第6章CVD化学气相淀积ppt课件.ppt
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1、化学气相淀积定义:化学气相淀积定义:指使一种或数种物质的气体,以某种方式激活后,指使一种或数种物质的气体,以某种方式激活后,在衬底发生化学反应,并淀积出所需固体薄膜的在衬底发生化学反应,并淀积出所需固体薄膜的生长技术。其英文原名为生长技术。其英文原名为“Chemical Vapour Deposition”,简称为简称为“CVD”。本章主要内容:本章主要内容:CVD薄膜的动力学模型、常用系薄膜的动力学模型、常用系统及制备常用薄膜的工艺。统及制备常用薄膜的工艺。第六章第六章 化学气相淀积化学气相淀积2022/12/311(1)CVD成膜温度远低于体材料的熔点或成膜温度远低于体材料的熔点或软点。因
2、此减轻了衬底片的热形变,减少了软点。因此减轻了衬底片的热形变,减少了玷污,抑制了缺陷生成玷污,抑制了缺陷生成;设备简单,重复性设备简单,重复性好;好;(2)薄膜的成分精确可控、配比范围大;)薄膜的成分精确可控、配比范围大;(3)淀积速率一般高于)淀积速率一般高于PVD;厚度范围广,;厚度范围广,由几百埃至数毫米。且能大量生产;由几百埃至数毫米。且能大量生产;(4)淀积膜结构完整、致密,与衬底粘附)淀积膜结构完整、致密,与衬底粘附性好。性好。CVD工艺特点:2022/12/3126.1 CVD模型模型6.1.1 CVD的基本过程的基本过程 图图6.1 1.主要步骤主要步骤 反应剂气体反应剂气体反
3、反应室内(主气流区)室内(主气流区)通通过边界界层到达到达衬底表面(底表面(扩散方式)散方式)成成为吸附原子吸附原子在在衬底表面底表面发生化学反生化学反应,淀,淀积成薄膜。成薄膜。2.满足条件足条件n在淀在淀积温度下,反温度下,反应剂必必须具具备足足够高蒸汽高蒸汽压。n除淀除淀积物外,反物外,反应的其他的其他产物必物必须是是挥发性的。性的。n淀淀积物具有足物具有足够低的蒸汽低的蒸汽压。n薄膜淀薄膜淀积所用所用时间尽量短。尽量短。n淀淀积温度足温度足够低低n化学反化学反应的气的气态副副产物不能物不能进入薄膜中。入薄膜中。n化学反化学反应发生在被加生在被加热的的衬底表面。底表面。2022/12/3
4、133.CVD的激活能来源:的激活能来源:热能热能、光能、光能、等离子体等离子体、激、激光等。光等。6.1.26.1.2 边界层理论边界层理论 2022/12/314边界层边界层1.定义:指速度受到扰动并按抛物线型变化、同时定义:指速度受到扰动并按抛物线型变化、同时还存在反应剂浓度梯度的薄层。也称为附面层、还存在反应剂浓度梯度的薄层。也称为附面层、滞流层等。滞流层等。2.厚度厚度(x)(x):从速度为零的硅片表面到气流速度为:从速度为零的硅片表面到气流速度为0.99Um0.99Um时的区域厚度。时的区域厚度。3.3.形成机制:图形成机制:图6.36.3所示所示定义从气流遇到平板边界时为坐标原点
5、,则有定义从气流遇到平板边界时为坐标原点,则有 (x)=(x)=(xx/UU)1/21/2-气体的黏滞系数。气体的黏滞系数。-气体的密度气体的密度2022/12/315边界层的平均厚度边界层的平均厚度ReRe气体的雷诺数,表示流体运动中惯性效应与黏气体的雷诺数,表示流体运动中惯性效应与黏滞效应的比。无量纲数。滞效应的比。无量纲数。ReRe2000,气流为平流型,气流为平流型反应室中沿各表面附近反应室中沿各表面附近的气体流速足够慢。的气体流速足够慢。ReRe2000,为湍流。,为湍流。2022/12/3166.1.3 Grove6.1.3 Grove模型模型CVD过程主要受两步工艺过程控制:过程
