化学气相淀积
化学气相淀积的工艺流程
化学气相淀积的工艺流程
化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种通过化学反应在固体表面上生成薄膜的方法。
其工艺流程可以简单描述为以下几个步骤：
1. 基材准备：选择合适的基材，如硅片、玻璃或金属衬底，并进行表面处理，以提供一个干净平整的表面。
2. 反应室装载：将经过准备的基材放置在反应室中，确保其处于适当的位置。
3. 气体进料：将适量的进料气体引入反应室中。
这些气体可能是单一的或混合的，通常包括反应物和携带气体。
反应物气体被选择为具有所需化学反应的材料。
4. 反应：在反应室中加热基材和反应气体，使反应物气体发生化学反应。
通常，化学反应的产物是气态的，由于在基材表面降温，产生固态沉积物。
5. 沉积层生长：经过一段时间的反应，化学反应产物会在基材表面生成一层薄膜。
沉积速率取决于多种因素，如反应温度、气体浓度和反应时间。
6. 淀积物处理：在薄膜生长完毕后，需要对淀积物进行处理。
这可能包括冷却基材，停止进料气体，清洗或退火处理等。
7. 反应室释压和拆卸：在薄膜处理完毕后，需要关闭反应室，并将内部压力降
至大气压。
然后，可以打开反应室并拆卸基材。
需要注意的是，实际的CVD工艺流程可能会因具体材料、设备和应用而有所不同，以上流程仅为一般化概述。
不同的CVD方法还包括低压化学气相沉积（LPCVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等。
化学气相沉积
集成电路芯片工艺化学气相沉积（CVD）化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。
CVD膜的结构可以是单晶、多晶或非晶态，淀积单晶硅薄膜的CVD过程通常被称为外延。
CVD技术具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点。
利用CVD方这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SiO：、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等。
一：化学气相沉积方法常用的CVD方法主要有三种：常压化学汽相淀积(APCVD)、低压化学汽相淀积(LPCVIi~)和等离子增强化学汽相淀积(PECVD)．APCVD反应器的结构与氧化炉类似，如图1-1所示，该系统中的压强约为一个大气压，因此被称为常压CVD。
气相外延单晶硅所采用的方法就是APCVD。
图1-1APCVD反应器的结构示意图，LPCVD反应器的结构如图1-2所示，石英管采用三温区管状炉加热，气体由一端引入，另一端抽出，半导体晶片垂直插在石英舟上。
由于石英管壁靠近炉管，温度很高，因此也称它为热壁CVD装置，这与利用射频加热的冷壁反应器如卧式外延炉不同．这种反应器的最大特点就是薄膜厚度的均匀性非常好、装片量大，一炉可以加工几百片，但淀积速度较慢．它与APCVD的最大区别是压强由原来的1X10SPa降低到1X102Pa左右。
图1-2LPCVD反应器的结构示意图图1-3平行板型PECVD反应器的结构示意图PECVD是一种能量增强的CVD方法，这是因为在通常CVD系统中热能的基础上又增加了等离子体的能量．图1-3给出了平行板型等离子体增强CVD反应器，反应室由两块平行的金属电极板组成，射频电压施加在上电极上，下电极接地。
射频电压使平板电极之间的气体发生等离子放电。
工作气体由位于下电极附近的进气口进入，并流过放电区。
半导体片放在下电极上，并被加热到100—400；C左右．这种反应器的最大优点是淀积温度低。
原子层沉积和化学气相沉积有什么不同
原子层沉积（Atomiclayer deposition)是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。
原子层沉积与普通的化学沉积有相似之处。
原子层沉积但在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子。
单原子层沉积（atomic layerdeposition，ALD），又称原子层沉积或原子层外延（atomic layer epitaxy），最初是由芬兰科学家提出并用于多晶荧光材料ZnS:Mn以及非晶Al2O3绝缘膜的研制，这些材料是用于平板显示器。
由于这一工艺涉及复杂的表面化学过程和低的沉积速度，直至上世纪80年代中后期该技术并没有取得实质性的突破。
但是到了20世纪90年代中期，人们对这一技术的兴趣在不断加强，这主要是由于微电子和深亚微米芯片技术的发展要求器件和材料的尺寸不断降低，而器件中的高宽比不断增加，这样所使用材料的厚度降低值几个纳米数量级[5-6]。
因此原子层沉积技术的优势就体现出来，如单原子层逐次沉积，沉积层极均匀的厚度和优异的一致性等就体现出来，而沉积速度慢的问题就不重要了。
以下主要讨论原子层沉积原理和化学，原子层沉积与其他相关技术的比较，原子层沉积设备，原子层沉积的应用和原子层沉积技术的发展。
