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时间:2019-07-08
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1、第13章化学汽相淀积在蒸发和溅射这些物理淀积方法中,粒子几乎直线运动,存在台阶覆盖问题。随着集成电路尺寸的不断缩小和纵横比的提高,使台阶覆盖问题更为突出。此外,蒸发和溅射主要用于金属薄膜的淀积,不太适用于半导体薄膜和绝缘薄膜的淀积。反应室反应气体输入SiH4(1%浓度)能量Si化学汽相淀积(ChemicalVaporDeposition,CVD)是基于化学反应的薄膜淀积方法。以气体形式提供的反应物质,在热能、等离子体、紫外光等的作用下,在衬底表面经化学反应(分解或合成)形成固体物质的淀积。废气排出2H2集成电路制造中所用的薄膜材料,包括介质膜、半导体膜、导体膜等,几乎都能用CVD工艺来淀积,
2、例如介质:SiO2、Si3N4、PSG、BSG、Al2O3、TiO2、Fe2O3半导体:Si、Ge、GaAs、GaP、AlN、InAs、多晶硅导体:Al、Ni、Au、Pt、Ti、W、Mo、WSi2CVD工艺的台阶覆盖性也很好。CVD的分类1、按温度,有低温(200~500oC)、中温(500~1000oC)和高温(1000~1300oC)CVD。2、按压力,有常压(APCVD)和低压(LPCVD)CVD。3、按反应室壁温度,有热壁CVD和冷壁CVD。热壁是指壁温高于晶片温度,通常是在反应室外采用电阻发热方式透过室壁对晶片进行加热。冷壁是指壁温低于晶片温度,可采用射频感应或电阻发热方式在反应室
3、内对基座进行加热。4、按反应激活方式,有热激活、等离子激活(PECVD)和紫外光激活等。5、按气流方向,有卧式CVD和立式CVD。13.1一种简单的硅淀积CVD系统如果反应是在硅片上方的气体中发生的,称为同质反应。如果反应是在硅片表面处发生的,则称为异质反应。在淀积多晶硅薄膜的CVD系统中,硅烷(SiH4)先通过同质反应产生气态的亚甲硅基(SiH2),然后亚甲硅基被吸附在硅片表面,通过异质反应而生成固体硅。一般不希望由同质反应直接生成固体硅。反应室反应气体输入SiH4(1%浓度)加热Si废气排出2H213.3气体流动和边界层从硅片表面气体流速v=0处到硅片上方v=0.99v0处之间的这一层气
4、体层称为边界层,或滞流层。主气流,v0反应气体基座滞流层xyL滞流层厚度将随气流方向的距离x而变化,滞流层在长度为L的基座上的平均厚度为式中,为气体的粘滞系数,为气体的质量密度。13.4简单CVD系统评价化学汽相淀积过程1、反应气体从反应室入口向硅片附近输运;2、反应气体通过同质反应生成系列次生分子;3、次生分子扩散穿过滞流层到达硅片表面并被吸附;4、在硅片表面发生异质反应生成固体薄膜;5、气体副产物解吸附;6、副产物离开硅片表面;7、副产物离开反应室。CVD过程中与淀积速率有关的两个关键步骤是:式中,,称为气相质量转移系数,a=1.75~2。2、在硅片表面处发生反应,生成薄膜。消耗掉的反应
5、剂的粒子流密度为式中,,称为表面反应速率常数。1、反应气体以扩散方式穿过滞流层到达硅片表面,并被吸附于硅片表面。这称为质量输运过程。扩散流密度为将以上各方程联立求解,可得稳态时,J1=J2=J,且淀积速率正比于J。式中,当温度较高时,hg<>ks,J=ksCg,淀积速率由ks决定。由于ks与温度密切有关,所以这时淀积速率与温度的关系很密切,必须严格控制温度及其均匀性,常采用热
6、壁系统。这时淀积速率与气流的关系不大,可设计成大批量系统。此外,Dg和与气压有关,所以在不同的气压范围,hg和ks的相对大小也不同。除了淀积速率以外,评价CVD系统的指标还有薄膜应力、台阶覆盖和薄膜的组分等。CVD薄膜的台阶覆盖性通常是很好的。CVD薄膜的主要问题是薄膜的化学组分。例如,在硅烷分解工艺形成的硅薄膜中可能含有高浓度的氢,使薄膜的密度降低。反应室中残存的氧和水可能与硅反应形成SiO2。用CVD法生长的SiO2膜中也可能含有其它化学成分而使薄膜的密度降低,通常需要在高温下氧气中进行“增密”处理。反应室是开放的,分为卧式和立式两种,以卧式更常用。在APCVD的压力和温度范围内hg和k
7、s处于同一数量级,必须考虑气流的影响,所以硅片应水平放置。为避免反应剂在反应室壁上淀积并产生掉渣,APCVD通常采用冷壁方式。APCVD中影响膜厚均匀性的因素:(1)的不均匀,(2)反应剂浓度由前至后的下降。改进方法是将基座设计成斜坡状,或采用LPCVD技术。气流13.5常压CVD(1)SiH4+O2系统,T=300~400oCSiH4+2O2SiO2+2H2O(3)TEOS+O2系统,T=500~700oC
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