化学气相沉积简介

OutlineCVDProcessOverviewPECVDProcessOverviewPECVDProcessRecipeAndCleanRecipeOverviewPECVDEquipmentOverviewCVDProcessOverview化学气相淀积（ChemicalVaporDeposition）：是基于化学反应的薄膜淀积方法。以气体形式提供反应物质，在热能、等离子体、紫外光等的作用下，在固体衬底表面经化学反应形成固体物质的淀积。化学反应类型：还原反应（主要是和H2反应）、氧化反应（主要是O2和含氧气体N2O反应）、氮化反应（主要是和N2或NH3反应）等化学反应；CVD的定义：CVDProcessOverviewCVD反应的分类：

CVDProcessOverviewAPCVD和LPCVD都属于热反应，是利用高温使物质发生热分解、氢还原、氧化、置换等反应。LPCVD的提出是为了降低自掺杂效应而提出的；PECVD是为了降低反应温度，提高成膜速率需求提出的；

主要差别是：

1)低压下气体扩散系数增大，使气态反应物和副产物的质量传输速率加快，形成薄膜的反应速率增加；因此反应控制方式如下：表面反应控制：LPCVD/PECVD物质输运控制：APCVDAPCVD一般只用于生长SiO2，主要是针对热氧化的SiO2的淀积速率慢，消耗衬底硅提出来的,早期APCVD没有压力控制系统2)LPCVD较APCVD:引入了真空设备，降低反应压力，提高了膜的均一性和particleperformance；PECVD较LPCVD又引入RF系统，使得我们可以调节薄膜的应力，且可连续成膜，膜组份均匀；

缺点：APCVD:流量大，淀积速率大，需要足够的稀释气体来避免粉末生产，需要额外的退火工艺处理以提高膜的密度、抗蚀性以及介电强度；

LPCVD:通过对进入chamber和真空泵抽气速度的控制控制反应的压力，缺点就是需要的反应温度比较高；

PECVD:plasmadamage和H污染；以SiN为例，同温同压下，PECVD反应速度会达到LPCVD2~10几倍。对于反应腔室采用立式、卧式反应腔根据反应的特点以及生产的能力来考虑的；热壁还是冷壁，根据发生反应是放热还是吸热反应定。还原反应是吸热反应，设计成冷壁，会降低器壁上的沉积速率CVDProcessOverviewCVD的反应原理：

CVD化学反应热力学原理：

目的：预测某些特定条件下某些化学反应的可行性（方向和限度）。在温度、压力、反应物浓度给定的条件下，热力学计算能从理论上给出沉积薄膜的量和所有气体的分压，但是不能给出沉积速率；

可以作为确定CVD工艺参数的参考；分析方法：化学反应的自由能变化∆Gr可以用反应物和生成物的标准自由能来∆Gf计算

CVD化学反应动力学原理：

目的：研究化学反应的速率和各种因素对其影响。通过实验研究薄膜的生长速率，确定过程速率的控制机制，以便进一步调整工艺参数，获得高质量、厚度均匀的薄膜；CVDProcessOverviewCVD的反应过程：A.Gasorvaporphaseprecursorsare

introducedintothereactorAG.gaseousbyproductsdesorbfromthe

substratesurfaceandpumpoutthe

rectorGB.Precursorsacrosstheboundarylayer

andreachthesurfaceBBC.Precursorsadsorbonthesubstrate

surfaceandmigrateonthesurfaceCCD.ChemicalreactiononthesurfaceDE.Nucleationislandformationandgrow

intoislandsEEF.Islandsmergeandgrowintothe

continuousthinfilmFFFCVDProcessOverviewCVD的反应过程：气体输入强制对流自然对流气相扩散表面吸附、运动、反应、脱附、表面成膜反应CVDProcessOverview平衡态时气体的运输通量（扩散）等于反应通量：CVD反应速率的分析（反应最慢阶段决定）当hg>>ks时，表面反应速率限制淀积速率。主要由于反应温度或压力过低，即传输速率快，反应速率低于传输速率；当hg<<ks时，质量传输限制淀积速率，即不能提供足够的反应物到衬底；CVDProcessOverview低温时,表面反应速率慢,称表面反应控制的沉积过程;高温时,扩散速率增加不够快,称扩散控制的沉积过程;CVD反应速率的分析（反应最慢阶段决定）PECVDProcessOverviewPECVD的定义：

等离子体增强化学气相淀积法（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition）即借助微波或者射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体。而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，从而在基片上沉积出所期望的薄膜。

等离子的作用：将反应物气体分子激活成活性粒子，降低反应温度（200~400度）；加速反应物在表面的扩散作用，提高成膜速率；对基片和薄膜具有溅射清洗作用，溅射掉结合不牢的粒子，提高了薄膜和基片的附着力；由于原子、分子、离子和电子相互碰撞，使形成薄膜的厚度均匀；可以通过调节power，调节膜的应力；

