有
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CT v k sY N
Ea k s k0 exp kT
表面（反应）控制，对温度 特别敏感
2、如果hG<<ks，则CS≈0，这是质量传输控制过程
有
CT v hGY N
质量输运控制，对温度不敏感
半导体制造工艺基础
第八章 薄膜淀积 (上)
生长速率和温度的关系
T对ks的影响较hG 大许多，因此： hG<<ks质量传 输控制过程出现 斜率与激活能 在高温
hG≈constant Ea成正比
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hG>>ks表面控制 过程在较低温度 出现
硅外延：Ea=1.6 eV
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第八章 薄膜淀积 (上)
以硅外延为例（1 atm，APCVD）
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hG 常数
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。
化学气相淀积的基淀积 (上)
生长动力学
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
与热氧化生长稍有 不同的是，没有了 在SiO2中的扩散流
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F1是反应剂分子的粒子流密度 F2代表在衬底表面化学反应消耗的反应剂分子流密度
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第八章 薄膜淀积 (上)
单晶硅外延要采用图中的卧式反应设备， 放置硅片的石墨舟为什么要有倾斜?
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第八章 薄膜淀积 (上)
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这里界面层厚度s是x方向平板长度的函数。
hG
DG
为气体粘度 为气体密度
s
U为气体速度
x s ( x) U
随着x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀 积受质量传输控制，则淀积速度会下降 沿支座方向反应气体浓度的减少, 同样导致 淀积速度会下降
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第八章 薄膜淀积 (上)
(1)反应剂被携带气体引入反应器 后，在衬底表面附近形成“滞留 层”，然后，在主气流中的反应剂 越过边界层扩散到硅片表面 (2)反应剂被吸附在硅片表面，并 进行化学反应
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(3)化学反应生成的固态物质， 即所需要的淀积物，在硅片表 面成核、生长成薄膜 (4)反应后的气相副产物，离 开衬底表面，扩散回边界层， 并随输运气体排出反应室
表面反应控制：温度 质量输运控制：反应器形状， 硅片放置
的单晶层，晶向取决于衬底
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第八章 薄膜淀积 (上)
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多晶硅薄膜的应用
CMOS栅电极材料；多层金属化电极的导电材料
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第八章 薄膜淀积 (上)
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Chemical Vapor Deposition (CVD)
Epitaxy Substrate
Single crystal (epitaxy)
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第八章 薄膜淀积 (上)
因此，支座倾斜可以促使s(x)沿x变化减小 原理：由于支座倾斜后，气流的流过的截面积 下降，导致气流速度的增加，进而导致s(x)沿x 减小和hG的增加。从而用加大hG的方法来补偿 沿支座长度方向的气源的耗尽而产生的淀积速 率的下降。尤其对质量传输控制的淀积至关重 要，如APCVD法外延硅。
则生长速率
k s hG CG k s hG CT F v Y N k s hG N k s hG N
N是形成薄膜的单位体积中的原子数。对硅外延N为5×1022 cm-3
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第八章 薄膜淀积 (上)
Y一定时， v 由hG和ks中较小者决定
1、如果hG>>ks，则Cs≈CG,这种情况为表面反应控制过程
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第八章 薄膜淀积 (上)
除了CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有:
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旋涂Spin-on 镀/电镀electroless plating/electroplating
铜互连是由电镀工艺制作
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第八章 薄膜淀积 (上)
外延硅应用举例
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外延：在单晶衬底上生长一层新
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第八章 薄膜淀积 (上)
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 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
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第八章 薄膜淀积 (上)
本节课主要内容
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常用的淀积薄膜有哪些？ 举例说明其用途。 什么是CVD？描述它的 工艺过程。 CVD的控制有哪两种 极限状态？分别控制什 么参数是关键？
单晶硅（外延）—器件；多晶 硅—栅电极；SiO2—互连介质； Si3N4—钝化。金属… 化学气相淀积：反应剂被激活 后在衬底表面发生化学反应成 膜。1)主气流中的反应剂越过 边界层扩散到硅片表面；2)反 应剂被吸附在硅片表面；3)反 应成核生长；4)副产物挥发。
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第八章 薄膜淀积 (上)
设
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CG Y CT
这里 Y 为在气体中反应剂分子的摩尔比值, CG为每cm3中反应剂分子数，这里CT为在 气体中每cm3的所有分子总数
CG PG PG Y CT PTotal PG PG1 PG 2 ....
PG 是反应剂分子的分压，PG1， PG1 PG2 PG3…..等是系统中其它气体的分压
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第八章 薄膜淀积 (上)
F1 hG (CG C S )
hG 是质量输运系数（cm/sec）
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F2 ksCS
ks 是表面化学反应系数（cm/sec） 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）化学气相淀积 — Chemical Vapor Deposition (CVD) 一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发生 两 化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。 类 例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD 主 要 2）物理气相淀积 — Physical Vapor Deposition (PVD) 的 淀 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 积 底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。 方 例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering 式
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。
Ea 值相同
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第八章 薄膜淀积 (上) 当工作在高温区,质量控制为主导，hG是常数， 此时反应气体通过边界层的扩散很重要，即反 应腔的设计和晶片如何放置显得很重要。
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记住关键两点：
ks 控制的淀积 主要和温度有关 hG 控制的淀积 主要和反应腔体几何形状有关
Courtesy Johan Pejnefors, 2001
Polycrystalline
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第八章 薄膜淀积 (上)
对薄膜的要求
1. 组分正确，玷污少，电学和机械性能好
2. 片内及片间（每一硅片和硅片之间）均匀性好 3. 台阶覆盖性好（conformal coverage — 保角覆盖） 4. 填充性好 5. 平整性好
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第八章 薄膜淀积 (上)
在集成电路制 备中，很多薄 膜材料由淀积 工艺形成
Deposition
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半导体薄膜：Si 介质薄膜：SiO2，Si3N4,
BPSG，… 多晶薄膜：poly-Si 金属薄膜：Al，Cu，W，Ti，…
单晶薄膜：Si, SiGe（外延）
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第八章 薄膜淀积 (上)