CVD的反应速度取决于质量传输和表面反应两个 因素。温度升高会促使表面反应速度增加。在质 量传输阶段淀积工艺对温度不敏感,这意味着无 论温度如何,传输到硅片表面加速反应的反应气 体的量都不足。在此情况下,CVD工艺反应速度 通常是受质量传输所限制的。 在更低的反应温度下,由于只有更少的能量来驱 动表面反应,表面反应速度会降低。最终反应物 达到硅片表面的速度将超过表面化学反应的速度。 在这种情况下,淀积速度是受化学反应速度限制 的,此时称表面反应控制限制。
(5)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
在这个系统中沉积室(deposition chamber) 是由石英管(quartz tube)所构成,而芯片 则是竖立于一个特制的固定架上,可以 扩大装片量。 在LPCVD系统中须要安装一个抽真空系 统,使沉积室内保持在所设定的低压状 况,并且使用压力计来监控制程压力
LPCVD系统的优点:具有优异的薄膜均匀度, 以及较佳的阶梯覆盖能力,并且可以沉积大 面积的芯片; LPCVD的缺点:沉积速率较低,而且经常使 用具有毒性、腐蚀性、可燃性的气体。 由于LPCVD所沉积的薄膜具有较优良的性质, 因此在集成电路制程中LPCVD是用以成长单 晶薄膜及其对品质要求较高的薄膜。
CVD技术可分为APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD, SAPCVD (sub atmosphere pressure CVD)和 MOCVD等。 APCVD生长速率快,但成膜均匀性不好,容易 产生影响薄膜质量的微粒,基本不应用于集成 电路制造。LPCVD反应系统一般要求温度在 650℃以上,不能应用到后段。 后段工艺中薄膜生长的反应温度较低,需引入 额外的非热能能量或降低反应所需激活能以得 到足够反应能量。
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,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镀法之外,如铝硅铜合金 及钛等,所有其他的薄膜均用CVD法来沉积。
在化学气相淀积中,气体先驱物传输到硅 片表面进行吸附作用和反应。例如,下面的三个
反应。反应1)显示硅烷首先分解成SiH2 (硅乙 烯 )先 驱物 。 SiH2先 驱物 再和 硅烷 反应 形成 Si2H6 (乙硅烷 ) 。在中间CVD反应中, SiH2随
着Si2H6被吸附在硅片表面。然后Si2H6分解形成 最终需要的固态硅膜。
薄膜是指一种在衬底上生长的薄固体物质。如果一 种固体物质具有三维尺寸,那么薄膜是指一维尺寸 远远小于两外两维上的尺寸。
在硅片加工中可以接受的薄膜,必须具备需要的膜特性。 为了满足器件的性能,可以接受的薄膜一般具有如下特性
好的台阶覆盖能力 填充高的深宽比间隙的能力 好的厚度均匀性 高纯度和高密度 受控制的化学剂量 高度的结构完整性和低的膜应力 好的电学特性 对衬底材料或下层膜好的黏附性
我们期望薄膜在硅片表面上厚度一致,如果 淀积的膜在台阶上过渡的变薄,就容易导致高 的膜应力、电短路或在器件中产生不希望的诱 生电荷。膜的应力要尽可能的小,因为应力还 可能导致衬底发生凸起或凹陷的变形。
常压化学气相淀积(APCVD/NPCVD)是指 在大气压下进行的一种化学气相淀积的方法, 这是化学气相淀积最初所采用的方法。
APCVD的缺点: 1.硅片水平放置,量产受限,易污染。 2.反应速度受多种因素影响,反应室尺寸、
高深宽比间隙难淀积均匀厚度的膜。随着集成电路 特征尺寸的不断减小,对于高深宽比间隙的均匀、 无空洞的填充淀积工艺显得至关重要。
(1)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; 设备简单, 重复性好;