原理原子层沉积是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种方法（技术）。
当前驱体达到沉积基体表面，它们会在其表面化学吸附并发生表面反应。
在前驱体脉冲之间需要用惰性气体对原子层沉积反应器进行清洗。
由此可知沉积反应前驱体物质能否在被沉积材料表面化学吸附是实现原子层沉积的关键。
气相物质在原子层沉积基体材料的表面吸附特征可以看出，任何气相物质在材料表面都可以进行物理吸附，但是要实现在材料表面的化学吸附必须具有一定的活化能，因此能否实现原子层沉积，选择合适的反应前驱体物质是很重要的。
原子层沉积的表面反应具有自限制性（self-limiting），实际上这种自限制性特征正是原子层沉积技术的基础。
气相沉积简介
气相沉积简介CVD(Chemical Vapor Deposition,化学气相沉积），指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。
在超大规模集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备。
经过CVD处理后，表面处理膜密着性约提高30%，防止高强力钢的弯曲，拉伸等成形时产生的刮痕。
特点沉积温度低，薄膜成份易控，膜厚与淀积时间成正比，均匀性，重复性好，台阶覆盖性优良。
制备的必要条件1）在沉积温度下，反应物具有足够的蒸气压，并能以适当的速度被引入反应室；2）反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发性的；3）沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压。
PVD是英文Physical Vapor Deposition（物理气相沉积）的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。
涂层技术增强型磁控阴极弧：阴极弧技术是在真空条件下，通过低电压和高电流将靶材离化成离子状态，从而完成薄膜材料的沉积。
增强型磁控阴极弧利用电磁场的共同作用，将靶材表面的电弧加以有效地控制，使材料的离化率更高，薄膜性能更加优异。
过滤阴极弧：过滤阴极电弧(FCA )配有高效的电磁过滤系统，可将离子源产生的等离子体中的宏观粒子、离子团过滤干净，经过磁过滤后沉积粒子的离化率为100%，并且可以过滤掉大颗粒，因此制备的薄膜非常致密和平整光滑，具有抗腐蚀性能好，与机体的结合力很强。
磁控溅射：在真空环境下，通过电压和磁场的共同作用，以被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击，致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出并沉积在基件上形成薄膜。
根据使用的电离电源的不同，导体和非导体材料均可作为靶材被溅射。
离子束DLC：碳氢气体在离子源中被离化成等离子体，在电磁场的共同作用下，离子源释放出碳离子。
第六章 化学气相淀积
6.2 CVD系统
6.2 CVD系统
6.2.2 质量流量控制系统 1.质量流量计 作用：精确控制气体流量（ml/s)； 操作：单片机程序控制； 2.阀门 作用：控制气体输运；
6.2.4 CVD技术
1. APCVD（常压 CVD ） 定义：气相淀积在1个大气压下进行； 淀积机理：气相质量输运控制过程。
6.6 金属的CVD
6.4 CVD二氧化硅
6.4 CVD二氧化硅
6.4.1 CVD SiO2的方法 1. 低温CVD ①气态硅烷源 硅烷和氧气： APCVD、LPCVD、PECVD 淀积机理: SiH4+O2 ~400℃ SiO2 （固）+H2 硅烷和N2O（NO） ：PECVD 淀积机理: SiH4+N2O 200-400℃ SiO2+N2+H2O 原位掺P：形成PSG 淀积机理: PH3(g)+5O2=2P2O5(固)+6H2 优点：温度低；反应机理简单。 缺点：台阶覆盖差。
优点：淀积速率高（100nm/min）；操作简便； 缺点：均匀性差；台阶覆盖差； 易发生气相反应，产生微粒污染。 可淀积的薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄 膜。
常压化学气相淀积
6.2.4 CVD技术
2. LPCVD（低压 CVD ） 定义：在27－270Pa压力下进行化学气相淀积。 淀积机理：表面反应控制过程。
6.1.1 CVD的基本过程
①传输：反应剂从气相(平流主气流区)经附面层（边界层） 扩散到（Si）表面； ②吸附：反应剂吸附在表面； ③化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产 物； ④淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜； ⑤脱吸：副产物脱离吸附； ⑥逸出：脱吸的副产物和未反应的反应剂从表面扩散到气 相(主气流区)，逸出反应室。
硅工艺第6章_化学气相淀积习题参考答案
高温情况下hg << ks ，淀积速率 由气相质量输运速率决定； 低温情况下hg >> ks ，淀积速率受表面反应速率控制。
