第四章 化學(xué)氣相沉積

1、第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 p 所謂所謂外延生長外延生長，就是在一定條件下在單晶基片上生長一層單，就是在一定條件下在單晶基片上生長一層單 晶薄膜的過程，所生長的單晶薄膜稱為晶薄膜的過程，所生長的單晶薄膜稱為外延層外延層。 p 20世紀世紀60年代初在硅單晶薄膜研究基礎(chǔ)上出現(xiàn)，已可實現(xiàn)各年代初在硅單晶薄膜研究基礎(chǔ)上出現(xiàn)，已可實現(xiàn)各 種半導(dǎo)體薄膜一定條件的外延生長。種半導(dǎo)體薄膜一定條件的外延生長。 p 氣相外延生長是最早應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域的較成熟的外延生長氣相外延生長是最早應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域的較成熟的外延生長 技術(shù)，促進了半導(dǎo)體材料和器件質(zhì)量及性能提高。技術(shù)，促進了半導(dǎo)體材料和器件質(zhì)量及性

2、能提高。 p 目前，制備半導(dǎo)體單晶外延薄膜的最主要方法是目前，制備半導(dǎo)體單晶外延薄膜的最主要方法是化學(xué)氣相沉化學(xué)氣相沉 積積（chemical vapor deposition，簡稱，簡稱CVD）。）。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.1 概述概述 一、一、CVD原理及特點原理及特點 CVD（chemical vapor deposition）是利用汽態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，）是利用汽態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物， 通過原子分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑生成固態(tài)薄膜的技術(shù)。通過原子分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑生成固態(tài)薄膜的技術(shù)。 特點：特點： 需要使用汽態(tài)的物質(zhì)作為反應(yīng)物質(zhì)需要使用汽態(tài)的物質(zhì)作為反應(yīng)物質(zhì) 源物質(zhì)要經(jīng)過化學(xué)

3、汽相反應(yīng)生成所需要的材料源物質(zhì)要經(jīng)過化學(xué)汽相反應(yīng)生成所需要的材料 需要相對較高的氣體壓力環(huán)境需要相對較高的氣體壓力環(huán)境 通常需要熱，電磁場或光等的作用，促使化學(xué)反應(yīng)的進行。通常需要熱，電磁場或光等的作用，促使化學(xué)反應(yīng)的進行。 熱能：熱熱能：熱CVD ，熱絲，熱絲CVD 光能：激光誘導(dǎo)光能：激光誘導(dǎo)CVD；紫外光誘導(dǎo)；紫外光誘導(dǎo)CVD 電磁場：等離子體增強電磁場：等離子體增強CVD 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.1 概述概述 一、一、CVD原理及特點原理及特點 優(yōu)點：優(yōu)點： 可準(zhǔn)確控制薄膜的組分及摻雜水平；可準(zhǔn)確控制薄膜的組分及摻雜水平； 可在形狀復(fù)雜的基片上沉積薄膜；可在形狀復(fù)雜

4、的基片上沉積薄膜； 系統(tǒng)不需要昂貴的真空設(shè)備；系統(tǒng)不需要昂貴的真空設(shè)備； 高沉積溫度會大幅度改善晶體的結(jié)晶完整性；高沉積溫度會大幅度改善晶體的結(jié)晶完整性； 可利用某些材料在熔點或蒸發(fā)時分解的特點而得到其他可利用某些材料在熔點或蒸發(fā)時分解的特點而得到其他 方法無法得到的材料；方法無法得到的材料； 沉積過程可以在大尺寸基片或多基片上進行。沉積過程可以在大尺寸基片或多基片上進行。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.1 概述概述 一、一、CVD原理及特點原理及特點 缺點：缺點： CVD外延層容易形成自摻雜；外延層容易形成自摻雜； 化學(xué)反應(yīng)需要高溫；化學(xué)反應(yīng)需要高溫； 反應(yīng)氣體會與基片或設(shè)備發(fā)

5、生化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)氣體會與基片或設(shè)備發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 設(shè)備較為復(fù)雜，需要控制變量多。設(shè)備較為復(fù)雜，需要控制變量多。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.1 概述概述 一、一、CVD原理及特點原理及特點 應(yīng)用：應(yīng)用： p在半導(dǎo)體集成電子技術(shù)中應(yīng)用很多。在半導(dǎo)體集成電子技術(shù)中應(yīng)用很多。 p在硅片上硅的外延沉積；在硅片上硅的外延沉積； p集成電路中的介電膜如氧化硅、氮化硅的沉積集成電路中的介電膜如氧化硅、氮化硅的沉積。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.1 概述概述 一、一、CVD反應(yīng)類型反應(yīng)類型 按生長設(shè)備可分為按生長設(shè)備可分為閉管和開管閉管和開管兩種。兩種。 閉管外延閉管外延在在密

6、封容器密封容器內(nèi)，源和襯底置于內(nèi)，源和襯底置于不同溫度區(qū)不同溫度區(qū)。在。在源區(qū)源區(qū)， 揮發(fā)性揮發(fā)性中間產(chǎn)物中間產(chǎn)物由于溫差及壓差，通過對流和擴散由于溫差及壓差，通過對流和擴散輸運輸運到襯到襯 底區(qū)。在底區(qū)。在襯底區(qū)襯底區(qū)產(chǎn)物沉積產(chǎn)物沉積。反應(yīng)產(chǎn)生的輸運劑再返回到源區(qū)，。反應(yīng)產(chǎn)生的輸運劑再返回到源區(qū)， 如此不斷循環(huán)使外延生長得以繼續(xù)。如此不斷循環(huán)使外延生長得以繼續(xù)。 設(shè)備簡單，可獲得近化學(xué)平衡態(tài)的生長條件，但生長速度慢，設(shè)備簡單，可獲得近化學(xué)平衡態(tài)的生長條件，但生長速度慢， 裝片少，主要用于基礎(chǔ)研究。裝片少，主要用于基礎(chǔ)研究。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相

7、沉積 一、一、CVD反應(yīng)類型反應(yīng)類型 開管系統(tǒng)應(yīng)用較多。開管系統(tǒng)應(yīng)用較多。 開管外延開管外延是用載氣將反應(yīng)物蒸氣由源區(qū)輸運到襯底是用載氣將反應(yīng)物蒸氣由源區(qū)輸運到襯底 區(qū)進行化學(xué)反應(yīng)和外延生長，副產(chǎn)物則被載氣攜帶區(qū)進行化學(xué)反應(yīng)和外延生長，副產(chǎn)物則被載氣攜帶 排出系統(tǒng)。排出系統(tǒng)。 開管系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)偏離平衡態(tài)較大。開管系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)偏離平衡態(tài)較大。 可在常壓或低壓條件下進行?？稍诔夯虻蛪簵l件下進行。 適于大批量生產(chǎn)。適于大批量生產(chǎn)。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 硅硅CVD外延生長三個基本熱化學(xué)類型：外延生長三個基本熱化學(xué)類型： 歧化反應(yīng)、還原反應(yīng)

