薄膜淀积与外延技术课件.ppt
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1、薄膜淀积与外延技术 超薄膜:10nm 薄膜:50nm10mm 典型薄膜:50nm 1mm 厚膜:10 mm 100 mm 单晶薄膜 多晶薄膜 无序薄膜5.1 概述采用一定方法,使处于某种状态的一种或几种物质(原材料)的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面,在衬底材料表面形成一层新的物质,这层新物质就是薄膜。薄膜分类(1)物态(2)结晶态:(3)化学角度 5.1 概述(4)组成(5)物性 q 厚度,决定薄膜性能、质量q 通常,膜厚 数十um,一般在1um 以下。薄膜的一个重要参数5.1 概述两种常见的薄膜结构 单层膜 周期结构多层膜SubstrateASubstrateABAB5.1 概述半导
2、体薄膜:Si介质薄膜:SiO2,Si3N4,BPSG,金属薄膜:Al,Cu,W,Ti,在集成电路制备中,很多薄膜材料由淀积工艺形成单晶薄膜:Si,SiGe(外延)多晶薄膜:poly-SiDeposition5.1 概述薄膜的应用:半导体器件;电路连接;电极;光电子器件;半导体激光器;光学镀膜淀积是指在wafer上淀积一层膜的工艺,淀积薄膜的工艺有很多种,化学气相淀积、物理气相淀积、蒸发等很多。化学气相淀积(CVD)是通过气态物质的化学反应在wafer表面淀积一层固态薄膜的工艺。CVD法淀积薄膜可用以下几个步骤解释薄膜的生长过程:参加反应的气体传输到wafer表面;反应物扩散至wafer表面并吸
3、附在其上;wafer表面发生化学反应,生成膜分子和副产物;膜分子沿wafer表面向膜生长区扩散并与晶格结合成膜;反应副产物 随气流流动至排气口,被排出淀积区。5.1 概述1)化学气相淀积 Chemical Vapor Deposition(CVD)一种或数种物质的气体,以某种方式激活后,在衬底表面发生化学反应,并淀积出所需固体薄膜的生长技术。例如:APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2)物理气相淀积 Physical Vapor Deposition(PVD)利用某种物理过程实现物质的转移,即将原子或分子转移到衬底(硅)表面上,并淀积成薄膜的技术。例如:蒸发 evaporation
4、,溅射sputtering两类主要的淀积方式5.1 概述除了CVD和PVD外,制备薄膜的方法还有:铜互连是由电镀工艺制作旋涂Spin-on镀/电镀electroless plating/electroplating5.1 概述外延:在单晶衬底上生长一层新的单晶层,晶向取决于衬底外延硅应用举例5.1 概述CMOS栅电极材料;多层金属化电极的导电材料多晶硅薄膜的应用5.1 概述化学气相沉积Chemical Vapor Deposition(CVD):是通过气态物质的化学反应在衬底上淀积薄膜的工艺方法。PolycrystallineSingle crystal(epitaxy)Courtesy Jo
5、han Pejnefors,20015.2 化学气相沉积化学气相沉积(CVD)是一种化学气相生长法。把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片,利用加热、等离子体、紫外光以及激光等能源,借助气相作用或在基板表面的化学反应(热分解或化学合成)生长要求的薄膜。CVD装置的主要部分:反应气体输入部分、反应激活能源供应部分和气体排出部分。CVD可以制备单晶、多相或非晶态无机薄膜,近年来,已研制出金刚石薄膜、高Tc超导薄膜、透明导电薄膜以及某些敏感功能薄膜。5.2 化学气相沉积对薄膜的要求1.组分正确,玷污少,电学和机械性能好2.片内及片间(每一硅片和硅片之间)均匀性好3.台阶覆盖性好(co
