芯片制造中的化学气相沉积（CVD）技术详解

芯片制造中的化学气相沉积（CVD）技术详解

引用

CSDN

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https://blog.csdn.net/persona5joker/article/details/144809042

化学气相沉积（CVD）是芯片制造中一种重要的薄膜沉积技术，通过化学反应在衬底表面形成所需的薄膜材料。本文将详细介绍CVD的定义、特点、分类、工艺原理以及各种薄膜的沉积方法和应用。

化学气相沉积：定义

化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）是一种集成电路制造单项工艺，通过将气态源材料通入反应器中，经过化学反应在衬底表面沉积形成薄膜。

化学气相沉积：特点

沉积薄膜得到的是非晶态或多晶态的薄膜，衬底不要求是单晶材料，只要具有一定的平整度，能够经受沉积温度即可。沉积温度通常远小于外延温度。

化学气相沉积：分类

按工艺特点分类：

• 常压化学气相沉积（APCVD）
• 低压化学气相沉积（LPCVD）
• 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）
• 金属有机物化学气相沉积
• 微波化学气相沉积

按温度特点分类：

• 低温CVD
• 中温CVD
• 高温CVD

CVD工艺原理

以多晶硅薄膜为例，CVD工艺主要包括以下5个基本步骤：

1. 通入气体
2. SiH4气体以扩散方式穿过边界层到达衬底表面
3. SiH4与分解的Si吸附在表面
4. 化学反应
5. 副产物解吸，扩散，并排出

思考：经过CVD后为什么形成的是多晶硅

1. 衬底温度低，迁移速率小，导致硅原子未能全部迁移到节点位置
2. 沉积速度快
3. 衬底不是单晶

（此三点也显示了CVD与气相外延的不同）

沉积速度与影响因素

薄膜质量控制

1. 台阶覆盖特性

2. 薄膜中的应力

• 本征应力：薄膜中原子或分子排布混乱引起。可由退火方法释放。
• 非本征应力：薄膜之外的因素引起，如薄膜与衬底的热膨胀系数不同。

3. 薄膜的致密性

主要受衬底温度以及沉积速度影响。温度越高，扩散越快，越致密；沉积速度越慢，越致密。

4. 薄膜厚度均匀性

主要由沉积速度影响。沉积速度越慢，越均匀。

5. 薄膜的附着性

主要由衬底温度影响。温度越高，薄膜与衬底形成的化学键越多，附着性越强。

CVD工艺方法

常压化学气相沉积（APCVD)

最早的CVD工艺，常用沉积较厚的介质薄膜（如SiO2)。

优点：

• 在大气压下进行，气体分子密度较高，化学反应速率快，因此沉积速率较高
• 不需要复杂的真空系统，设备结构相对简单

缺点：

• 气体分子碰撞频繁，台阶覆盖性和均匀性较差
• 气体分子在喷头处相遇发生反应，形成的颗粒物会污染衬底

低压化学气相沉积（LPCVD)

气压在1~100Pa，主要用于沉积介质薄膜。由于有真空系统，导致扩散速度提高，因而适合大批量生产，基本取代了APCVD。

优点：

• 在装载量大大增加，可大批量生产
• 气体利用率提高，节省原料
• 在低压环境下进行沉积，减少了反应副产品的产生，提高了成膜质量

缺点：

• 通常需要在较高温度下进行，能耗较高
• 需要真空系统来维持低压环境，增加了设备复杂性和成本

等离子体增强化学气相沉积（PECVD)

利用等离子体技术把电能耦合到气体中，激活并维持化学反应进行薄膜沉积的一种工艺方法。特点：能够增强较低温度下的化学反应速率。

等离子体是什么？等离子体是由阳离子、中性粒子、自由电子等多种不同性质的粒子所组成的电中性物质，其中阴离子（自由电子）和阳离子分别的电荷量相等，这就是物理学上所谓“等离子”。

生活中你看到过哪些等离子体？

优点：

• 利用等离子体增强反应，降低了沉积温度，并在低温下提高了沉积速率
• 薄膜应力小，保形性好，更均匀

缺点：

• 增加了等离子体产生设备，成本增加
• 低温产生的副产物不能完全排除，一般含有高浓度的H

常见薄膜的沉积：SiO2薄膜沉积

用途：

• 金属沉积前的介电质层
• 多层布线中多晶硅与金属层之间
• 金属层间介电层
• 扩散和离子注入中的掩膜
• 防止杂质外扩的覆盖层
• 钝化层
• 前沟槽绝缘
• 侧壁间绝缘层

APCVD-SiO2
SiH4/N2O的混合气体能生成均匀的薄膜。H能够以Si-H、Si-O-H、H-O-H的形式存在于薄膜中，因此以SiH4/N2O制备的PECVD-SiO2薄膜一般很少在MOS晶体管和电路中使用，因为O-H基团对MOS结构电学特性有不良影响。

常见薄膜的沉积：氮化硅薄膜沉积

特点与用途：

• 薄膜抗钠、耐水汽能力强，薄膜硬度大，致密性好，可用于钝化膜和保护膜
• 化学稳定性好，可作为浅沟隔离工艺技术的CMP停止层
• 掩蔽能力强，可作为多种杂质的掩膜
• 介电系数高，可作为绝缘材料
• 热氧化的掩膜

常见薄膜的沉积：多晶硅薄膜沉积

多晶硅（Poly-Si）特点：

• 晶粒尺寸100nm，晶界宽度0.5~1 nm
• 本征多晶硅电阻率很高，通常称为半绝缘多晶硅
• 同等掺杂情况下，导电能力比单晶硅更低
• 耐高温
• 与热生长氧化层接触性能良好
• 与硅衬底兼容性好，保形覆盖性好，薄膜应力较小

用途：

• 高掺杂的多晶硅薄膜在MOS集成电路中被普遍用于栅极和互连引线
• 多层互连工艺中，使用多层多晶硅技术
• 利用多晶硅耐高温特点，可作为扩散掩膜
• 低掺杂的多晶硅薄膜可用于制作高值负载电阻
• 作为沟槽隔离中的填充物
• 作为半绝缘薄膜

见薄膜的沉积：金属与金属化合物薄膜