第9章-化学气相沉积

第9章-化学气相沉积第一页，共31页。第九章化学气相沉积(CVD)2第二页，共31页。化学气相沉积概述ChemicalVaporDeposition(CVD)技术的发展3第三页，共31页。CVD概述定义：通过化学反应的方式，利用加热、等离子体激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸气态物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态淀积物的技术。

对本章来说，固相产物是在气固界面以薄膜的形式产生。特点：成膜的种类范围广。可制作金属，非金属及多成分合金薄膜；化学反应可控性好，膜质量高；成膜速度快(与PVD相比)，能同时制作多工件的均匀镀层；在常压或低真空进行镀膜的绕射性好；获得平滑的沉积表面；纯度高，致密性好，残余应力小，结晶良好的薄膜。4第四页，共31页。CVD概述CVD薄膜沉积过程最慢的步骤限制着反应速率的大小5第五页，共31页。CVD概述CVD技术所涉及的化学反应类型6第六页，共31页。CVD概述CVD技术所涉及的化学反应类型7第七页，共31页。CVD概述CVD分类、方法按淀积温度分：低温(200-500oC)，中温(500-1000oC)和高温(1000-1300oC)CVD。按反应压力分：常压CVD、减压CVD(0.1~10Torr)、超高真空CVD(~10-7Torr)等。按反应壁温度分：热壁CVD、冷壁CVD。按激活方式分：热CVD、光CVD、等离子体CVD等。8第八页，共31页。CVD方法热CVD定义：利用挥发性的金属卤化物和金属有机化合物等，在高温下发生气相化学反应，并在基板上沉积所需要的薄膜。淀积机理：气相质量输运及表面反应速率的控制过程特点：优点：成膜速度快；可制备多成分的薄膜；附着力强；膜纯度高、结晶性好。缺点：反应温度太高，一般要达到1000oC左右。可淀积的薄膜：Si外延薄膜；poly-Si、SiC等薄膜。9第九页，共31页。CVD装置简图CVD方法热CVD反应器：10第十页，共31页。CVD方法常压CVD(NPCVD)定义：气相淀积在1个大气压下进行(不采用真空装置)淀积机理：气相质量输运控制过程特点：炉壁加热方式：射频加热/辐射加热等；样品放置：倾斜/平置；优点：淀积速率高，操作简便缺点：均匀性较差、台阶覆盖差、易发生气相反应，产生微粒污染。可淀积的薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4

薄膜等。11第十一页，共31页。CVD方法常压CVD(NPCVD)连续式常压CVD装置示意图12第十二页，共31页。CVD方法减压CVD(LPCVD)定义：在10-103Pa压力下进行化学气相淀积淀积机理：表面反应控制过程优点：均匀性好（±3-5％，APCVD：±10％）；台阶覆盖好；薄膜中异物、杂质附着少。缺点：淀积速率低可淀积薄膜：poly-Si、Si3N4、SiO2、PSG、BPSG、W等。13第十三页，共31页。热壁型减压CVD装置图CVD方法减压CVD(LPCVD)14第十四页，共31页。CVD方法等离子体增强CVD

(PECVD)定义：激活气体分子（等离子体）；使其在低温（可低至室温）下发生化学反应，淀积成膜。淀积机理：表面反应控制过程PECVD沉积薄膜的原理图15第十五页，共31页。CVD方法等离子体增强CVD

(PECVD)优点：温度低（200-350℃）；更高的淀积速率；附着性好；台阶覆盖好；电学特性好。缺点：产量低可淀积薄膜：金属化后的钝化膜（Si3N4）；多层布线的介质膜（Si3N4、SiO2）等。

例如：淀积Si3N4薄膜时，采用NPCVD或LPCVD，一般需要1000℃高温，而采用PECVD，在300℃左右就可以完成。16第十六页，共31页。CVD方法等离子体增强CVD

(PECVD)PECVD中等离子体产生方式：二极直流辉光放电PECVD射频电容或电感耦合PECVD高密度PECVD

ECR放电、

高频感应耦合、

螺旋波放电。17第十七页，共31页。CVD方法光CVD

(photoCVD)工作原理：采用激光或紫外光加热以及光催化的方法将化合物催化分解，得到活性粒子，继而发生化学反应、并沉积成膜。光源：激光器、紫外光源灯、Hg灯等。特点：单色光―选择性化学反应，降低反应温度（SiO2，50℃），减少对膜污染，实现选择性成膜。激光聚束性能好，可得到高能密度109W/cm2以上。可以利用光束良好的空间分辨率和二维可控性实现局部修补，掺杂。18第十八页，共31页。CVD方法光CVD

(photoCVD)低压汞灯为光源2537埃和1849埃紫外辐射，反应室充入Hg蒸汽做触媒，被激励成为高能态的Hg*，再由Hg*碰撞将能量传递给反应气体。缺点：有Hg污染19第十九页，共31页。CVD方法有机金属CVD

(MOCVD)目的： 制备高质量的半导体化合物薄膜材料，如：III-V、II-VI；制备高密度FRAM等多组分铁电薄膜材料。工作气体：低温高挥发性的金属有机物，一般为烷基或芳基衍生物，烃基衍生物，羰基化合物等。工作温度：300∼700oC。含有化合物半导体元素的原料化合物必须满足的条件：

(1)常温下较稳定且容易处理; (2)反应的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层; (3)在室温附近应具有适当的蒸气压。20第二十页，共31页。CVD方法有机金属CVD

(MOCVD)21第二十一页，共31页。

优点：成分组分控制比较好，可以大面积沉积、均匀性好、致密；沉积温度较低，减少了自污染，提高了薄膜的纯度。

缺点：有机金属化合物蒸气有剧毒和易燃，给有机金属化合物的制备，贮存，运输和使用带来了困难；工作气体成本比较高；反映温度低，有些金属有机化合物在气相中就发生反应，生成固态微粒再沉积到衬底表面，形成薄膜中的杂质颗粒，破环了膜的完整性。CVD方法有机金属CVD

(MOCVD)22第二十二页，共31页。CVD方法有机金属CVD

(MOCVD)23第二十三页，共31页。CVD方法金属CVD

(CVD)针对LSI向高密度发展，超微细孔(连接孔或通孔)的处理要求越来越高。表：常用金属CVD薄膜及使用的气源24第二十四页，共31页。钨的CVDW的特性：①热稳定性高：熔点3410℃；②应力低；③保形覆盖好；④抗电迁移强；⑤耐腐蚀；⑥体电阻率较小(相比于Ti和Ta)。W的缺点：①电阻率相对较高：是Al的一倍；②在氧化物和氮化物上的附着性差：可实现选择性淀积；W的用途：①特征尺寸小于1μm的接触孔和通孔填充—钨插塞；②局部互连。CVD方法金属CVD

(CVD)理想的W源：WF6（沸点17℃，易气态输送、可精确控制流量）。25第二十五页，共31页。CVD方法化学气相沉积(CVD)与物理气相沉积(PVD)方法比较：26第二十六页，共31页。CVD方法应用实例：制备碳纳米管(CNT)过程图27第二十七页，共31页。CVD方法应用实例：制备碳纳米管