6、nformal coverage 保角覆盖)4.填充性好5.平整性好 5.2 化学气相沉积 CVD法制备薄膜具有很多优点,如薄膜组分任意控制、生长温度低于组成物质的熔点、膜层均匀性好、薄膜纯度高、针孔少、结构致密。CVD分类:按淀积温度:低温(200500)、中温(500 1000)和高温(1000 1300)按反应器内的压力:常压和低压按反应器壁的温度:热壁和冷壁按反应激活方式:热激活和冷激活5.2 化学气相沉积化学气相淀积(CVD)的应用及分类 单晶(外延)、多晶、非晶(无定型)薄膜 半导体、介质、金属薄膜 常压化学气相淀积(APCVD),低压CVD(LPCVD),等离子体增强淀积(PEC
7、VD)等CVD反应必须满足三个挥发性标准 在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压 除淀积物质外,反应产物必须是挥发性的 淀积物本身必须具有足够低的蒸气压5.2 化学气相沉积化学气相沉积的基本原理 化学气相沉积是利用气态物质通过化学反应在基片表面形成固态薄膜的一种成膜技术。CVD反应是指反应物为气体而生成物之一为固体的化学反应。CVD完全不同于物理气相沉积(PVD)5.2 化学气相沉积 CVD基本原理包括:反应化学、热力学、动力学、输运过程、薄膜成核与生长、反应器工程等学科领域。CVD法实际上很早就有应用,用于材料精制、装饰涂层、耐氧化涂层、耐腐蚀涂层等。在电子学方面PVD法用于制作半导体电
8、极等。CVD法一开始用于硅、锗精制上,随后用于适合外延生长法制作的材料上。表面保护膜一开始只限于氧化膜、氮化膜等,之后添加了由、族元素构成的新的氧化膜,最近还开发了金属膜、硅化物膜等。以上这些薄膜的CVD制备法为人们所注意。CVD法制各的多晶硅膜在器件上得到广泛应用,这是CVD法最有效的应用场所。5.2 化学气相沉积 CVD的化学反应热力学 按热力学原理,化学反应的自由能变化 可以用反应物和生成物的标准自由能 来计算,即 CVD热力学分析的主要目的是预测某些特定条件下某些CVD反应的可行性(化学反应的方向和限度)。在温度、压强和反应物浓度给定的条件下,热力学计算能从理论上给出沉积薄膜的量和所有
9、气体的分压,但是不能给出沉积速率。热力学分析可作为确定CVD工艺参数的参考。5.2 化学气相沉积 与反应系统的化学平衡常数 有关 例:热分解反应5.2 化学气相沉积反应方向判据:可以确定反应温度。5.2 化学气相沉积 平衡常数 的意义:计算理论转化率 计算总压强、配料比对反应的影响通过平衡常数可以确定系统的热力学平衡问题。5.2 化学气相沉积CVD的(化学反应)动力学 反应动力学是一个把反应热力学预言变为现实,使反应实际进行的问题;它是研究化学反应的速度和各种因素对其影响的科学。CVD反应动力学分析的基本任务是:通过实验研究薄膜的生长速率,确定过程速率的控制机制,以便进一步调整工艺参数,获得高
10、质量、厚度均匀的薄膜。反应速率 是指在反应系统的单位体积中,物质(反应物或产物)随时间的变化率。5.2 化学气相沉积 Vant Hoff规则:反应温度每升高10,反应速率大约增加2-4倍。这是一个近似的经验规则。温度对反应速率的影响:式中,为有效碰撞的频率因子,为活化能。Arrhenius方程:较低衬底温度下,随温度按指数规律变化。较高衬底温度下,反应物及副产物的扩散速率为决定反应速率的主要因素。5.2 化学气相沉积(1)反应剂被携带气体引入反应器后,在衬底表面附近形成“滞留层”,然后,在主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面(2)反应剂被吸附在硅片表面,并进行化学反应(3)化学反应生成的固
