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1、8.3 化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）u化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积 Chemical Vapor Chemical Vapor DepositionDeposition，缩写为：缩写为：CVDCVD；u在在在在一一一一个个个个加加加加热热热热的的的的基基基基片片片片或或或或物物物物体体体体表表表表面面面面上上上上，通通通通过过过过一一一一种种种种或或或或几几几几种种种种气气气气态态态态元元元元素素素素或或或或化化化化合合合合物物物物产产产产生生生生的的的的化化化化学学学学反反反反应应应应，而形成不挥发的固态膜层或材料的过程而形成不挥发的固态膜层或材料的过程而形成不挥
2、发的固态膜层或材料的过程而形成不挥发的固态膜层或材料的过程；u分分分分为为为为普普普普通通通通CVDCVD、等等等等离离离离子子子子体体体体化化化化学学学学气气气气相相相相沉沉沉沉积积积积（PECVDPECVD）和光）和光）和光）和光CVDCVD（PCVDPCVD）等。）等。）等。）等。一、普通一、普通CVD1.1.基本原理基本原理基本原理基本原理 利用气体物质在固体表面进行化学反应，从而在该固利用气体物质在固体表面进行化学反应，从而在该固利用气体物质在固体表面进行化学反应，从而在该固利用气体物质在固体表面进行化学反应，从而在该固体表面生成固体沉积物的体表面生成固体沉积物的体表面生成固体沉积物
3、的体表面生成固体沉积物的一种技术一种技术一种技术一种技术，根据化学反应的形根据化学反应的形式，化学气相沉积可式，化学气相沉积可分为分为分为分为以下以下两类两类两类两类：（1 1）热分解反应沉积）热分解反应沉积）热分解反应沉积）热分解反应沉积 利用化合物加热分解，在基体（基片或衬底）表面得利用化合物加热分解，在基体（基片或衬底）表面得利用化合物加热分解，在基体（基片或衬底）表面得利用化合物加热分解，在基体（基片或衬底）表面得到固态膜层的技术。到固态膜层的技术。到固态膜层的技术。到固态膜层的技术。常用于制备金属、半导体和绝缘体等各种薄膜，是化学气常用于制备金属、半导体和绝缘体等各种薄膜，是化学气相
4、沉积中的最简单形式，例如：相沉积中的最简单形式，例如：SiH4(气气)8001200 Si(固固)2H2 Ni(CO)4(气气)190240 Ni(固固)4 CO CH4(气气)9001200 C(固固)2H2 TiI4(气气)加热加热 Ti(固固)2I2 用作热分解反应沉积的气态化合物原料主要有：用作热分解反应沉积的气态化合物原料主要有：用作热分解反应沉积的气态化合物原料主要有：用作热分解反应沉积的气态化合物原料主要有：l l硼的氯化物，氢化物硼的氯化物，氢化物硼的氯化物，氢化物硼的氯化物，氢化物；l l第第第第IVIV族大部分元素的氢化物和氯化物族大部分元素的氢化物和氯化物族大部分元素的氢
5、化物和氯化物族大部分元素的氢化物和氯化物；l lVBVB、VIBVIB族的氢化物和氯化物族的氢化物和氯化物族的氢化物和氯化物族的氢化物和氯化物；l l铁、镍、钴的羰基化合物和羰基氯化物铁、镍、钴的羰基化合物和羰基氯化物铁、镍、钴的羰基化合物和羰基氯化物铁、镍、钴的羰基化合物和羰基氯化物；l l以及铁、镍、铬、铜等的金属有机化合物等以及铁、镍、铬、铜等的金属有机化合物等以及铁、镍、铬、铜等的金属有机化合物等以及铁、镍、铬、铜等的金属有机化合物等。（2 2）化学反应沉积）化学反应沉积）化学反应沉积）化学反应沉积由两种或两种以上的气体物质在加热的基体表面上发由两种或两种以上的气体物质在加热的基体表面
