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CVD 反应
• CVD 反应步骤 基本的化学气相淀积反应包含8个主要步骤， 以解释反应的机制。 1）气体传输至淀积区域； 2）膜先驱物的形成； 3）膜先驱物附着在硅片表面； 4）膜先驱物黏附； 5）膜先驱物扩散； 6）表面反应； 7）副产物从表面移除； 8）副产物从反应腔移除。
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目 标
通过本章的学习，将能够：
1. 描述出多层金属化。叙述并解释薄膜生长的三个阶段。 2. 提供对不同薄膜淀积技术的慨况。 3. 列举并描述化学气相淀积（ CVD ）反应的 8 个基本步骤，包 括不同类型的化学反应。 4. 描述CVD反应如何受限制，解释反应动力学以及CVD薄膜掺 杂的效应。 5. 描述不同类型的CVD淀积系统，解释设备的功能。讨论某种 特定工具对薄膜应用的优点和局限。 6. 解释绝缘材料对芯片制造技术的重要性，给出应用的例子。 7. 讨论外延技术和三种不同的外延淀积方法。 8. 解释旋涂绝缘介质。
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CVD 淀积系统
• CVD 设备设计 – CVD 反应器的加热 – CVD 反应器的配置 – CVD 反应器的总结 • 常压 CVD（ APCVD ） • 低压 CVD（ LPCVD） • 等离子体辅助 CVD • 等离子体增强 CVD（PECVD） • 高密度等离子体 CVD（HDPCVD）
5. 氧化还原反应： 反应3与4地组合，反应后形成两
种新的化合物。
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以上5中基本反应中，有一些特定的 化学气相淀积反应用来在硅片衬底上淀 积膜。对于某种特定反应的选择通常要 考虑淀积温度、膜的特性以及加工中的 问题等因素。 例如，用硅烷和氧气通过氧化反应 淀积 SiO 2 膜。反应生成物 SiO2 淀积在硅 片表面，副产物事是氢。 SiH4 + O2 SiO2 + 2H2
第四讲：淀积工艺
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概
述
薄膜淀积是芯片加工过程中一个至关重要 的工艺步骤，通过淀积工艺可以在硅片上生长 导各种导电薄膜层和绝缘薄膜层。 各种不同类型的薄膜淀积到硅片上，在某 些情况下，这些薄膜成为器件结构中的一个完 整部分，另外一些薄膜则充当了工艺过程中的 牺牲品，并且在后续的工艺中被去掉。 本章将讨论薄膜淀积的原理、过程和所 需的设备，重点讨论SiO2和Si3N4等绝缘材料薄 膜以及多晶硅的淀积。金属和金属化合物薄膜 的淀积将在第13章中介绍。
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MSI时代nMOS晶体管的各层膜
氮化硅 顶层
氧化硅 垫氧化层 ILD
n+
金属
氧化硅 场氧化层
p+ n-well
Poly n+
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
Figure 11.1
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引
言
从MSI到LSI时代，芯片的设计和加工相对较 为直接，上图给出了制作一个早期nMOS所需的淀 积层。图中器件的特征尺寸远大于 1 µm。如图所 示，由于特征高度的变化，硅片上各层并不平坦 ，这将成为VLSI时代所需的多层金属高密度芯片 制造的限制因素。 随着特征尺寸越来越小，在当今的高级微芯 片加工过程中，需要 6 层甚至更多的金属来做连 接（第六页的图），各金属之间的绝缘就显得非 常重要，所以，在芯片制造过程中，淀积可靠的 薄膜材料至关重要。薄膜制备是硅片加工中的一 个重要工艺步骤。
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CVD 反应器类型
CVD 反应器类型 热壁 冷壁 持续移动 外延 高压 喷嘴 桶 冷壁平面 等离子体辅助 纵向流动等温 常压 低压 批处理 单片
Figure 11.11
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各种类型 CVD 反应器及其主要特点
SiH4(气)+2PH3(气)+O2(气) SiO2(固)+2P(固)+5H2(气)
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在磷硅玻璃中，磷以P2O5的形式存在，磷 硅玻璃由P2O5和SiO2的混合物共同组成；对于 要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说， P2O5 含量（重量比）不超过 4 ％，这是因为磷硅玻 璃（PSG）有吸潮作用。 应用高密度等离子体CVD可以在600～ 650℃的温度下淀积PSG，由于它的淀积温度、 相对平坦的表面、好的间隙填充能力，近来也 常采用PSG作为第一层层间介质（ILD-1）。在 SiO2中引入P2O5可以减小膜应力，进而改进膜 的完整性。掺杂会增加玻璃的抗吸水性。 PSG 层还可以有效地固定离子杂质。离子会吸附到 磷原子上，因而不能通过PSG层扩散达到硅片 表面。
CVD 传输和反应步骤图
1) 反应物的质 量传输 气体传送
CVD 反应室
2) 薄膜先驱 物反应 3) 气体分 子扩散 4) 先驱物 的吸附