2 列举化学气相淀积技术的三种分类方法。
答：1）按淀积温度分：低温淀积、中温淀积； 2）按反应室内部压力分：常压淀积、低压淀积； 3）按反应室器壁温度分：冷壁式淀积、热壁式淀积； 4）按淀积反应的激活方式分：光激活、等离子体激活 等。
硅烷和氧反应
三大系统均可、氮
SiH4(气) +O2 (气)
气稀释、氧过量、 硅片加热至
SiO2(固) +2H2 (气) 250~450℃
淀积速率与温度、 氧气含量关系；需 致密化。
硅烷和N2O反应 SiH4(气) +2N2O (气)
SiO2 (固) +2N2 (气) + 2H2 (气)
PECVD系统、氩气 稀释、反应温度 200~400 ℃
Si(OC2H5)4 SiO2 + 4C2H4 + 2H2S与臭氧混合 源的SiO2淀积
LPCVD 管状热壁
反应室，淀积温度 675~695 ℃，淀积 速率25nm/min， 足够的氧气。
淀积速率与温度、 TEOS分压的关系；
保形性好。
APCVD
淀积速率显著提高； 具有非常好的保形 性，可有效填充沟 槽及金属间隙
3 简述APCVD、LPCVD、PECVD的特点。
答：
1） APCVD特点
操作简单、淀积速度较高、适合介质薄膜的淀积；易发 生气相反应，产生微粒污染，台阶覆盖性和均匀性较差； 一般由hg控制，需精确控制单位时间到达硅片表面各处 的反应剂数量，保证薄膜的均匀性。
2）LPCVD特点
化学气相沉积简介
• CVD Process Overview • PECVD Process Overview • PECVD Process Recipe And Clean Recipe Overview • PECVD Equipment Overview
CVD Process Overview
CVD Process Overview
PECVD中plasma的特点：
➢ Plasma组分：包括电子、离子、未电离的中性粒子，电离度小于0.01；属 于低温plasma（非平衡态的等离子体），电子温度(104K)>>粒子体温度 (300~500K)；
➢ Plasma中的碰撞（collision）过程： 1）弹性碰撞（elastic collision）：没有能量交换的碰撞，它是plasma 中最频繁发生的，但也是没有重要意义的碰撞； 2）非弹性碰撞（inelastic collision）：发生能量交换的，有新的成分 产生的碰撞，其中三个比较重要： ➢ 离子化（Ionization） e-+A(atom\molecule)->A++2e➢ 激发与跃迁（excitation-relaxation） e-+A(atom\molecule)->A*+eA*->A+hv(photons) ➢ 离解（dissociation） e-+AB->A+B+e-
稳定性； 缺点：设备比较复杂，需要TEOS传输系统；厚膜下容易发生discolor；
wafer整体range较大；
P1E）CVDOxPirdoec（essPOEvesrivlieawne oxide and PE TEOS oxide
化学气相淀积的基本原理
化学气相淀积的基本原理宝子们！今天咱们来唠唠化学气相淀积这个超有趣的东西哦。
化学气相淀积呢，简单来说，就像是一场超级微观世界里的魔法表演。
想象一下啊，在一个小小的反应空间里，各种气体分子就像一群调皮的小精灵，它们到处跑来跑去呢。
这里面有一些特殊的气体，它们可是这场魔法的关键角色。
比如说，我们有一些含有我们想要淀积元素的气态化合物。
这些气体被送进反应室，反应室就像是它们的大舞台啦。
这个反应室的环境是可以被精确控制的哦，就像舞台上的灯光和音效一样。
温度、压力这些条件都被调整到刚刚好。
在这个反应室里，气体分子们开始发生奇妙的反应。
那些气态化合物会在能量的作用下分解或者相互作用。
就好比小精灵们突然开始组队做游戏一样。
它们可能会丢掉一些多余的部分，然后剩下的部分就组合在一起，慢慢地在基底材料上形成一层薄膜。
这基底材料就像是小舞台的地面，是这场魔法表演的基础呢。
打个比方吧，如果我们想要淀积一层硅薄膜。
那我们可能会送进去像硅烷这种气体。
硅烷在反应室里，在高温或者其他能量的作用下，硅烷分子就开始“变魔术”啦。
它会分解出硅原子，这些硅原子就像一个个小砖头，慢慢地在基底上堆砌起来，一层一层的，最后就形成了我们想要的硅薄膜。
而且哦，这个过程还特别讲究平衡呢。
就像走钢丝一样，各种反应的速度、气体的流量都得刚刚好。
如果气体流量太大了，就像是一下子涌进来太多小精灵，它们可能会乱成一团，导致淀积出来的薄膜质量不好，可能会有很多缺陷，就像小砖头没有砌整齐一样。
要是温度控制不好呢，这个魔法表演可能就演砸了，要么反应太快，薄膜长得不均匀，要么反应太慢，等得人花都谢了还没长好。
再说说那些反应产生的副产物吧。
它们就像是表演结束后留在舞台上的杂物一样。
得想办法把它们清理出去呢，不然也会影响下一轮的魔法表演。
所以反应室里还有专门的装置来处理这些副产物，就像舞台工作人员打扫卫生一样。
化学气相淀积在很多地方都超级有用哦。
在半导体制造里，它可是大功臣。
化学气相淀积
毫米，且能大量生产； ❖ 淀积薄膜结构完整，致密，与衬底粘附性好，且台阶
覆盖性能较好； ❖ 薄膜纯度较差，一般用于制备介质膜。