11、态物质,即所需要的淀积物,在硅片表面成核、生长成薄膜(4)反应后的气相副产物,离开衬底表面,扩散回边界层,并随输运气体排出反应室化学气相淀积的基本过程5.2 化学气相沉积CVD法制备薄膜过程描述(四个阶段)最常见的几种CVD反应类型有:热分解反应、化学合成反应、化学输运反应等。分别介绍如下。q 热分解反应(吸热反应)通式:主要问题是源物质的选择(固相产物与薄膜材料相同)和确定分解温度。该方法在简单的单温区炉中,在真空或惰性气体保护下加热基体至所需温度后,导入反应物气体使之发生热分解,最后在基体上沉积出固体图层。5.2 化学气相沉积(1)氢化物 H-H键能小,热分解温度低,产物无腐蚀性。(2)金
12、属有机化合物 M-C键能小于C-C键,广泛用于沉积金属和氧化物薄膜。金属有机化合物的分解温度非常低,扩大了基片选择范围以及避免了基片变形问题。5.2 化学气相沉积(3)氢化物和金属有机化合物系统 广泛用于制备化合物半导体薄膜。(4)其它气态络合物、复合物羰基化合物:单氨络合物:5.2 化学气相沉积q 化学合成反应 化学合成反应是指两种或两种以上的气态反应物在热基片上发生的相互反应。(1)最常用的是氢气还原卤化物来制备各种金属或半导体薄膜;(2)选用合适的氢化物、卤化物或金属有机化合物来制备各种介质薄膜。化学合成反应法比热分解法的应用范围更加广泛。可以制备单晶、多晶和非晶薄膜。容易进行掺杂。5.
13、2 化学气相沉积5.2 化学气相沉积q 化学输运反应 将薄膜物质作为源物质(无挥发性物质),借助适当的气体介质与之反应而形成气态化合物,这种气态化合物经过化学迁移或物理输运到与源区温度不同的沉积区,在基片上再通过逆反应使源物质重新分解出来,这种反应过程称为化学输运反应。设源为A,输运剂为B,输运反应通式为:源区沉积区5.2 化学气相沉积化学输运反应条件:不能太大;平衡常数KP接近于1。化学输运反应判据:根据热力学分析可以指导选择化学反应系统,估计输运温度。首先确定 与温度的关系,选择 的反应体系。大于0的温度T1;小于0的温度T2。根据以上分析,确定合适的温度梯度。5.2 化学气相沉积源区沉积
14、区源区沉积区源区沉积区5.2 化学气相沉积F1是反应剂分子的粒子流密度F2代表在衬底表面化学反应消耗的反应剂分子流密度生长动力学从简单的生长模型出发,用动力学方法研究化学气相淀积推导出生长速率的表达式及其两种极限情况与热氧化生长稍有不同的是,没有了在SiO2中的扩散流5.2 化学气相沉积hG 是质量输运系数(cm/sec)ks 是表面化学反应系数(cm/sec)在稳态,两类粒子流密度应相等。这样得到可得:5.2 化学气相沉积设则生长速率这里 Y 为在气体中反应剂分子的摩尔比值,CG为每cm3中反应剂分子数,这里CT为在气体中每cm3的所有分子总数PG 是反应剂分子的分压,PG1,PG1 PG2
15、 PG3.等是系统中其它气体的分压N是形成薄膜的单位体积中的原子数。对硅外延N为51022 cm-3 5.2 化学气相沉积Y一定时,v 由hG和ks中较小者决定如果hGks,则CsCG,这种情况为表面反应控制过程有2、如果hGks,则CS0,这是质量传输控制过程有 质量输运控制,对温度不敏感5.2 化学气相沉积表面(反应)控制,对温度特别敏感 T对ks的影响较hG大许多,因此:hGks表面控制过程在较低温度出现生长速率和温度的关系硅外延:Ea=1.6 eV斜率与激活能Ea成正比hGconstant5.2 化学气相沉积以硅外延为例(1 atm,APCVD)hG 常数Ea 值相同硅淀积往往是在高温