8、、熱解反應(yīng)歧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、熱解反應(yīng) 1. 歧化反應(yīng)歧化反應(yīng) 包含二價鹵化物的分解：包含二價鹵化物的分解： 2SiX2(g) Si(s) + SiX4(g) 低溫時，反應(yīng)向右進行；高溫時，反應(yīng)向左進行。低溫時，反應(yīng)向右進行；高溫時，反應(yīng)向左進行。 大多數(shù)的閉管反應(yīng)都是利用歧化反應(yīng)，將單晶硅襯底放在沉大多數(shù)的閉管反應(yīng)都是利用歧化反應(yīng)，將單晶硅襯底放在沉 積區(qū)，沉積固態(tài)硅就可以獲得單晶外延薄膜。積區(qū)，沉積固態(tài)硅就可以獲得單晶外延薄膜。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 1. 歧化反應(yīng)歧化反應(yīng) 大多數(shù)歧化反應(yīng)，源區(qū)只有在高溫下才能生成可進行歧化反大多數(shù)歧化反

9、應(yīng)，源區(qū)只有在高溫下才能生成可進行歧化反 應(yīng)的中間產(chǎn)物，源區(qū)的反應(yīng)器壁也要處于高溫下，以避免在應(yīng)的中間產(chǎn)物，源區(qū)的反應(yīng)器壁也要處于高溫下，以避免在 反應(yīng)器上進行沉積，如生成反應(yīng)器上進行沉積，如生成SiI2中間產(chǎn)物需要中間產(chǎn)物需要1150： Si(s) + 2I2(g) SiI4 (g) SiI4 (g) + Si(s) 2SiI2 (g) 襯底區(qū)生成硅外延層的歧化反應(yīng)只需襯底區(qū)生成硅外延層的歧化反應(yīng)只需900： 2SiI2 (g) Si(s) + SiI4 (g) 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 歧化反應(yīng)歧化反應(yīng) 根本性的缺點根本性的缺點 要求氣流流速

10、低，暴露給輸運氣體的源表面積要求氣流流速低，暴露給輸運氣體的源表面積 大；反應(yīng)效率低，源利用率不高；系統(tǒng)沾污可能性大；反應(yīng)效率低，源利用率不高；系統(tǒng)沾污可能性 大；在閉管系統(tǒng)內(nèi)的生長過程中引入摻雜劑較困難。大；在閉管系統(tǒng)內(nèi)的生長過程中引入摻雜劑較困難。 未能廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中未能廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 2. 還原反應(yīng)還原反應(yīng) 用還原劑還原含有欲沉積物質(zhì)的化合物（大多數(shù)是鹵用還原劑還原含有欲沉積物質(zhì)的化合物（大多數(shù)是鹵 化物）?；铮?。 吸熱反應(yīng)，高溫下進行，可采用簡單的冷壁單溫區(qū)。吸熱反應(yīng)，高溫下進行，可采用簡單的冷壁單

11、溫區(qū)。 可逆反應(yīng)。可逆反應(yīng)。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 2. 還原反應(yīng)還原反應(yīng) 最典型的是最典型的是H2（還原劑和載氣）還原鹵化物。對（還原劑和載氣）還原鹵化物。對 于硅的外延，鹵化物一般采用于硅的外延，鹵化物一般采用SiCl4或或SiHCl3，如：如： SiCl4(g) + 2H2(g) Si(s) + 4HCl(g) (1150-1300) SiHCl3(g) + H2(g) Si(s) + 3HCl(g) 2SiHCl3(g) Si(s) + SiCl4(g) + 2HCl(g) 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積

12、化學(xué)氣相沉積 2. 還原反應(yīng)還原反應(yīng) SiCl4和和SiHCl3常溫下都是液體，氫氣作載體，由鼓泡法攜帶常溫下都是液體，氫氣作載體，由鼓泡法攜帶 到反應(yīng)室。到反應(yīng)室。容器的溫度和壓力決定于硅源氣體與載氣容器的溫度和壓力決定于硅源氣體與載氣H2的體的體 積比，要想維持穩(wěn)定的生長速率，體積比必須保持恒定，使積比，要想維持穩(wěn)定的生長速率，體積比必須保持恒定，使 用用SiCl4和和SiHCl3所帶來的問題是要維持一個恒定的溫度。所帶來的問題是要維持一個恒定的溫度。 當(dāng)當(dāng)H2以鼓泡的形式通過液體時，由于蒸發(fā)作用使液體冷卻。以鼓泡的形式通過液體時，由于蒸發(fā)作用使液體冷卻。 冷卻使液體蒸氣壓降低，并減小硅源

13、氣體對氫氣的體積比。冷卻使液體蒸氣壓降低，并減小硅源氣體對氫氣的體積比。 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程n=PV/RT，維持硅源氣體的蒸發(fā)速率，維持硅源氣體的蒸發(fā)速率， 便可保持硅源氣體與載氣恒定的體積比。便可保持硅源氣體與載氣恒定的體積比。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 2. 還原反應(yīng)還原反應(yīng) 優(yōu)點優(yōu)點：能在整個沉淀區(qū)實現(xiàn)比較均勻的外延生長；可：能在整個沉淀區(qū)實現(xiàn)比較均勻的外延生長；可 控制反應(yīng)平衡移動；可利用反應(yīng)可逆性在外延生長之控制反應(yīng)平衡移動；可利用反應(yīng)可逆性在外延生長之 前對襯底進行原位氣相腐蝕；在深而窄的溝槽內(nèi)進行前對襯底進行原

14、位氣相腐蝕；在深而窄的溝槽內(nèi)進行 平面化的外延沉積。平面化的外延沉積。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 3. 熱解反應(yīng)熱解反應(yīng) 某些元素的氫化物和金屬有機化合物高溫下不穩(wěn)某些元素的氫化物和金屬有機化合物高溫下不穩(wěn) 定，發(fā)生分解，產(chǎn)物可沉積為薄膜，反應(yīng)是不可逆的。定，發(fā)生分解，產(chǎn)物可沉積為薄膜，反應(yīng)是不可逆的。 如：如： SiH4(g) = Si(s) + 2H2(g) Ni(CO)4(g) = Ni(s) + 4CO(g) TiI(g) = Ti(s) + 2I 多晶硅沉積的生長溫度可低至多晶硅沉積的生長溫度可低至600；單晶硅則需；單晶硅則需850。

