料原子和基片表面产生一次碰撞的过 程中，能与基片表面形成一个化学键并被 表面吸附的机率
黏附系数
源材料 SiH4 SiH3 SiH2 SiH TEOS WF6
黏附系数 3x10-4至3x10-5
• 保形覆盖是指无论衬底表面有什么样的 倾斜图形,在所有图形的上面都能沉积有 相同厚度的薄膜
到达角度
180° B
270° A
90° C
薄膜的厚度正比于到达角的取值范围
阶梯覆盖性与保形性
CVD 薄膜
c
a
结构 基片
h b
d
w
严重时会形成空洞
金属
介电质
金属 金属
介电质
空洞
介电质
金属 4
金属层间介电质3
成膜质量好,但如果铝层已沉积,这个温度是不允许的
PE-TEOS 对O3-TEOS
等离子体增强-TEOS 臭氧-TEOS
阶梯覆盖率: 50% 保形性: 87.5%
阶梯覆盖率: 90% 保形性: 100%
CVD 氧化层 vs. 加热成长的氧化层
SiO2 Si
热成长薄膜
Si 硅裸片晶圆
SiO2 Si
CVD工艺应用
• 多晶硅 • SiO2 • Si3N4 •W • 硅化钨 • TiN
多晶硅的特性与沉积方法
多晶硅薄膜是由小单晶(大约是100nm量级)的晶粒 组成,因此存在大量的晶粒间界
多晶硅薄膜的沉积,通常主要是采用LPCVD工 艺,在580~650下热分解硅烷实现的
• SiH4(吸附)=Si(固)+2H2(气)
• 大型有机分子 • TEOS分子不是完整对称的 • 可以与表面形成氢键并物理吸附在基片表面 • 表面迁移率高 • 好的阶梯覆盖、保形性与间隙填充 • 广泛使用在氧化物的沉积上
两种主要CVD源材料的主要特点
硅烷成本低，沉积速率较快
因为TEOS比硅烷热分解产物的黏附系数小一个数量 级,所以TEOS在表面的迁移能力与再发射能力都很 强,台阶覆盖性较好.
岛状物成长， 横截面图
连续薄膜
CVD制程
• APCVD：常压化学气相沉积法 • LPCVD：低压化学气相沉积法 • PECVD ：等离子体增强型化学气相沉
积法
APCVD反应器示意图
N2
制程气体
N2
晶圆
晶圆
加热器
输送带清洁装置
排气
输送带
常压化学气相沉积法(APCVD)
• APCVD制程发生在大气压力常压下,适合在开放 环境下进行自动化连续生产.
硅烷分子结构
H H
Si H
H
H H Si H
H
CVD源材料吸附: 硅烷
• 硅烷分子完全对称的四面体 • 不会形成化学吸附或物理吸附 • 但硅烷高温分解或等离子体分解的分子碎
片, SiH3, SiH2, or SiH, 很容易与基片表面形 成化学键，黏附系数大 • 表面迁移率低, 通常会产生悬突和很差的阶 梯覆盖
• 射频在沉积气体中感应等离子体场以提 高反应效率，因此，低温低压下有高的 沉积速率.
• 表面所吸附的原子不断受到离子与电子 的轰击,容易迁移,使成膜均匀性好,台阶覆 盖性好
等离子体增强型化学气相沉积 (PECVD)
制程反 应室
制程反 应室
晶圆
RF功率产生器 等离子体
副产品被 泵浦抽走
加热板
保形覆盖
四乙氧基硅烷(TEOS)
H
• 室温下为液态 • 化学性能不活泼 • 安全
HC H
HC H
HH
O
HH
H C C O Si O C C H
HH
O
HH
HC H
HC H
H
CVD 源材料吸附:四乙氧基硅烷 (TEOS)
• 四乙氧基硅烷 (tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS ,Si(OC2H5)4)，也称正硅酸四乙酯
0.04 至 0.08 0.15 0.94 10-3 10-4
CVD 源材料
• 硅烷 (SiH4) • 四乙氧基硅烷 (tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS ,Si(OC2H5)4)
CVD 源材料: 硅烷
• 自燃性的 (自己会燃烧), 易爆的, 以及有毒的 • 打开没有彻底吹除净化的硅烷气体管路，
O3 TEOS BPSG
氮化硅阻擋層
金屬硅化物
多晶硅
二氧化硅的CVD沉积方法
TEOS为源的低温PECVD二氧化硅
• Si(OC2H5)4+O2→SiO2+副产物
比用气体硅烷源更安全,因为TEOS室温下为液体, 而且化学性能不活泼,所沉积薄膜保形性好。
中温(650~750℃)LPCVD二氧化硅
• Si(OC2H5)4+O2→SiO2+4C2H4+2H2O
化学气相沉积(CVD)
化学气相沉积(CVD)概念
• 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)
• 气体或蒸气在晶圆表面产生化学反应，并 形成固态薄膜的沉积方法.
