化学气相沉积(CVD)原理及其薄膜制备33页PPT
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化学气相沉积法ppt课件
应用：在制备半导体、氧化物、氮化物、碳化物 纳米薄膜材料中得到广泛应用。
反应温度：大约为900～2000℃，它取决于沉积 物的特性。
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2
中温CVD(MTCVD)：典型反应温度大约为 500～800℃，它通常是通过金属有机化 合物在较低温度的分解来实现的，所以又 称金属有机化合物CVD(MOCVD)。
①常压CVD法； ②低压CVD法； ③热CVD法； ④等离子CVD法； ⑤间隙CVD法； ⑥激光CVD法； ⑦超声CVD法等。
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14
(C)CVD的流程与装置
基本组成：原料气体和载气的供给源气体的混合 系统、反应炉、废气系统及气体、反应炉的控 制系统。
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15
高压气体：以高纯度的为好，一般大多使用载气， 因为都要通过气体精制装置进行纯化。特别是 必须十分注意除去对薄膜性质影响极大的水和 氢。
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5
CVD反应体系应满足的条件：
(a)在沉积温度下反应物应保证足够的压力，以 适当的速度引入反应室。
(b)除需要的沉积物外，其他反应产物应是挥发 性的。
(c)沉积薄膜本身必须具有足够的蒸汽压，保证 沉积反应过程始终在受热的基片上进行，而基 片的蒸汽压必须足够低。
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6
(B)CVD的特点
CVD法析出的化合物形状的决定因素：反应温度、 有助于反应的不同化学物质的过饱和度、在反 应温度时的成核速率等。
为了得到优质的薄膜，必须防止在气相中由气相-
气相反应生成均相核，即应首先设定在基片表
面促进成核的条件。 精选ppt
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(B)CVD的种类 分类标准：发生化学反应的参数和方法
2、化学气相沉积法(CVD) 3、溶胶凝胶法
反应温度：大约为900～2000℃，它取决于沉积 物的特性。
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中温CVD(MTCVD)：典型反应温度大约为 500～800℃，它通常是通过金属有机化 合物在较低温度的分解来实现的，所以又 称金属有机化合物CVD(MOCVD)。
①常压CVD法； ②低压CVD法； ③热CVD法； ④等离子CVD法； ⑤间隙CVD法； ⑥激光CVD法； ⑦超声CVD法等。
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(C)CVD的流程与装置
基本组成：原料气体和载气的供给源气体的混合 系统、反应炉、废气系统及气体、反应炉的控 制系统。
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高压气体：以高纯度的为好，一般大多使用载气， 因为都要通过气体精制装置进行纯化。特别是 必须十分注意除去对薄膜性质影响极大的水和 氢。
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CVD反应体系应满足的条件：
(a)在沉积温度下反应物应保证足够的压力，以 适当的速度引入反应室。
(b)除需要的沉积物外，其他反应产物应是挥发 性的。
(c)沉积薄膜本身必须具有足够的蒸汽压，保证 沉积反应过程始终在受热的基片上进行，而基 片的蒸汽压必须足够低。
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(B)CVD的特点
CVD法析出的化合物形状的决定因素：反应温度、 有助于反应的不同化学物质的过饱和度、在反 应温度时的成核速率等。
为了得到优质的薄膜，必须防止在气相中由气相-
气相反应生成均相核，即应首先设定在基片表
面促进成核的条件。 精选ppt
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(B)CVD的种类 分类标准：发生化学反应的参数和方法
2、化学气相沉积法(CVD) 3、溶胶凝胶法
化学气相淀积PPT课件
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）
天津工业大学 集成电路工艺原理
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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；
第9页/共42页
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
天津工业大学 集成电路工艺原理
边界层
第10页/共42页
淀积温度、压力、掺杂类型、热处理
天津工业大学 集成电路工艺原理
第27页/共42页
§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） （APCVD）
SiO2（固） +2H2（气）
SiH4（气）+2N2O（气） +2N2（气） （PECVD）
天津工业大学 集成电路工艺原理
第11页/共42页
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。
化学气相沉积(CVD)PPT演示课件
growth of Si films.（歧化反应）
16
6）可逆输运
采用氯化物工艺沉积GaAs单晶薄膜，InP，GaP， InAs，(Ga, In)As, Ga(As, P)
As 4(g) As 2(g) 6GaCl(g) 3H2(g) 87 5500 oo CC 6GaAs(s) 6HCl (g)
5
Schematic diagram of the chemical, transport, and geometric6 al complexities involved in modeling CVD processes.