CVD薄膜的应用
❖ 浅槽隔离（STI，USG） ❖ 侧墙掩蔽（Sidewall, USG） ❖ 前金属化介质层（PMD，PSG、BPSG） ❖ 金属间介质层（IMD，USG、FSG） ❖ 钝化保护层（PD，Oxide/Nitride） ❖ 抗反射涂层（ARC，SiON）
加热方式：
❖ 电阻直接加热（热壁式和冷壁式） ❖ 电感加热或高能辐射灯加热（多为冷壁式）
常用的几种CVD系统
APCVD系统（Atmospheric Pressure CVD）
❖ 操作简单；较高的淀积速率；适于介质薄膜淀积； ❖ 易发生气相反应，产生颗粒污染；台阶覆盖性和均匀性较差；一
般是质量输运控制，需精确控制各处的反应剂浓度均匀； ❖ 水平式反应系统；连续式淀积系统。
PECVD） ❖ CVD二氧化硅的方法和特点 ❖ CVD多晶硅和氮化硅的方法和特点 ❖ CVD金属的应用及钨的淀积方法
谢谢！
§6.2 化学气相淀积系统
CVD系统通常包括： ❖ 气态源或液态源 ❖气体输入管道 ❖气体流量控制 ❖反应室 ❖ 基座加热及控制系统（其他激活方式） ❖ 温度控制及测量系统 ❖ 减压系统（可选）
CVD的气体源
❖ 气态源（SiH4）
许多气体有毒、易燃、腐蚀 性强。
❖ 液态源（TEOS，TetraEthyl-Oxy-Silane）
SiH4（气）+2N2O（气） （PECVD）
SiO2（固） +2H2（气）+2N2（气）
化学气相淀积
受表面化学反应控制，精确控制衬底的温度，可得到均 匀的薄膜。
PECVD的特点
等离子体中的电子从电场中获得足够高的能量，当与反 应气体的分子碰撞时，这些分子将分解成多种成份：离子、 原子以及活性基团，这些活性基团不断吸附在基片表面上， 吸附在表面上的活性基团之间的化学反应生成薄膜层。
边界层理论
在CVD反应室中，由于其内的气体分子的平均自由程远 小于反应室的几何尺寸，可以认为气体是黏滞性流动的。
泊松流 如果假设沿主气流方向没有速度梯度，而沿垂直气流方向
的流速为抛物线型变化，这就是泊松流（如下页图所示）。
边界层
如果假设沿主气流方向没有速度梯度，而沿垂直气流方 向的流速为抛物线型变化，同时还存在反应剂浓度梯度的薄 层被称为边界层，也称为附面层、滞留层。
特点 相比于APCVD，在均匀性和台阶覆盖等方面具有优越性。
对温度比较敏感，温度相对来说较易控制，对反应室结构要求 不高，可放置较多的硅片，但具有相对低的淀积速率相对高的 工作温度。
在中等温度和真空条件下，LPCVD的淀积速率受表面 反应控制(ks<<hg）
hg D G But DGPt1otal
eg.Ptotal:1atm1torr. DG will go up 760 times at 1 torr, while δ increases by about 7 times. Thus hG will increase by about 100 times.
边界层理论
边界层的平均厚度
xL 10 Lxdx2 3 U L 1232R Le
化学气相沉积法名词解释
化学气相沉积法名词解释
化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种常用的化学气相沉积技术，用于在固体表面上沉积薄膜或纳米结构材料。
在CVD过程中，化学气体通过化学反应在固体表面上沉积出固体产物，通常在高温和大气压下进行。
CVD通常包括热CVD、等离子体增强CVD、金属有机化学气相沉积等多种形式。
在CVD过程中，通常需要提供一种或多种反应气体，这些气体在反应室中与固体表面发生化学反应，生成沉积物。
反应气体通常是一些有机物、金属有机物或卤化物，可以通过热解或氧化反应来沉积出所需的材料。
CVD技术可以用于生长碳纳米管、石墨烯、金属薄膜、氧化物薄膜等材料。
CVD技术具有许多优点，例如可以在大面积、复杂形状的基板上进行沉积，可以控制沉积薄膜的厚度和成分，并且可以在较低的温度下进行。
同时，CVD也存在一些挑战，例如需要严格控制反应条件、气体流动和温度分布，以确保沉积物的均匀性和质量。
总的来说，化学气相沉积法是一种重要的薄膜和纳米结构材料制备技术，广泛应用于半导体、光电子、纳米材料等领域。
通过
CVD技术，可以制备出具有特定性能和功能的薄膜和纳米结构材料，为现代科学技术的发展提供了重要支持。
金属有机物化学气相淀积技术(mocvd)
金属有机物化学气相淀积技术(mocvd)
金属有机物化学气相淀积技术（MOCVD）是一种重要的半导体材料制备技术，它是利用金属有机物在高温下分解产生的金属原子和有机物分子反应生成半导体材料的一种方法。
该技术具有高效、高质量、高纯度等优点，被广泛应用于半导体器件制备领域。
MOCVD技术的基本原理是将金属有机物和气体反应在高温下，使金属原子和有机物分子分解并反应生成半导体材料。
在MOCVD反应过程中，金属有机物和气体通过进入反应室中的热源，被加热至高温，使其分解产生金属原子和有机物分子。
这些金属原子和有机物分子在反应室中与半导体衬底表面上的原子结合，形成半导体材料的晶体结构。
MOCVD技术的优点在于可以制备高质量、高纯度的半导体材料。
由于金属有机物和气体在高温下反应，反应速度快，反应产物的纯度高，可以制备出高质量的半导体材料。
