第五章硅的氣相外延生長(zhǎng)§5.1真空基礎(chǔ)§5.2硅的氣相外延生長(zhǎng)§4.1真空基礎(chǔ)真空：低于1個(gè)大氣壓的氣體空間。粗真空：1×105～1×102Pa低真空：1×102～1×10-1Pa(滯流狀態(tài)向分子狀態(tài)過(guò)渡，分子平均自由程與容器相當(dāng)，對(duì)流現(xiàn)象消失)高真空：1×10-1～1×10-6Pa超高真空：<1×10-6Pa§4.1真空基礎(chǔ)1.單位－1Pa＝1N/m2－1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓＝1.013×105Pa－1bar=105Pa－1torr=1mmHg=133.3Pa－1PSI=6895Pa－1dyne/cm2＝0.1Pa2.理想氣體狀態(tài)方程:PV=NkT－玻爾茲曼常數(shù)k=1.38E-23J/mol－N：氣體分子數(shù)－T：絕對(duì)溫度/K§4.1真空基礎(chǔ)3.Dalton分壓定律在任何容器內(nèi)的氣體混合物中，如果各組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則某一氣體在氣體混合物中產(chǎn)生的分壓等于它單獨(dú)占有整個(gè)容器時(shí)所產(chǎn)生的壓力；而氣體混合物的總壓強(qiáng)等于其中各氣體分壓之和.Ptotal=P1+P2+…+PNNtotal=N1+N2+…+NNP1V=N1kTP2V=N2KT……PNV=NNkT分子速率服從Maxwell-Boltzman

速率分布，則平均速率§4.1真空基礎(chǔ)4.分子平均速率§4.1真空基礎(chǔ)5.分子平均自由程－分子密度：n=N/V；－分子直徑d0；例：300K的空氣，§4.1真空基礎(chǔ)Hertz-Knudsen公式6.入射速率－單位時(shí)間單位面積內(nèi)與固體表面發(fā)生碰撞的分子數(shù).例:300K空氣,入射速率約為3.8*1020*P.§4.1真空基礎(chǔ)§4.1真空基礎(chǔ)Knudsen定律－分子從固體表面反射碰撞于固體表面的分子，反射方向與入射方向無(wú)關(guān)，并按照與表面法線(xiàn)方向所成角度θ的余弦進(jìn)行分布，即一個(gè)分子離開(kāi)固體表面時(shí)，處于立體角dθ中的幾率為：（1）反射與分子原有方向性無(wú)關(guān)，按余弦定律分布；（2）分子停留在固體表面一段時(shí)間，與固體進(jìn)行動(dòng)量交換。θdθ外延：在一定條件下，通過(guò)一定方法獲得所需原子，并使這些原子有規(guī)則地排列在襯底上；在排列時(shí)控制有關(guān)工藝條件，使排列的結(jié)果形成具有一定導(dǎo)電類(lèi)型、一定電阻率、一定厚度、晶格完美的新單晶層的過(guò)程。外延層：由原始襯底表面起始，沿其結(jié)晶軸向（垂至于襯底的方向）平行向外延伸所生成的新單晶層。同質(zhì)外延：生長(zhǎng)的外延層材料與襯底材料結(jié)構(gòu)相同的外延生長(zhǎng)過(guò)程；異質(zhì)外延：結(jié)構(gòu)不同。直接外延：整個(gè)外延層生長(zhǎng)中無(wú)中間化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的外延生長(zhǎng)過(guò)程（真空度要求高、重復(fù)性差）；間接外延：外延所需的原子由含其基元的化合物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)得到，然后淀積、加接形成外延層的外延生長(zhǎng)過(guò)程。§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)物理方法蒸發(fā)濺射化學(xué)方法LPCVDPECVD薄膜淀積襯底薄膜PVDEvaporationSputtering§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)化學(xué)氣相淀積指把含有構(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(guò)程。1.APCVD（Atmosphericpressure）高淀積速率,簡(jiǎn)單,高效;均勻性差,純度低;常用于生長(zhǎng)厚氧化層.易二維成核，一般不用于IC制造.2.LPCVD(0.2~20torr)均勻性和純度高;淀積速率較APCVD低;常用于生長(zhǎng)多晶硅,摻雜和非摻雜介質(zhì)層.工作溫度較高，IC制造中一般不用于后端，常用作SpacerOxide工藝.SiH4+O2(420oC)3.SACVD（sub-atmosphere）低溫,IC中常用于制作ILD層PSG和BPSG（TEOS+O3,400oC）.良好的stepcoverage(>95%),也可用于spaceroxide制作.4.MOCVD可生長(zhǎng)半導(dǎo)體,金屬和介質(zhì)材料;毒性高,原料貴,廢氣處理困難;常用于生長(zhǎng)III-V化合物和某些金屬(WPlug和Cu)5.PECVD可低溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),常用于集成電路后端介質(zhì)淀積工藝；有等離子體損傷.常用于ILD阻擋介質(zhì)層(SiN)工藝.SiH4+NH3(200-400oC)6.HDPCVD

常用于集成電路后端介質(zhì)IMD淀積工藝；

填充能力好,一般用于制作low-k.§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)PECVD§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)ThermalCVDPECVDHDPCVDBottomfillingStepCoverage

