在稳态，两类粒子流密度应相等，这样得到
F F1 F2
可得：
ks CS CG 1 hG
1
（1）hg>> ks时，Cs趋向Cg，淀积速率受表面化学反应控制
（2）ks >> hg时，Cs趋向0，淀积速率受质量输运速率控制
6.2 CVD工艺原理

Grove模型
要的原子数量）：
薄膜淀积速率（其中N1表示形成一个单位体积薄膜所需
k s hg Cg F G N1 k s hg N1 k s hg k s hg
结论：
CT Y N1
（1）淀积速率与Cg（反应剂的浓度）或者Y（反应剂的摩尔百 分比）成正比； （2）在Cg或者Y为常数时，薄膜淀积速率将由Ks和hg中较小 的一个决定。
p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate
芯片中的金属层
6.1 CVD概述
对薄膜的要求
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
与热氧化生长稍有 不同的是，没了 在SiO2中的扩散流 F1：主气流到衬底表面的反应剂流密度
F2：反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜的流密度 Cg：反应剂在主气流中的浓度
Cs：反应剂在硅表面处的浓度
6.2 CVD工艺原理
F1 hG (CG C S )
Grove模型
F2 ksCS
其中：hG 是质量输运系数， ks 是表面化学反应系数
6.1 CVD概述
CVD相对于PVD,有什么优点？

跟材料特性相关的性质——结晶性和理想配 比都比较好 薄膜成分和膜厚容易控制

*淀积温度低
*台阶覆盖性好（step coverage)
6.1 CVD概述
化学气相淀积（CVD）
单晶 (外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜 半导体、介质、金属薄膜
6.2 CVD工艺原理
薄膜淀积速率
表面化学反应控制：温度 质量输运速率控制：位置
斜率与激活 能Ea成正比
图6.8 硅膜淀积速率与温度倒数的关系
升高温度可以提高淀积速率 但随着温度的上升，淀积速率对温度的敏感度不断下降； 当温度高过某个值后，淀积速率受质量输运速率控制
6.2 CVD工艺原理



气体分子的平均自由程远小于反应室的几何尺寸，可以 认为气体为黏滞性流动 由于气体的黏滞性，气体与硅片表面或侧壁存在摩擦力 ，该摩擦力使紧贴硅片表面或者侧壁的气体流速为零 在离硅片表面或者侧壁一定距离处，气体流速过渡到最 大气流Um
6.2 CVD工艺原理
Grove模型
从简单的生长模型出发，用 动力学方法研究化学气相淀 积推导出生长速率的表达式 及其两种极限情况。
常压化学气相淀积（APCVD），低压CVD
(LPCVD)，等离子体增强淀积（PECVD）等
CVD反应必须满足三个挥发性标准
在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压 除淀积物质外,反应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
6.2 CVD工艺原理
化学气相淀积的基本过程
6.1 CVD概述
两类主要的淀积方式
1）物理气相淀积 — Physical Vapor Deposition (PVD) 利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移 到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。 例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering 2）化学气相淀积 — Chemical Vapor Deposition (CVD) 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。 例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD


1、反应剂气体混合物以合理的流速被输运到沉积区 2、反应剂气体由主气流通过边界层扩散到衬底表面 3、反应剂气体吸附在衬底表面上 4、吸附原子（分子）发生化学反应，生成薄膜基本元素 5、副产物分子离开衬底表面，由衬底外扩散到主气流，排出
6.2 CVD工艺原理
边界层理论

气体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、滞留层）
金属 氧化硅 场氧化层
p+ n-well
多晶
金属
p+
金属前氧化层 侧墙氧化层
栅氧化层
p- epi layer
p+ silicon substrate
ULSI硅片上的多层金属化
钝化层
ILD-6
压点金属
M-4
ILD-5
ILD-4
M-3 ILD-3 M-2 ILD-2 M-1 Via LI metal n+ p+ n-well Poly gate p+ ILD-1 LI oxide STI n+ p-well n+ p+
以硅外延为例（1 atm，APCVD）
外延硅淀积往往是 在高温下进行，以 确保所有硅原子淀 积时排列整齐，形 成单晶层。为质量 输运控制过程。此 时对温度控制要求 不是很高，但是对 气流要求高。
hG 常数
Ea 值相同
多晶硅生长是在低 温进行，是表面反 应控制，对温度要 求控制精度高。
6.2 CVD工艺原理
6.1 CVD概述
除了CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有:
旋涂Spin-on 镀/电镀 electroless plating/electroplati ng
铜互连是由电镀工艺制作
6.1 CVD概述
化学气相淀积（CVD）

CVD技术特点：


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 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
第六章 化学气相沉积
6.1 CVD概述 6.2 CVD工艺原理 6.3 CVD工艺方法 6.4 二氧化硅薄膜的淀积 6.5 氮化硅薄膜淀积 6.6 多晶硅薄膜淀积 6.7 金属及金属化合物薄膜
1
MSI时代nMOS晶体管的各层膜
氮化硅 顶层
氧化硅
垫氧化层 ILD
Poly n+ n+