晶圆制造之化学气相沉积CVD工艺

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-09-19 10:31:21 987

在制造集成电路时，有时候我们需要在硅片（也就是晶圆）表面上沉积一些特定的材料层，比如氮化硅（Si?N?）或氮氧化硅（SiON）。这些材料层不能直接从基板上生成，所以我们采用化学气相沉积（CVD）这种方法。

CVD的原理是：我们将含有所需元素的气体引入到反应室中，然后通过加热让这些气体分解。虽然气体不直接与晶圆表面发生反应，但晶圆表面作为一个承载的底层，气体在其表面逐渐形成我们想要的材料层。

1. 为什么需要CVD工艺？

在硅基集成电路的制造过程中，有时需要在基板（通常是硅晶圆）上沉积某些材料层，这些材料包括氮化硅（Si?N?）和氮氧化硅（SiON）。这些材料无法通过简单的物理或化学反应直接从基板上生成，因此我们需要采用特殊的沉积方法，来确保这些材料层能够准确地在晶圆表面沉积。

2. CVD的基本原理

化学气相沉积（CVD）是一种通过使用气态化学物质沉积固体薄膜的工艺。CVD的基本工作原理是将含有所需沉积元素的气体引入反应室，然后通过加热使气体发生化学分解。这种气体在高温条件下分解，形成所需的材料（如氮化硅或氮氧化硅），并逐渐沉积在晶圆表面。

关键点：气体并不直接与晶圆表面发生反应，晶圆表面只是作为底层，而气体分解后会在其表面沉积。

3. 工艺参数的影响

CVD的过程参数，主要包括温度和压力，直接影响沉积层的密度和覆盖情况。不同的CVD工艺会有不同的沉积效果，尤其在层的均匀性和致密性方面表现不同。

温度：温度是影响沉积速率和材料层质量的关键因素。高温通常有助于提高沉积的共形性（即层在垂直和水平表面上的沉积厚度接近）。

压力：压力的变化会影响气体的流动和反应速率，进而影响薄膜的沉积速度和质量。

4. 共形沉积与共形性K

根据工艺参数（例如压力和温度）的不同，CVD方法可以分成多种类型，每种类型沉积的材料层密度和覆盖情况可能不同。理想情况下，沉积在水平表面和垂直表面的厚度应该相等，这种情况我们称之为共形沉积。

为了量化这种共形性，我们引入了共形性参数“K”，它是垂直沉积速率（Rv）与水平沉积速率（Rh）的比值。如果沉积在水平表面的速率比垂直表面慢，比如只有一半，那么K值会是0.5，这表示沉积的效果不够理想。只有在高温下，我们才能更容易实现较高的共形性。

K= Rv/Rh：如果K=1，意味着沉积在垂直和水平表面的材料厚度相等，表示理想的共形沉积。

如果K<1，比如K=0.5，这意味着在水平表面的沉积速率只有垂直表面的一半，表明沉积的均匀性较差。

5. 共形性与温度的关系

高温能够显著提高CVD工艺的共形性。这是因为高温能够加快气体的分解，使得气体的反应更彻底，形成的沉积层更均匀，尤其是在复杂几何结构（如沟槽、孔隙）中，温度越高，材料越容易均匀覆盖各个表面。

CVD工艺是一种在高温下利用气态化学物质在晶圆表面沉积材料薄膜的技术。它的核心在于通过调节温度、压力等工艺参数，控制沉积层的密度和均匀性。共形性是衡量沉积层均匀度的关键指标，高温有助于实现较高的共形性，从而确保在集成电路制造中的材料层质量。

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