微電子工藝基礎(chǔ)課件-化學氣相淀積工藝工藝

第6章化學氣相淀積工藝工藝第6章化學氣相淀積工藝本章（4學時）目標：1、化學氣相淀積的分類2、熟悉常見的化學氣相淀積形成的絕緣材料3、Si3N4薄膜的作用和淀積機理4、多晶硅薄膜的作用和淀積機理0、教材p241-p255，p261-p265一、化學氣相淀積概述二、化學氣相淀積方法及設(shè)備三、典型物質(zhì)淀積介紹第6章化學氣相淀積工藝一、CVD概述

1、定義

2、化學方程式（***）

3、CVD工藝的特點（***）

4、CVD工藝系統(tǒng)設(shè)計（*）

5、CVD工藝的步驟（*）

6、CVD系統(tǒng)分類（***）

7、CVD工藝的安全問題（**）第6章化學氣相淀積工藝第6章化學氣相淀積工藝

一、CVD概述1、定義（***）化學氣相淀積（ChemicalVaporDeposition）是通過氣態(tài)物質(zhì)的化學反應(yīng)在襯底上淀積薄膜的工藝方法。與之對應(yīng)的是：PVD（蒸發(fā)和濺射），它主要應(yīng)用于導(dǎo)體薄膜。1、定義（***）與氣相外延的比較：

①它與氣相外延相似，有些設(shè)備可通用；②外延生長的是單晶膜，襯底也必須是單晶，且要求的工藝條件高；③淀積薄膜是非晶或多晶，襯底也不要求是單晶，只要是具有一定平整度，能經(jīng)受淀積溫度（溫度變化范圍從室溫到1250℃）即可，工藝控制要求也沒有氣相外延高。第6章化學氣相淀積工藝

一、CVD概述2、化學方程式（***）（1）化學反應(yīng)的類型發(fā)生的化學反應(yīng)可分為4種類型：（P244中間）高溫分解反應(yīng)還原反應(yīng)氧化反應(yīng)氮化反應(yīng)第6章化學氣相淀積工藝

一、CVD概述2、化學方程式（***）（2）化學反應(yīng)方程式第6章化學氣相淀積工藝

一、CVD概述3、CVD工藝的特點（***）第6章化學氣相淀積工藝

一、CVD概述4、CVD工藝系統(tǒng)設(shè)計（*）第6章化學氣相淀積工藝

一、CVD概述常壓工藝熱墻管型冷墻型連續(xù)動作型外延型增壓型桶式噴嘴型餅式低壓工藝熱墻管型等離子體增強型垂直對流隔熱型熱墻管型冷墻平面批量型冷墻平面單片反應(yīng)型5、CVD工藝的步驟（*）首先，將晶圓裝載到反應(yīng)室內(nèi)，裝載過程通常是在惰性氣體的環(huán)境下進行的。然后，晶圓被加熱到預(yù)定的溫度，將反應(yīng)氣體引入到淀積薄膜的反應(yīng)室內(nèi)進行反應(yīng)。最后，將參與反應(yīng)的化學氣體排出反應(yīng)室，移出晶圓。第6章化學氣相淀積工藝

一、CVD概述6、CVD系統(tǒng)分類（***）詳見教材P246中間。常壓（AP）和低壓（LP）熱壁和冷壁（1）根據(jù)壓強分（2）根據(jù)反應(yīng)室壁冷熱分CVD系統(tǒng)的兩種能量供給源：熱輻射和等離子體第6章化學氣相淀積工藝

一、CVD概述7、CVD工藝的安全問題（**）第6章化學氣相淀積工藝

一、CVD概述第6章化學氣相淀積工藝二、化學氣相淀積方法及設(shè)備

1、常壓化學氣相淀積（APCVD）（*）

2、低壓化學氣相淀積（LPCVD）（***）

3、等離子增強化學氣相淀積（PECVD）（***）

4、其他淀積方法（**）1、常壓化學氣相淀積（APCVD）（*）以二氧化硅薄膜為例：SiH4+O2=SiO2+2H2↑

（400℃左右）原料以氣相方式被輸送到反應(yīng)器內(nèi)，原料氣體向襯底基片表面擴散，被基片吸附，由于基片的溫度高或其它能量提供給原料氣體，使其發(fā)生表面化學反應(yīng)，生成物在基片表面形成薄膜，而生成物中的其它物質(zhì)是氣相物質(zhì)，擴散到氣相中被帶走。240-450℃第6章化學氣相淀積工藝