此外，MOCVD技术还可以制备出复杂的半导体结构，如量子阱、量子点等，这些结构对于半导体器件的性能有着重要的影响。
MOCVD技术的应用非常广泛，主要应用于半导体器件制备领域。
例如，MOCVD技术可以制备出高质量的GaN材料，用于制备高亮度LED器件；可以制备出高质量的InP材料，用于制备高速光电器件；可以制备出高质量的SiGe材料，用于制备高频器件等。
金属有机物化学气相淀积技术（MOCVD）是一种重要的半导体材料制备技术，具有高效、高质量、高纯度等优点，被广泛应用于半导体器件制备领域。
随着半导体器件的不断发展，MOCVD技术也将不断发展和完善，为半导体器件的制备提供更加高效、高质量的解决方案。
金属有机物化学气相淀积技术(mocvd)
金属有机物化学气相淀积技术(mocvd)
金属有机物化学气相淀积技术（MOCVD）是一种先进的薄膜沉积技术，该技术广泛应用于半导体、光电子学、微纳电子器件等领域。
本文将介绍MOCVD的基本概念、装置和工作
原理。
一、基本概念
MOCVD是一种基于化学气相沉积（CVD）的薄膜制备技术。
它是通过将金属有机化合物和一种载气（通常是气相环氧化物）一起运输到衬底表面，然后通过化学反应在衬底表面
形成薄膜的过程，被称为外延生长。
在MOCVD中，金属有机化合物用作先驱体，其中含有
金属元素和有机基团，这些先驱体通过热解分解，所得的金属原子将与合适量的载气反应，最终在衬底表面上沉积形成薄膜。
二、装置
MOCVD主要由以下三个部分组成：气体输送系统、反应器和衬底加热器。
气体输送系统：由先驱体和载气组成，在输送过程中需要确保混合气体的流量、浓度
和稳定性。
常用的金属有机先驱体包括三甲基金属、铝烷、氮化铝丙酮酸盐等。
反应器：主要分为扩散式和流通式两种。
扩散式反应器是将反应室分成上下两部分，
通过对反应室内载气的控制来控制底部料层温度。
流通式反应器是将气体流动通过反应器
中的周期性反应层，实现对材料均匀性的控制。
衬底加热器：这是MOCVD反应器的核心部件，其主要作用是将衬底表面升温，并保持
一个固定的温度控制，控制薄膜的生长过程。
三、工作原理
在MOCVD的过程中，衬底通过加热反应室来升温，在反应室中，混合气体流经衬底表面，这些气体中的金属元素和气相载气反应产生微观的沉积反应，这些微观沉积过程最终
组成高质量的单晶膜。
几种薄膜的化学气相淀积
常见薄膜的化学气相淀积薄膜淀积种类：导体、半导体、绝缘体物理气相淀积PVD）薄膜淀积：化学气相淀积CVD）1）APCVD（1）用硅烷淀积450-500℃ 4222SiH O SiO H +⎯⎯→+↑特点：淀积温度较低纯SiH 4,在空气中极其易燃且不稳定，所以要用氮气或氩气稀释。
台阶覆盖能力及间隙填充能力较差。
SiO 2的CVD几种主要薄膜的化学气相淀积4002543222()8810CSi OC H O SiO CO H O︒+⎯⎯⎯→++（2）TEOS-O 3法2）LPCVD 制SiO 2.（3）PSG 、BPSG 制备（1）用TEOS 制备SiO 2650750254222()810CSi OC H SiO CO H O ︒⎯⎯⎯⎯→++（2）SiH 2Cl 2-N 2O 制备SiO 290022222222C SiH Cl N O SiO HCl N ︒+⎯⎯⎯→++3）PECVD 制备SiO 2膜,350422222RF C SiH N O SiO N H ︒+⎯⎯⎯⎯→+↑+↑（1）SiH 4-N 2O 法制SiO 2膜（2）TEOS 法制SiO 2膜1）LPCVD 制备Si 3N 4薄膜7008502233423466C SiH Cl NH Si N HCl H −︒+⎯⎯⎯⎯→+↑+↑特点：有较好的台阶覆盖和较少的粒子污染，但薄膜的内应力较大，当厚度超过200nm 时，氮化硅容易出现开裂。
此外受温度的限制2）PECVD 制备Si 3N 4薄膜（1）SiH 4-NH 3制备Si 3N 4,300400432RF C x y z SiH NH Si N H H −︒+⎯⎯⎯⎯⎯→+↑Si 3N 4的CVD（2）SiH 4-N 2制备Si 3N 4,300400422RF C x y z SiH N Si N H H −︒+⎯⎯⎯⎯⎯→+↑性质LPCVD PECVD 淀积温度℃）700～800300～400组成成分Si 3N 4Si x N y H z 台阶覆盖整形共形23℃下硅上的应力达因/平方厘米）101.2-1.810⨯（）91-810⨯（）1.多晶硅的CVD 575650422CSiH Si H −︒⎯⎯⎯⎯→+↑2.金属钨的CVD 金属化窗口图形比较多晶硅与金属钨的CVD1）选择性钨做淀积钨时，采用六氟化钨WF6作为气体源，六氟化钨能与衬底窗口处的硅反应，而不与二氧化硅、氮化硅反应，所以钨可以选择性地沉积在硅接触窗口中特点：300642323CWF Si W SiF︒+⎯⎯⎯→+钨与硅有很好的接触，可以降低接触电阻。
化学气相淀积
化学气相淀积化学气相淀积(ChemicalVaporDeposition,CVD)是一种通过将其他化合物以气态状态溶解于试管中，利用热和加热力学过程将化合物变成固态沉积在某种物质表面上的方法。
CVD技术在工业中也被称为气相沉积(GPD)。