一、反应类型
主要反应类型：
热分解反应（Pyrolysis）
还原反应（Reduction）
11
3) 氧化反应(Oxidation)
SiH4(g) +O2(g) 450oCSiO2(s) +2H2(g) 2AlCl3(g) 3H2(g) +3CO2(g) 1000oC Al2O3(s) +3CO(g) +6HCl(g) SiCl4(g) +O2(g) +2H2(g) 1500oCSiO2(s) +4HCl(g)
当挥发性金属可以形成具有在不同温度范围内 稳定性不同的挥发性化合物时，有可能发生歧 化反应。
2GeI
2
(
g
)
300 oC 600 oC
Ge
(
s)
GeI
4
(
g
)
金属离子呈现两种价态，低价化合物在高温下 更加稳定。
15
Байду номын сангаас
Early experimental reactor for epitaxial
化学气相沉积ppt课件
四、CVD的现状和展望
➢气相沉积膜附着力强，厚度均匀，质量好， 沉积速率快，选材广，环境污染轻，可以 满足许多现代工业、科学发展提出的新要 求，因而发展相当迅速。它能制备耐磨膜、 润滑膜、耐蚀膜、耐热膜、装饰膜以及磁 性膜、光学膜、超导膜等功能膜，因而在 机械制造工业电子、电器、通讯、航空航 天、原子能、轻工等部门得到广泛的应用。
1〕足够高的温度：气体与机体表面作用、反应沉积时 需要一定的激活能量，故CVD要在高温下进行。当然， 以等离子体、激光提过激活能量，可降低反应的温度。
2〕反应物必须有足够高的蒸气压。 3〕除了要得到的固态沉积物外，化学反应的生成物都 必须是气态。
4〕沉积物本身的饱和蒸气压应足够低。
2、CVD过程 反应气体向基体表面扩散 反应气体吸附于基体表面
微波等离子体
脉冲等离子体
直流等离子体法(DCPCVD)
• 利用直流电等离子体激活化学反应，进行气相沉 积的技术。
1-真空室 2-工作台 3-电源和控
制系统 4-红外测温仪
5-真空计 6-机械泵
DCPCVD装置示意图
射频等离子体法(RFPCVD)
• 利用射频辉光放电产生的等离子体激活化 学反应进行气相沉积的技术。
• 绝缘薄膜的PCVD沉积 在低温下沉积氮化硅、 氧化硅或硅的氮氧化物一类的绝缘薄膜，对于超 大规模集成芯片〔VLSI〕的生产是至关重要的。
• 非晶和多晶硅薄膜的PCVD沉积 • 金刚石和类金刚石的PCVD沉积 • 等离子体聚合 等离子体聚合技术正越来越广泛
的应用于开发具有界电特征、导电特性、感光特 性、光电转换功能或储存器开关功能的等离子体 聚合膜和一些重要的有机金属复合材料。
活体粒子在基体表面发 生化学反应，形成膜 层
化学气相沉积(CVD)原理及其薄膜制备ppt课件
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X.M. Meng et al. / Vacuum 82 (2008) 543–546
MOCVD制备FeSn合金薄膜
➢ anticorrosion protection ➢ solar energy devices ➢ magnetic tape
Reactor: cold-wall lamp-heated MOCVD (0.06 Torr) Substrate: n-type Si (100) wafer (300–420 ℃) Precursor: CpFe(CO)2(SnMe3)
APCVD制备MoSe2薄膜
➢ solid-state lubricant ➢ cathode material for high energy density batteries ➢ one of the most efficient systems for electrochemical solar energy conversion
沉
质量输运控制
气
积
体
温
流
度
速
的
的
影 热力学控制
影
响
动力学控制 响
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CVD技术分类(沉积过程能量提供方式)
热活化CVD (conventional CVD, low pressure CVD) 等离子体增强CVD (plasma enhanced CVD) 光CVD (photo-assisted CVD) 原子层沉积 (atomic layer epitaxy) 金属有机CVD (metal-organic CVD) 脉冲注入金属有机CVD (pulsed injection MOCVD) 气溶胶CVD (aerosol assisted CVD) 火焰CVD (flame assisted CVD ) 电化学CVD (electrochemical VD) 化学气相渗透 (chemical vapor infiltration) 热丝CVD (hot-wire CVD)
