化学气相沉积(中文版)2016知识讲解
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化学气相沉积法ppt课件
MOCVD是常规CVD技术的发展，它用容易分 解的金属有机化合物作初始反应物，因此沉积 温度较低。
优点：可以在热敏感的基体上进行沉积；
缺点：沉积速率低，晶体缺陷密度高，膜中杂质 多。
原料输送要求：把欲沉积膜层的一种或几种组分 以金属烷基化合物的形式输送到反应区，其他 的组分可以氢化物的形式输送。
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(A)CVD的原理
CVD的机理是复杂的，那是由于反应气体中不同 化学物质之间的化学反应和向基片的析出是同 时发生的缘故。
基本过程：通过赋予原料气体以不同的能量使其 产生各种化学反应，在基片上析出非挥发性的 反应产物。
图3.14表示从TiCl4+CH4+H2的混合气体析出 TiC过程的模式图。如图所示，在CVD中的析出 过程可以理解如下：
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7
⑥绕镀性好：可在复杂形状的基体上及颗粒材 料上沉积。
⑦气流条件：层流，在基体表面形成厚的边界 层。
⑧沉积层结构：柱状晶，不耐弯曲。通过各种 技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶 粒的等轴沉积层。
⑨应用广泛:可以形成多种金属、合金、陶瓷和 化合物沉积层
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8
（2）CVD的方法
LCVD技术的优点：沉积过程中不直接加热整块 基板，可按需要进行沉积，空间选择性好，甚 至可使薄膜生成限制在基板的任意微区内；避 免杂质的迁移和来自基板的自掺杂；沉积速度
比2
(D)超声波化学气相沉积(UWCVD)
定义：是利用超声波作为CVD过程中能源的一种 新工艺。
①常压CVD法； ②低压CVD法； ③热CVD法； ④等离子CVD法； ⑤间隙CVD法； ⑥激光CVD法； ⑦超声CVD法等。
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(C)CVD的流程与装置
优点：可以在热敏感的基体上进行沉积；
缺点：沉积速率低，晶体缺陷密度高，膜中杂质 多。
原料输送要求：把欲沉积膜层的一种或几种组分 以金属烷基化合物的形式输送到反应区，其他 的组分可以氢化物的形式输送。
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(A)CVD的原理
CVD的机理是复杂的，那是由于反应气体中不同 化学物质之间的化学反应和向基片的析出是同 时发生的缘故。
基本过程：通过赋予原料气体以不同的能量使其 产生各种化学反应，在基片上析出非挥发性的 反应产物。
图3.14表示从TiCl4+CH4+H2的混合气体析出 TiC过程的模式图。如图所示，在CVD中的析出 过程可以理解如下：
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⑥绕镀性好：可在复杂形状的基体上及颗粒材 料上沉积。
⑦气流条件：层流，在基体表面形成厚的边界 层。
⑧沉积层结构：柱状晶，不耐弯曲。通过各种 技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶 粒的等轴沉积层。
⑨应用广泛:可以形成多种金属、合金、陶瓷和 化合物沉积层
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（2）CVD的方法
LCVD技术的优点：沉积过程中不直接加热整块 基板，可按需要进行沉积，空间选择性好，甚 至可使薄膜生成限制在基板的任意微区内；避 免杂质的迁移和来自基板的自掺杂；沉积速度
比2
(D)超声波化学气相沉积(UWCVD)
定义：是利用超声波作为CVD过程中能源的一种 新工艺。
①常压CVD法； ②低压CVD法； ③热CVD法； ④等离子CVD法； ⑤间隙CVD法； ⑥激光CVD法； ⑦超声CVD法等。
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(C)CVD的流程与装置
化学气相沉积CVD
离解和离化，从而大大提高了参与反应的物质活性；
这些具有高反应活性的物质很容易被吸附到较低温度的基
体表面上，于是，在较低的温度下发生非平衡的化学反应
沉积生成薄膜，这就大大降低了基体的温度，提高了沉积
速率。
16
3. PECVD装置
普通CVD+高频电源（用于产生等离子体）
用高频产生辉光放电等离子体的卧式反应
主要由反应器（室）、供气系统和加热系统等组成
图8.3.1
Si片PN结构微细加工的CVD装置意示图
6
反应器的类型：
图8.3.2 CVD反应器的类型
