化學(xué)汽相淀積工藝

化學(xué)氣相淀積

CVD (Chemical Vapor Deposition) 指把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣及反應(yīng)所需其它氣體引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜的過程。在超大規(guī)模集成電路中很多薄膜都是采用CVD方法制備。

化學(xué)氣相淀積特點(diǎn):淀積溫度低，薄膜成份易控，膜厚與淀積時(shí)間成正比，均勻性，重復(fù)性好，臺(tái)階覆蓋性優(yōu)良。

化學(xué)氣相淀積是把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑引入反應(yīng)室，在晶圓表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成所需的固態(tài)薄膜并淀積在其表面。

目前，在芯片制造過程中，大部分所需的薄膜材料，不論是導(dǎo)體、半導(dǎo)體，或是介電材料，都可以用化學(xué)氣相淀積來制備，如二氧化硅膜、氮化硅膜、多晶硅膜等。它具有淀積溫度低，薄膜成分和厚度易控，薄膜厚度與淀積時(shí)間成正比，均勻性與重復(fù)性好，臺(tái)階覆蓋好，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。其中淀積溫度低和臺(tái)階覆蓋好對(duì)超大規(guī)模集成電路的制造十分有利。因此是目前集成電路生產(chǎn)過程中最重要的薄膜淀積方法。目前常用的有常壓化學(xué)氣相淀積、低壓化學(xué)氣相淀積以及等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積等。

用氣態(tài)反應(yīng)原料在固態(tài)基體表面反應(yīng)并淀積成固體薄層或薄膜的工藝過程，類似于汽相外延工藝(見外延生長)。60年代，隨著集成電路平面技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)汽相淀積工藝受到重視而得到迅速發(fā)展。當(dāng)時(shí)主要是常壓下的化學(xué)汽相淀積，稱為常壓化學(xué)汽相淀積工藝。70年代后期，低壓化學(xué)汽相淀積工藝取得顯著進(jìn)展，在集成電路制造工藝中發(fā)揮了更大的作用。在應(yīng)用低壓化學(xué)汽相工藝的同時(shí)，等離子化學(xué)汽相淀積工藝和金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積工藝也得到迅速發(fā)展。

化學(xué)汽相淀積工藝常用于制造導(dǎo)電薄膜(如多晶硅、非晶硅)或絕緣薄膜(如氧化硅、氮化硅和磷硅玻璃等)。這些薄膜經(jīng)過光刻和腐蝕，可形成各種電路圖案，與其他工藝相配合即可構(gòu)成集成電路。常見的淀積薄膜的化學(xué)反應(yīng)式如下:

SiH4─→Si(多晶硅或非晶硅)+2H2

SiH4+4N2O─→SiO2+2H2O+4N2

SiH4+2O2─→SiO2+2H2O

3SiH4+4NH3─→Si3N4+12H2

3SiH2Cl2+10NH3─→Si3N4+6NH4Cl+6H2

SiH4+2xPH3+2(2x+1)O2─→

SiO2·xP2O5(磷硅玻璃)+(3x+2)H2O

化學(xué)汽相淀積工藝還可用于其他方面，如制造超導(dǎo)薄膜材料鈮鍺合金(Nb3Ge)、光學(xué)掩模材料氧化鐵、光纖芯材鍺硅玻璃(SiO2·xGeO2)，以及裝飾性薄膜氮化鈦等。

3NbCl4+GeCl4+8H2─→Nb3Ge+16HCl

4Fe(CO)5+3O2─→2Fe2O3+20CO

與物理汽相淀積薄膜工藝(如蒸發(fā)、濺射、離子鍍等)相比，化學(xué)汽相淀積具有設(shè)備簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)，化學(xué)汽相淀積工藝，也可用于制造體材料，例如，高純?nèi)裙柰橛脷溥€原，在加熱的硅棒上不斷淀積出硅，使硅棒變粗，形成棒狀高純硅錠，成為制備半導(dǎo)體硅單晶的原料。

常壓化學(xué)汽相淀積 圖1a是高頻感應(yīng)加熱的常壓化學(xué)汽相淀積裝置，感應(yīng)受熱基座通常用石墨制成，在基座上放置片狀的襯底。例如，以單晶硅片為襯底，在硅片上淀積氧化硅、氮化硅、多晶硅或磷硅玻璃等薄膜。圖1b是電阻平臺(tái)加熱的多噴頭常壓化學(xué)汽相淀積裝置,用硅烷、磷烷或氧為原料,以氮?dú)忉屜?在400℃左右淀積氧化硅或磷硅玻璃。連續(xù)傳送裝置可以提高產(chǎn)量并改善均勻性。

低壓化學(xué)汽相淀積 圖2是低壓化學(xué)汽相淀積裝置原理，采用管式電阻爐加熱，在爐內(nèi)以直立式密集裝片。片的平面垂直于氣流方向。由于在低壓(約50帕)下工作，氣體分子的平均自由程比常壓下增加1000多倍以上，擴(kuò)散過程加快，片與片之間的距離約幾毫米。因此,每一個(gè)裝片架上可以放100~200個(gè)片子,產(chǎn)量比常壓法增加十多倍。這種工藝在半導(dǎo)體器件制造過程中，可淀積多種薄膜，應(yīng)用很廣。

等離子化學(xué)汽相淀積 利用高頻電場使低壓下的氣體產(chǎn)生輝光放電，形成非平衡等離子體，其中能量較高的電子撞擊反應(yīng)氣體分子，促使反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行，淀積成薄膜(圖3)。這種工藝主要用于制備集成電路或其他半導(dǎo)體芯片表面鈍化保護(hù)層，以提高器件可靠性和穩(wěn)定性。

參考書目

Donald T.Hawkins ed.,Chemical Vapor Deposition1960~1980, IFI/Plenum Data Co.,New York,1981.