二、化學氣相淀積方法及設(shè)備2、低壓化學氣相淀積（LPCVD）（***）低壓情況下，分子自由程較長，薄膜電極的均勻性較高。優(yōu)點：參閱教材P249中間LPCVD和PECVD是目前制備介質(zhì)薄膜（Si3N4，SiO2）和多晶硅薄膜采用最多的兩種方法。LPCVD相對APCVD的特點：

①增加了真空系統(tǒng)，氣壓在1-10-2Torr之間②低壓下分子自由程長，可以豎放基片③加熱系統(tǒng)一般是電阻熱壁式第6章化學氣相淀積工藝

二、化學氣相淀積方法及設(shè)備立式反應(yīng)器臥式反應(yīng)器2、低壓化學氣相淀積（LPCVD）（***）影響淀積速率的主要因素有：氣體分壓；襯底溫度；抽氣速率；反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；第6章化學氣相淀積工藝

二、化學氣相淀積方法及設(shè)備3、等離子增強化學氣相淀積PECVD（PlasmaEnhancedCVD）（***）采用等離子體把電能耦合到氣體中，促進化學反應(yīng)進行,由此淀積薄膜；因此該法可以在較低溫度下淀積薄膜。PECVD常常是低溫和低壓的結(jié)合。（1）方法第6章化學氣相淀積工藝

二、化學氣相淀積方法及設(shè)備3、等離子增強化學氣相淀積PECVD（***）等離子體由中性原子團、游離基、分子、離子、少量高能電子組成。反應(yīng)器的射頻功率使低壓氣體（真空度1-10Torr）產(chǎn)生非平衡輝光放電，雪崩電離激發(fā)出的高能電子通過碰撞激活氣體形成等離子體。襯底基片（具有一定溫度，約300℃）吸附活潑的中性原子團與游離基即高能的等離子體發(fā)生化學反應(yīng)，生成的薄膜物質(zhì)被襯底吸附、重排進而形成淀積薄膜，襯底溫度越高形成的薄膜質(zhì)量越好。（2）PECVD原理第6章化學氣相淀積工藝

二、化學氣相淀積方法及設(shè)備3、等離子增強化學氣相淀積PECVD（***）（3）影響薄膜淀積速率與質(zhì)量的因素反應(yīng)劑分壓（稀釋劑）；襯底溫度；抽氣速率；反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；射頻功率的強度和頻率。第6章化學氣相淀積工藝

二、化學氣相淀積方法及設(shè)備3、等離子增強化學氣相淀積PECVD（***）熱壁平板式冷壁平板式PECVD淀積裝置，主要由反應(yīng)器、射頻功率發(fā)生系統(tǒng)，真空系統(tǒng)和氣源系統(tǒng)四部分組成。（4）PECVD系統(tǒng)第6章化學氣相淀積工藝

二、化學氣相淀積方法及設(shè)備4、其它淀積方法（**）（1）金屬有機物化學氣相淀積（MOCVD）；（2）激光誘導(dǎo)化學氣相淀積（LCVD）；這都是常規(guī)化學氣相淀積基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，都屬低溫工藝。第6章化學氣相淀積工藝

二、化學氣相淀積方法及設(shè)備4、其它淀積方法（**）（1）金屬有機物化學氣相淀積（MOCVD）在相當?shù)偷臏囟认?，把欲淀積膜層的一種或幾種組分以金屬烷基化合物的形式輸送到反應(yīng)區(qū)，而其它的組分可以氫化物的形式輸送，金屬烷基化合物與氫化物在氣相中或襯底基片上發(fā)生化學反應(yīng)，生成淀積薄膜。例子：GaAs常采用MOCVD淀積成粉末，再在高溫下晶化。（CH3）3Ga+AsH3→GaAs+3CH4第6章化學氣相淀積工藝

二、化學氣相淀積方法及設(shè)備4、其它淀積方法（**）（2）激光誘導(dǎo)化學氣相淀積（LCVD）

LCVD法是通過激光活化，使化學反應(yīng)在較低溫度進行，激光能轉(zhuǎn)化為化學能，誘發(fā)化學反應(yīng)，生成物淀積襯底基在片上。LCVD的優(yōu)點：淀積過程中不直接加熱襯底，可按需要進行任意區(qū)域淀積，空間選擇性好，甚至可使薄膜生長限制在襯底的任意微區(qū)內(nèi)。第6章化學氣相淀積工藝

