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1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1n化学气相淀积定义：n指使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。其英文原名为 “Chemical Vapour Deposition”，简称为 “CVD”。n本章主要内容： CVD薄膜的动力学模型、常用系统及制备常用薄膜的工艺。第六章 化学气相淀积（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成; 设备简单，重复性好；（2）薄膜的成分精确可控、配比范围大；（3）淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃至
2、数毫米。且能大量生产；（4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。CVD工艺特点：Date26.1 CVD模型6.1.1 CVD的基本过程 图6.1 1.主要步骤 反应剂气体反应应室内（主气流区） 通过边过边 界层层到达衬衬底表面（扩扩散方式） 成为为吸附原子在衬衬底表面发发生化学反应应，淀积积成薄膜。 2.满满足条件n在淀积积温度下，反应剂应剂 必须须具备备足够够高蒸汽压压。n除淀积积物外，反应应的其他产产物必须须是挥发挥发 性的。n淀积积物具有足够够低的蒸汽压压。n薄膜淀积积所用时间时间 尽量短。n淀积积温度足够够低n化学反应应的气态态副产产物不能进进入薄膜中。n化学反应发应发 生在被加热
3、热的衬衬底表面。Date3边界层1.定义：指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。也称为附面层、滞流层等。2.厚度(x)：从速度为零的硅片表面到气流速度为0.99Um时的区域厚度。3.形成机制：图6.3所示定义从气流遇到平板边界时为坐标原点，则有 (x)=（x/U）1/2-气体的黏滞系数。-气体的密度Date5边界层的平均厚度Re气体的雷诺数，表示流体运动中惯性效应与黏滞效应的比。无量纲数。Re 2000，气流为平流型反应室中沿各表面附近的气体流速足够慢。Re 2000，为湍流。Date66.1.3 Grove模型CVD过程主要受两步工艺过程控制：气相输运过程；表面化学
4、反应过程。Grove模型认为控制薄膜淀积速率的两个重要环节：反应剂在边界层的输运过程；反应剂在衬底表面上的化学反应过程。Grove模型Grove模型的基本原理 图6.4Date7薄膜淀积过程存在两种极限情况：hgks， Cs趋向于Cg，淀积速率受表面化学反应速率控制。反应剂数量：主气流输运到硅片表面的表面化学反应所需要的 hgks， Cs趋于0，淀积速率受质量输运速率控制。反应剂数量：表面化学反应所需要的主气流输运到硅片表面的Date8结论： 图6.51.淀积速率与下面两个量中的一个成正比：反应剂的浓度Cg；（没有使用稀释气体时适用）在气相反应中反应剂的摩尔百分比Y。（使用稀释气体）低浓度区域
5、，薄膜生长速率随Cg增加而加快。2.在Cg或Y为常数时，薄膜淀积速率由hg和ks中较小的一个决定。 hgks G=（CTksY）/N1 hgks G=（CThsgY）/ N1Date9淀积速率与几个参数的关系：1.淀积速率与温度的关系 如图6.6低温情况下，表面化学反应速率控制 由 ks= k0e-EA/Kt 淀积速率对温度的变化非常敏感。随温度的升高而成指数增加。高温情况下，质量输运控制 hg依赖于气相参数，如气体流速和气体成份等。 其输运过程通过气相扩散完成。 扩散速度正比于扩散系数Dg及边界层内浓度梯度， DgT1.52.0 淀积速率Dg基本不随温度变化而变化。Date102.淀积速率与
