第06章 化学气相淀积

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1、第06章化学气相淀积引言CVD模型化学气相淀积系统CVD多晶硅的特性和淀积方法CVD二氧化硅的特性和淀积方法CVD氮化硅的特性及淀积方法金属的化学气相淀积引言定义化学气相淀积(ChemicalVaporDeposition——CVD)是将含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸汽，以合理的流速引入反应室，通过在气相或衬底表面发生化学反应，形成预期薄膜淀积的化学反应过程。CVD的基本要求产生化学变化。膜中所有的材料物质都源于外部的源。化学气相淀积工艺中的反应物必须以气相形式参加反应。引言CVD工艺优点设备简单，重复性好。淀积速率一般高于PVD，效率高。薄膜的成分精确可控、配比范围大。淀积

2、膜结构完整、致密，良好的台阶覆盖能力，且与衬底粘附性好。厚度范围广，由几百埃至数毫米，可以实现厚膜淀积，且能大量生产。CVD成膜温度远低于体材料的熔点。因此减轻了衬底片的热形变，抑制了缺陷生成。CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等。缺点淀积过程容易对薄膜表面形成污染、对环境的污染等。引言CVD工艺用途形成钝化保护层，介质层，导电层，和掩蔽层经过数十年的发展，CVD已经成为半导体生产过程中最重要的薄膜沉积方法。PVD的应用大都局限在金属膜的沉积上；而CVD几乎所有的半导体元件所需要的薄膜，不论是导体，半导体

3、，或者绝缘介电材料，都可以沉积。在目前的VLSI生产过程中，除了某些材料因特殊原因还在用溅射法之外，如铝硅铜合金及钛等，所有其他的薄膜均用CVD法来沉积。§6.1CVD模型CVD的基本过程影响薄膜质量和沉积速率的参数：反应气体流量，反应压力，腔室温度，是否掺杂及掺杂数量等CVD的基本过程反应剂气体以合理的流速被输送到反应室内。反应剂从主气流区以扩散方式通过边界层到达衬底表面。反应剂被吸附在衬底表面，称为吸附原子（分子）。吸附原子（分子）在衬底表面发生化学反应，生成薄膜的基本元素并淀积成膜。气态副产物和未反应的反应剂离开衬底表面，扩散到主气体流中被排出系统。§6.1CVD模型§6.1CVD模

4、型§6.1CVD模型要完成薄膜的淀积，CVD的化学反应还必须满足以下几个条件在淀积温度下，反应剂必须具备足够高的蒸汽压。除淀积物外，反应的其他产物必须是挥发性的。淀积物本身必须具有足够低的蒸汽压，这样才能保证在整个淀积过程中，薄膜能够始终留在衬底表面上。薄膜淀积所用的时间应该尽量短，以满足高效率和低成本的要求。淀积温度必须足够低以避免对先前工艺产生影响。CVD不允许化学反应的气态副产物进入薄膜中（尽管在一些情况下式不可避免的）。化学反应应该发生在被加热的衬底表面，如果在气相中发生化学反应，将导致过早成核，这回降低薄膜的附着性和密度、增加薄膜曲缺陷、降低淀积速率、浪费反应气体等。§6.1CV

5、D模型CVD的能量作用方法高温分解：通常在无氧的条件下，通过加热化合物分解（化学键断裂）；光分解：利用辐射使化合物的化学键断裂分解；还原反应：反应物分子和氢发生的反应；氧化反应：反应物原子或分子和氧发生的反应；氧化还原反应：反应3与4地组合，反应后形成两种新的化合物。§6.1CVD模型边界层理论气体的黏滞性CVD反应室中的气压很高，以至于可以认为流体是黏滞性的，即气体分子的平均自由程远小于反应室的几何尺寸，这时就可以认为这样的气体为黏滞性流动。边界层定义速度受到扰动，并按抛物线型变化，同时还存在反应剂浓度梯度的薄层被称为边界层、或附面层、滞流层。边界层厚度§6.1CVD模型Grove模型为

6、了从理论上分析CVD过程，1966年，Grove建立了一个简单大CVD模型，尽管模型很简单，但解释了CVD过程中的许多现象，并且准确地预测了薄膜淀积速率。Grove模型认为控制薄膜淀积速率的两个重要环节是：反应剂在边界层中的输运过程——质量输运。反应剂在衬底表面上的化学反应过程——表面反应。§6.1CVD模型模型介绍Cs的表达式hg——气相质量输运系数，ks——表面化学反应速率常数在稳定状态下，F1=F2，则讨论：当hg>>ks时，Cs→Cg。当hg<

7、膜的流密度§6.1CVD模型沉积速率G在稳态情况下，F1=F2=F在多数CVD中，反应剂先被惰性气体稀释，故Y—反应剂的摩尔百分比，CT—分子总数/cm3（反应剂+惰性气体）§6.1CVD模型讨论淀积速率与Cg或Y成正比。Cg或Y为常数时，薄膜淀积速率由ks和hg中较小的一个决定。当hg>>ks时，，淀积速率受表面化学反应速率控制，产生这种极限情况的原因是，从主气流输运到Si片表面的反应剂数量大于在该温度下表面化学反应所