6.1CVD模型

化學(xué)氣相淀積定義：指使一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長技術(shù)。其英文原名為“ChemicalVapourDeposition”，簡稱為“CVD”。即把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或者液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣，以合理的流速引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在襯底表面上淀積薄膜。Chap6化學(xué)氣相淀積在ULSI的制造工藝中，淀積的薄膜必須具有以下特性（1）厚度均勻；（2）高純度以及高密度；（3）可控制組分及組分的比例；（4）薄膜結(jié)構(gòu)的高度完整性；（5）良好的電學(xué)特性；（6）良好的附著性；（7）臺階覆蓋好；（8）低缺陷密度。（1）CVD成膜溫度遠(yuǎn)低于體材料的熔點(diǎn)或軟點(diǎn)。因此減輕了襯底片的熱形變，減少了玷污，抑制了缺陷生成;設(shè)備簡單，重復(fù)性好；

（2）薄膜的成分和厚度精確可控、均勻性和重復(fù)性好、臺階覆蓋優(yōu)良、配比范圍大；幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬)等

（3）淀積速率一般高于PVD；厚度范圍廣，由幾百埃至數(shù)毫米。且能大量生產(chǎn)；

（4）淀積膜結(jié)構(gòu)完整、致密，與襯底粘附性好。

CVD工藝特點(diǎn)：1.CVD的基本過程包括5個(gè)步驟：滿足7個(gè)條件：反應(yīng)物足夠高的蒸氣壓（空氣中充滿源），淀積物足夠低的蒸氣壓（不能蒸發(fā)），除淀積物質(zhì)外,反應(yīng)產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的。2.邊界層理論邊界層概念：靠近硅片表面附近的氣流速度受到擾動(dòng)并按拋物線型變化即在垂直氣流方向存在速度梯度，同時(shí)還存在反應(yīng)劑濃度梯度的薄層。3.Grove模型

控制薄膜淀積速率的兩個(gè)環(huán)節(jié)（1）氣相輸運(yùn)過程，即反應(yīng)劑在邊界層中的輸運(yùn)過程；（2）表面化學(xué)反應(yīng)過程，即反應(yīng)劑在襯底表面上的化學(xué)反應(yīng)過程。一個(gè)結(jié)論：對于一個(gè)確定的表面反應(yīng)，在較低溫度下，淀積速率為表面化學(xué)反應(yīng)控制，而且表面化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度的升高而成指數(shù)增加；當(dāng)溫度升高到一定程度，即高溫情況下，淀積速率轉(zhuǎn)為由質(zhì)量輸運(yùn)控制，反應(yīng)速率基本不再隨溫度變化而變化。

F1是反應(yīng)劑分子的粒子流密度F2代表在襯底表面化學(xué)反應(yīng)消耗的反應(yīng)劑分子流密度生長動(dòng)力學(xué)從簡單的生長模型出發(fā)，用動(dòng)力學(xué)方法研究化學(xué)氣相淀積推導(dǎo)出生長速率的表達(dá)式及其兩種極限情況與熱氧化生長稍有不同的是，沒有了在SiO2中的擴(kuò)散流hG

是質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)（cm/sec）

ks

是表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù)（cm/sec）在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應(yīng)相等。這樣得到可得：設(shè)則生長速率這里Y為在氣體中反應(yīng)劑分子的摩爾比值,CG為每cm3中反應(yīng)劑分子數(shù)，這里CT為在氣體中每cm3的所有分子總數(shù)PG

是反應(yīng)劑分子的分壓，PG1，PG1PG2

PG3…..等是系統(tǒng)中其它氣體的分壓N是形成薄膜的單位體積中的原子數(shù)。對硅外延N為5×1022cm-3

Y一定時(shí)，v

由hG和ks中較小者決定1、如果hG>>ks，則Cs≈CG,這種情況為表面反應(yīng)控制過程有2、如果hG<<ks，則CS≈0，這是質(zhì)量傳輸控制過程有

質(zhì)量輸運(yùn)控制，對溫度不敏感表面（反應(yīng)）控制，對溫度特別敏感T對ks的影響較hG大許多，因此：

hG<<ks質(zhì)量傳輸控制過程出現(xiàn)在高溫hG>>ks表面控制過程在較低溫度出現(xiàn)生長速率和溫度的關(guān)系硅外延：Ea=1.6eV斜率與激活能Ea成正比hG≈constantCVD系統(tǒng)構(gòu)成：一、CVD的氣體源1.