6、主要受两步工艺过程控制:气相输运过程;气相输运过程;表面化学反应过程。表面化学反应过程。GroveGrove模型认为控制薄膜淀积速率的两个重要环节:模型认为控制薄膜淀积速率的两个重要环节:反应剂在边界层的输运过程;反应剂在边界层的输运过程;反应剂在衬底表面上的化学反应过程。反应剂在衬底表面上的化学反应过程。GroveGrove模型的基本原理模型的基本原理 图图6.46.42022/12/317薄膜淀积过程存在两种极限情况:薄膜淀积过程存在两种极限情况:h hg gkks s,C Cs s趋向于趋向于C Cg g,淀积速率受表面化学反应速率控制。,淀积速率受表面化学反应速率控制。反应剂数量:主气
7、流输运到硅片表面的反应剂数量:主气流输运到硅片表面的表面化学反应所需表面化学反应所需要的要的 h hg gkks s,C Cs s趋于趋于0 0,淀积速率受质量输运速率控制。反应,淀积速率受质量输运速率控制。反应剂数量:表面化学反应所需要的剂数量:表面化学反应所需要的主气流输运到硅片表面的主气流输运到硅片表面的2022/12/318结论:结论:图图6.51.淀积速率与下面两个量中的一个成正比:淀积速率与下面两个量中的一个成正比:反应剂的浓度反应剂的浓度Cg;(没有使用稀释气体时适用);(没有使用稀释气体时适用)在气相反应中反应剂的摩尔百分比在气相反应中反应剂的摩尔百分比Y。(使用稀释气体)。(
8、使用稀释气体)低浓度区域,薄膜生长速率随低浓度区域,薄膜生长速率随Cg增加而加快。增加而加快。2.在在Cg或或Y为常数时,薄膜淀积速率由为常数时,薄膜淀积速率由hg和和ks中较小的一个中较小的一个决定。决定。h hg gkks s G=G=(C CT Tk ks sY Y)/N/N1 1 h hg gkks s G=G=(C CT Th hg gY Y)/N/N1 12022/12/319淀积速率与几个参数的关系:淀积速率与几个参数的关系:1.1.淀积速率与温度的关系淀积速率与温度的关系 如图如图6.66.6低温情况下,表面化学反应速率控制低温情况下,表面化学反应速率控制 由由 k ks s=
9、k=k0 0e e-E-EA A/Kt/Kt 淀积速率淀积速率对温度的变化非常敏感。对温度的变化非常敏感。随温度的升高而成指数随温度的升高而成指数增加。增加。高温情况下,质量输运控制高温情况下,质量输运控制 h hg g依赖于气相参数,如气体流速和气体成份等。依赖于气相参数,如气体流速和气体成份等。其输运过程通过气相扩散完成。其输运过程通过气相扩散完成。扩散速度正比于扩散系数扩散速度正比于扩散系数D Dg g及边界层内浓度梯度,及边界层内浓度梯度,D Dg gT1.52.0 淀积速率淀积速率D Dg g基本不随温度变化而变化。基本不随温度变化而变化。2022/12/31102.2.淀积速率与气
10、流速率的关系淀积速率与气流速率的关系 如图如图6.76.7条件:质量输运速率控制条件:质量输运速率控制根据菲克第一定律和式根据菲克第一定律和式6.56.5推导,得到推导,得到气流速率气流速率 1.0L/min1.0L/min,淀积速率与主气流速度,淀积速率与主气流速度UmUm的平的平方根成正比。方根成正比。气流速率,可以气流速率,可以淀积速率。淀积速率。气流速率持续气流速率持续,淀积速率达到一个极大值,与气,淀积速率达到一个极大值,与气流速率无关。流速率无关。气流速率大到一定程度,淀积速率转受表面化学反气流速率大到一定程度,淀积速率转受表面化学反应速率控制,且与温度遵循指数关系。应速率控制,且
11、与温度遵循指数关系。2022/12/3111总结总结Grove模型是一个简化的模型:模型是一个简化的模型:忽略了忽略了1.反应产物的流速;反应产物的流速;2.温度梯度对气相物质输运的影响;温度梯度对气相物质输运的影响;认为认为 3.反应速度线性依赖于表面浓度。反应速度线性依赖于表面浓度。但成功预测了:但成功预测了:薄膜淀积过程中的两个区域(物质输运速率薄膜淀积过程中的两个区域(物质输运速率限制区域和表面反应控制限制区域),同时也提限制区域和表面反应控制限制区域),同时也提供了从淀积速率数据中对供了从淀积速率数据中对h hg g和和k ks s 值的有效估计。值的有效估计。思考:为什么在思考:为