7
沉积过程：
① 在主气流区域，反应物从反应器入口到分解区域的质
量输运；
② 气相反应产生膜形成的前驱体和副产物；
③ 成膜前驱体质量输运至生长表面；
④ 成膜前驱体吸附在生长表面；
可有效解决普通CVD基体温度高，沉积速率慢的不足。
1.等离子体
（1）物质的第四态
给物质以能量，即T↗：
固 液 气 电离，离子+自
由电子，等离子体，第四态。
（2）产生
自然界：大气电离层,高温太阳
实验室：气体放电，供给能量,维持；
图8.3.3 物质的四态
15
（3）性质及应用
气体高度电离的状态；
下进行沉积的某些场合，如沉积平面
硅和MOS集成电路的纯化膜。
（2）按照沉积时系统压强的大小分类：
常压CVD（NPCVD），～1atm；
低压CVD（LPCVD），10～100Pa；
LPCVD具有沉积膜均匀性好、台阶覆盖及一致性较好、
针孔较小、膜结构完整性优良、反应气体的利用率高等优
点，不仅用于制备硅外延层，还广泛用于制备各种无定形
这些具有高反应活性的物质很容易被吸附到较低温度的基
体表面上，于是，在较低的温度下发生非平衡的化学反应
沉积生成薄膜，这就大大降低了基体的温度，提高了沉积
速率。
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3. PECVD装置
普通CVD+高频电源（用于产生等离子体）
用高频产生辉光放电等离子体的卧式反应
主要由反应器（室）、供气系统和加热系统等组成
图8.3.1
Si片PN结构微细加工的CVD装置意示图
6
反应器的类型：
图8.3.2 CVD反应器的类型
7
沉积过程：
① 在主气流区域，反应物从反应器入口到分解区域的质
量输运；
② 气相反应产生膜形成的前驱体和副产物；
③ 成膜前驱体质量输运至生长表面；
④ 成膜前驱体吸附在生长表面；
可有效解决普通CVD基体温度高，沉积速率慢的不足。
1.等离子体
（1）物质的第四态
给物质以能量，即T↗：
固 液 气 电离，离子+自
由电子，等离子体，第四态。
（2）产生
自然界：大气电离层,高温太阳
实验室：气体放电，供给能量,维持；
图8.3.3 物质的四态
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（3）性质及应用
气体高度电离的状态；
下进行沉积的某些场合，如沉积平面
硅和MOS集成电路的纯化膜。
（2）按照沉积时系统压强的大小分类：
常压CVD（NPCVD），～1atm；
低压CVD（LPCVD），10～100Pa；
LPCVD具有沉积膜均匀性好、台阶覆盖及一致性较好、
针孔较小、膜结构完整性优良、反应气体的利用率高等优
点，不仅用于制备硅外延层，还广泛用于制备各种无定形
化学气相沉积技术
化学气相沉积技术化学气相沉积技术是一种常用的薄膜制备方法，它在材料科学、纳米技术、能源领域等方面有着广泛的应用。
本文将介绍化学气相沉积技术的基本原理、分类以及在不同领域的应用。
一、基本原理化学气相沉积技术是通过在气相条件下使化学反应发生，从而在基底表面上沉积出所需的薄膜材料。
该技术通常包括两个主要步骤，即前驱体的气相传输和沉积过程。
在前驱体的气相传输阶段，前驱体物质通常是一种挥发性的化合物，如金属有机化合物或无机盐等。
这些前驱体物质被加热到一定温度，使其蒸发或分解为气体。
然后，这些气体将通过传输管道输送到基底表面上。
在沉积过程中，前驱体气体与基底表面上的反应活性位点发生反应，形成固态的薄膜材料。
这些反应通常是表面吸附、解离、扩散和再结合等过程的连续发生。
通过控制前驱体的流量、温度、压力等参数，可以实现对沉积薄膜的厚度、成分和晶体结构的调控。
二、分类根据沉积过程中气体流动的方式和方向，化学气相沉积技术可以分为热辐射、热扩散和热对流三种类型。
1. 热辐射沉积（Thermal Radiation Deposition，TRD）：在热辐射沉积中，前驱体物质通过热辐射的方式传输到基底表面。
这种方法适用于高温条件下的沉积过程，可以用于制备高质量的薄膜材料。
2. 热扩散沉积（Thermal Diffusion Deposition，TDD）：在热扩散沉积中，前驱体物质通过热扩散的方式传输到基底表面。
这种方法适用于低温条件下的沉积过程，可以用于制备柔性基底上的薄膜材料。
3. 热对流沉积（Thermal Convection Deposition，TCD）：在热对流沉积中，前驱体物质通过热对流的方式传输到基底表面。
这种方法适用于较高温度和压力条件下的沉积过程，可以用于制备大面积的薄膜材料。
三、应用领域化学气相沉积技术在材料科学、纳米技术和能源领域有着广泛的应用。
以下是几个具体的应用领域：1. 半导体器件制备：化学气相沉积技术可以用于制备半导体材料的薄膜，如硅、氮化硅、氮化铝等，用于制备晶体管、太阳能电池等器件。
化学气相沉积(中文版)2016年
• 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.