(3)淀积速率一般高于PVD(物理气相淀积,如 蒸发、溅射等),效率高;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;
随着半导体工艺特征尺寸的减小,对薄 膜的均匀性要求及膜厚的误差要求不断提 高,出现了低压化学气相淀积(LPCVD)。 低压化学气相淀积是指系统工作在较低的 压强下(一般在100Pa以下)的一种化学气 相淀积的方法。LPCVD技术不仅用于制备 硅外延层,还广泛用于各种无定形钝化 膜及多晶硅薄膜的淀积,是一种重要的薄 膜淀积技术。
较为常见的CVD薄膜包括有: 二氧化硅(通常直接称为氧化层)、 氮化硅、
任何一个CVD系统都会有一个反应室,它是CVD 设备的心脏部位。另外还有一组气体传送系统、 排气系统、工艺控制系统
硅烷SiH4和三氯氧磷POCL3在氮气的携带 下进入淀积反应室,与氧气进行反应
用CVD方法淀积薄膜,实际上是从气相中 生长晶体的复相物理-化学过程 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
参加反应的气体混合物被输送到衬底表面 反应物分子由主气流扩散到衬底表面 反应物分子吸附在衬底表面 吸附分子与气体分子之间发生化学反应 反应副产物分子从衬底表面解析 副产物分子由衬底表面外扩散到主气体流 中,然后被排出淀积区
基本上,集成电路是由数层材质不同的薄 膜组成,而使这些薄膜覆盖在硅晶片上的技 术,便是所谓的薄膜沉积及薄膜成长技术- -薄膜淀积
淀积:就是指薄膜材料的沉积和生长等技 术,指一种材料以物理方式沉积在晶圆表面 上的工艺过程。
所淀积的薄膜可以是导体、绝缘材料或者 半导体材料。比如二氧化硅(SiO2)、氮化 硅(Si3N4)、多晶硅以及金属(Cu、W)
化学气相淀积Si3N4 ,一般是使含硅的化合物蒸汽在 高温下发生化学反应,并在基片表面淀积一层Si3N4 膜,常用的几种化合物反应如下: 硅烷和氨气反应:
化学气相沉积是利用气态化合物或化合物的混合物在 基体受热面上发生化学反应,从而在基体表面上生成 不挥发的涂层。 CVD的基本方面包括:
气体流速、硅片位置等都会影响速度。 3.均匀性不太好,所以APCVD一般用在厚 的介质淀积。 APCVD系统的优点: 具有高沉积速率,可达6000~10000埃/min
在大气压状况下,气体分子彼此碰撞机率很高,因 此很容易会发生气相反应,使得所沉积的薄膜中会 包含微粒。通常在集成电路制程中。APCVD只应用 于成长保护钝化层。
常用的CVD技术有: (1) 常压化学气相淀积(APCVD); (2) 低压化学气相淀积(LPCVD); (3)等离子体辅助 CVD 等离子体增强 CVD(PECVD) 高密度等离子体 CVD(HDPCVD) 另外还有次常压化学气相淀积SAPCVD (sub
层达到表面的扩散作用会显著增加。这会增加反应 物到衬底的输运。在CVD反应中低压的作用就是使 反应物更快地到达衬底表面。在这种情况下,速度 限制将受约于表面反应,即在较低压下CVD工艺速 度是受反应速度限制的。 CVD 过程中的掺杂 CVD淀积过程中,在SiO2中掺入杂质对硅片加工来 说也是很重要。例如,在淀积SiO2的过程中,反应 气体中加入PH3后,会形成磷硅玻璃。
当化合物在反应腔中混合并进行反应时,就会发生化学 气相淀积过程。原子或分子会淀积在硅片表面行成膜
1. 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);
2. 光分解: 利用辐射使化合物的化学键断裂分解; 3. 还原反应: 反应物分子和氢发生的反应; 4. 氧化反应: 反应物原子或分子和氧发生的反应; 5. 氧化还原反应: 反应3与4地组合,反应后形成两