主要用于制造陶瓷、金属层和石墨烯等复杂材料，以及电子、量子级材料等。
CVD的施工过程一般包括反应气的选择、催化剂的加入、温度控制、真空装置的调节等步骤。
反应气的选择常常以某一种有机溶剂为主。
由于气相反应温度较低，容易控制，催化剂常常用来加速反应，提高沉积速率。
它们可以用各种方式加入反应流中，比如采用分子供体的方式、旋流分散的方式、熔盐的方式等。
沉积的温度是控制CVD反应的重要参数之一，它的高低会影响到CVD沉积物的性能和表面形貌。
一般而言，随着温度的升高，反应速度也会增加，沉积物一般具有较好的性能；然而，过高或过低的温度则会使沉积物变质或变性，导致性能变差。
真空系统是CVD反应的基本组成，真空度的好坏，直接关系到反应产物的质量，一般真空度可以达到10-3 Pa，以上真空度可以控制减少污染物和气体分子的含量，从而提高反应效率，避免污染。
CVD技术在多个领域有着广泛的应用，如电子设备、军事技术、量子信息学、航空航天等。
它的优势在于可以制作出高性能的薄膜、薄层或金属层，这些薄层可以用于传感器、隔振件、芯片以及太阳能电池等，有着十分重要的应用价值。
作为一项重要的技术，CVD工艺制备的材料特性复杂，其特性有时候还受到操作条件的影响，以及材料本身的性质。
目前，研究表明，特别是在室温下，CVD沉积技术可以生产出石墨烯、碳纳米管、金属和金属氧化物、有机聚合物、表面化学及涂层等，其应用可以用于新型芯片、传感器、电子器件等领域。
从现在的研究结果看，化学气相淀积技术是一种重要的技术，其中最重要的特点是可以在低温下，通过气体淀积物质，利用反应和传输过程，制造出精密薄膜、薄层和金属层，以及用于电子、量子材料等方面的材料。
化学气相沉积原理
化学气相沉积原理
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种常
用的材料制备技术，其原理是通过将气体反应物置于高温环境下，使其在表面反应生成固态材料。
CVD的过程涉及到气体
扩散、表面反应和固态生长等多个步骤。
在CVD中，首先将所需的气体反应物通过气流输送至反应室中，然后将反应室加热到目标温度。
在反应室内，反应物的分子与载气中的粒子发生碰撞，导致反应物分子的分解或活化。
这些反应物活化的分子会选择性地吸附在基底表面，形成化学键以及化学吸附物。
接着，这些已吸附的物质会发生进一步反应，形成稳定的凝聚相物质。
该物质会在基底表面上逐渐堆积，形成所需的薄膜或涂层。
CVD的反应条件包括反应温度、反应压力和反应时间等。
反
应温度是一个关键参数，因为在高温下，反应物分子能够较容易地分解活化，并在基底表面上扩散和反应。
同时，较高的反应温度有助于提高物质的扩散速率，促进薄膜的均匀生长。
反应压力也会影响反应物质的扩散速率和反应速率，较高的反应压力有助于增加分子的碰撞频率，从而加快反应速率。
然而，过高的压力也可能导致过度的分子碰撞，造成不理想的薄膜形成。
反应时间也是一个重要参数，它决定了反应物质与基底的反应程度和薄膜的厚度。
CVD技术可以用于合成各种不同材料的薄膜或涂层，例如金
属薄膜、陶瓷涂层以及半导体材料等。
通过调节反应条件和反应物组成，可以实现对薄膜的性质和组成的控制。
CVD具有
高生长速率、较高的物质利用率以及较好的薄膜均匀性等优点，因此被广泛应用于微电子、材料科学和表面工程等领域。
化学气相淀积
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CVD 化学过程
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
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3. PSG淀积
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
SiH4+O2SiO2 +2H2 4 POCL3+3O2 2P2O5 +6HCL 总反应方程式 3 SiH4＋6O2+4 POCL3 3SiO2 + 2P2O5 +12HCL
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CVD工艺优点
（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；
（2）薄膜的成分精确可控、配比范围大；
（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；
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
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膜对台阶的覆盖
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。
第6章CVD化学气相淀积
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边界层的平均厚度
μ 1/2 1 L 2 δ= ∫ δ(x)dx = L( ) ρUL L 0 3 或 δ= 2L/(3 Re) 其中 Re=ρUL/μ