15、 當(dāng)需要低溫工藝時，硅烷可作為理想的硅源來使用。當(dāng)需要低溫工藝時，硅烷可作為理想的硅源來使用。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 3. 熱解反應(yīng)熱解反應(yīng) n 主要優(yōu)點主要優(yōu)點是能夠在低溫下實現(xiàn)外延生長；熱是能夠在低溫下實現(xiàn)外延生長；熱 解反應(yīng)不可逆，不存在鹵化物的氣相腐蝕作解反應(yīng)不可逆，不存在鹵化物的氣相腐蝕作 用，因而對襯底的腐蝕不嚴重，對異質(zhì)外延用，因而對襯底的腐蝕不嚴重，對異質(zhì)外延 生長尤為有利。生長尤為有利。 n 主要問題主要問題是氣態(tài)反應(yīng)物的純度、成本和安全是氣態(tài)反應(yīng)物的純度、成本和安全 使用等。使用等。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積

16、-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 4. 氧化反應(yīng)氧化反應(yīng) 利用氧氣作為氧化劑促進反應(yīng)：利用氧氣作為氧化劑促進反應(yīng)： SiH4(g) + O2 = SiO2(s) + H2O(g) (450) Si(C2H5O)4 + 8O2 = SiO2 + 10H2O + 8CO2 （Si(C2H5O)4是正硅酸乙酯是正硅酸乙酯 簡稱簡稱TEOS） SiCl4 + O2 = SiO2 + 2Cl2 GeCl4 + O2 = GeO2 + 2Cl2 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 5. 化合反應(yīng)化合反應(yīng) 只要所需物質(zhì)的先驅(qū)物可以氣態(tài)存在并具有反應(yīng)只要所需物質(zhì)的先驅(qū)物

17、可以氣態(tài)存在并具有反應(yīng) 活性，就可利用化學(xué)反應(yīng)沉積其化合物活性，就可利用化學(xué)反應(yīng)沉積其化合物。 如：如： SiCl4(g) + CH4(g) = SiC(s) + 4HCl(g) (1400) 3SiH4 + 4NH3 = Si3N4 + 12H2 BCl3 + NH3 = BN + HCl 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 二、二、CVD動力學(xué)分析動力學(xué)分析 應(yīng)用氣相外延制備外延片的質(zhì)量和數(shù)量都與應(yīng)用氣相外延制備外延片的質(zhì)量和數(shù)量都與 生長機理密切相關(guān)，因此了解氣相外延生長動力生長機理密切相關(guān)，因此了解氣相外延生長動力 學(xué)的基本過程和規(guī)律對外延工藝的選

18、擇、反應(yīng)器學(xué)的基本過程和規(guī)律對外延工藝的選擇、反應(yīng)器 的設(shè)計都具有重要意義。以開管系統(tǒng)為例對其過的設(shè)計都具有重要意義。以開管系統(tǒng)為例對其過 程進行討論。程進行討論。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 二、二、CVD動力學(xué)分析動力學(xué)分析 掌握掌握CVD反應(yīng)室中的流體動力學(xué)是相當(dāng)重反應(yīng)室中的流體動力學(xué)是相當(dāng)重 要的，因為它關(guān)系到反應(yīng)劑輸運（轉(zhuǎn)移）到襯要的，因為它關(guān)系到反應(yīng)劑輸運（轉(zhuǎn)移）到襯 底表面的速度，也關(guān)系到反應(yīng)室中氣體的溫度底表面的速度，也關(guān)系到反應(yīng)室中氣體的溫度 分布，溫度分布對于薄膜淀積速率以及薄膜的分布，溫度分布對于薄膜淀積速率以及薄膜的 均勻性

19、都有著重要的影響。均勻性都有著重要的影響。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 CVD 反應(yīng)室反應(yīng)室 襯底襯底 連續(xù)膜連續(xù)膜 8) 副產(chǎn)物去除副產(chǎn)物去除 1) 反應(yīng)物的反應(yīng)物的 質(zhì)量傳輸質(zhì)量傳輸 副產(chǎn)物副產(chǎn)物 2) 薄膜先驅(qū)薄膜先驅(qū) 物反應(yīng)物反應(yīng) 3) 氣體分氣體分 子擴散子擴散 4) 先驅(qū)物先驅(qū)物 的吸附的吸附 5) 先驅(qū)物擴散先驅(qū)物擴散 到襯底中到襯底中 6) 表面反應(yīng)表面反應(yīng) 7) 副產(chǎn)物的解吸附作副產(chǎn)物的解吸附作 用用 排氣 氣體傳送氣體傳送 二、二、CVD動力學(xué)分析動力學(xué)分析-1、CVD模型（模型（Grove模型）模型） 薄膜的生長過程取決于氣體

20、與襯底間界面的相互作用，可能涉及的薄膜的生長過程取決于氣體與襯底間界面的相互作用，可能涉及的 步驟如下：步驟如下： 二、二、CVD動力學(xué)分析動力學(xué)分析 1、CVD模型（模型（Grove模型）模型） 薄膜的生長過程取決于氣體與襯底間界面的相互作用，薄膜的生長過程取決于氣體與襯底間界面的相互作用， 可能涉及以下幾個步驟：可能涉及以下幾個步驟： （1）反應(yīng)氣體從入口區(qū)域流動到襯底表面的淀積區(qū)域）反應(yīng)氣體從入口區(qū)域流動到襯底表面的淀積區(qū)域 （2）氣相反應(yīng)導(dǎo)致膜先驅(qū)物（組成膜最初的原子或分）氣相反應(yīng)導(dǎo)致膜先驅(qū)物（組成膜最初的原子或分 子）和副產(chǎn)物的形成子）和副產(chǎn)物的形成 （3）膜先驅(qū)物附著在襯底表面）膜

21、先驅(qū)物附著在襯底表面 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 二、二、CVD動力學(xué)分析動力學(xué)分析 1、CVD模型（模型（Grove模型）模型） （4）膜先驅(qū)物粘附在襯底表面）膜先驅(qū)物粘附在襯底表面 （5）膜先驅(qū)物向膜生長區(qū)域的表面擴散）膜先驅(qū)物向膜生長區(qū)域的表面擴散 （6）吸附原子（或分子）在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)）吸附原子（或分子）在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo) 致膜淀積和副產(chǎn)物的生成致膜淀積和副產(chǎn)物的生成 （7）氣態(tài)副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)劑擴散離開襯底表面）氣態(tài)副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)劑擴散離開襯底表面 （8）副產(chǎn)物排出反應(yīng)室（進入主氣流區(qū)被排除系統(tǒng)）副產(chǎn)物排出反應(yīng)室