16、下进行,以确保所有硅原子淀积时排列整齐,形成单晶层。为质量输运控制过程。此时对温度控制要求不是很高,但是对气流要求高。多晶硅生长是在低温进行,是表面反应控制,对温度要求控制精度高。5.2 化学气相沉积当工作在高温区,质量控制为主导,hG是常数,此时反应气体通过边界层的扩散很重要,即反应腔的设计和晶片如何放置显得很重要。记住关键两点:ks 控制的淀积主要和温度有关hG 控制的淀积主要和反应腔体几何形状有关5.2 化学气相沉积单晶硅淀积要采用图中的卧式反应设备,放置硅片的石墨舟为什么要有倾斜?5.2 化学气相沉积这里界面层厚度s是x方向平板长度的函数。随着x的增加,s(x)增加,hG下降。如果淀积
17、受质量传输控制,则淀积速度会下降沿支座方向反应气体浓度的减少,同样导致淀积速度会下降为气体粘度为气体密度U为气体速度5.2 化学气相沉积因此,支座倾斜可以促使s(x)沿x变化减小原理:由于支座倾斜后,气流的流过的截面积下降,导致气流速度的增加,进而导致s(x)沿x减小和hG的增加。从而用加大hG的方法来补偿沿支座长度方向的气源的耗尽而产生的淀积速率的下降。尤其对质量传输控制的淀积至关重要,如APCVD法淀积硅。5.2 化学气相沉积化学气相沉积的特点化学气相沉积的特点q 优点 即可制作金属、非金属薄膜,又可制作多组分合金薄膜;成膜速率高于LPE和MBE;(几微米至几百微米/min?)CVD反应可
18、在常压或低真空进行,绕射性能好;薄膜纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好;薄膜生长温度低于材料的熔点;薄膜表面平滑;辐射损伤小。5.2 化学气相沉积q 缺点 参与沉积的反应源和反应后的气体易燃、易爆或有毒,需环保措施,有时还有防腐蚀要求;反应温度还是太高,尽管低于物质的熔点;温度高于PVD技术,应用中受到一定限制;对基片进行局部表面镀膜时很困难,不如PVD方便。5.2 化学气相沉积q CVD的分类及其在微电子技术中的应用5.2 化学气相沉积CVDCVD方法简介方法简介q CVD反应体系必须具备三个条件 在沉积温度下,反应物具有足够的蒸气压,并能以适当的速度被引入反应室;反应产物除了形成固态薄
19、膜物质外,都必须是挥发性的;沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压,5.2 化学气相沉积q 开口体系CVD 包括:气体净化系统、气体测量和控制系统、反应器、尾气处理系统、抽气系统等。卧式:5.2 化学气相沉积感应加热5.2 化学气相沉积 冷壁CVD:器壁和原料区都不加热,仅基片被加热,沉积区一般采用感应加热或光辐射加热。缺点是有较大温差,温度均匀性问题需特别设计来克服。适合反应物在室温下是气体或具有较高蒸气压的液体。热壁CVD:器壁和原料区都是加热的,反应器壁加热是为了防止反应物冷凝。管壁有反应物沉积,易剥落造成污染。卧式反应器特点:常压操作;装、卸料方便。但是薄膜的均匀性差。5.2 化学气
20、相沉积开口体系CVD 工艺的特点 能连续地供气和排气,物料的运输一般是靠惰性气体来实现的。反应总处于非平衡状态,而有利于形成薄膜沉积层(至少有一种反应产物可连续地从反应区排出)。在大多数情况下,开口体系是在一个大气压或稍高于一个大气压下进行的。但也可在真空下连续地或脉冲地供气及不断地抽出副产物。开口体系的沉积工艺容易控制,工艺重现性好,工件容易取放,同一装置可反复多次使用。有立式和卧式两种形式。5.2 化学气相沉积 立式:气流垂直于基体,可使气流以基板为中心均匀分布5.2 化学气相沉积沉积区域为球形,基片受热均匀,反应气体均匀供给;产品的均匀性好,膜层厚度一致,质地均匀。特点?5.2 化学气相