12、什么在LPCVD反应系统中,硅片可紧密排反应系统中,硅片可紧密排列?列?2022/12/31126.2 6.2 化学气相淀积系统化学气相淀积系统气态源或液态源气态源或液态源气体输入管道气体输入管道气体流量控制气体流量控制反应室反应室基座加热及控制系统基座加热及控制系统温度控制及测量系统温度控制及测量系统2022/12/31136.2.1 6.2.1 CVDCVD的气体源的气体源1.1.气态源:已被取代。气态源:已被取代。2.2.液态源:更安全(但氯化物除外)液态源:更安全(但氯化物除外)输送方式:输送方式:冒泡法冒泡法,加热液态源,液态源直接注,加热液态源,液态源直接注入法入法冒泡法:通过控制
13、携带气体的流速和源瓶的温度,冒泡法:通过控制携带气体的流速和源瓶的温度,间接达到控制进入到反应室的反应剂浓度。间接达到控制进入到反应室的反应剂浓度。存在问题:较难控制反应剂的浓度;存在问题:较难控制反应剂的浓度;低气压下反应剂容易凝聚。低气压下反应剂容易凝聚。工艺改进:直接气化系统,液态源直接注入法工艺改进:直接气化系统,液态源直接注入法2022/12/31146.2.2 6.2.2 质量流量控制系统质量流量控制系统直接控制气流流量直接控制气流流量包括质量流量计和阀门,位于气体源和反应室之间包括质量流量计和阀门,位于气体源和反应室之间每分钟每分钟1cm1cm3 3的气体流量的气体流量温度为温度
14、为273K273K、1 1个标准大气压下,每个标准大气压下,每分钟通过分钟通过1cm1cm3 3体积的气体。体积的气体。6.2.3 CVD6.2.3 CVD反应室的热源反应室的热源热壁式热壁式CVDCVD系统:系统:T TW W=T=TS S 冷壁式冷壁式CVDCVD系统:系统:T TW WT TS Sn电阻加热法:电阻加热法:利用缠绕在反应管外侧的电阻丝加热,形成热壁系统。利用缠绕在反应管外侧的电阻丝加热,形成热壁系统。由表面反应速度控制由表面反应速度控制 对放置硅片的基座进行加热,形成冷壁系统。对放置硅片的基座进行加热,形成冷壁系统。n电感加热或高能辐射灯加热电感加热或高能辐射灯加热 均为
15、直接加热硅片和基座,形成冷壁系统均为直接加热硅片和基座,形成冷壁系统 不同:电感加热,通过射频电源在基座上产生涡流,导致不同:电感加热,通过射频电源在基座上产生涡流,导致硅片和基座的温度升高。高能辐射灯加热,通过辐射射线硅片和基座的温度升高。高能辐射灯加热,通过辐射射线加热淀积室侧壁。加热淀积室侧壁。2022/12/31156.2.4 6.2.4 CVDCVD系统的分类系统的分类3化学淀积方法化学淀积方法:1.常压化学气相淀积常压化学气相淀积APCVD2.低压化学气相淀积低压化学气相淀积LPCVD3.等离子化学气相淀积等离子化学气相淀积PECVD2022/12/31161.常压化学气相淀积常压
16、化学气相淀积适用于介质薄膜的淀积适用于介质薄膜的淀积42022/12/3117特点特点:用于用于SiO2的淀积,由质量输运控制淀积速率,的淀积,由质量输运控制淀积速率,因此必须精确控制在单位时间内到达每个硅片表面因此必须精确控制在单位时间内到达每个硅片表面及同一表面不同位置的反应剂数量。及同一表面不同位置的反应剂数量。SiH4+O2=SiO2+H2 O 100100mmmm:1010片片,125125mm:8mm:8片片Time:15minTime:15minTemp:380450Temp:380450 66厚度均匀:厚度均匀:5 52022/12/31182.低压化学气相淀积低压化学气相淀积
17、52022/12/3119特点:气压较低(特点:气压较低(133.3Pa133.3Pa),淀积速率受表面反应控制,),淀积速率受表面反应控制,要精确控制温度(要精确控制温度(0.50.5C C),保证各个硅片表面上的反应保证各个硅片表面上的反应剂浓度相同。剂浓度相同。应用情况:应用情况:多晶硅多晶硅:SiHSiH4 4/Ar(He)620/Ar(He)620SiSi3 3N N4 4:SiH:SiH2 2ClCl2 2+NH+NH3 3 750800 750800PSGPSG:SiH:SiH4 4+PH+PH3 3+O+O2 2 450 450 BSGBSG:B:B2 2H H6 6+O+O2