CVD機(jī)理氣體輸運(yùn)反應(yīng)表面遷移成核/生長(zhǎng)副產(chǎn)物向外擴(kuò)散副產(chǎn)物解吸附停滯層吸附§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)邊界層及其特性一定流速v0的流體經(jīng)過(guò)表面時(shí)，由于氣流與襯底的摩擦力導(dǎo)致固體表面出現(xiàn)一個(gè)流體速度受到干擾而變化的薄層，稱(chēng)為邊界層或滯流層。一般定義薄層厚度δ為流速為0.99v0處的厚度。δv0V=v0§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)邊界層厚度δ與流體流速v0、黏滯系數(shù)η、流體密度ρ和位置x有關(guān)：δv0v=0.99v0x=0§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)邊界層內(nèi)流速很慢，因此反應(yīng)物的輸運(yùn)主要以擴(kuò)散為主。由于襯底上反應(yīng)物的消耗導(dǎo)致在固體表面產(chǎn)生一個(gè)具有反應(yīng)物濃度梯度的薄層，稱(chēng)為擴(kuò)散層或質(zhì)量邊界層。其中D為擴(kuò)散系數(shù)，Pr為普蘭特?cái)?shù).對(duì)于氣體，一般Pr=0.6~0.8,δ(x)

<δc.對(duì)于液體，Pr>1,δc<<δ(x).§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)同樣從熱傳導(dǎo)角度分析，在發(fā)熱的平板上方，氣體中也存在一個(gè)溫度變化的薄層，此薄層中熱傳遞主要靠擴(kuò)散進(jìn)行，而不是對(duì)流，該薄層稱(chēng)為溫度邊界層?！?.2硅的氣相外延生長(zhǎng)邊界層厚度與薄膜生長(zhǎng)邊界層將薄膜生長(zhǎng)和反應(yīng)物層流分開(kāi),反應(yīng)物向襯底輸運(yùn)減弱,影響了薄膜生長(zhǎng);提高反應(yīng)氣體向襯底的輸運(yùn),需要減小邊界層厚度;-提高氣體流速,增加氣體雷諾數(shù)值(CVD中雷諾數(shù)在幾百左右，如H2約100);-工業(yè)過(guò)程一般Re<2000,氣體成薄層狀態(tài)；當(dāng)氣體雷諾數(shù)超過(guò)2100,將發(fā)生層流向渦流的轉(zhuǎn)變,不穩(wěn)定的氣體渦旋將影響薄膜生長(zhǎng)的穩(wěn)定性;-因?yàn)閿U(kuò)散系數(shù)D與壓強(qiáng)成反比,所以減小反應(yīng)器中的壓力可以提高氣體的輸運(yùn)速率;Grove模型CGCsF2F1δcCG:邊界層外反應(yīng)物濃度；Cs:襯底表面反應(yīng)物濃度；δC

：擴(kuò)散層厚度；F1：流向襯底表面的粒子流密度；F2：外延生長(zhǎng)消耗反應(yīng)物粒子流密度；hG：氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)；ks：表面反應(yīng)速率常數(shù)?！?.2硅的氣相外延生長(zhǎng)§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)設(shè)固體材料原子密度為N，則生長(zhǎng)速率Gr設(shè)每立方厘米的分子數(shù)為CT，含有反應(yīng)物的摩爾分?jǐn)?shù)為Y，則CG＝CTY，則§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)溫度和壓力對(duì)生長(zhǎng)速率的影響§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)相對(duì)APCVD，LPCVD常見(jiàn)工作條件為：P：氣壓從1atom.變?yōu)?Torr左右，～下降1000倍；V0：由于泵抽氣增加～100倍；D:上升1000倍；擴(kuò)散層厚度δc

：(ρv0)-1/2上升約101/2倍；hG=D/δc上升約300倍。因此LPCVD更可能是表面反應(yīng)速率控制的過(guò)程。LPCVD速率決定因素估算§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)氣流速度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響GrV01/2質(zhì)量輸運(yùn)限制表面反應(yīng)限制§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)Eversteyn

模型F.C.Eversteynetal.JournalofElectrochemicalSociety.1970,117(7):925-931§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)軸向生長(zhǎng)速率（基片法線(xiàn)方向與氣體流動(dòng)方向垂直）穩(wěn)態(tài)解為：濃度的變化率：質(zhì)量流擴(kuò)散（生長(zhǎng)質(zhì)量等于質(zhì)量流的變化）§4.2硅的氣相外延生長(zhǎng)非擴(kuò)散限制近似（vb>Dδ）：沉積流：－沉積流隨距離增長(zhǎng)指數(shù)下降。－軸向生長(zhǎng)速率很不均勻；－可以?xún)A斜基片提高軸向生長(zhǎng)速率的均勻性?！?.2硅的氣相外延生長(zhǎng)徑向生長(zhǎng)速率（基片法線(xiàn)方向與氣體流動(dòng)方向平行）穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程：小間距近似：生長(zhǎng)速率：其中，k為表面反應(yīng)速率，I0為零階Bessel函數(shù)?！?.2硅的氣相外延生長(zhǎng)LPCVD特點(diǎn)（1）由于hG大，因此生長(zhǎng)速率較高；（2）臺(tái)階覆蓋較好；（3）片內(nèi)和片間薄膜厚度均勻性好；（4）擴(kuò)散層厚度與氣流模式有關(guān)；（5）存在質(zhì)量耗盡現(xiàn)象?！?.2硅的氣相外延生長(zhǎng)硅外延層的摻雜與自摻雜N型摻雜：PCl3，