化学气相淀积全解

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Grove模型
F1=hg(Cg-Cs)
F2=ksCs Cs=Cg/(1+ks/hg)
Cg Cs
气体
薄膜
ks hg Cg F G N1 ks hg N1
Ks<< hg时，表面反应控制：
F1
F2
G= (Cg ks ) /N1
hg << Ks时，质量输运控制：
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 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。
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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，
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。
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浅槽隔离（STI）
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侧墙掩蔽
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§6.1 CVD模型
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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；
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。
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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）
Chap.6 化学气相淀积（CVD）
CVD的基本概念、特点及应用
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CVD的基本模型及控制因素
CVD系统的构成和分类
CVD SiO2的特性和方法 CVD多晶硅和氮化硅的方法
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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。
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CVD氧化膜与热生长氧化膜
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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； 薄膜的成分精确可控，配比范围大；
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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；
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边界层厚度：
( x) x / U
气流
平流层 边界层 X=0 X=L U ?(x) dx L
2L /(3 Re )
y
x
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
G= (Cg hg ) /N1
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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
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淀积速率与温度的关系
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§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）
冒泡法液态源
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CVD中常采用的源
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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
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）
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CVD的气体源
气态源（SiH4）
许多气体有毒、易燃、腐蚀 性强。
冒泡法（温度） 液态源（TEOS，TetraEthyl-Oxy-Silane）
液体气压低，危险性小，运 输方便，淀积的薄膜特性好。
加热液态源 液态源直接注入法
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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 硅片 基座及加热装置
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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；
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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。