22、（進入主氣流區(qū)被排除系統(tǒng)） 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉化學(xué)氣相沉 積積 二、二、CVD動力學(xué)分析動力學(xué)分析 1、CVD模型（模型（Grove模型）模型） CVD過程主要受兩步工藝過程控制：過程主要受兩步工藝過程控制： （1）氣相輸運過程；）氣相輸運過程； （2）表面化學(xué)反應(yīng)過程。）表面化學(xué)反應(yīng)過程。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 二、二、CVD動力學(xué)分析動力學(xué)分析 1、CVD模型（模型（Grove模型）模型） 1966年年Grove建立了一個簡單的建立了一個簡單的CVD模型。認為控制模型。認為控制 薄膜沉積速率的兩個主

23、要因素是：薄膜沉積速率的兩個主要因素是： （1）反應(yīng)劑在邊界層中的輸運過程。）反應(yīng)劑在邊界層中的輸運過程。 （2）反應(yīng)劑在襯底表面上的化學(xué)反應(yīng)過程。）反應(yīng)劑在襯底表面上的化學(xué)反應(yīng)過程。 雖然這個假設(shè)很簡單，但能解釋雖然這個假設(shè)很簡單，但能解釋CVD過程中的許多現(xiàn)過程中的許多現(xiàn) 象，并且準(zhǔn)確地預(yù)測了薄膜的沉積速率。象，并且準(zhǔn)確地預(yù)測了薄膜的沉積速率。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 設(shè)設(shè)在生長長中的薄膜表面形成了界面層層，其厚度為為 ，cg和cs分別為別為 反應(yīng)應(yīng)物的原始濃濃度和其在襯襯底表面的濃濃度，則則 擴散至襯底表面的反應(yīng)物的通量為：擴散至襯底表面

24、的反應(yīng)物的通量為： 襯底表面消耗的反應(yīng)物通量與襯底表面消耗的反應(yīng)物通量與Cs成正比成正比 平衡時兩個通量相等，得平衡時兩個通量相等，得 g s g s ss sgg h k C C FF CkF CChF 1 )( 21 2 1 hg為氣相質(zhì)量輸運系數(shù)，為氣相質(zhì)量輸運系數(shù)，Ks為表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)為表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù) 反應(yīng)導(dǎo)致的沉積速率反應(yīng)導(dǎo)致的沉積速率 11 N C hk hk N F G g gs gs N1表示形成單位體積的薄膜所需原子個數(shù)表示形成單位體積的薄膜所需原子個數(shù) 結(jié)論：結(jié)論： 反應(yīng)氣體沒有稀釋時，沉積速率與反應(yīng)劑濃度反應(yīng)氣體沒有稀釋時，沉積速率與反應(yīng)劑濃度Cg 成正比。成

25、正比。 多數(shù)多數(shù)CVD中，反應(yīng)劑先被惰性氣體稀釋，中，反應(yīng)劑先被惰性氣體稀釋，Cg=YCT Y是反應(yīng)劑的摩爾百分比，是反應(yīng)劑的摩爾百分比，CT單位體積中反應(yīng)劑和惰性氣體分單位體積中反應(yīng)劑和惰性氣體分 子的總數(shù)，子的總數(shù)， 則薄膜的生長速度：則薄膜的生長速度： 11 N YC hk hk N F G T gs gs 結(jié)論：結(jié)論： 當(dāng)反應(yīng)劑稀釋時，沉積速率與氣相中反應(yīng)劑的當(dāng)反應(yīng)劑稀釋時，沉積速率與氣相中反應(yīng)劑的 摩爾百分比摩爾百分比Y成正比。成正比。 結(jié)論：結(jié)論： 在在Cg或或Y為常數(shù)時，薄膜沉積速率將由為常數(shù)時，薄膜沉積速率將由ks和和hg中中 較小的一個決較小的一個決 定：定： 11 N YC

26、 hk hk N F G T gs gs 結(jié)論：結(jié)論： 在在kshg時，時， 1 N YCk G Ts 在在hg5400 湍流狀態(tài)湍流狀態(tài) Re1000，在低壓下，步驟（，在低壓下，步驟（1）是速控步驟；在低溫下，含）是速控步驟；在低溫下，含 硅氣體在表面的反應(yīng)（步驟（硅氣體在表面的反應(yīng)（步驟（5）是速控步驟。）是速控步驟。 u生長速率生長速率G與硅烷分壓與硅烷分壓P0成正比。成正比。G=K1P0，當(dāng)硅烷分壓很大，當(dāng)硅烷分壓很大 時，生長速率會趨向于飽和。時，生長速率會趨向于飽和。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 三、不同硅源的外延生長三、不同硅源的外

27、延生長1、硅烷外延生長、硅烷外延生長 u生長速率還受到氣體載體種類的影響。比如以生長速率還受到氣體載體種類的影響。比如以He、Ar為為 載氣，與載氣，與H2相比，二者的表面覆蓋率較小，因而表面反應(yīng)相比，二者的表面覆蓋率較小，因而表面反應(yīng) 要比要比H2增強許多。如果系統(tǒng)中還有增強許多。如果系統(tǒng)中還有HCl，則對生長速率有，則對生長速率有 相反影響，因為此時硅飽和度降低，從而腐蝕增加。相反影響，因為此時硅飽和度降低，從而腐蝕增加。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 三、不同硅源的外延生長三、不同硅源的外延生長 2、四氯硅烷外延生長、四氯硅烷外延生長 在在CV

28、D過程中，過程中，SiCl4沉積硅沉積硅6步驟：步驟： （1）邊界層擴散；邊界層擴散； （2）硅襯底附近，發(fā)生氣相反應(yīng)，但沒有硅的析出；硅襯底附近，發(fā)生氣相反應(yīng)，但沒有硅的析出； （3）表面吸附表面吸附SiCl2； （4）SiCl2擴散到硅表面扭折位置；擴散到硅表面扭折位置； 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 三、不同硅源的外延生長三、不同硅源的外延生長 2、四氯硅烷外延生長、四氯硅烷外延生長 （5）發(fā)生表面反應(yīng)：發(fā)生表面反應(yīng)： （6）產(chǎn)物產(chǎn)物HCl和和SiCl4脫附，同時脫附，同時Si結(jié)合到硅晶格位置，結(jié)合到硅晶格位置， 完成外延生長。完成外延生長。

29、在在SiCl4-H2反應(yīng)體系，當(dāng)反應(yīng)體系，當(dāng)HCl含量降低時，有利于含量降低時，有利于Si的沉積；的沉積； 當(dāng)當(dāng)HCl含量升高、含量升高、H2含量降低時，反應(yīng)是逆方向進行的，不含量降低時，反應(yīng)是逆方向進行的，不 利于利于Si的沉積。的沉積。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 廣義上，廣義上，CVD可分：在單晶襯底上氣相沉積單晶外可分：在單晶襯底上氣相沉積單晶外 延層；在襯底上沉積薄膜，包括多晶和非晶薄膜。延層；在襯底上沉積薄膜，包括多晶和非晶薄膜。 根據(jù)所用源氣體的種類不同根據(jù)所用源氣體的種類不同： 鹵素輸運法和金屬有機物化學(xué)氣相沉積（鹵素輸運法和金屬有