6、上发由两种或两种以上的气体物质在加热的基体表面上发由两种或两种以上的气体物质在加热的基体表面上发生化学反应而沉积成固态膜层的技术。生化学反应而沉积成固态膜层的技术。生化学反应而沉积成固态膜层的技术。生化学反应而沉积成固态膜层的技术。包括了除热分解以外的其它化学反应，例如：包括了除热分解以外的其它化学反应，例如：SiCl4(气气)2H2(气气)1200 Si(固固)4HCl WF6(气气)3H2(气气)500700 W(固固)6HF 2AlCl3(气气)3CO2(气气)3H2(气气)Al2O3(固固)6HCl 3CO(气气)(CH3)3Ga(气气)AsH3(气气)630675 GaAs(固固)3
7、CH4(气气)3SiH4(气气)4NH3(气气)Si3N4(固固)12H2(气气)（3 3）沉积条件）沉积条件）沉积条件）沉积条件 在沉积温度下，在沉积温度下，反应物有足够高的蒸气压反应物有足够高的蒸气压反应物有足够高的蒸气压反应物有足够高的蒸气压；生成物中，生成物中，除了一种除了一种除了一种除了一种所需要的沉积物所需要的沉积物为固态外为固态外为固态外为固态外，其余其余其余其余都必须是气态都必须是气态都必须是气态都必须是气态；沉积物本身的蒸气压应足够低沉积物本身的蒸气压应足够低沉积物本身的蒸气压应足够低沉积物本身的蒸气压应足够低，以保证整个沉积反应，以保证整个沉积反应过程始终能保持在加热的基体
8、上；过程始终能保持在加热的基体上；基体本身的蒸气压基体本身的蒸气压基体本身的蒸气压基体本身的蒸气压在沉积温度下在沉积温度下也应足够低，不易也应足够低，不易也应足够低，不易也应足够低，不易挥发挥发挥发挥发。2.2.沉积装置沉积装置沉积装置沉积装置主要由主要由反应器（室）反应器（室）反应器（室）反应器（室）、供气系统供气系统供气系统供气系统和和加热系统加热系统加热系统加热系统等组成等组成 图图8.3.1 Si片片PN结构微细加工的结构微细加工的CVD装置意示图装置意示图反应器的类型：反应器的类型：反应器的类型：反应器的类型：图图8.3.2 CVD反应器的类型反应器的类型 沉积过程：沉积过程：沉积过
9、程：沉积过程：在主气流区域，在主气流区域，反应物反应物反应物反应物从反应器入口到分解区域的从反应器入口到分解区域的质量输质量输质量输质量输运运运运；气相反应气相反应产生产生产生产生膜形成的膜形成的前驱体和副产物前驱体和副产物前驱体和副产物前驱体和副产物；成膜前驱体成膜前驱体质量输运质量输运质量输运质量输运至生长表面；至生长表面；成膜前驱体成膜前驱体吸附吸附吸附吸附在生长表面；在生长表面；成膜前驱体成膜前驱体表面扩散表面扩散表面扩散表面扩散至生长点；至生长点；表面反应表面反应表面反应表面反应和构成和构成膜的生长膜的生长膜的生长膜的生长；表面反应产物的表面反应产物的副产物分解副产物分解副产物分解副
10、产物分解；副产物副产物副产物副产物从分解区向反应器出口进行从分解区向反应器出口进行质量输运，直至排出质量输运，直至排出质量输运，直至排出质量输运，直至排出。3.3.分类分类分类分类（1 1）按照沉积温度的高低分类：）按照沉积温度的高低分类：）按照沉积温度的高低分类：）按照沉积温度的高低分类：高温高温高温高温CVD CVD 5 005 00,广泛用来沉积广泛用来沉积 一一族和族和族族 化合物半导体；化合物半导体；低温低温低温低温CVD CVD 500500,主要用于基片或衬底温度不宜在高温主要用于基片或衬底温度不宜在高温 下进行沉积的某些场合，如沉积平面下进行沉积的某些场合，如沉积平面 硅和硅和