第六章化学气相淀积CVD课件
A.低温气相化学淀积<500℃: 1). 硅烷为源的低温CVD SiO2:
LPCVD ：250~450 ℃
SiH4(气)＋O2 (气) →SiO2(固)＋2H2 (气)
PECVD： 200~400 ℃
SiH4↑＋2N2O↑→SiO2(固)＋2H2↑＋2N2↑ 温度、压力、反应剂浓度、掺杂及反应腔
形状都影响淀积速度。 (200~500nm/min)
产生影响 CVD不允许化学反应的气态副产物进入薄膜 化学反应应该发生在被加热的衬底表面
6.2 CVD系统
常压化学气相淀积APCVD 低压化学气相淀积LPCVD 等离子体辅助化学气相淀积
常压化学气相淀积APCVD
最早使用的CVD系统，早期是用来淀积氧化 层和生长硅外延层，现今仍在使用。
反应方程式：SiH4 → Si+2H2 550~650℃ 由N2或Ar携带SiH4 20％＋ N2 80％
淀积速率：100~200Å/min
6.3 .4多晶硅的掺杂
扩散掺杂 离子注入掺杂 原位掺杂
扩散掺杂
在淀积完成后，在较高温度（900-1000℃）下 进行
优点：
获得较低的电阻率 因扩散的温度高可以一步完成掺杂和退火两个工艺
PECVD优点
低的工艺温度（250-450℃） 淀积的膜对衬底有优良的粘附能力 高的淀积速率 少的针孔和空洞，高的膜密度 适用于布线隔离
Si3N4: SiH2Cl2 +NH3 PSG: SiH4 +PH3 +O2
高密度等离子体化学气相淀积 HDPCVD
这种方法在20世纪90年代中期被广泛采用 的，其等离子体在低压下以高密度混合气 体的形式直接接触到反应腔中硅片的表面
LPCVD ：250~450 ℃
SiH4(气)＋O2 (气) →SiO2(固)＋2H2 (气)
PECVD： 200~400 ℃
SiH4↑＋2N2O↑→SiO2(固)＋2H2↑＋2N2↑ 温度、压力、反应剂浓度、掺杂及反应腔
形状都影响淀积速度。 (200~500nm/min)
产生影响 CVD不允许化学反应的气态副产物进入薄膜 化学反应应该发生在被加热的衬底表面
6.2 CVD系统
常压化学气相淀积APCVD 低压化学气相淀积LPCVD 等离子体辅助化学气相淀积
常压化学气相淀积APCVD
最早使用的CVD系统，早期是用来淀积氧化 层和生长硅外延层，现今仍在使用。
反应方程式：SiH4 → Si+2H2 550~650℃ 由N2或Ar携带SiH4 20％＋ N2 80％
淀积速率：100~200Å/min
6.3 .4多晶硅的掺杂
扩散掺杂 离子注入掺杂 原位掺杂
扩散掺杂
在淀积完成后，在较高温度（900-1000℃）下 进行
优点：
获得较低的电阻率 因扩散的温度高可以一步完成掺杂和退火两个工艺
PECVD优点
低的工艺温度（250-450℃） 淀积的膜对衬底有优良的粘附能力 高的淀积速率 少的针孔和空洞，高的膜密度 适用于布线隔离
Si3N4: SiH2Cl2 +NH3 PSG: SiH4 +PH3 +O2
高密度等离子体化学气相淀积 HDPCVD
这种方法在20世纪90年代中期被广泛采用 的，其等离子体在低压下以高密度混合气 体的形式直接接触到反应腔中硅片的表面
第六章化学气相沉积.ppt
如果用N1表示形成一个单位体积薄膜所需要的原子数量(原子/cm3)，在稳态情 况下，F＝Fl＝F2，薄膜淀积速率G就可表示为
G F kshg Cg N1 ks hg N1
在多数CVD过程中，反应剂被惰性气体稀释，气体中反应剂的浓度Cg定义为 Cg YCT
其中，Y是气相中反应剂的摩尔百分比，而CT是单位体积中气体分子数，得 到Grove模型的薄膜淀积速率的一般表达式
边界层：气流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，称为边界层、附面层、滞流层。
边界层厚度δ(x)：定义为从速度为零的硅片表 面到气流速度为0.99 Um的区域厚度。
δ(x)与距离x之间的关系可以表示为
1
δ(x)
μx ρU
2
其中，μ是气体的黏滞系数，ρ为气体的密度，
图中的虚线是气流速度U达到主气流速度Um的 99％的连线，也就是边界层的边界位置。
设L为基片的长度，边界层的平均厚度可以表示为
1
L
(x)dx
2L(
1
)2
L0
3 UL
或者 2L
ห้องสมุดไป่ตู้3 Re
其中
Re UL
Re为气体的雷诺数，无量纲，它表示流体运动中惯性效应与黏滞效应的比。