PECVDProcessOverviewPECVD中的反应过程：主要过程：电子与气体发生非弹性碰撞，使的气体发生分解（初级反应），形成离子和活性基团混合物；活性基团向薄膜生长表面扩散输运，同时发生各反应物之间的次级反应；到达生长表面的各种初级、次级反应产物被吸并与表面发生反应，同时伴随有气相分子的再放出；CVDProcessOverviewPECVD中plasma的特点：Plasma组分：包括电子、离子、未电离的中性粒子，电离度小于0.01；属于低温plasma（非平衡态的等离子体），电子温度(104K)>>粒子体温度(300~500K)；Plasma中的碰撞（collision）过程：

1）弹性碰撞（elasticcollision）：没有能量交换的碰撞，它是plasma

中最频繁发生的，但也是没有重要意义的碰撞；

2）非弹性碰撞（inelasticcollision）：发生能量交换的，有新的成分

产生的碰撞，其中三个比较重要：

离子化（Ionization）e-+A(atom\molecule)->A++2e-激发与跃迁（excitation-relaxation）e-+A(atom\molecule)->A*+e-A*->A+hv(photons)离解（dissociation）e-+AB->A+B+e-PECVDProcessOverviewPECVD中plasma的电势分布：RFhotVp=10~20vDarkspaceorsheathregions电子移动速度比离子快：1）电极板立即带上负电，带负电的电极排斥电子，吸引离子，所以在电极板附近电子比离子少；此处基本没有电子/电子、电子/离子之间的碰撞，因而发光比较弱，称为darkspace；2）任何接近于plasma的电荷基本可视为不能移动，因此与plasma附近区域相比，plasma总是高电势区域。由此与电极板之间会产生一个DC电势差。离子轰击的能量基本就是这个电势差提供的；PECVDProcessOverviewPECVD在DCVD中的应用：

Silane-basedprocess

∙USG∙NitrideTEOS-basedprocess

PECVDProcessOverview1）Oxide（PEsilaneoxideandPETEOSoxide）TEOSoxide的优点：

更好的stepcoverage和conformity；

比SiH4更加安全；局部更平滑的表面形貌，降低寄生电容，提高器件稳定性；

缺点：设备比较复杂，需要TEOS传输系统；厚膜下容易发生discolor；wafer整体range较大；PECVDProcessOverview1）Oxide（PEsilaneoxideandPETEOSoxide物理吸附与化学吸附

物理吸附：被吸附的流体分子与固体表面分子间的作用力为分子间吸引力,即所谓的范德华力；

化学吸附：化学吸附是固体表面与被吸附物间的化学键力（离子键、原子键、金属键）起作用的结果。这类型的吸附需要一定的活化能,故又称“活化吸附”.这种化学键亲和力的大小可以差别很大,但它大大超过物理吸附的范德华力；PECVDProcessOverview

SiH4:前驱体认为是由plasma产生或者热分解产生的自由基如SiH3/SiH2或SiH与氧化物的surface发生化学吸附。那由于化学键的存在，precursor不易在表面移动；precursor再与与氧化物分解产生的O自由基发生反应。初期会发生如下反应：2SiH3+O(SiH3)2OSiH3OH+H2

后续会发生表面氧化反应消耗掉大部分多余的H。最后的沉积的膜中一般

会含有2%~9%的H。1）Oxide（PEsilaneoxideandPETEOSoxide）PECVDProcessOverview1）Oxide（PEsilaneoxideandPETEOSoxide）TEOS(Si(OC2H5)4)沉积时，前驱体被认为是如下粒子：

Si(OC2H5)n（OH）4-n或者Si(OC2H5)nO4-nn=0~3。这些粒子是通过电子

碰撞分解TEOS产生的。例如，当n=1~4时e+Si(OC2H5)n（OH）4-n

Si(OC2H5)n-1（OH）4-n+1+C2H4+e或者通过O原子与TEOS及其前驱物反应产生这样的粒子，如

O+Si(OC2H5)n（OH）4-n

Si(OC2H5)n-1（OH）4-n+1+C2H4O

在高度稀释的TEOS/O2混合气体中，哪种前驱物的浓度最高。在不断生长的薄膜上，，吸附的前驱物会与吸附的O原子反应，使前驱物进一步分解产生Si-OH并使C/H进一步氧化，生产CO2和H2OPECVDProcessOverview2）氮化硅（Nitride）

优点：具有高绝缘强度，漏电低，对水汽和可动离子（Na+）有很好的阻挡作用；

缺点：具有高的介电常数（k值~7，SiO2~4.1）

用途：通常用作最后的passivationlayer；作为下层金属的barr