7) 副产物的解 吸附作用 副产物
8) 副产物 去除 排气
5) 先驱物扩散 到衬底中
6) 表面反应
连续膜
Substrate
Figure 11.8
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在化学气相淀积中，气体先驱物传输到硅 片表面进行吸附作用和反应。列入，下面的三 个反应。反应1）显示硅烷首先分解成SiH2先驱 物。 SiH2先驱物再和硅烷反应形成Si2H6。在中 间CVD反应中， SiH2随着Si2H6被吸附在硅片表 面。然后Si2H6分解形成最终需要的固态硅膜。
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ULSI硅片上的多层金属化
钝化层
ILD-6
压点金属
ILD-5 M-4 ILD-4 M-3 ILD-3 M-2 ILD-2 M-1 Via Poly gate LI metal n+ p+ n-well p+ LI oxide STI n+ p-well n+ p+ ILD-1
p- Epitaxial layer
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在更低的反应温度和压力下，由于只有更 少的能量来驱动表面反应，表面反应速度会降 低。最终反应物达到硅片表面的速度将超过表 面化学反应的速度。在这种情况下。淀积速度 是受化学反应速度限制的，此时称表面反应控 制限制。
CVD 气流动力学
CVD气流动力学对淀积出均匀的膜很重要。 所谓气体流动，指的是反应气体输送到硅片表 面的反应区域（见下图）。CVD气体流动的主 要因素包括，反应气体从主气流中到硅片表面 的输送以及在表面的化学反应速度。
Substrate
Figure 11.7
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膜淀积技术
化学工艺 化学气相淀积 (CVD)
常压化学气相淀积 (APCVD) 或亚常压化学气相淀积 (SACVD) 低压化学气相淀积 (LPCVD) 等离子体辅助 CVD 等离子体增强 CVD (PECVD) 高密度等离子体化 学气相淀积 (HDPCVD) 气相外延(VPE)和 金属有机化学气相淀积 (MOCVD)
1) 2) 3) SiH4(气态) SiH2(气态) + H2(气态) （高温分解） Si2H6(气态) （反应半 （最终产 SiH4(气态) + SiH2(气态) 成品形成） Si2H6(气态) 品形成）
2Si (固态) + 3H2(气态)
以上实例是硅气相外延的一个反应过程
半导43; Silicon substrate
Figure 11.3
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芯片中的金属层
Photo 11.1
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薄膜淀积
半导体器件工艺中的“薄膜”是一种固态薄 膜，薄膜的种类和制备方法在第四章中已作过简 单介绍。 薄膜淀积是指任何在硅片衬底上物理淀积一 层膜的工艺，属于薄膜制造的一种工艺，所淀积 的薄膜可以是导体、绝缘材料或者半导体材料。 比如二氧化硅（ SiO 2 ）、氮化硅（ Si 3 N4 ）、多 晶硅以及金属（Cu、W）.
深宽比
=
深度 宽度
深宽比
=
500 Å
250 Å
=
2
1
D
500 Å
W
250 Å
Figure 11.6
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高的深宽比间隙
Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering
Photo 11.2
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薄膜生长的步骤
气体分子
成核
凝聚
连续的膜
工艺
APCVD (常压 CVD) 反应简单 淀积速度快 低温 高纯度和均匀性， 一致的台阶覆盖能力， 大的硅片容量
优点
缺点
台阶覆盖能力差, 有颗粒沾污 低产出率 高温，低的淀积速率， 需要更多的维护，要求 真空系统支持
应用
低温二氧化硅 (掺杂或不掺杂).
LPCVD (低压 CVD) 等离子体辅助 CVD: 等离子体增强 CVD (PECVD) 高密度等离子体 CVD (HDPCVD)
物理工艺 电镀
电化学淀积 (ECD), 通常指电镀 化学镀层
物理气相淀积 (PVD)或溅射
直流二极管
蒸发
旋涂方法
旋涂玻璃 s (SOG) 旋涂绝缘介 质(SOD)
灯丝和电子束
射频 (RF)
分子束外延 (MBE)
直流磁电管
离子化金属等离子 体 (IMP)
Table 11.1
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化学气相淀积
化学气相淀积（ CVD ）是通过气体混合的化 学反应在硅片表面淀积一层固体膜的工艺。硅片 表面及其邻近的区域被加热来向反应系统提供附 加的能量。包括：
在实际大批量生产中，CVD反应的时间长 短很重要。温度升高会促使表面反应速度增加 。基于CVD反应的有序性，最慢的反应阶段会 成为整个工艺的瓶颈。换言之，反应速度最慢 的阶段将决定整个淀积过程的速度。 CVD的反应速度取决于质量传输和表面反 应两个因素。在质量传输阶段淀积工艺对温度 不敏感，这意味着无论温度如何，传输到硅片 表面加速反应的反应气体的量都不足。在此情 况下，CVD工艺通常是受质量传输所限制的。