液態(tài)源的好處2.

冒泡法3.

冒泡法存在問題4.

對冒泡法的改進(jìn)方法二、質(zhì)量流量控制系統(tǒng)三、CVD反應(yīng)室的熱源分為熱壁和冷壁系統(tǒng)兩種。6.2CVD系統(tǒng)

四、化學(xué)淀積方法:1.常壓化學(xué)氣相淀積APCVDAtmosphericPressureCVD2.低壓化學(xué)氣相淀積LPCVDLowPressureCVD3.等離子化學(xué)氣相淀積PCVD（即等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD）PlasmaEnhancedCVD第一種質(zhì)量輸運(yùn)控制，后兩種表面反應(yīng)控制。了解各自特點(diǎn)，原理，優(yōu)缺點(diǎn)。APCVD、LPCVD、PECVD系統(tǒng)特性APCVD系統(tǒng)特性：是在大氣壓下進(jìn)行的淀積系統(tǒng)，操作簡單，并較高淀積速率進(jìn)行淀積，特別適合于介質(zhì)薄膜的淀積。但容易發(fā)氣相反應(yīng)，產(chǎn)生微粒污染，其臺階覆蓋性和均勻性比較差。LPCVD系統(tǒng)特性：均勻性和臺階覆蓋性比APCVD好，污染少，在不使用稀釋氣體的情況下，只通過降壓就可以降低氣象成核。低溫淀積過程,淀積速率快,生產(chǎn)效率高,生產(chǎn)成本低,LPCVD的淀積速率受表面反應(yīng)控制。PECVD系統(tǒng)特性：低溫淀積是PECVD的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，PECVD淀積的薄膜具有良好的附著性、低針孔讀、良好的階梯覆蓋、良好的電學(xué)特性、可以與精細(xì)圖形轉(zhuǎn)移工藝兼容。淀積的薄膜有良好的均勻性以及填充小尺寸的結(jié)構(gòu)能力。另外，PECVD方法是典型的表面反應(yīng)速率控制型。1.常壓化學(xué)氣相淀積4APCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖特點(diǎn):用于SiO2的淀積PWS－5000：SiH4+O2=SiO2+H2O100mm：10片，125mm:8片Time:15minTemp:380~450℃6℃厚度均勻：<5％2.低壓化學(xué)氣相淀積應(yīng)用情況多晶硅：SiH4/Ar(He)620℃Si3N4:SiH2Cl2+NH3750~800℃PSG:SiH4+PH3+O2450℃BSG:B2H6+O2450℃SiO2:SiH2Cl2+NO2910℃氣缺現(xiàn)象：特點(diǎn)：低淀積速率，相對高的工作溫度3.等離子體化學(xué)氣相淀積

PCVD或PECVD：Plasma-enhancedCVD

敘述其他策略列出每項(xiàng)的優(yōu)勢和劣勢敘述每項(xiàng)所需的消耗平行板型PECVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖特點(diǎn)：低溫淀積溫度低200~350℃，適用于布線隔離Si3N4:SiH2Cl2+NH3PSG:SiH4+PH3+O26.3CVD多晶硅的特性和淀積方法