6、气流速率的关系 如图6.7条件：质量输运速率控制根据菲克第一定律和式6.5推导，得到气流速率 1.0L/min，淀积速率与主气流速度Um的平方根成正比。气流速率，可以淀积速率。气流速率持续，淀积速率达到一个极大值，与气流速率无关。气流速率大到一定程度，淀积速率转受表面化学反应速率控制，且与温度遵循指数关系。Date11总结Grove模型是一个简化的模型：忽略了1.反应产物的流速； 2.温度梯度对气相物质输运的影响； 认为 3.反应速度线性依赖于表面浓度。但成功预测了： 薄膜淀积过程中的两个区域（物质输运速率限制区域和表面反应控制限制区域），同时也提供了从淀积速率数据中对hg和ks 值的有效估计
7、。Date126.2 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反应室基座加热及控制系统温度控制及测量系统Date136.2.1 CVD的气体源1.气态源：已被取代。2.液态源：更安全（但氯化物除外）输送方式：冒泡法，加热液态源，液态源直接注入法冒泡法：通过控制携带气体的流速和源瓶的温度，间接达到控制进入到反应室的反应剂浓度。存在问题：较难控制反应剂的浓度； 低气压下反应剂容易凝聚。工艺改进：直接气化系统，液态源直接注入法Date146.2.2 质量流量控制系统直接控制气流流量包括质量流量计和阀门，位于气体源和反应室之间每分钟1cm3的气体流量温度为273K、1个标准大气压下，每分
8、钟通过体积的1cm3气体。6.2.3 CVD反应室的热源热壁式CVD系统：TW=TS冷壁式CVD系统：TW TSn电阻加热法： 利用缠绕在反应管外侧的电阻丝加热，形成热壁系统。由表面反应速度控制 对放置硅片的基座进行加热，形成冷壁系统。n电感加热或高能辐射灯加热 均为直接加热硅片和基座，形成冷壁系统 不同：电感加热，通过射频电源在基座上产生涡流，导致硅片和基座的温度升高。高能辐射灯加热，通过辐射射线加热淀积室侧壁。Date156.2.4 CVD系统的分类3化学淀积方法:1.常压化学气相淀积APCVD2. 低压化学气相淀积LPCVD3.等离子化学气相淀积PCVDDate161.常压化学气相淀积适
9、用于介质薄膜的淀积4Date17特点:用于SiO2的淀积，由质量输运控制淀积速率，因此必须精确控制在单位时间内到达每个硅片表面及同一表面不同位置的反应剂数量。nPWS5000：SiH4+O2=SiO2 +H2 O100mm：10片，125mm:8片Time:15minTemp:3804506厚度均匀： 5Date182.低压化学气相淀积5Date19特点：气压较低（133.3Pa），淀积速率受表面反应控制，要精确控制温度（0.5C）,保证各个硅片表面上的反应剂浓度相同。应用情况：多晶硅：SiH4/Ar(He) 620Si3N4: SiH2Cl2 +NH3 750800PSG: SiH4 +PH
10、3 +O2 450 BSG: B2H6 +O2 450 SiO2: SiH2Cl2 +NO2 910气缺现象：当气体反应剂被消耗而出现的反应剂浓度改变的现象。针对只有一端输入的反应室。避免方法：水平方向上逐渐提高温度来加快反应速度；采用分布式的气体入口；增加反应室中气流速度。缺点：相对低的淀积速率和相对高的工作温度。Date203.等离子体化学气相淀积n叙述其他策略n列出每项的优势和劣势n叙述每项所需的消耗6Date21PECVD：Plasma-enhanced CVD 利用非热能源的RF等离子体来激活和维持化学反应。特点：温度低 200350，表面反应速率控制。通常情况下：6.665 666
11、.5Pa,频率50k13.6MHz适用于布线隔离Si3N4: SiH2Cl2 +NH3PSG: SiH4 +PH3 +O2Date226.3 CVD多晶硅特性和淀积方法硅的三种形态：单晶硅、多晶硅和非晶硅。Date23单晶硅（SCS）：晶格规则排列。 加工方法：1）通过高温熔融/再结晶生长单晶硅圆片；2）外延生长硅薄膜；3）通过全部加热或局部加热，使多晶硅或非晶硅再结晶。多晶硅（Polysi）：有多种晶畴。每个晶畴里，晶格规则排列。但相邻区域晶向不同。晶界（畴壁）对于决定电导率、机械刚度和化学刻蚀特性很重要。 加工方法：1）通过LPCVD生长；2）通过全部加热或局部加热，使多晶硅或非晶硅再结晶