21、沉积q 封闭式(闭管沉积系统)CVD把一定量的反应物和适当的基体分别放在反应器的两端,抽空后充入一定的输运气体,然后密封,再将反应器置于双温区炉内,使反应管内形成温度梯度。温度梯度造成的负自由能变化是传输反应的推动力,所以物料从闭管的一端传输到另一端并沉积下来。在理想情况下,闭管反应器中所进行的反应其平衡常数值应接近于1。5.2 化学气相沉积温度梯度2.5/cm低温区T1=T2-13.5高温区T2=8508605.2 化学气相沉积 闭管法的优点:污染的机会少,不必连续抽气保持反应器内的真空,可以沉积蒸气压高的物质。闭管法的缺点:材料生长速率慢,不适合大批量生长,一次性反应器,生长成本高;管内压
22、力检测困难等。闭管法的关键环节:反应器材料选择、装料压力计算、温度选择和控制等。5.2 化学气相沉积 低压化学气相沉积(低压化学气相沉积(LPCVDLPCVD)q LPCVD原理 早期 CVD技术以开管系统为主,即 Atmosphere Pressure CVD(APCVD)。近年来,CVD技术令人注目的新发展是低压CVD技术,即Low Pressure CVD(LPCVD)。LPCVD原理于APCVD基本相同,主要差别是:低压下气体扩散系数增大,使气态反应物和副产物的质量传输速率加快,形成薄膜的反应速率增加。5.2 化学气相沉积5.2 化学气相沉积q LPCVD优点(1)低气压下气态分子的平
23、均自由程增大,反应装置内可以快速达到浓度均一,消除了由气相浓度梯度带来的薄膜不均匀性。(2)薄膜质量高:薄膜台阶覆盖良好;结构完整性好;针孔较少。(3)沉积速率高。沉积过程主要由表面反应速率控制,对温度变化极为敏感,所以,LPCVD技术主要控制温度变量。LPCVD工艺重复性优于APCVD。(4)卧式LPCVD装片密度高,生产效率高,生产成本低。5.2 化学气相沉积q LPCVD在微电子技术中的应用 广泛用于沉积掺杂或不掺杂的氧化硅、氮化硅、多晶硅、硅化物薄膜,-族化合物薄膜以及钨、钼、钽、钛等难熔金属薄膜。5.2 化学气相沉积等离子化学气相沉积等离子化学气相沉积 在普通CVD技术中,产生沉积反
24、应所需要的能量是各种方式加热衬底和反应气体,因此,薄膜沉积温度一般较高(多数在9001000)。u 容易引起基板变形和组织上的变化,容易降低基板材料的机械性能;u 基板材料与膜层材料在高温下会相互扩散,形成某些脆性相,降低了两者的结合力。5.2 化学气相沉积 如果能在反应室内形成低温等离子体(如辉光放电),则可以利用在等离子状态下粒子具有的较高能量,使沉积温度降低。这种等离子体参与的化学气相沉积称为等离子化学气相沉积。用来制备化合物薄膜、非晶薄膜、外延薄膜、超导薄膜等,特别是IC技术中的表面钝化和多层布线。等离子化学气相沉积:Plasma CVDPlasma Associated CVDPla
25、sma Enhanced CVD这里称PECVD5.2 化学气相沉积 PECVD是指利用辉光放电的物理作用来激活化学气相沉积反应的CVD技术。它既包括了化学气相沉积技术,又有辉光放电的增强作用。既有热化学反应,又有等离子体化学反应。广泛应用于微电子学、光电子学、太阳能利用等领域,按照产生辉光放电等离子方式,可以分为许多类型。直流辉光放电等离子体化学气相沉积(DC-PCVD)射频辉光放电等离子体化学气相沉积(RF-PCVD)微波等离子体化学气相沉积(MW-PCVD)电子回旋共振等离子体化学气相沉积(ECR-PCVD)5.2 化学气相沉积5.2 化学气相沉积5.2 化学气相沉积5.2 化学气相沉积
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