两种极限情况：
①当hg>>ks时，Cs趋向于Cg，从主气流输运到硅片表面的反应剂数量大于在 该温度下表面化学反应需要的数量，淀积速率受表面化学反应速率控制。
②当hg<<ks时， Cs趋向于0，表面化学反应所需要的反应剂数量大于在该温 度下由主气流输运到衬底表面的数量，淀积速率受质量输运速率控制。
G F kshg Cg N1 ks hg N1
在多数CVD过程中，反应剂被惰性气体稀释，气体中反应剂的浓度Cg定义为 Cg YCT
其中，Y是气相中反应剂的摩尔百分比，而CT是单位体积中气体分子数，得 到Grove模型的薄膜淀积速率的一般表达式
边界层：气流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，称为边界层、附面层、滞流层。
边界层厚度δ(x)：定义为从速度为零的硅片表 面到气流速度为0.99 Um的区域厚度。
δ(x)与距离x之间的关系可以表示为
1
δ(x)
μx ρU
2
其中，μ是气体的黏滞系数，ρ为气体的密度，
图中的虚线是气流速度U达到主气流速度Um的 99％的连线，也就是边界层的边界位置。
设L为基片的长度，边界层的平均厚度可以表示为
1
L
(x)dx
2L(
1
)2
L0
3 UL
或者 2L
ห้องสมุดไป่ตู้3 Re
其中
Re UL
Re为气体的雷诺数，无量纲，它表示流体运动中惯性效应与黏滞效应的比。
两种极限情况：
①当hg>>ks时，Cs趋向于Cg，从主气流输运到硅片表面的反应剂数量大于在 该温度下表面化学反应需要的数量，淀积速率受表面化学反应速率控制。
②当hg<<ks时， Cs趋向于0，表面化学反应所需要的反应剂数量大于在该温 度下由主气流输运到衬底表面的数量，淀积速率受质量输运速率控制。
第六讲_化学气相沉积(CVD)技术ppt课件
aAbB cC
其自由能的变化为
G cGC aGA bGB
其中，a、b、c 是反应物、反应产物的摩尔数。由此
G
G
RTln
aCc aAa aBb
G RTlnK
ai 为物质的活度，它相当于其有效浓度。G是反应的标 准自由能变化。
由G，可确定 CVD 反应进行的方向。
例: CVD 过程的热力学考虑
例如，考虑下述的薄膜沉积反应的可能性
(1400C)
化学气相沉积反应的类型
气相输运
如将某一物质先在高温处升华
2CdTe(s)2Cd(g)+Te2(g) 然后使其在低温处冷凝的可逆反应
(T1, T2 )
显然，这实际上是一种利用物理现象的 PVD 过程，但它在 设备、物质传输及反应的热力学、动力学分析方面却完全与 CVD 过程相类似
就象沉积太阳能电池CdTe薄膜的密闭容器升华技术 (Close-Spaced Sublimation，CSS)
化学气相沉积的气压环境
与 PVD 时不同，CVD 过程的气压一般 比较高（随需求不同而不同），因为较高的 气压有助于提高薄膜的沉积速率。此时
气体的流动状态多处于粘滞流状态 气体分子的运动路径不再是直线 气体分子在衬底上的沉积几率不再是接近
100%，而是取决于气压、温度、气体组成、 气体激发状态、薄膜表面状态等多个因素 这也决定了 CVD 薄膜可被均匀地涂覆在复 杂零件的表面，而较少受到 PVD 时阴影效 应的影响
第六讲
薄膜材料的CVD方法
Preparation of thin films by CVD methods
提要
CVD 过程中典型的化学反应 CVD 过程的热力学 CVD 过程的动力学 CVD 过程的数值模拟技术 CVD 薄膜沉积装置
第6章CVD化学气相淀积ppt课件
低气压下反应剂容易凝聚。 工艺改进：直接气化系统，液态源直接注入法
6.2.2 质量流量控制系统—直接控制气流流量 包括质量流量计和阀门，位于气体源和反应室之间 每分钟1cm3的气体流量—温度为273K、1个标准大气
压下，每分钟通过体积的1cm3气体。 6.2.3 CVD反应室的热源 热壁式CVD系统：TW=TS 冷壁式CVD系统：TW﹤TS
薄膜淀积过程存在两种极限情况：
①hg﹥﹥ks， Cs趋向于Cg，淀积速率受表面化学反应速率控制。 反应剂数量：主气流输运到硅片表面的﹥表面化学反应所需 要的
② hg﹤﹤ks， Cs趋于0，淀积速率受质量输运速率控制。反应 剂数量：表面化学反应所需要的﹥主气流输运到硅片表面的
N1-单位体积薄膜所需要的原子数量（原子/cm3）
PWS－5000： SiH4+O2=SiO2 +H2 O 100mm：10片， 125mm:8片 Time:15min Temp:380~450℃ 6℃ 厚度均匀： < 5％
2.低压化学气相淀积
5