12、。非晶硅：晶格不规则排列。 加工方法：1）通过CVD生长。Date246.3.1 多晶硅薄膜的性质1.多晶硅的物理结构以及力学特性多晶硅薄膜由小单晶（100nm量级）的晶粒组成，存在大量的晶粒间界。晶粒间界：具有高密度缺陷和悬挂键多晶硅的两个重要特性：扩散系数-晶粒间界处晶粒内部杂质分布高温时存在于晶粒内的杂质，低温发生分凝作用，使杂质从晶粒内部运动到晶粒间界，在高温下又会返回到晶粒内。Date25半导体性质、结构和掺杂有关。a)同样的掺杂浓度（一般），电阻率：多晶硅单晶硅原因如下：热处理过程中，跑到晶粒间界处的掺杂原子（As和P）不能有效地贡献自由载流子，造成晶粒内掺杂浓度降低。晶粒间界处大
13、量的悬挂键可俘获自由载流子：自由载流子的浓度并使邻近的晶粒耗尽；引起多晶硅内部电势的变化。（对迁移不利）2.多晶硅的电学特性Date26b)多晶硅电阻的变化与掺杂浓度和晶粒尺寸间的关系同样掺杂浓度：晶粒尺寸大，电阻率较低；晶粒尺寸的大小和掺杂浓度相互作用，决定着每一个晶粒耗尽的的程度。高阻区：晶粒尺寸很小或掺杂很低晶粒完全耗尽。低阻区：晶粒尺寸很大或掺杂很高。6.3.2 化学气相淀积多晶硅采用LPCVD工艺，在580650C下热分解硅烷。淀积过程： 硅烷被吸附在衬底表面上： SiH4（吸附）= SiH2（吸附）+ H2（气） SiH2（吸附） = Si（固）+ H2（气）硅烷的热分解，中间产物
14、： SiH2和 H2， SiH4（吸附）= Si（固）+2 H2（气）Date27Date28n三族元素，如硼，掺杂使将增加空穴，它的表面吸附有助于表面呈现正电性，因而将促进多晶硅的淀积。n五族元素，如磷、砷的掺杂，将有助于表面的电子积累，从而减少分子的吸附，减少浓度，因而将降低多晶硅的淀积率。Date296.3.3 淀积条件对多晶硅结构及淀积速率的影响n淀积温度、压力、掺杂类型、浓度及随后的热处理过程n580 C 非晶态薄膜n 580 C 多晶薄膜n晶向优先方向：n580- 600 C ，晶向的晶粒占主导n625 C 左右，晶向的晶粒占主导n675 C 左右，晶向的晶粒占主导n 675 C
15、，晶向的晶粒占主导n低温下淀积的非晶态薄膜： 900- 1000 C 重新晶化时，更倾向于晶向结构Date30温度：600650 ，625Date31压力Date32Date33硅烷浓度600度Date34Date356.3.4 多晶硅的掺杂技术主要有三种工艺：扩散、离子注入、原位掺杂1.多晶硅的扩散掺杂 实现温度：9001000C n型掺杂，掺杂剂：POCl3,PH3等含磷气体2.多晶硅的离子注入掺杂 可精确控制掺入杂质的数量。3.多晶硅的原位掺杂 杂质原子在薄膜淀积的同时被结合到薄膜中，即一步完成薄膜淀积和对薄膜的掺杂。Date36SiO2的用途6.4 CVD二氧化硅的特性和淀积方法Dat
16、e37CVDSiO2薄膜的折射系数n与热生长的折射系数1.46的偏差作为衡量其质量的一个指标。 n 1.46：该薄膜富硅； n1.46：该薄膜低密度多孔6.4.1 淀积SiO2的方法: 1.低温CVD ： 500温度、压力、反应剂浓度、掺杂及反应腔形状都影响淀积速度1)硅烷为源 A ）和氧反应:（钝化层SiO2） SiH4(气)+O2(气) SiO2(固)+2H2(气)Date38B）和N2O反应: SiH4 (气)+2N2O (气) SiO2 (固)+2N2 (气)+ 2H2 (气)C)生长磷硅玻璃PSG（APCVD） 4PH3 (气) +5O2 (气) 2P2O5 (固)+6H2 (气)n加入磷烷PH3，生长磷硅玻璃PSGn加入乙硼烷B2H6，生长硼硅玻璃BSGn掺杂P含量：515（或三氯氧磷）n回流P含量：28钝化膜 磷含量过高：腐蚀铝，吸附水汽 磷含量过低：太硬，台阶覆盖不好400Date39（2）以正硅酸四乙脂（TEOS）为源 450C Si(OC2H5)4 + O2 SiO2 +副产物优点：薄膜具有更好的台阶覆盖和间隙填充特性 淀积温度可相对降低。缺点：随着金属线间距的减小