30、機物化學(xué)氣相沉積（MOCVD） 按反應(yīng)室內(nèi)壓力按反應(yīng)室內(nèi)壓力： 分常壓分常壓CVD、低壓、低壓CVD和超高真空和超高真空CVD 采用能量增強輔助方法采用能量增強輔助方法： 等離子增強等離子增強CVD和光增強和光增強CVD 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 CVD實質(zhì)上是一種氣相物質(zhì)在高溫下通過化學(xué)實質(zhì)上是一種氣相物質(zhì)在高溫下通過化學(xué) 反應(yīng)而生成固態(tài)物質(zhì)并趁機在襯底上的成膜方法。反應(yīng)而生成固態(tài)物質(zhì)并趁機在襯底上的成膜方法。 揮發(fā)性的金屬鹵化物或金屬有機化合物等與揮發(fā)性的金屬鹵化物或金屬有機化合物等與 H2Ar或或N2等載氣混合后，均勻地輸運到反應(yīng)室內(nèi)的等

31、載氣混合后，均勻地輸運到反應(yīng)室內(nèi)的 高溫襯底上，通過化學(xué)反應(yīng)在襯底上形成薄膜。高溫襯底上，通過化學(xué)反應(yīng)在襯底上形成薄膜。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 無論是哪種類型的無論是哪種類型的CVD，沉積得以順利進行必須滿足下，沉積得以順利進行必須滿足下 列基本條件：列基本條件： 一，沉積溫度下，反應(yīng)物必須有足夠高的蒸氣壓；一，沉積溫度下，反應(yīng)物必須有足夠高的蒸氣壓； 二，反應(yīng)生成物，除了所需的沉積物為固態(tài)外，其二，反應(yīng)生成物，除了所需的沉積物為固態(tài)外，其 余必須是氣態(tài)；余必須是氣態(tài)； 三，沉積物本身的蒸氣壓應(yīng)足夠低，以保證在整個三，沉積物本身的蒸氣壓應(yīng)足

32、夠低，以保證在整個 沉積反應(yīng)過程中能使其保持在加熱的襯底上；沉積反應(yīng)過程中能使其保持在加熱的襯底上； 四，襯底材料本身的蒸氣壓在沉積溫度下足夠低。四，襯底材料本身的蒸氣壓在沉積溫度下足夠低。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 APCVD的生長壓強約的生長壓強約105Pa，即一個大氣壓；，即一個大氣壓； LPCVD的生長壓強一般為的生長壓強一般為103-101Pa； UHV/CVD生長室內(nèi)本底真空壓強可達生長室內(nèi)本底真空壓強可達10-8Pa， 生長壓強一般為生長壓強一般為10-1Pa。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)

33、的種類 一、常壓一、常壓CVD（APCVD） 操作簡單，淀積速率高，特別適合于淀積厚的介質(zhì)操作簡單，淀積速率高，特別適合于淀積厚的介質(zhì) 層。易發(fā)生氣相反應(yīng)，產(chǎn)生微粒污染。層。易發(fā)生氣相反應(yīng)，產(chǎn)生微粒污染。 常壓下進行，質(zhì)量輸運限制沉積速度常壓下進行，質(zhì)量輸運限制沉積速度（因為用到了不充足（因為用到了不充足 的反應(yīng)氣體（如的反應(yīng)氣體（如SiH4稀釋到很低含量）稀釋到很低含量）。外延溫度。外延溫度可能是高可能是高 溫或低溫溫或低溫，一般比材料的熔點低，一般比材料的熔點低30%-50%。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 N2 反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體 加熱器加熱器

34、 N2N2N2N2N2 硅片硅片 連續(xù)加工的連續(xù)加工的APCVD反應(yīng)爐反應(yīng)爐 硅片硅片 薄膜薄膜 反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體2 反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體1 惰性分隔氣體惰性分隔氣體 一、常壓一、常壓CVD（APCVD）應(yīng)用應(yīng)用 放在受熱移動盤上或者傳輸帶上的硅片連續(xù)通過非淀放在受熱移動盤上或者傳輸帶上的硅片連續(xù)通過非淀 積區(qū)和淀積區(qū)，淀積區(qū)和外圍的非淀積區(qū)是通過流動的惰積區(qū)和淀積區(qū)，淀積區(qū)和外圍的非淀積區(qū)是通過流動的惰 性氣體實現(xiàn)隔離的。連續(xù)工作的淀積區(qū)始終保持穩(wěn)定的狀性氣體實現(xiàn)隔離的。連續(xù)工作的淀積區(qū)始終保持穩(wěn)定的狀 態(tài)，反應(yīng)氣體從硅片上方的噴頭持續(xù)穩(wěn)定地噴入到淀積區(qū)，態(tài)，反應(yīng)氣體從硅片上方的噴頭持續(xù)穩(wěn)定地噴

35、入到淀積區(qū)， 同時硅片不斷地被送入、導(dǎo)出淀積區(qū)。這是目前用來淀積同時硅片不斷地被送入、導(dǎo)出淀積區(qū)。這是目前用來淀積 低溫二氧化硅薄膜的最常用的低溫二氧化硅薄膜的最常用的CVD系統(tǒng)。系統(tǒng)。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 一、常壓一、常壓CVD（APCVD）應(yīng)用應(yīng)用 歧化反應(yīng)生長歧化反應(yīng)生長Si外延層：外延層： 2SiI2(g) Si (s)+ SiI4(g)，是放熱反應(yīng)。，是放熱反應(yīng)。 如果增加如果增加Si的沉積量，應(yīng)降低反應(yīng)溫度，同時采用的沉積量，應(yīng)降低反應(yīng)溫度，同時采用 熱壁反應(yīng)器，以抑制熱壁反應(yīng)器，以抑制Si在反應(yīng)器上的沉積。在反應(yīng)器上的沉積。

36、 如果是吸熱反應(yīng)，則提高溫度有利于如果是吸熱反應(yīng)，則提高溫度有利于Si的生長，采用冷壁反的生長，采用冷壁反 應(yīng)器。如還原反應(yīng)（式應(yīng)器。如還原反應(yīng)（式4-5）和熱分解反應(yīng)（式）和熱分解反應(yīng)（式4-10）。）。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 一、常壓一、常壓CVD（APCVD）應(yīng)用應(yīng)用 2. 用用SiH4+O2制備制備SiO2，用氬氣或氮氣將，用氬氣或氮氣將SiH4稀釋稀釋 到到2%-10%，反應(yīng)溫度，反應(yīng)溫度450-500 。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 一、常壓一、常壓CVD（APCVD）應(yīng)用應(yīng)用 3