11、MOS集成电路的纯化膜。集成电路的纯化膜。（2 2）按照沉积时系统压强的大小分类：）按照沉积时系统压强的大小分类：）按照沉积时系统压强的大小分类：）按照沉积时系统压强的大小分类：常压常压常压常压CVDCVD（NPCVDNPCVD），），1atm；低压低压低压低压CVDCVD（LPCVDLPCVD），），10100Pa；LPCVDLPCVD具具有有沉沉沉沉积积积积膜膜膜膜均均均均匀匀匀匀性性性性好好好好、台台台台阶阶阶阶覆覆覆覆盖盖盖盖及及及及一一一一致致致致性性性性较较较较好好好好、针针针针孔孔孔孔较较较较小小小小、膜膜膜膜结结结结构构构构完完完完整整整整性性性性优优优优良良良良、反反反反应应
12、应应气气气气体体体体的的的的利利利利用用用用率率率率高高高高等等等等优优点点，不不仅仅用用于于制制备备硅硅外外延延层层，还还广广泛泛用用于于制制备备各各种种无无定定形形钝钝化化膜膜，如如 SiO2和和Si3N4以及多晶硅薄膜。以及多晶硅薄膜。LPCVDLPCVD是一种很有前途的薄膜沉积技术！是一种很有前途的薄膜沉积技术！是一种很有前途的薄膜沉积技术！是一种很有前途的薄膜沉积技术！4.4.影响沉积膜质量的因素影响沉积膜质量的因素影响沉积膜质量的因素影响沉积膜质量的因素（l l）沉积温度）沉积温度）沉积温度）沉积温度T T沉积沉积沉积沉积：T T沉积沉积沉积沉积是影响沉积质量的主要因素是影响沉积质
13、量的主要因素是影响沉积质量的主要因素是影响沉积质量的主要因素：T T，沉积速度沉积速度沉积速度沉积速度，沉积物愈致密沉积物愈致密沉积物愈致密沉积物愈致密，结构完善结构完善结构完善结构完善；T T沉积沉积沉积沉积根据根据沉积物的结晶温度沉积物的结晶温度沉积物的结晶温度沉积物的结晶温度，并兼顾，并兼顾基体的耐热性决定基体的耐热性决定基体的耐热性决定基体的耐热性决定。例如：例如：AlCl3+CO2+H2 1150 Al2O3(多晶多晶)15001550Al2O3(单晶膜单晶膜)（2 2）反应气体的比例及浓度）反应气体的比例及浓度）反应气体的比例及浓度）反应气体的比例及浓度不一定为理论配比，应通过实验
14、确定。不一定为理论配比，应通过实验确定。不一定为理论配比，应通过实验确定。不一定为理论配比，应通过实验确定。例如：用三氯化硼和氨反应沉积氮化硼膜：例如：用三氯化硼和氨反应沉积氮化硼膜：BCl3(气气)NH3 BN(固固)3HCl(气气)l l理论上理论上理论上理论上，NHNH3 3和和和和BClBCl3 3的流量比应等于的流量比应等于的流量比应等于的流量比应等于 1 1；l l实际中实际中实际中实际中，在，在 1200的沉积温度下，当的沉积温度下，当NHNH3 3BClBCl3 32 2时时时时，沉积速率很低沉积速率很低沉积速率很低沉积速率很低；而；而NHNH3 3BClBCl3 34 4时时
15、时时，反应生成物又，反应生成物又会会会会出现出现出现出现NH4Cl一类的一类的中间产物中间产物中间产物中间产物；l l为了得到较高的沉积速率和高质量的为了得到较高的沉积速率和高质量的为了得到较高的沉积速率和高质量的为了得到较高的沉积速率和高质量的BNBN薄膜，必须通薄膜，必须通薄膜，必须通薄膜，必须通过实验来确定各物质间的最佳流量比！过实验来确定各物质间的最佳流量比！过实验来确定各物质间的最佳流量比！过实验来确定各物质间的最佳流量比！（3 3）基体对沉积膜层的影响）基体对沉积膜层的影响）基体对沉积膜层的影响）基体对沉积膜层的影响 要得到质量较好的沉积膜，基体应满足以下条件：要得到质量较好的沉积
16、膜，基体应满足以下条件：基体材料与沉积膜层基体材料与沉积膜层材料之间材料之间材料之间材料之间有强的亲和力有强的亲和力有强的亲和力有强的亲和力；基体与沉积膜层在基体与沉积膜层在结晶结构上结晶结构上结晶结构上结晶结构上有一定的相似性有一定的相似性有一定的相似性有一定的相似性；基体材料与沉积膜层材料基体材料与沉积膜层材料有相近的有相近的有相近的有相近的热膨胀系数热膨胀系数热膨胀系数热膨胀系数。5.CVD5.CVD的优缺点的优缺点的优缺点的优缺点（1 1）优点：）优点：）优点：）优点：膜层纯度一般很高，很致密，容易形成结晶定向好的材料膜层纯度一般很高，很致密，容易形成结晶定向好的材料膜层纯度一般很高，