特点：气压较低〔133.3Pa），淀积速率受表面反应控制，
要精确控制温度（±0.5°C）,保证各个硅片表面上的反应
2.淀积速率与气流速率的关系 如图6.7 条件：质量输运速率控制 根据菲克第一定律和式6.5推导，得到
hg=Dg/δg
hgL Dg
=
3 Re 2
气流速率﹤1.0L/min，淀积速率与主气流速度Um的 平方根成正比。↑气流速率，可以↑淀积速率。 气流速率持续↑，淀积速率达到一个极大值，与气 流速率无关。 气流速率大到一定程度，淀积速率转受表面化学反 应速率控制，且与温度遵循指数关系。
薄膜淀积速率G=
F1 N1
6.2.2 质量流量控制系统—直接控制气流流量 包括质量流量计和阀门，位于气体源和反应室之间 每分钟1cm3的气体流量—温度为273K、1个标准大气
压下，每分钟通过体积的1cm3气体。 6.2.3 CVD反应室的热源 热壁式CVD系统：TW=TS 冷壁式CVD系统：TW﹤TS
薄膜淀积过程存在两种极限情况：
①hg﹥﹥ks， Cs趋向于Cg，淀积速率受表面化学反应速率控制。 反应剂数量：主气流输运到硅片表面的﹥表面化学反应所需 要的
② hg﹤﹤ks， Cs趋于0，淀积速率受质量输运速率控制。反应 剂数量：表面化学反应所需要的﹥主气流输运到硅片表面的
N1-单位体积薄膜所需要的原子数量（原子/cm3）
PWS－5000： SiH4+O2=SiO2 +H2 O 100mm：10片， 125mm:8片 Time:15min Temp:380~450℃ 6℃ 厚度均匀： < 5％
2.低压化学气相淀积
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特点：气压较低〔133.3Pa），淀积速率受表面反应控制，
要精确控制温度（±0.5°C）,保证各个硅片表面上的反应
2.淀积速率与气流速率的关系 如图6.7 条件：质量输运速率控制 根据菲克第一定律和式6.5推导，得到
hg=Dg/δg
hgL Dg
=
3 Re 2
气流速率﹤1.0L/min，淀积速率与主气流速度Um的 平方根成正比。↑气流速率，可以↑淀积速率。 气流速率持续↑，淀积速率达到一个极大值，与气 流速率无关。 气流速率大到一定程度，淀积速率转受表面化学反 应速率控制，且与温度遵循指数关系。
薄膜淀积速率G=
F1 N1
化学气相沉积技术PPT课件
ZnSeI2(g) T2Zn2I(g)12Se2(g)
Z
n
SeI2(g) T1Z
1 n2I(g)2Se2(g)
.
14
由上述分析，可以归纳出封管法的优点：
⑴. 可降低来自外界的污染 ⑵.不必连续抽气即可保持真空 ⑶.原料转化率高
封管法也有其自身的局限性，有如下几点：
⑴.材料生长速率慢,不利于大批量生产 ⑵.有时反应管只能使用一次,沉积成本较高 ⑶.管内压力测定困难,具有一定的危险性
快热CVD(RTCVD)
金属有机物CVD(MOCVD
.
5
化学气相沉积技术的发展历程
20世纪50年代 主要用于道具
涂层
古人类在取暖 或烧烤时在岩 洞壁或岩石上 的黑色碳层
20世纪60-70 年代用于集成
电路
近年来PECVD 、LPCVD等高
速发展
.
80年代低压 CVD成膜技术 成为研究热潮
6
原理：CVD是利用气态物质在固体表面进 行化学反应，生成固态沉积物的过程。
化学气相沉积技术
.
1
目录
❖ 化学气相沉积技术的基本概念
Ⅰ.化学气相沉积技术的定义 Ⅱ.化学气相沉积技术的分类 Ⅲ.化学气相沉积技术的发展历程 Ⅳ.化学气相沉积技术的基本原理
❖ 化学气相沉积技术的基本理论
Ⅰ.CVD技术 Ⅱ.CVD制备材料的生长机制 Ⅲ.化学气相沉积的反应过程
❖ CVD技术在实验室的应用
三个步骤
3.挥发性物质
在基体上发生 化学反应
2.将挥发性物质
1.产生挥发
运到沉积区
性物质
.
7
CVD是建立在化学反应基础上的，要制备 特定性能材料首先要选定一个合理的沉积反 应。用于CVD技术的通常有如下所述六种反应 类型。
《薄膜CVD技术》PPT课件
艺作用
是一种近于电中性的半导体材料； 与Si的界面上的界面态少；
有独特机理的表面钝化作用： a）表面离子沾污的静电屏蔽
30
b）提高器件的耐压水平
利用SIPOS膜的微弱导电性，p+区所加的负电位传 到n区的表面；与SiO2膜中的正电荷作用相反， 这种负电位使Si表面附近的电子浓度减少，从 而使耗尽区的表面电场被削弱。
Metal
Film deposited with PECVD creates pinch-off at the entrance to a gap resulting in a void in the gap fill.