37、. 用用TEOS+O3制備制備SiO2，反應(yīng)溫度，反應(yīng)溫度400 C。 Si(OC2H5)4+8O3=SiO2+10H2O+8CO2 采用采用APCVD，不用等離子體，在低于，不用等離子體，在低于500的條件的條件 下，下，O3就能使就能使TEOS分解，且得到較高的沉積速率。分解，且得到較高的沉積速率。 薄膜具有很好的保形性，可以很好的填充溝槽以及薄膜具有很好的保形性，可以很好的填充溝槽以及 金屬線間的空隙。金屬線間的空隙。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 一、常壓一、常壓CVD（APCVD）應(yīng)用應(yīng)用 3. 用用TEOS+O3制備制備SiO2 問題：

38、問題： （1）淀積速率依賴于薄膜淀積的表面材料，為保證淀積速率）淀積速率依賴于薄膜淀積的表面材料，為保證淀積速率 一樣，先用一樣，先用PECVD方法淀積一層薄的二氧化硅層。方法淀積一層薄的二氧化硅層。 （2）這種薄膜由于含有一些）這種薄膜由于含有一些SiOH鍵，如果暴露在空氣中，鍵，如果暴露在空氣中， 就容易吸收水汽。由于與空氣中水汽的反應(yīng)，薄膜的機械應(yīng)就容易吸收水汽。由于與空氣中水汽的反應(yīng)，薄膜的機械應(yīng) 力會變化。一般在此中層上在用力會變化。一般在此中層上在用PECVD法淀積一層二氧化法淀積一層二氧化 硅作為保護層。硅作為保護層。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的

39、種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD） 降低工作室的壓力可以提高反應(yīng)氣體和反應(yīng)產(chǎn)物通過邊界層的擴降低工作室的壓力可以提高反應(yīng)氣體和反應(yīng)產(chǎn)物通過邊界層的擴 散能力，可提高反應(yīng)氣體濃度，是表面反應(yīng)速度控制的。散能力，可提高反應(yīng)氣體濃度，是表面反應(yīng)速度控制的。 （因為在較低的氣壓下（大約（因為在較低的氣壓下（大約133.3Pa），氣體的擴散速率比在一），氣體的擴散速率比在一 個大氣壓下的擴散速率高出很多倍）。個大氣壓下的擴散速率高出很多倍）。 與與APCVD比，薄膜的沉積速率高，膜性能好，成本低。比，薄膜的沉積速率高，膜性能好，成本低。 （一般是熱壁型的）（一般是熱壁型的） 低壓低壓C

40、VD裝置圖裝置圖 維持低壓維持低壓 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD） 在低壓下在低壓下Si邊界層會變薄并獲得改善，外延層厚度和電阻邊界層會變薄并獲得改善，外延層厚度和電阻 率的均勻性也得到改善。采用低壓外延，在停止生長時能迅速率的均勻性也得到改善。采用低壓外延，在停止生長時能迅速 清除反應(yīng)室中殘存的反應(yīng)物和摻雜劑，從那個人縮小多層外延清除反應(yīng)室中殘存的反應(yīng)物和摻雜劑，從那個人縮小多層外延 的過渡區(qū)，在異質(zhì)外延和多層結(jié)構(gòu)外延生長中發(fā)揮了其特有的的過渡區(qū)，在異質(zhì)外延和多層結(jié)構(gòu)外延生長中發(fā)揮了其特有的 作用；低壓外延減少了埋層圖形的漂移和畸變，并且降低了系作用；低壓外延減少了埋層圖形的漂移和畸變

41、，并且降低了系 統(tǒng)玷污。統(tǒng)玷污。 低壓低壓CVD裝置圖裝置圖 維持低壓維持低壓 TEOS LPCVD Pressure controller Three- zone heater Heater TEOS N2O2 Vacuum pump Gas flow controller LPCVD Furnace Temp. controller Computer terminal operator interface Furnace microcontroller Exhaust Figure 11.17 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD） 低壓低壓CVD可以外延生長各種半導(dǎo)體薄膜，以可以外延生長各

42、種半導(dǎo)體薄膜，以SiC為例進行介紹。為例進行介紹。 在在Si襯底上異質(zhì)外延生長襯底上異質(zhì)外延生長SiC常用高純常用高純SiH4、C2H2和和H2作為作為Si 和和C的氣體源和載氣。的氣體源和載氣。 常采用兩步法生長。首先用常采用兩步法生長。首先用H2攜帶攜帶C2H2進入沉積室并在大約進入沉積室并在大約 1600K下與下與Si反應(yīng)生成一層由反應(yīng)生成一層由Si向向SiC過渡的緩沖層；然后再過渡的緩沖層；然后再 引入引入SiH4參加反應(yīng)生長參加反應(yīng)生長SiC薄膜。僅有后一半過程不能生長出薄膜。僅有后一半過程不能生長出 高質(zhì)量的單晶薄膜。高質(zhì)量的單晶薄膜。 生長溫度為生長溫度為1500K。 第四章第四

43、章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD） u大多數(shù)大多數(shù)多晶硅是在低壓、熱壁式反應(yīng)室中完成的多晶硅是在低壓、熱壁式反應(yīng)室中完成的。 u在在580-650下熱分解下熱分解SiH4（H2稀釋）制備多晶硅。稀釋）制備多晶硅。 u SiH4被吸附在襯底的表面上，熱分解形成固態(tài)薄膜和被吸附在襯底的表面上，熱分解形成固態(tài)薄膜和H2。 SiH4(吸附）吸附）=Si+H2 u 當(dāng)氣體中所含當(dāng)氣體中所含SiH4的濃度比較大時，的濃度比較大時，SiH4在氣相中也可發(fā)生在氣相中也可發(fā)生 熱分解，使薄膜粗糙多孔，不能滿足熱分解，使薄膜粗糙多孔，不能滿足IC

44、工藝的要求。用工藝的要求。用N2和和 惰性氣體稀釋，硅烷的氣相分解更容易發(fā)生。所以通常用惰性氣體稀釋，硅烷的氣相分解更容易發(fā)生。所以通常用H2 稀釋稀釋（因為分解的產(chǎn)物有（因為分解的產(chǎn)物有H2，用，用H2稀釋可抑制硅烷的氣相分解）稀釋可抑制硅烷的氣相分解）。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD） 中溫中溫LPCVD SiO2 當(dāng)沉積溫度控制在當(dāng)沉積溫度控制在680730，用，用TEOS沉積的沉積的SiO2通常通常 有較好的保形性，足以能滿足有較好的保形性，足以能滿足IC生產(chǎn)的要求。生產(chǎn)的要求。 這種沉積一般采用這種沉積