17、很致密，容易形成结晶定向好的材料膜层纯度一般很高，很致密，容易形成结晶定向好的材料;例如：用蓝宝石作基片，用例如：用蓝宝石作基片，用CVD制备的制备的 Al2O3单晶材料单晶材料,其杂质含量为其杂质含量为3034ppm，远小于蓝宝石本身的杂质含量；，远小于蓝宝石本身的杂质含量；能在较低温度下制备难熔物质能在较低温度下制备难熔物质能在较低温度下制备难熔物质能在较低温度下制备难熔物质；例如：例如：WF6 W时时,T T沉积沉积沉积沉积 500700T钨钨=3377；可人为掺杂可人为掺杂可人为掺杂可人为掺杂，制备各种半导体、氧化物和化合物膜。，制备各种半导体、氧化物和化合物膜。（2 2）缺点：）缺点
18、：）缺点：）缺点：T T基体基体基体基体高高高高，V V沉积沉积沉积沉积低低低低，设备较电镀法复杂设备较电镀法复杂设备较电镀法复杂设备较电镀法复杂，难于局部沉积难于局部沉积难于局部沉积难于局部沉积，有一有一有一有一定毒性定毒性定毒性定毒性，应用不如蒸镀、溅射广泛应用不如蒸镀、溅射广泛应用不如蒸镀、溅射广泛应用不如蒸镀、溅射广泛。二、等离子体化学气相沉积（二、等离子体化学气相沉积（PECVD）1.1.等离子体等离子体等离子体等离子体（1 1）物质的第四态）物质的第四态）物质的第四态）物质的第四态给物质以能量，即给物质以能量，即给物质以能量，即给物质以能量，即T T：固固固固 液液液液 气气气气
19、电离电离电离电离，离子，离子+自由电子，自由电子，等离子体等离子体等离子体等离子体，第四态第四态第四态第四态。（2 2 2 2）产生）产生）产生）产生自然界自然界自然界自然界：大气电离层大气电离层大气电离层大气电离层,高温太阳高温太阳高温太阳高温太阳实验室实验室实验室实验室：气体放电气体放电气体放电气体放电，供给能量，供给能量,维持；维持；图图8.3.3 物质的四态物质的四态 一种一种高频辉光放电高频辉光放电高频辉光放电高频辉光放电物理过程与物理过程与化学反应相结合的技术，化学反应相结合的技术，化学反应相结合的技术，化学反应相结合的技术，可有效解决可有效解决普通普通普通普通CVDCVD基体温度
20、高，沉积速率慢的不足。基体温度高，沉积速率慢的不足。基体温度高，沉积速率慢的不足。基体温度高，沉积速率慢的不足。（3 3 3 3）性质及应用）性质及应用）性质及应用）性质及应用 气体高度电离的状态；气体高度电离的状态；气体高度电离的状态；气体高度电离的状态；性质性质性质性质 电中性电中性电中性电中性：电子和正离子的密度相等，数量多，但：电子和正离子的密度相等，数量多，但原子密度原子密度 电和热的良导体。电和热的良导体。电和热的良导体。电和热的良导体。应用应用应用应用：溅射；离子镀；：溅射；离子镀；：溅射；离子镀；：溅射；离子镀；PECVDPECVD等。等。等。等。2.PECVD2.PECVD原
21、理原理原理原理 PECVD利用利用等离子体的活性来促进反应等离子体的活性来促进反应等离子体的活性来促进反应等离子体的活性来促进反应。l等离子体中有等离子体中有高密度的电子高密度的电子高密度的电子高密度的电子（109 1012cm-3），），电子气电子气电子气电子气温度温度温度温度比普通气体分子温度比普通气体分子温度高出高出高出高出1010100100倍倍倍倍，能够，能够激发激发激发激发处于处于较低环境温度下的较低环境温度下的反应气体反应气体反应气体反应气体，使之在等离子体中受激、分使之在等离子体中受激、分使之在等离子体中受激、分使之在等离子体中受激、分解、离解和离化解、离解和离化解、离解和离化