沉积制程
气源分子到达晶圆表面 气源分子在表面移动
气源分子在表面反应
成核作用：岛状 物形成
沉积制程
岛状物成长 岛状物合并
• APCVD易于发生气相反应,沉积速率较快,可超 过1000Å/min,适合沉积厚介质层.
但由于反应速度较快,两种反应气体在还 未到达硅片表面就已经发生化学反应而产生生 成物颗粒,这些生成物颗粒落在硅片表面,影响 硅片表面的薄膜生长过程,比较容易形成粗糙 的多孔薄膜,使得薄膜的形
• 低气压(133.3Pa)下的CVD较长的平均自由路径可 减少气相成核几率,减少颗粒,不需气体隔离,孔 洞少，成膜质量好
•但是反应速率较低,需要较高的衬底温度
晶圆装 载门
低压化学气相沉积系统
压力计
晶圆
加热线圈
至真空帮 浦
制程气体入口 温度
晶舟 中心区 均温区
石英 管
距离
等离子体增强型化学气相沉积 (PECVD)
在一般的掺杂浓度下,同样的掺杂浓度下, 多晶硅 的电阻率比单晶硅的电阻率高得多,主要是由于晶粒间 界含有大量的悬挂键,可以俘获自由载流子,但在高掺 杂情况下, 多晶硅的电阻率比单晶硅的电阻相差不大.
高掺杂多晶硅作为栅电极和短程互联线在MOS集 成电路得到广泛应用。
常常将钨、钛、钴(考虑到离子注入后的退火,这里 只能用难熔金属)等硅化物做在多晶硅薄膜上,形成具有 较低的方块电阻（相对于单独的多晶硅而言）。
金属 3
金属层间介电质2
影响阶梯覆盖的因素
• 源材料的到达角度 • 源材料的再发射 • 源材料的表面迁移率
黏附系数
黏附系数
• 源材料原子和基片表面产生一次碰撞的过 程中，能与基片表面形成一个化学键并被 表面吸附的机率
黏附系数
源材料 SiH4 SiH3 SiH2 SiH TEOS WF6
黏附系数 3x10-4至3x10-5
• 保形覆盖是指无论衬底表面有什么样的 倾斜图形,在所有图形的上面都能沉积有 相同厚度的薄膜
到达角度
180° B
270° A
90° C
薄膜的厚度正比于到达角的取值范围
阶梯覆盖性与保形性
CVD 薄膜
c
a
结构 基片
h b
d
w
严重时会形成空洞
金属
介电质
金属 金属
介电质
空洞
介电质
金属 4
金属层间介电质3
成膜质量好,但如果铝层已沉积,这个温度是不允许的
PE-TEOS 对O3-TEOS
等离子体增强-TEOS 臭氧-TEOS
阶梯覆盖率: 50% 保形性: 87.5%
阶梯覆盖率: 90% 保形性: 100%
CVD 氧化层 vs. 加热成长的氧化层
SiO2 Si
热成长薄膜
Si 硅裸片晶圆
SiO2 Si
CVD工艺应用
• 多晶硅 • SiO2 • Si3N4 •W • 硅化钨 • TiN
多晶硅的特性与沉积方法
多晶硅薄膜是由小单晶(大约是100nm量级)的晶粒 组成,因此存在大量的晶粒间界
多晶硅薄膜的沉积,通常主要是采用LPCVD工 艺,在580~650下热分解硅烷实现的
• SiH4(吸附)=Si(固)+2H2(气)
• 大型有机分子 • TEOS分子不是完整对称的 • 可以与表面形成氢键并物理吸附在基片表面 • 表面迁移率高 • 好的阶梯覆盖、保形性与间隙填充 • 广泛使用在氧化物的沉积上
两种主要CVD源材料的主要特点
硅烷成本低，沉积速率较快
因为TEOS比硅烷热分解产物的黏附系数小一个数量 级,所以TEOS在表面的迁移能力与再发射能力都很 强,台阶覆盖性较好.
岛状物成长， 横截面图
连续薄膜
CVD制程
• APCVD：常压化学气相沉积法 • LPCVD：低压化学气相沉积法 • PECVD ：等离子体增强型化学气相沉
积法
APCVD反应器示意图
N2
制程气体
N2
晶圆
晶圆
加热器
输送带清洁装置
排气
输送带
常压化学气相沉积法(APCVD)
• APCVD制程发生在大气压力常压下,适合在开放 环境下进行自动化连续生产.