1) Ion-induced deposition of film precursors Cap
物，并沉积在衬底表面（或原子迁移到晶格 位置）
5）反应副产物分子从衬底表面解吸 6）副产物分子由衬底表面外扩散到主气流
中，然后排出沉积区
10.1.2. Grove模型 和质量附面层模型 Grove模型 : F1=hG(CG-CS) F2=kSCS G=F/m =[kShG/(kS+hG)](CT/ m)Y
之一。
24
25
氮化硅有结晶化形和无定形两种 在器件中常希望无定形氮化硅（？）
用反应溅射法等物理方法和低温CVD法 可以制备无定形氮化硅膜，但以CVD为好。
（？）
常用PECVD法： 3SiH2Cl2+7NH3——Si3N4+3NH4Cl+HCl+6H2
用SiH2Cl2比用SiH4生长的膜致密。
26
8
CVD原理的特点？
10.2. CVD反应室
气相沉积的反应控制模式主要为质量输运 控制和表面反应控制。
是一种近于电中性的半导体材料； 与Si的界面上的界面态少；
有独特机理的表面钝化作用： a）表面离子沾污的静电屏蔽
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b）提高器件的耐压水平
利用SIPOS膜的微弱导电性，p+区所加的负电位传 到n区的表面；与SiO2膜中的正电荷作用相反， 这种负电位使Si表面附近的电子浓度减少，从 而使耗尽区的表面电场被削弱。
Metal
Film deposited with PECVD creates pinch-off at the entrance to a gap resulting in a void in the gap fill.
1) Ion-induced deposition of film precursors Cap
物，并沉积在衬底表面（或原子迁移到晶格 位置）
5）反应副产物分子从衬底表面解吸 6）副产物分子由衬底表面外扩散到主气流
中，然后排出沉积区
10.1.2. Grove模型 和质量附面层模型 Grove模型 : F1=hG(CG-CS) F2=kSCS G=F/m =[kShG/(kS+hG)](CT/ m)Y
之一。
24
25
氮化硅有结晶化形和无定形两种 在器件中常希望无定形氮化硅（？）
用反应溅射法等物理方法和低温CVD法 可以制备无定形氮化硅膜，但以CVD为好。
（？）
常用PECVD法： 3SiH2Cl2+7NH3——Si3N4+3NH4Cl+HCl+6H2
用SiH2Cl2比用SiH4生长的膜致密。
26
8
CVD原理的特点？
10.2. CVD反应室
气相沉积的反应控制模式主要为质量输运 控制和表面反应控制。
用化学气相沉积CVD法制备薄膜材料PPT课件
2HgS
(
s)
2I
2
(
g
Hale Waihona Puke )T2 T12Hg
(
g
)
S2
(
g
)
第11 11页/共41页
等离子体增强反应：
在低真空条件下，利用RF、MW或ECR等方法实现气体辉光放电在沉积反 应器中产生等离子体。由于等离子体中正离子、电子和中性反应分子相互 碰撞，可以大大降低沉积温度。例如硅烷和氨气的反应在通常条件下，约 在850℃左右反应并沉积氮化硅，但在等离子体增强反应的条件下，只需在 350℃左右就可以生成氮化硅。
LPCVD是在压力降低到大约100Torr(1Torr=133.332Pa)以下的一种CVD反应。 由于低压下分子平均自由程增加，气态反应剂与副产品的质量传输速度加快，
从而使形成沉积薄膜材料的反应速度加快，同时气体分布的不均匀性在很短 时间内可以消除，所以能生长出厚度均匀的薄膜。
第15 15页/共41页
衬底硅片放在保持 400℃的履带上，经过 气流下方时就被一层 CVD薄膜所覆盖。
履带式常压CVD装置
第24 24页/共41页
各个反应器之间相互隔离利用机器手在 低压或真空中传递衬底硅片。因此可以 一次连续完成数种不同的薄膜沉积工作。
对于硬质合金刀具 的表面涂层常采用 这一类装置，它的 优点是与合金刀具 衬底的形状关系不 大，各类刀具都可 以同时沉积，而且 容器很大，一次就 可以装上千的数量。
（b）是一种平行板结构 装置。衬底放在具有温控 装置的下面平板上，压强 通常保持在133Pa左右， 射频电压加在上下平行板 之间，于是在上下平板间 就会出现电容耦合式的气
体放电，并产生等离子体
(a)是一种最简单的 电感耦合产生等离子 的PECVD装置，可以 在实验室中使用 。
化学气相沉积(中文版)PPT教学课件
Hong Xiao, Ph. D.
.