多晶硅薄膜的特點(diǎn)和用途：利用多晶硅替代金屬鋁作為MOS器件的柵極是MOS集成電路技術(shù)的重大突破之一，它比利用金屬鋁作為柵極的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅柵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)源漏區(qū)自對準(zhǔn)離子注入，使MOS集成電路的集成度得到很大提高。一、多晶硅薄膜的性質(zhì)1、物理結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性晶粒間界的高密度缺陷和懸掛鍵2、電學(xué)特性二、化學(xué)氣相淀積多晶硅主要采用LPCVD工藝，主要用硅烷法，即在600-650℃溫度下，由硅烷熱分解而制成。

A.反應(yīng)方程式SiH4Si+2H2由N2或Ar攜帶SiH420％＋N280％B.淀積參量：壓力、溫度、硅烷濃度、雜質(zhì)濃度

三、淀積條件對多晶硅結(jié)構(gòu)及淀積速率的影響

1.了解溫度、壓力、摻雜類型、濃度以及熱處理過程與多晶硅結(jié)構(gòu)及淀積速率的關(guān)系低于575℃所淀積的硅是無定形或非晶硅（amorphousSi）；高于600℃淀積的硅是多晶，通常具有柱狀結(jié)構(gòu)（columnstructure）；當(dāng)非晶經(jīng)高溫（>600℃）退火后，會結(jié)晶（crystallization）；柱狀結(jié)構(gòu)多晶硅經(jīng)高溫退火后，晶粒要長大（graingrowth）。溫度：600℃～650℃，625℃壓力硅烷濃度6002.多晶硅形貌和結(jié)構(gòu)與淀積條件的關(guān)系在固體表面上淀積薄膜的過程可以分為成核和成長兩個(gè)階段:1)欲淀積材料的原子或分子形成原子團(tuán)；2)然后這些原子團(tuán)不斷吸收新加入的原子而逐漸長大成核，它們再進(jìn)一步相互結(jié)合形成連續(xù)的薄膜。比值J/D:當(dāng)氣相射入到襯底表面上的硅原子流J和硅原子在襯底表面上的擴(kuò)散系數(shù)D的比值，J/D小時(shí)，在硅單晶襯底上的淀積物將具有長程有序，得到單晶薄膜；反之，當(dāng)J/D比值大時(shí)，則淀積膜將短程有序，從多晶硅向無定形硅轉(zhuǎn)化。生長方法A.常壓CVD：I)區(qū)：單晶；ii)區(qū)多晶；無定形硅。B.低壓CVD：550℃生長，再經(jīng)過900℃退火處理600℃～650℃生長的多晶硅，以（100）為優(yōu)選晶向。3.摻雜對多晶薄膜的影響淀積后的離子注入摻雜或擴(kuò)散摻雜對多晶硅高摻雜A、淀積過程中氣相摻雜對多晶硅淀積率的影響：原理：當(dāng)處于表面反應(yīng)速率控制區(qū)時(shí)，多晶硅薄膜淀積的化學(xué)反應(yīng)主要是吸附和分解：SiH4(g)SiH2(g)+H2(g) (式二)吸附SiH2(g)+Si(s)2(Si(s)－H*)(式三)分解2(Si－H*)2Si(s)+H2(g)(式四)淀積(式二)表示吸附，(式三)表示分解。其中g(shù),s分別表示氣態(tài)和固態(tài)。在充分吸附的情況下，(式二)和(式三)處于平衡狀態(tài)下，而(式四)即(Si－H*)的熱分解過程將決定淀積率。當(dāng)襯底溫度一定時(shí)，即分解率一定時(shí)，淀積率將直接與吸附反應(yīng)劑分子的多少有關(guān).三簇元素，如硼，摻雜使將增加空穴，它的表面吸附有助于表面呈現(xiàn)正電性，因而將促進(jìn)多晶硅的淀積。而五簇元素，如磷、砷的摻雜，將有助于表面的電子積累，從而減少分子的吸附，減少濃度，因而將降低多晶硅的淀積率。B、摻雜對多晶硅形貌和晶粒大小的影響：晶粒生長機(jī)構(gòu)是擴(kuò)散控制機(jī)構(gòu)。晶粒長大的過程是由一系列原子通過晶粒間界的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所形成的，晶粒生長速率是由硅原子通過晶粒間界的自擴(kuò)散速率所決定。具體地則于兩個(gè)因素有關(guān)：促使原子運(yùn)動(dòng)的外界驅(qū)動(dòng)力和硅的自擴(kuò)散系數(shù)。四、多晶硅的摻雜技術(shù)

三種工藝：1.