的加热回流温度,可以形成更为平坦的表面. • BPSG (在PSG基础上掺硼形成的硼磷硅玻璃)
：可以进一步减低回流的圆滑温度而磷的浓 度不会过量
PSG在摄氏1100 °C, N2气氛中退火 20分钟回流圆滑情形
0wt%
2.2wt%
4.6wt%
资料来源: VLSI Technology, by S.M. Sze
• 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
CVD二氧化硅应用
• 钝化层 • 浅沟槽绝缘(STI) • 侧壁空间层 • 金属沉积前的介电质层(PMD) • 金属层间介电质层(IMD)
浅沟槽绝缘(STI)
成长衬垫氧化层 沉积氮化硅
蚀刻氮化硅 ，氧化硅与 硅基片
成长阻挡氧 化层
CVD USG 沟槽填充
CMP USG USG 退火
剥除氮化硅 与氧化硅
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
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.
的加热回流温度,可以形成更为平坦的表面. • BPSG (在PSG基础上掺硼形成的硼磷硅玻璃)
：可以进一步减低回流的圆滑温度而磷的浓 度不会过量
PSG在摄氏1100 °C, N2气氛中退火 20分钟回流圆滑情形
0wt%
2.2wt%
4.6wt%
资料来源: VLSI Technology, by S.M. Sze
• 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
CVD二氧化硅应用
• 钝化层 • 浅沟槽绝缘(STI) • 侧壁空间层 • 金属沉积前的介电质层(PMD) • 金属层间介电质层(IMD)
浅沟槽绝缘(STI)
成长衬垫氧化层 沉积氮化硅
蚀刻氮化硅 ，氧化硅与 硅基片
成长阻挡氧 化层
CVD USG 沟槽填充
CMP USG USG 退火
剥除氮化硅 与氧化硅
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
化学气相沉积(CVD)PPT演示课件
growth of Si films.（歧化反应）
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6）可逆输运
采用氯化物工艺沉积GaAs单晶薄膜，InP，GaP， InAs，(Ga, In)As, Ga(As, P)
As 4(g) As 2(g) 6GaCl(g) 3H2(g) 87 5500 oo CC 6GaAs(s) 6HCl (g)
5
Schematic diagram of the chemical, transport, and geometric6 al complexities involved in modeling CVD processes.
一、反应类型
主要反应类型：
热分解反应（Pyrolysis）
还原反应（Reduction）
11
3) 氧化反应(Oxidation)
SiH4(g) +O2(g) 450oCSiO2(s) +2H2(g) 2AlCl3(g) 3H2(g) +3CO2(g) 1000oC Al2O3(s) +3CO(g) +6HCl(g) SiCl4(g) +O2(g) +2H2(g) 1500oCSiO2(s) +4HCl(g)
当挥发性金属可以形成具有在不同温度范围内 稳定性不同的挥发性化合物时，有可能发生歧 化反应。
2GeI
2
(
g
)
300 oC 600 oC
Ge
(
s)
GeI
4
(
g
)
金属离子呈现两种价态，低价化合物在高温下 更加稳定。
15
Байду номын сангаас
Early experimental reactor for epitaxial
(完整word版)化学气相沉积法
3沸石的定义和特点是什么？
多孔硅铝酸盐晶体材料。
具有分子大小的、均匀一致的孔径；固体酸碱性质；离子交换性质；具有高的内表面；具有高的水热稳定性；骨架可变性。
4沸石分子筛作为催化剂或催化剂载体有哪些优良性能？
筛具有独特的规整晶体结构，其中每一类都具有一定尺寸、形状的孔道结构，并具有较大的比表面积，具有高吸附量。大部分沸石分子筛表面具有较强的酸中心，同时晶孔内有强大的库伦场起极化作用，这些性质使它成为性能优异的催化剂。
5等离子体中主要基元反应过程。
电离过程，分子中电子激发过程，复合过程，附着和离脱过程
6什么叫复合过程？
复合是电离的逆过程。即由电离产生的正负荷电粒子重新结合成中性原子或分子的过程。
第六章生物医用材料
1生物医用材料的定义？
用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料。
第二章溶胶-凝胶合成法
1溶胶-凝胶法的技术原理？
反应物分子（或离子）在水（醇）溶液中进行水解（醇解）和聚合
2溶胶-凝胶法涉及的三种主要化学反应？水解反应，脱水缩聚反应，脱醇缩聚反应
3常水溶液中，金属离子有哪几种配体？水，羟基，氧基
4s-g合成法中，胶体工艺和聚合工艺有什么主要区别？
1.反应前驱体不同；2.反应介质不同
8简述TiO2光催化机理。
通过特定波长的光线照射，激活纳米光催化剂，生成电子-空穴对，使光催化剂与周围的H2O分子、O2分子发生作用，结合生成氢氧自由基OH层层锁住空气中各种有害成分，分解有害成分分子构造，抑制细菌生长和病毒的活性能力，从而达到杀菌、空气净化、除臭、防霉，消除空气污染的目的。
9TiO2有哪些缺点，如何改进？
多孔硅铝酸盐晶体材料。
具有分子大小的、均匀一致的孔径；固体酸碱性质；离子交换性质；具有高的内表面；具有高的水热稳定性；骨架可变性。
4沸石分子筛作为催化剂或催化剂载体有哪些优良性能？
筛具有独特的规整晶体结构，其中每一类都具有一定尺寸、形状的孔道结构，并具有较大的比表面积，具有高吸附量。大部分沸石分子筛表面具有较强的酸中心，同时晶孔内有强大的库伦场起极化作用，这些性质使它成为性能优异的催化剂。
5等离子体中主要基元反应过程。
电离过程，分子中电子激发过程，复合过程，附着和离脱过程
6什么叫复合过程？
复合是电离的逆过程。即由电离产生的正负荷电粒子重新结合成中性原子或分子的过程。
第六章生物医用材料
1生物医用材料的定义？
用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料。
第二章溶胶-凝胶合成法
1溶胶-凝胶法的技术原理？
反应物分子（或离子）在水（醇）溶液中进行水解（醇解）和聚合