41
PMD制程的发展
尺寸 > 2 mm PMD PSG BPSG 平坦化 回流圓滑
回流圓滑
再流動溫度 1100 。C
2 - 0.35 mm
0.25 mm 0.18 mm
850 - 900 。C
750 。C -
BPSG
PSG
回流圓滑+ CMP
CMP
CMP:化学机械抛光
Hong Xiao, Ph. D. . 42
化学机械抛光
CMP
.
43
CMP(化学机械抛光)平坦化制程
金属
金属
金属
Hong Xiao, Ph. D.
.
44
金属层间介电质层(IMD)
• 金属层间介电质层(IMD)主要起绝缘作用 • 一般为未掺杂的硅玻璃 (USG) 或 FSG • 温度受限于铝金属熔化
.
37
侧壁空间层形成
二氧化硅
多晶硅栅极
二氧化硅侧壁空间层
多晶硅栅极
基片
基片
Hong Xiao, Ph. D.
.
38
金属沉积前的介电质层(PMD)
• PMD:金属沉积前的流平层 • 为降低流平温度，PMD一般为掺杂的氧化物 PSG或BPSG • PSG(掺磷SiO2,即磷硅玻璃)： 可减少硅玻璃 的加热回流温度,可以形成更为平坦的表面. • BPSG (在PSG基础上掺硼形成的硼磷硅玻璃) ：可以进一步减低回流的圆滑温度而磷的浓 度不会过量
• Si(OC2H5)4+O2→SiO2+4C2H4+2H2O
成膜质量好,但如果铝层已沉积,这个温度是不允许的
.
第十三章化学气相沉积ppt课件
利用歧化反应，一般都在多温区炉内进行， 至少需要两个温区。
2GeI2 (g) Ge(s) GeI4 (g)
3GaCl(g) 2Ga(l) GaCl3(g)
合成反应
合成反应中输运的组分的氧化态不变，通 常都是最高的氧化态。
合成反应易形成多晶，外延成核很困难， 往往需要在很高温度下生长。
综合比较
SiCl4
(g)
3 2
H
2
(g
)
Si(s) 3HCl(g)
不论哪种反应，都是在生长层表面得到游离状态 的硅原子；
这些硅原子在高温下具有很高的热能，便在表面 上扩散到晶核边的折角处，按照一定的晶向加到 晶格点阵上，并释放出热能；
副产物HCl等则从生长表面脱附，经扩散穿过边界 层进入主气流，排出系统外。
通常氢气作还原剂，同时也用它作载气 这里反应是可逆反应
SiCl4 (g) 2H2 (g) Si(s) 4HCl(g) SiCl4 (g) CCl4 (g) 2H2 (g) SiC(s) 8HCl(g)
歧化反应
具有歧化作用的元素能够生成几种氧化态 的气态化合物，在反应过程中，由于反应 物在较低温度下不稳定，一部分被氧化成 高价的比较稳定的化合物，另一部分被还 原成该元素的原子沉积在衬底上进行外延 生长。
沉是积 由氮 硅化 烷硅 和膜 氮反(Si应3N形4)就成是的一。个很好的例子，它
化学气相沉积的优点
准确控制薄膜的组分和掺杂水平 可在复杂的衬底上沉积薄膜 不需要昂贵的真空设备 高温沉积可改善结晶完整性 可在大尺寸基片上沉积薄膜
闭管外延
生长设备分类
开管外延
卧式 立式 桶式
闭管外延
闭管外延是将源材料， 衬底等一起放在一密 封容器内，容器抽空 或者充气，将源和衬 底分别放在两温区的 不同温区处
2GeI2 (g) Ge(s) GeI4 (g)
3GaCl(g) 2Ga(l) GaCl3(g)
合成反应
合成反应中输运的组分的氧化态不变，通 常都是最高的氧化态。
合成反应易形成多晶，外延成核很困难， 往往需要在很高温度下生长。
综合比较
SiCl4
(g)
3 2
H
2
(g
)
Si(s) 3HCl(g)
不论哪种反应，都是在生长层表面得到游离状态 的硅原子；
这些硅原子在高温下具有很高的热能，便在表面 上扩散到晶核边的折角处，按照一定的晶向加到 晶格点阵上，并释放出热能；
副产物HCl等则从生长表面脱附，经扩散穿过边界 层进入主气流，排出系统外。
通常氢气作还原剂，同时也用它作载气 这里反应是可逆反应
SiCl4 (g) 2H2 (g) Si(s) 4HCl(g) SiCl4 (g) CCl4 (g) 2H2 (g) SiC(s) 8HCl(g)
歧化反应
具有歧化作用的元素能够生成几种氧化态 的气态化合物，在反应过程中，由于反应 物在较低温度下不稳定，一部分被氧化成 高价的比较稳定的化合物，另一部分被还 原成该元素的原子沉积在衬底上进行外延 生长。
沉是积 由氮 硅化 烷硅 和膜 氮反(Si应3N形4)就成是的一。个很好的例子，它
化学气相沉积的优点
准确控制薄膜的组分和掺杂水平 可在复杂的衬底上沉积薄膜 不需要昂贵的真空设备 高温沉积可改善结晶完整性 可在大尺寸基片上沉积薄膜
闭管外延