45、一般采用LPCVD技術(shù)。熱壁反應(yīng)。（要加入足技術(shù)。熱壁反應(yīng)。（要加入足 夠的夠的O2） 與與APCVD 相比，相比，LPCVD系統(tǒng)有更低的成本，更高的產(chǎn)系統(tǒng)有更低的成本，更高的產(chǎn) 量和更好的膜性能。量和更好的膜性能。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD） 中溫中溫LPCVD SiO2 LPCVD是反應(yīng)速度限控制的反應(yīng)，只要嚴格控制溫度，是反應(yīng)速度限控制的反應(yīng)，只要嚴格控制溫度， 就可以在大量硅片表面沉積均勻的薄膜。就可以在大量硅片表面沉積均勻的薄膜。 當(dāng)作為選擇氧化的掩蔽膜或者作為當(dāng)作為選擇氧化的掩蔽膜或者作為DRAM

46、（動態(tài)隨機（動態(tài)隨機 存取存儲器）中電容的介質(zhì)層時，由于考慮到薄膜的均勻存取存儲器）中電容的介質(zhì)層時，由于考慮到薄膜的均勻 性和工藝成本，通常是在中溫下用性和工藝成本，通常是在中溫下用LPCVD技術(shù)淀積的。技術(shù)淀積的。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD） 氮化硅氮化硅通常在通常在700800下，采用下，采用LPCVD 技術(shù)，以二氯技術(shù)，以二氯 二氫硅（二氯硅烷，最常用的反應(yīng)劑）和氨氣反應(yīng)沉積。二氫硅（二氯硅烷，最常用的反應(yīng)劑）和氨氣反應(yīng)沉積。 3SiCl2H2(g)+4NH3(g)=Si3N4(s)+6HCl(g)+

47、6H2(g) 影響影響LPCVD氮化硅質(zhì)量的主要因素為氮化硅質(zhì)量的主要因素為： 溫度，總氣壓、反應(yīng)劑比例等。溫度，總氣壓、反應(yīng)劑比例等。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD） p一般來說，一般來說，LPCVD氮化硅的薄膜密度很高（氮化硅的薄膜密度很高（2.9- 3.1g/cm3），介電常數(shù)為），介電常數(shù)為6，并界比，并界比PECVD氮化氮化 硅薄膜有更好的配比。在稀釋的硅薄膜有更好的配比。在稀釋的HF溶液中的腐溶液中的腐 蝕速度很低，不到蝕速度很低，不到1nm/min，而且，而且H含量也比含量也比 PECVD氮化硅薄膜

48、的要低。氮化硅薄膜的要低。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD） p此外，此外，LPCVD氮化硅薄膜有比較好的臺階覆蓋氮化硅薄膜有比較好的臺階覆蓋 性和較少的粒子污染。然而這種薄膜，應(yīng)力大約性和較少的粒子污染。然而這種薄膜，應(yīng)力大約 為為105N/cm2，幾乎比，幾乎比TEOS（正硅酸四乙酯）淀（正硅酸四乙酯）淀 積的二氧化硅的應(yīng)力高出一個數(shù)量級。高應(yīng)力可積的二氧化硅的應(yīng)力高出一個數(shù)量級。高應(yīng)力可 能使厚度超過能使厚度超過200nm的氮化硅薄膜發(fā)生破裂。的氮化硅薄膜發(fā)生破裂。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4

49、.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD） p當(dāng)用作最終的鈍化層時，淀積工藝必須和低熔點當(dāng)用作最終的鈍化層時，淀積工藝必須和低熔點 金屬（例如金屬（例如Al）兼容，這時氮化硅淀積就必須在）兼容，這時氮化硅淀積就必須在 低溫下進行。對于這種低溫淀積，首選淀積方法低溫下進行。對于這種低溫淀積，首選淀積方法 是是PECVD。因為它可以在低溫（。因為它可以在低溫（200-400）下淀）下淀 積氮化硅薄膜。積氮化硅薄膜。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD）鎢鎢 難熔金屬（例如難熔金屬（例如W、Ti、

50、Mo、Ta）在硅集成電）在硅集成電 路的互聯(lián)系統(tǒng)中已經(jīng)被廣泛地研究與應(yīng)用。它們的路的互聯(lián)系統(tǒng)中已經(jīng)被廣泛地研究與應(yīng)用。它們的 電阻率比電阻率比Al及其合金要大，但是比相應(yīng)的難熔金屬及其合金要大，但是比相應(yīng)的難熔金屬 硅化物及氮化物的電阻率要低。硅化物及氮化物的電阻率要低。 在這些金屬當(dāng)中，鎢盡管不能單獨作為柵材料在這些金屬當(dāng)中，鎢盡管不能單獨作為柵材料 和全部的互聯(lián)材料，但卻在互聯(lián)中得到了廣泛應(yīng)用。和全部的互聯(lián)材料，但卻在互聯(lián)中得到了廣泛應(yīng)用。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD）鎢鎢 在在IC互連系統(tǒng)中，鎢的主要用途

51、兩個方面：互連系統(tǒng)中，鎢的主要用途兩個方面： 1. 作為填充塞（鎢插塞，作為填充塞（鎢插塞，plug） 這是鎢最重要的用途。這是鎢最重要的用途。 例如，可用鎢填滿兩個鋁層之間的通孔以及填滿接觸孔。之所以選用鎢作例如，可用鎢填滿兩個鋁層之間的通孔以及填滿接觸孔。之所以選用鎢作 為填充材料，是因為為填充材料，是因為CVD的鎢比的鎢比PVD的鋁有更好的通孔填充能力。當(dāng)接觸的鋁有更好的通孔填充能力。當(dāng)接觸 孔的尺度大于孔的尺度大于1m時，用時，用PVD的鋁可以實現(xiàn)很好的填充，然而對于特征的鋁可以實現(xiàn)很好的填充，然而對于特征 尺寸小于尺寸小于1m時，時， 由于接觸孔和通孔的深寬比變得太大，由于接觸孔和通

52、孔的深寬比變得太大，PVD的鋁無法的鋁無法 完全填充接觸孔和通孔。所以完全填充接觸孔和通孔。所以CVD鎢被廣泛應(yīng)用。鎢被廣泛應(yīng)用。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 Metal-2 stack (d) Metal-2 deposition Tungsten plug (a) Via etch through ILD-2 (SiO2) Metal-1 stack ILD-2 ILD-1 Via SiO2 (c) Tungsten etchback SiO2 Tungsten plug (b) Tungsten CVD via fill Tungsten