二、化學氣相淀積方法及設(shè)備物理淀積濺射設(shè)備-1濺射設(shè)備-2電子束鍍膜系統(tǒng)電子束鍍膜系統(tǒng)激光脈沖淀積系統(tǒng)第6章化學氣相淀積工藝三、典型物質(zhì)淀積介紹

1、二氧化硅薄膜

2、多晶硅薄膜

3、氮化硅薄膜1、二氧化硅（1）二氧化硅膜的淀積方法

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℃第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法1、二氧化硅（1）二氧化硅膜的淀積方法

①低溫CVD淀積二氧化硅第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法1、二氧化硅（1）二氧化硅膜的淀積方法

①低溫CVD淀積二氧化硅淀積速率影響因素：A：溫度，淀積速率隨著溫度的升高而增大。第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法1、二氧化硅（1）二氧化硅膜的淀積方法

①低溫CVD淀積二氧化硅淀積速率影響因素：B：同樣溫度下，與硅烷濃度和氧分壓有關(guān)。

第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法1、二氧化硅（1）二氧化硅膜的淀積方法

①低溫CVD淀積二氧化硅摻磷二氧化硅也叫磷硅玻璃（PSG）。磷的作用：參閱教材p262下部分。

第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法1、二氧化硅（1）二氧化硅膜的淀積方法

②正硅酸乙酯的熱分解正硅酸乙酯（英文簡寫為TEOS）的熱分解，是淀積二氧化硅的又一主要來源。第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法1、二氧化硅（1）二氧化硅膜的淀積方法

②正硅酸乙酯的熱分解第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法1、二氧化硅（1）二氧化硅膜的淀積方法

②正硅酸乙酯的熱分解主要影響因素：

A淀積溫度；BTEOS的分壓；C其他因素。第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法(TEOS)四乙基氧化硅1.化學式：Si(OC2H5)2.用途：與經(jīng)化學反應(yīng)后，可生成一層二氧化硅，在IC里通常被當作絕緣層使用。3.反應(yīng)方式：-高溫低壓分解反應(yīng)-高溫加入觸某媒分解反應(yīng)-電漿促進分解反應(yīng)

1、二氧化硅（1）二氧化硅膜的淀積方法

②正硅酸乙酯的熱分解主要影響因素A：淀積溫度第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法1、二氧化硅（1）二氧化硅膜的淀積方法

②正硅酸乙酯的熱分解主要影響因素B：TEOS的分壓第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法（1）多晶硅薄膜的性質(zhì)

20世紀70年代中期，硅柵MOS器件的出現(xiàn)使多晶硅有了用武之地。①多晶硅薄膜是由無數(shù)微小單晶粒組成的薄膜；②晶粒的大小與制備工藝有關(guān)，晶粒與晶粒之間是晶界。晶界處原子排列無序，多晶硅薄膜呈各向同性；③單晶電阻率大；④少子壽命低。特性：2、多晶硅薄膜的淀積第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法鑄造多晶硅中一般存在高密度的缺陷和高濃度的雜質(zhì)(如晶界、位錯、氧、碳以及過渡族金屬鐵等)。通常這些雜質(zhì)原子本身或者通過與結(jié)晶學缺陷相互作用,會成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心,大大降低少數(shù)載流子壽命--開路電壓的建立,將有電子從n區(qū)通過n/p結(jié)向p區(qū)邊界注入,這些注入p區(qū)的過剩電子(少子)在運動中復(fù)合所需的時間,我們定義為少子壽命.2、多晶硅薄膜的淀積（1）多晶硅薄膜的性質(zhì)

①MOS器件的柵電極②超大規(guī)模集成電路中電極的多層布線用途：第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法2、多晶硅薄膜的淀積（2）淀積多晶硅薄膜的方法

淀積多晶硅薄膜主要采用LPCVD的方法；摻雜則采用：離子注入；化學氣相淀積；擴散。多晶硅的淀積和外延淀積的主要區(qū)別：硅烷的使用（教材P260）第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法2、多晶硅薄膜的淀積（2）淀積多晶硅薄膜的方法

poly-Si薄膜一般采用LPCVD法制備，LPCVD法提供了良好的生產(chǎn)效率和較低的淀積溫度。普遍采用的淀積方法是硅烷的熱分解反應(yīng)。SiH4＝Si+2H2（典型溫度是600－650度）采用的硅烷有100%的，也有用N2或氬氣稀釋的，例如：SiH4（20%）+N2或氬氣（80%）第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀積方法2、多晶硅薄膜的淀積（3）淀積過程中的氣相摻雜對淀積速率的影響

見教材P260。第6章化學氣相淀積工藝

三、典型物質(zhì)的淀