18、 2 450 450 SiOSiO2 2:SiH:SiH2 2ClCl2 2+NO+NO2 2 910910气缺现象:当气体反应剂被消耗而出现的反应剂浓度改变的气缺现象:当气体反应剂被消耗而出现的反应剂浓度改变的现象。针对只有一端输入的反应室。现象。针对只有一端输入的反应室。避免方法:避免方法:水平方向上逐渐提高温度来加快反应速度;水平方向上逐渐提高温度来加快反应速度;采用分布式的气体入口;采用分布式的气体入口;增加反应室中气流速度。增加反应室中气流速度。缺点:相对低的淀积速率和相对高的工作温度。缺点:相对低的淀积速率和相对高的工作温度。2022/12/31203.等离子体化学气相淀积等离子体
19、化学气相淀积n叙述其他策略n列出每项的优势和劣势n叙述每项所需的消耗62022/12/3121PECVDPECVD:Plasma-enhancedPlasma-enhanced CVD CVD 利用非热能源的利用非热能源的RF等离子体来激活和维持化学反应。等离子体来激活和维持化学反应。特点:温度低特点:温度低 200350200350,表面反应速率控制。表面反应速率控制。通常情况下:通常情况下:6.665 666.5Pa,6.665 666.5Pa,频率频率50k13.6MHz50k13.6MHz适用于布线隔离适用于布线隔离SiSi3 3N N4 4:SiH:SiH2 2ClCl2 2+NH+
20、NH3 3PSG:SiHPSG:SiH4 4+PH+PH3 3+O+O2 22022/12/31226.3 CVD6.3 CVD多晶硅特性和淀积方法多晶硅特性和淀积方法硅的三种形态:单晶硅、多晶硅和非晶硅。硅的三种形态:单晶硅、多晶硅和非晶硅。2022/12/3123单晶硅(单晶硅(SCSSCS):晶格规则排列。):晶格规则排列。加工方法:加工方法:1 1)通过高温熔融)通过高温熔融/再结晶生长单晶硅圆片;再结晶生长单晶硅圆片;2 2)外延生长硅薄膜;)外延生长硅薄膜;3 3)通过全部加热或局部加热,)通过全部加热或局部加热,使多晶硅或非晶硅再结晶。使多晶硅或非晶硅再结晶。多晶硅(多晶硅(Po
21、lysiPolysi):有多种晶畴。每个晶畴里,晶格):有多种晶畴。每个晶畴里,晶格规则排列。但相邻区域晶向不同。晶界(畴壁)对于规则排列。但相邻区域晶向不同。晶界(畴壁)对于决定电导率、机械刚度和化学刻蚀特性很重要。决定电导率、机械刚度和化学刻蚀特性很重要。加工方法:加工方法:1 1)通过)通过LPCVDLPCVD生长;生长;2 2)通过全部加热或)通过全部加热或局部加热,使多晶硅或非晶硅再结晶。局部加热,使多晶硅或非晶硅再结晶。非晶硅:晶格不规则排列。非晶硅:晶格不规则排列。加工方法:加工方法:1 1)通过)通过CVDCVD生长。生长。2022/12/31246.3.1 多晶硅薄膜的性质多
22、晶硅薄膜的性质1.多晶硅的物理结构以及力学特性多晶硅的物理结构以及力学特性多晶硅薄膜多晶硅薄膜由小单晶(由小单晶(100nm量级)的晶粒组量级)的晶粒组成,存在大量的晶粒间界。成,存在大量的晶粒间界。晶粒间界:具有高密度缺陷和悬挂键晶粒间界:具有高密度缺陷和悬挂键多晶硅的两个重要特性:多晶硅的两个重要特性:扩散系数扩散系数-晶粒间界处晶粒间界处晶粒内部晶粒内部杂质分布杂质分布高温时存在于晶粒内的杂质,低温发高温时存在于晶粒内的杂质,低温发生分凝作用,使杂质从晶粒内部运动到晶粒间生分凝作用,使杂质从晶粒内部运动到晶粒间界,在高温下又会返回到晶粒内。界,在高温下又会返回到晶粒内。2022/12/3
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