擴(kuò)散摻雜2.

離子注入摻雜3.

原位摻雜了解三種工藝的原理及其特點(diǎn)6.4CVDSiO2的特性和淀積方法

非摻雜SiO2:用于離子注入或擴(kuò)散的掩蔽膜，多層金屬化層之間的絕緣，增加場區(qū)氧化層之間的厚度摻雜SiO2:用于器件鈍化，磷硅玻璃回流，摻雜擴(kuò)散源,與非摻雜SiO2結(jié)合作為多層金屬化層之間的絕緣層。一、二氧化硅（SiO2）薄膜1.SiO2的用途2.淀積SiO2的方法:A.低溫氣相化學(xué)淀積(LPCVD)：<500℃1).硅烷和氧反應(yīng):（鈍化層SiO2）SiH4+O2SiO2+2HCl4PH3+5O22P2O5+6H2溫度、壓力、反應(yīng)劑濃度、摻雜及反應(yīng)腔形狀都影響淀積速度400℃400℃淀積溫度低，可作為鈍化層，密度小于熱生長氧化硅，臺階覆蓋差。B.生長磷硅玻璃PSG加入磷烷PH3，生長磷硅玻璃PSG加入乙硼烷B2H6，生長硼硅玻璃BSG摻雜P含量：5～15％（或三氯氧磷）回流P含量：2～8％鈍化膜磷含量過高：腐蝕鋁，吸附水汽磷含量過低：太硬，臺階覆蓋不好，TEOS（正硅酸乙酯）為源的淀積C中溫LPCVD（680~730C）（1）不能淀積在Al層上（為什么？）（2）厚度均勻性好，臺階覆蓋優(yōu)良，SiO2膜質(zhì)量較好（3）加入PH3等可形成PSGTEOS也可采用PECVD低溫淀積（250～425C）—臺階覆蓋優(yōu)良，用于互連介質(zhì)層臺階覆蓋（保角性conformality）淀積速率正比于氣體分子到達(dá)角度PSG回流工藝可解決臺階覆蓋問題PSG回流工藝：將形成PSG的樣品加熱到1000－1100C,使PSG軟化流動(dòng)，改善臺階形狀一般6~8wt%PBPSG可以進(jìn)一步降低回流溫度3.SiO2薄膜性質(zhì)6.5CVD氮化硅的特性及沉積方法

一.氮化硅薄膜在集成電路中的主要應(yīng)用,有三個(gè)方面:(1)用作為硅選擇氧化和等平面氧化的氧化掩膜；(2)鈍化膜；(3)電容介質(zhì)。二.低壓化學(xué)氣相淀積氮化硅薄膜A、氮化硅的低壓淀積方程式：氮化硅的低壓化學(xué)氣相淀積主要通過硅烷、二氯二氫硅四氯化硅與氨在700-8500C溫度范圍內(nèi)反應(yīng)生成。主要反應(yīng)式如下：3SiO2+4NH3Si3N4+12H2（式一）3SiH2Cl2+4NH3Si3N4+6HCl+6H2（式二）3SiCl4+4NH3SiN4+12HCl（式三）其中以（式三）硅烷與氨反應(yīng)最為常用。B、淀積過程的主要控制參量：低壓化學(xué)氣相淀積過程主要控制參量為壓力、溫度和溫度梯度以及反應(yīng)氣體濃度和比例。常用的和系統(tǒng)的典型淀積條件為：溫度T=8250C；壓力：p