Re—气体的雷诺数，表示流体运动中惯性效应与黏 滞效应的比。无量纲数。 Re﹤2000，气流为平流型—反应室中沿各表面附近 的气体流速足够慢。 Re﹥2000，为湍流。
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CVD工艺特点：
（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点或 软点。因此减轻了衬底片的热形变，减少了 玷污，抑制了缺陷生成; 设备简单，重复性 好； （2）薄膜的成分精确可控、配比范围大； （3）淀积速率一般高于PVD；厚度范围广， 由几百埃至数毫米。且能大量生产； （4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附 性好。
第六章 化学气相淀积
化学气相淀积定义：
指使一种或数种物质的气体，以某种方式激活后， 在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的 生长技术。其英文原名为 “Chemical Vapour Deposition”，简称为 “CVD”。 本章主要内容： CVD薄膜的动力学模型、常用系 统及制备常用薄膜的工艺。
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6.1 CVD模型
6.1.1 CVD的基本过程 图6.1 1.主要步骤 反应剂气体→反应室内（主气流区） →通过边界层 到达衬底表面（扩散方式） →成为吸附原子→在衬 底表面发生化学反应，淀积成薄膜。 2.满足条件 在淀积温度下，反应剂必须具备足够高蒸汽压。 除淀积物外，反应的其他产物必须是挥发性的。 淀积物具有足够低的蒸汽压。 薄膜淀积所用时间尽量短。 淀积温度足够低 化学反应的气态副产物不能进入薄膜中。 化学反应发生在被加热的衬底表面。
CVD
化学气相沉积中文名称：化学气相沉积英文名称：chemical vapor deposition其他名称：CVD法(CVD)定义：用化学方法使气体在基体材料表面发生化学反应并形成覆盖层的方法。
应用学科：机械工程（一级学科）；表面工程（二级学科）；气相沉积（三级学科）定义化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。
它本质上属于原子范畴的气态传质过程。
与之相对的是物理气相沉积（PVD）。
应用现代科学和技术需要使用大量功能各异的无机新材料，这些功能材料必须是高纯的，或者是在高纯材料中有意地掺人某种杂质形成的掺杂材料。
但是，我们过去所熟悉的许多制备方法如高温熔炼、水溶液中沉淀和结晶等往往难以满足这些要求，也难以保证得到高纯度的产品。
因此，无机新材料的合成就成为现代材料科学中的主要课题。
化学气相淀积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。
化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态天机薄膜材料。
这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。
目前，化学气相淀积已成为无机合成化学的一个新领域。
特点1)在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。
2)可以在常压或者真空条件下(负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好)。
3)采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。
4)涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。
5)可以控制涂层的密度和涂层纯度。
6)绕镀件好。
可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。
适合涂覆各种复杂形状的工件。
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❖ 电阻直接加热（热壁式和冷壁式） ❖ 电感加热或高能辐射灯加热（多为冷壁式）
常用的几种CVD系统
APCVD系统（Atmospheric Pressure CVD）
❖ 操作简单；较高的淀积速率；适于介质薄膜淀积； ❖ 易发生气相反应，产生颗粒污染；台阶覆盖性和均匀性较差；一
般是质量输运控制，需精确控制各处的反应剂浓度均匀； ❖ 水平式反应系统；连续式淀积系统。
LPCVD系统（Low Pressure CVD）
❖ 污染小；均匀性和台阶覆盖性较好；一般是表面反应控制，精确控 制温度比较容易；
❖ 气缺现象；较低的淀积速率；较高的淀积温度； ❖ 立式淀积系统；管式淀积系统。
PECVD系统（Plasma Enhanced CVD）
❖ 相对最低的淀积温度，最高的淀积速率；淀积的薄膜具 有良好的附着性、低针孔密度、良好的阶梯覆盖、良好 的电学特性、可以与精细图形转移工艺兼容；