22、解、离解和离化，从而大大，从而大大提高了参与反应的物质活性提高了参与反应的物质活性提高了参与反应的物质活性提高了参与反应的物质活性；l这些具有高反应活性的物质这些具有高反应活性的物质很容易被吸附很容易被吸附很容易被吸附很容易被吸附到较低温度的基到较低温度的基体表面上，于是，体表面上，于是，在较低的温度下发生非平衡的化学反应在较低的温度下发生非平衡的化学反应在较低的温度下发生非平衡的化学反应在较低的温度下发生非平衡的化学反应沉积生成薄膜沉积生成薄膜沉积生成薄膜沉积生成薄膜，这就，这就大大降低了基体的温度大大降低了基体的温度大大降低了基体的温度大大降低了基体的温度，提高了沉积提高了沉积提高了沉积提
23、高了沉积速率速率速率速率。3.PECVD3.PECVD装置装置装置装置 普通普通普通普通CVD+CVD+高频电源高频电源高频电源高频电源（用于产生等离子体）（用于产生等离子体）图图8.3.4 卧式管状卧式管状PECVD装置装置图图8.3.5 立式立式PECVD反应器反应器用高频产生辉光放电等离子体的用高频产生辉光放电等离子体的卧式反应卧式反应卧式反应卧式反应器器器器，用于，用于沉积氮化硅等薄膜沉积氮化硅等薄膜沉积氮化硅等薄膜沉积氮化硅等薄膜。在在 350350400400的低温下，以的低温下，以5050100nm100nmminmin的沉积速率进行成膜。的沉积速率进行成膜。SiH4生长生长Si
24、外延层的外延层的立式管状立式管状立式管状立式管状 PECVDPECVD反反反反应器应器应器应器，当，当T=650T=650，P1.3PaP1.3Pa时，可得到时，可得到均匀优质的硅外延层。均匀优质的硅外延层。普通的普通的普通的普通的CVDCVD需在需在T=1050T=105012001200，1atm 1atm oror（5.35.313.313.3）10103 3PaPa的减压气氛中才能的减压气氛中才能进行以进行以SiH4为源的硅外延层生长。为源的硅外延层生长。4.PECVD4.PECVD的特点的特点的特点的特点（1 1）影响影响影响影响沉积速率的主要因素沉积速率的主要因素沉积速率的主要因素
25、沉积速率的主要因素是是高频功率高频功率高频功率高频功率，而而T基体基体、P、气、气相组分的影响在其次相组分的影响在其次。（2 2）PECVD工艺的主要工艺的主要优点优点优点优点是：是：显著降低沉积时的显著降低沉积时的显著降低沉积时的显著降低沉积时的T T基体基体基体基体，并且并且并且并且沉积速率快，成膜质量好、针孔少、不易龟裂沉积速率快，成膜质量好、针孔少、不易龟裂沉积速率快，成膜质量好、针孔少、不易龟裂沉积速率快，成膜质量好、针孔少、不易龟裂等。等。等。等。（3 3）PECVD工艺的主要工艺的主要缺点缺点缺点缺点是：是：由于等离子体轰击由于等离子体轰击由于等离子体轰击由于等离子体轰击，使沉，
26、使沉积膜积膜表面产生缺陷，反应复杂表面产生缺陷，反应复杂表面产生缺陷，反应复杂表面产生缺陷，反应复杂，也会使，也会使薄膜的质量有薄膜的质量有薄膜的质量有薄膜的质量有所下降。所下降。所下降。所下降。u PECVDPECVD是是是是2020世纪世纪世纪世纪8080年代崛起的年代崛起的年代崛起的年代崛起的新沉积制膜技新沉积制膜技新沉积制膜技新沉积制膜技术术术术，特别适用于金属化后钝化膜和多层布线特别适用于金属化后钝化膜和多层布线特别适用于金属化后钝化膜和多层布线特别适用于金属化后钝化膜和多层布线介质膜的沉积！介质膜的沉积！介质膜的沉积！介质膜的沉积！三、光三、光CVD（PCVD）光化反应：光化反应：