53、Figure 16.33 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD）鎢鎢 2、被用作局部互連材料。、被用作局部互連材料。 與鋁和銅相比，由于鎢的電導(dǎo)率較低因而只能與鋁和銅相比，由于鎢的電導(dǎo)率較低因而只能 用于短程互連線，而銅和鋁仍然用于全局互聯(lián)。用于短程互連線，而銅和鋁仍然用于全局互聯(lián)。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD）鎢鎢 CVD鎢是最廣泛應(yīng)用于互聯(lián)的難熔金屬。因為：鎢是最廣泛應(yīng)用于互聯(lián)的難熔金屬。因為： 一、它比一、它比Ti和和Ta的體電阻率小，和的體電阻率小，和Mo的電阻率差不多（通的電阻率差不多（通 過過WF6還

54、原淀積的鎢薄膜，其電阻率在還原淀積的鎢薄膜，其電阻率在7-12cm）。）。 二、表現(xiàn)在較高的熱穩(wěn)定性。在所有金屬中鎢的熔點最高二、表現(xiàn)在較高的熱穩(wěn)定性。在所有金屬中鎢的熔點最高 （3410）。）。 三、它具有較低的應(yīng)力（三、它具有較低的應(yīng)力（5104N/cm2），有很好的保形），有很好的保形 臺階覆蓋能力并且熱擴散系數(shù)和硅非常相近。臺階覆蓋能力并且熱擴散系數(shù)和硅非常相近。 最后，它具有很強的抗電遷移能力和抗腐蝕性能。最后，它具有很強的抗電遷移能力和抗腐蝕性能。 。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD）鎢鎢 CVD鎢是最

55、廣泛應(yīng)用于互聯(lián)的難熔金屬。鎢是最廣泛應(yīng)用于互聯(lián)的難熔金屬。 缺點：缺點：W的電阻率雖然只有重摻雜多晶硅的的電阻率雖然只有重摻雜多晶硅的1/200， 而比而比Al合金薄膜的電阻率高一倍。其次，鎢薄膜在氧合金薄膜的電阻率高一倍。其次，鎢薄膜在氧 化物和氮化物上面的附著性比較差。此外，當(dāng)溫度超化物和氮化物上面的附著性比較差。此外，當(dāng)溫度超 過過400時鎢會氧化。隨后，如果鎢和硅接觸在溫度時鎢會氧化。隨后，如果鎢和硅接觸在溫度 高于高于600時，會形成鎢的硅化物。時，會形成鎢的硅化物。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD）鎢鎢

56、 W的的CVD沉積（通常在冷壁、低壓系統(tǒng)中進行）：沉積（通常在冷壁、低壓系統(tǒng)中進行）： WF6+3H2=W+6HF 鎢的化學(xué)氣相淀積源主要有鎢的化學(xué)氣相淀積源主要有WF6、WCl6和和W(CO)6。WF6 更理想。更理想。 WF6的沸點為的沸點為17，使，使WF6能以氣態(tài)形式向反應(yīng)室中輸送，能以氣態(tài)形式向反應(yīng)室中輸送， 輸送方便容易，而且可精確控制流量。主要缺點是費用高，輸送方便容易，而且可精確控制流量。主要缺點是費用高， 占占CVD鎢過程的鎢過程的50。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD）鎢鎢 通常采用通常采用LP

57、CVD技術(shù)沉積。反應(yīng)通常是在技術(shù)沉積。反應(yīng)通常是在 溫度低于溫度低于450的低壓環(huán)境下進行的。當(dāng)溫度低的低壓環(huán)境下進行的。當(dāng)溫度低 于于450時，薄膜的生長速率由反應(yīng)速率控制，時，薄膜的生長速率由反應(yīng)速率控制， 在反應(yīng)物中通常通入過量的氫氣。氫氣還原反應(yīng)在反應(yīng)物中通常通入過量的氫氣。氫氣還原反應(yīng) 淀積的鎢膜電阻率約淀積的鎢膜電阻率約7-12cm。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD）鎢鎢 在在W淀積過程中問題：淀積過程中問題： （1）CVD鎢膜的應(yīng)力：鎢膜的應(yīng)力：厚的鎢膜有較大的應(yīng)力，厚的鎢膜有較大的應(yīng)力， 會導(dǎo)致硅片

58、彎曲。然而由于大部分的鎢膜在經(jīng)過會導(dǎo)致硅片彎曲。然而由于大部分的鎢膜在經(jīng)過 回刻之后被清除掉了，所以在鎢栓形成過程中，回刻之后被清除掉了，所以在鎢栓形成過程中， 較大的應(yīng)力通常并不是一個必須要考慮的問題。較大的應(yīng)力通常并不是一個必須要考慮的問題。 如果鎢層用來形成互聯(lián)線，應(yīng)力問題就必須考慮。如果鎢層用來形成互聯(lián)線，應(yīng)力問題就必須考慮。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD）鎢鎢 （2）鎢栓的電阻：）鎢栓的電阻：如果鎢膜的電阻率是如果鎢膜的電阻率是10cm 的典型值，則對于的典型值，則對于1 m的接觸孔，鎢栓的總電阻的接觸

59、孔，鎢栓的總電阻 大約是大約是0.5。如果用這樣的鎢栓來填充接觸孔，。如果用這樣的鎢栓來填充接觸孔， 這個電阻與接觸電阻（約這個電阻與接觸電阻（約20）相比可略。對于）相比可略。對于 通孔來說，這個阻值偏高，所以對通孔總電阻的通孔來說，這個阻值偏高，所以對通孔總電阻的 影響也就很重要。影響也就很重要。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 二、低壓二、低壓CVD（LPCVD）鎢鎢 另外，當(dāng)尺寸縮小，鎢栓電阻升高，對另外，當(dāng)尺寸縮小，鎢栓電阻升高，對 0.3 m的接觸和通孔，大約會是的接觸和通孔，大約會是5。所以對深。所以對深 亞微米工藝，鎢栓工藝將面臨挑戰(zhàn)

60、，人們希望亞微米工藝，鎢栓工藝將面臨挑戰(zhàn)，人們希望 用鋁栓或銅栓替代鎢栓。用鋁栓或銅栓替代鎢栓。 第四章第四章 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積-4.3 CVD技術(shù)的種類技術(shù)的種類 三、超高真空三、超高真空CVD（UHV/CVD） 是是20世紀世紀80年代后期在低壓年代后期在低壓CVD基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的外延生基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的外延生 長技術(shù)，長技術(shù)，本底真空一般達本底真空一般達10-7Pa。 在低溫、低壓下進行，具有獨特的方面：在低溫、低壓下進行，具有獨特的方面： 其一，超凈生長環(huán)境的重要性。其一，超凈生長環(huán)境的重要性。 其二、超低生長壓強的重要性。其二、超低生長壓強的重要性。 UHV/C