2溶胶-凝胶法涉及的三种主要化学反应？水解反应，脱水缩聚反应，脱醇缩聚反应
3常水溶液中，金属离子有哪几种配体？水，羟基，氧基
4s-g合成法中，胶体工艺和聚合工艺有什么主要区别？
1.反应前驱体不同；2.反应介质不同
8简述TiO2光催化机理。
通过特定波长的光线照射，激活纳米光催化剂，生成电子-空穴对，使光催化剂与周围的H2O分子、O2分子发生作用，结合生成氢氧自由基OH层层锁住空气中各种有害成分，分解有害成分分子构造，抑制细菌生长和病毒的活性能力，从而达到杀菌、空气净化、除臭、防霉，消除空气污染的目的。
9TiO2有哪些缺点，如何改进？
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 ppt课件
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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
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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。
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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
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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.
• 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,使得薄膜的形貌变差.
副产品被 泵浦抽走
加热板
保形覆盖
• 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
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
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
距离
等离子体增强型化学气相沉积 (PECVD)
• 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
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）。
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
岛状物成长 岛状物合并
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
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
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)
黏附系数 3x10-4至3x10-5
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
• 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.
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沉积薄膜
CVD二氧化硅应用
• 钝化层 • 浅沟槽绝缘(STI) • 侧壁空间层 • 金属沉积前的介电质层(PMD) • 金属层间介电质层(IMD)
低压化学气相沉积法(LPCVD)
• 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Biblioteka 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
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.
• 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,使得薄膜的形貌变差.
副产品被 泵浦抽走
加热板
保形覆盖
• 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
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
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
距离
等离子体增强型化学气相沉积 (PECVD)
• 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
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）。
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
岛状物成长 岛状物合并
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
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
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)
黏附系数 3x10-4至3x10-5
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
• 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.
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沉积薄膜
CVD二氧化硅应用
• 钝化层 • 浅沟槽绝缘(STI) • 侧壁空间层 • 金属沉积前的介电质层(PMD) • 金属层间介电质层(IMD)
低压化学气相沉积法(LPCVD)
• 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Biblioteka 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