X=0
X=L
U
y
? (x) x
dx
L
Grove模型
❖ F1=hg(Cg-Cs) ❖ F2=ksCs ❖ Cs=Cg/(1+ks/hg)
G F kshg Cg N1 ks hg N1
气体
薄膜
Cg Cs
❖ Ks<< hg时，表面反应控制： G= (Cg ks ) /N1
hg << Ks时，质量输运控制： G= (Cg hg ) /N1
§6.2 化学气相淀积系统
CVD系统通常包括： ❖ 气态源或液态源 ❖气体输入管道 ❖气体流量控制 ❖反应室 ❖ 基座加热及控制系统（其他激活方式） ❖ 温度控制及测量系统 ❖ 减压系统（可选）
CVD的气体源
❖ 气态源（SiH4）
许多气体有毒、易燃、腐蚀 性强。
❖ 液态源（TEOS，TetraEthyl-Oxy-Silane）
化学反应，将导致过早核化，降低薄膜的附着性和密度， 增加缺陷。
边界层理论
❖ 黏滞性流动：当气压较高时（平均自由程远小于反应室尺寸），
气体与固体间的摩擦力使紧贴固体表面的气流速度降为零，如果沿 气流方向没有速度梯度，而沿垂直气流方向的流速为抛物线型变化， 则称为泊松流。
❖ 边界层（附面层、滞流层）概念：当气体流过硅片表面时，
❖ 设备较复杂，影响因素多：温度、气流速度、压力、射 频功率等；可能的污染较多；
❖ 冷壁平行板；热壁平行板。
§6.3 CVD多晶硅的特性和淀积方法
❖ 多晶硅的性质
多晶硅=单晶硅颗粒（100nm数量级）+晶粒间界
相同掺杂浓度下，晶粒尺寸大的薄结构中的多晶硅栅；局部互连材料；多晶硅发射极
F1
F2
❖ 决定ks的主要因素：温度
ks＝k0exp(-EA/kT)
❖ 决定hg的主要因素：气体流速，气体成分，系统压力
hg=Dg/δs；
(x) x/U
所以为了保证统一的淀积速率，就必须： ❖ 对于表面反应控制，保持处处恒定的温度 ❖ 对于质量输运控制，保持处处恒定的反应剂浓度
淀积速率与温度的关系
浅槽隔离（STI）
侧墙掩蔽
§6.1 CVD模型
CVD的基本过程
❖ 反应剂在主气流中的输送； ❖ 反应剂从主气流中扩散通过边界层到达衬底表面； ❖ 反应剂在表面被吸附； ❖ 吸附的反应剂在表面发生反应，淀积成膜； ❖ 反应的副产物和未反应剂离开衬底表面，排除。
主气流区
反应室
气流入口
边界层
气流出口
CVD的基本概念
化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition）： ——把含有构成薄膜元素的气态反应剂或者液态反应剂的 蒸气，以合理的流速引入反应室，并以某种方式激活后 在衬底表面发生化学反应并在淀积成膜的一种方法。
CVD氧化膜与热生长氧化膜
CVD的工艺特点
❖ CVD成膜温度远低于衬底的熔点或软点，减轻了对衬 底的热形变，减少了沾污，抑制了缺陷的生成，减轻 了杂质的再分布，适合于制造浅结分离器件及VLSI电 路，而且设备简单，重复性好；
硅片 基座及加热装置
能用于CVD的化学反应必须满足的条件
❖ 淀积温度下，反应剂必须具备足够高的蒸气压； ❖ 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气压； ❖ 化学反应速率必须足够快以缩短淀积时间； ❖ 淀积温度必须足够低以避免对先前工艺产生影响； ❖ 化学反应应该发生在被加热的衬底表面，如果在气相发生
存在着一个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，也称为附面层、滞流层。
❖ 边界层厚度：
(x) x/U
气流
2L/(3 Re)
❖ 雷诺数：
Re= ρUL / μ
雷诺数表示流体运动中惯性效应与粘滞 效应的比值，Re较低时，气流为平流 型，Re较大时，气流为湍流型
平流层 边界层
液体气压低，危险性小，运 输方便，淀积的薄膜特性好。
❖ 冒泡法（温度） ❖加热液态源 ❖ 液态源直接注入法
冒泡法液态源
CVD中常采用的源
CVD反应室热源
CVD反应室热源：
❖ 热壁式：Tw=Ts，气流稳定，结构简单，侧壁淀积严重； ❖ 冷壁式： Tw<Ts，侧壁淀积少，降低了颗粒剥离的污染，
减少了反应剂的损耗
❖ 化学气相淀积多晶硅
热壁式LPCVD：
SiH4(吸附)
580~650℃ 分解
Si(固)+2H2(气)
❖ 淀积条件对多晶硅结构及淀积速率的影响
淀积温度、压力、掺杂类型、热处理
§6.4 CVD二氧化硅的特性和淀积方法
❖ 低温CVD SiO2 （300~450℃）
1）硅烷为源的低温CVD SiO2
SiH4（气）+O2（气） SiO2（固） +2H2（气） （APCVD）
❖ 薄膜的成分精确可控，配比范围大； ❖ 淀积速率一般高于PVD，厚度范围广，由几百埃到数
毫米，且能大量生产； ❖ 淀积薄膜结构完整，致密，与衬底粘附性好，且台阶
覆盖性能较好； ❖ 薄膜纯度较差，一般用于制备介质膜。
CVD薄膜的应用
❖ 浅槽隔离（STI，USG） ❖ 侧墙掩蔽（Sidewall, USG） ❖ 前金属化介质层（PMD，PSG、BPSG） ❖ 金属间介质层（IMD，USG、FSG） ❖ 钝化保护层（PD，Oxide/Nitride） ❖ 抗反射涂层（ARC，SiON）