生长设备分类
开管外延
卧式 立式 桶式
闭管外延
闭管外延是将源材料， 衬底等一起放在一密 封容器内，容器抽空 或者充气，将源和衬 底分别放在两温区的 不同温区处
CVD工艺原理及设备介绍 PPT
注意事项： ● 要求有较高的本底真空； ● 防止交叉污染； ● 原料气体具有腐蚀性、可燃性、爆炸性、易燃 性和毒性，应采取必要的防护措施。
PECVD基本原理及功能
4. PECVD 参数
➢ RF Power :提供能量 ➢ 真空度(与压力相关) ➢ 气体的种类和混合比 ➢ 温度 ➢ Plasma的密度(通过Spacing来调节)
在Heat Ch.中对Glass进行Preheating处理后传送到 Process Chamber
➢ 基础真空:500mTorr以下 ➢ 温度控制:最大可加热到400℃ ➢ 由13个Shelf构成,并通过各Shelf对温度进行控制,Shelf电阻
14Ohms(12~16),Shelf内部为铜,在外表面镀Ni ➢ Body为不锈钢
四、PROCESS CHAMBER内备件
PROCESS CHAMBER内备件
1.Diffuser
Floating Diffuser
Diffuser 使工艺气体和 RF 能量均匀地扩散进入process chamber。微粒 , 和电弧击穿都指示出diffuser需要被更换。
PROCESS CHAMBER内备件
绿色:表示设备处于执行状态 白色:表示设备处于闲置状态 蓝色:表示设备处于等待状态 黄色:表示设备处于暂停或停止状态 红色:表示设备由于Alarm处于暂停或停止状态 ➢ Atm 机器手: ATM 机器手共有4个方向,即T,X,R,Z轴,其中X 轴是通过
T,R轴组合来完成的
PECVD设备
3、Heat Chamber
Lid Cart
PROCESS CHAMBER内备件
Process Chamber要在必须的真空和温度环境下 打开Slit阀门 真空机械手end-effector把在Lift Pins上的玻璃放进 process chamber以及缩回后放进transfer chamber slit阀关闭及密封 susceptor举起玻璃偏离lift pins而放之于diffuser下方 工艺气体和射频能量打开，产生等离子体通过diffuser到 达process chamber. 想要的材料沉积在玻璃上 susceptor按需要上升或下降到达必要的电极距
PECVD基本原理及功能
4. PECVD 参数
➢ RF Power :提供能量 ➢ 真空度(与压力相关) ➢ 气体的种类和混合比 ➢ 温度 ➢ Plasma的密度(通过Spacing来调节)
在Heat Ch.中对Glass进行Preheating处理后传送到 Process Chamber
➢ 基础真空:500mTorr以下 ➢ 温度控制:最大可加热到400℃ ➢ 由13个Shelf构成,并通过各Shelf对温度进行控制,Shelf电阻
14Ohms(12~16),Shelf内部为铜,在外表面镀Ni ➢ Body为不锈钢
四、PROCESS CHAMBER内备件
PROCESS CHAMBER内备件
1.Diffuser
Floating Diffuser
Diffuser 使工艺气体和 RF 能量均匀地扩散进入process chamber。微粒 , 和电弧击穿都指示出diffuser需要被更换。
PROCESS CHAMBER内备件
绿色:表示设备处于执行状态 白色:表示设备处于闲置状态 蓝色:表示设备处于等待状态 黄色:表示设备处于暂停或停止状态 红色:表示设备由于Alarm处于暂停或停止状态 ➢ Atm 机器手: ATM 机器手共有4个方向,即T,X,R,Z轴,其中X 轴是通过
T,R轴组合来完成的
PECVD设备
3、Heat Chamber
Lid Cart
PROCESS CHAMBER内备件
Process Chamber要在必须的真空和温度环境下 打开Slit阀门 真空机械手end-effector把在Lift Pins上的玻璃放进 process chamber以及缩回后放进transfer chamber slit阀关闭及密封 susceptor举起玻璃偏离lift pins而放之于diffuser下方 工艺气体和射频能量打开，产生等离子体通过diffuser到 达process chamber. 想要的材料沉积在玻璃上 susceptor按需要上升或下降到达必要的电极距
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