27、光化反应：光化反应：用光束来激活反应物，促进生成物形成的化学反用光束来激活反应物，促进生成物形成的化学反用光束来激活反应物，促进生成物形成的化学反用光束来激活反应物，促进生成物形成的化学反 应。应。应。应。PCVDPCVD：(Photo-chemical(Photo-chemical Vapor Vapor DepositionDeposition，缩缩缩缩写写写写为为为为PCVD)PCVD)借借借借助助助助于于于于光光光光能能能能使使使使反反反反应应应应气气气气体体体体分分分分子子子子分分分分解解解解（但但但但不不不不电电电电离离离离）而而而而进行化学气相沉积的工艺过程。进行化学气相沉积的工
28、艺过程。进行化学气相沉积的工艺过程。进行化学气相沉积的工艺过程。1.用用用用HgHg作敏化剂的光解反应作敏化剂的光解反应作敏化剂的光解反应作敏化剂的光解反应 低压低压Hg灯灯 发射出发射出 UV共振线：共振线：253.7nm和和184.9nm敏化敏化剂剂Hg 激发激发 Hg*碰撞碰撞 将能量传递给反应气体（将能量传递给反应气体（M+h M*）反应物分解反应物分解（1 1）成膜反应过程）成膜反应过程）成膜反应过程）成膜反应过程HgHg吸收吸收253.7nm波长的波长的UV而而被激活被激活被激活被激活：Hg*Hg*通过碰撞将通过碰撞将能量传递给反应气体能量传递给反应气体能量传递给反应气体能量传递给
29、反应气体N N2 2OO：基态氧基态氧基态氧基态氧(O)(O)与与与与SiHSiH4 4反应反应反应反应生成氧化物：生成氧化物：or:（2 2）特点：）特点：）特点：）特点：优点：优点：优点：优点：控制了控制了控制了控制了高能带电粒子高能带电粒子对膜层轰击对膜层轰击对膜层轰击对膜层轰击的影响，的影响，提高了膜质提高了膜质提高了膜质提高了膜质;生长速率较快生长速率较快生长速率较快生长速率较快，60nm/min;缺点：缺点：缺点：缺点：膜层中会膜层中会残存残存残存残存HgHg的污染的污染的污染的污染。（3 3）装置）装置）装置）装置图图8.3.6 光光CVD反应器及反应系统示意图反应器及反应系统示
30、意图紫外光源：低压汞灯、氖灯、准分子激光器紫外光源：低压汞灯、氖灯、准分子激光器2.2.直接光解反应直接光解反应直接光解反应直接光解反应若：若：UVUV有足够能量有足够能量有足够能量有足够能量，可以，可以直接使直接使直接使直接使N N2 2OO分解分解分解分解成成O*,反应如下：反应如下：经过碰撞后，激发态的经过碰撞后，激发态的O*衰减成基态氧衰减成基态氧O，O与与SiH4作用生成作用生成SiO2，其反应结果同前。，其反应结果同前。特点：特点：特点：特点：（1）不用）不用Hg，减少污染减少污染减少污染减少污染，简化了设备简化了设备简化了设备简化了设备；但沉积速率低，仅；但沉积速率低，仅2nm/
31、min,为提高沉积速率，为提高沉积速率，可用激光光源可用激光光源可用激光光源可用激光光源，例如：，例如：CO2、ArF、KrF 等，用等，用ArF，沉积速率可达，沉积速率可达300nm/min;300nm/min;（2）适应了）适应了技术低温化技术低温化技术低温化技术低温化的要求，可避免基体因温度太高而的要求，可避免基体因温度太高而变型；变型；（3）不存在不存在不存在不存在PECVD中的中的电磁辐射及带电粒子对膜质的影响电磁辐射及带电粒子对膜质的影响电磁辐射及带电粒子对膜质的影响电磁辐射及带电粒子对膜质的影响;（4）可聚焦光束，）可聚焦光束，实现局部定位反应沉积实现局部定位反应沉积实现局部定位反应沉积实现局部定位反应沉积。几种成膜技术的比较几种成膜技术的比较制膜主要工艺参数比较制膜主要工艺参数比较*活化反应蒸镀活化反应蒸镀 *反应离子镀反应离子镀 *常用射频频率：常用射频频率：4KHz，13.56MHz 谢谢 谢！谢！